Budowa Robotów dla początkujących 9788324650651 [PDF]

Zitiervorschau

Ebookpoint.pl

Tytuł oryginału: Robot Building for Beginners Tłumaczenie: Jacek Janczyk (wstęp, rozdz. 1 – 19, 27), Łukasz Piwko (rozdz. 20 – 26) ISBN: 978-83-246-5065-1 Original edition copyright © 2009 by David Cook. All rights reserved. Polish edition copyright © 2012 by Helion S.A. All rights reserved. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from the Publisher. Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELION nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63 e-mail: [email protected] WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek) Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres http://helion.pl/user/opinie/budrob_ebook Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję. Printed in Poland. • Poleć książkę na Facebook.com • Kup w wersji papierowej • Oceń książkę

Ebookpoint.pl

• Księgarnia internetowa • Lubię to! » Nasza społeczność

Tym wszystkim, którzy w zwyczajnych, otaczających nas każdego dnia przedmiotach dostrzegają potencjał tego, czym mogłyby się stać.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

4 Ebookpoint.pl

Spis treści O autorze ...............................................................................................................17 O korektorze merytorycznym .................................................................................19 Podziękowania ......................................................................................................21 Wprowadzenie ......................................................................................................23 Dla kogo jest ta książka? ......................................................................................................................23 „Gdzie jest ten rozdział o robocie zabójcy?” .............................................................................23 „Houston, mamy problem!” ........................................................................................................23 Nie jesteś gotów, aby nauczyć się lutować? ...............................................................................24 LEGO to za mało, lecz wciąż nie chcesz lutować? ....................................................................24 Uwaga dotycząca listy części ...............................................................................................................24 Bądź na bieżąco .....................................................................................................................................24

Rozdział 1.

Witaj, twórco robotów! .........................................................................................25 Cztery dziedziny ...................................................................................................................................25 Anatomia amatorskiego robota ..........................................................................................................26 Układy sterujące ............................................................................................................................27 Zasilanie elektryczne .....................................................................................................................27 Czujniki ...........................................................................................................................................29 Napęd i interakcja z otoczeniem .................................................................................................30 Pozostałe elementy ........................................................................................................................31 Korpus .............................................................................................................................................32 Proces budowy ......................................................................................................................................32 Kawałek po kawałku .....................................................................................................................33 Tworzenie komponentów ............................................................................................................33 Wyluzuj i baw się dobrze ..............................................................................................................33 Znajdź towarzyszy i pomoc ..........................................................................................................35 Dalej w las ..............................................................................................................................................35

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rozdział 2.

Gdzie zdobyć narzędzia i podzespoły ....................................................................37 Zamów bezpłatne informacje .............................................................................................................37 Odczytaj ukryte informacje ................................................................................................................38 Zwróć uwagę na kolumny ............................................................................................................38 Licz strony ......................................................................................................................................39 Porównuj ceny ...............................................................................................................................39 Oszczędzaj pieniądze ...........................................................................................................................39

Rozdział 3.

Zasady bezpieczeństwa .........................................................................................43 Korzystaj z wieku i doświadczenia .....................................................................................................43 Przestrzegaj instrukcji ..........................................................................................................................43 Czytanie etykiet na środkach chemicznych ...............................................................................44 Noś okulary ochronne ..................................................................................................................44 Zawieszaj okulary albo kładź szkłem do góry ...........................................................................45 Używaj ubrań ochronnych ..................................................................................................................45 Zapewnij właściwą wentylację ............................................................................................................45 Właściwie przechowuj materiały i narzędzia ...................................................................................46 Informuj o tym, co robisz i czego używasz ................................................................................46 Umyj się przed jedzeniem ...................................................................................................................46 Unikaj groźnych substancji .................................................................................................................46 Ołów ................................................................................................................................................47 Rtęć ..................................................................................................................................................47 Kadm ...............................................................................................................................................48 Kupuj bezpieczne części z oznaczeniem RoHS .........................................................................48 Porażenia ...............................................................................................................................................49 Prąd stały czy prąd przemienny ..................................................................................................49 Używaj akumulatorków i firmowych ładowarek ......................................................................49 Użycie bezpieczników automatycznych i wyłączników różnicowoprądowych ...................49 Zadbaj o uziemienie ......................................................................................................................51 Odłączaj zasilanie ..........................................................................................................................52 Trzymaj się z daleka od niebezpiecznych robotów .........................................................................52 Dobierz rozmiar silników ....................................................................................................................52 Dobierz oświetlenie ..............................................................................................................................52 Bądź wypoczęty i zrównoważony ......................................................................................................53

Rozdział 4.

Uniwersalny miernik cyfrowy ................................................................................55 Niezbędne cechy ...................................................................................................................................56 Powinien to być miernik cyfrowy ...............................................................................................56 Ilość wyświetlanych cyfr ...............................................................................................................56 Pomiar napięcia stałego ................................................................................................................57 Pomiar prądu stałego ....................................................................................................................57 Pomiar rezystancji .........................................................................................................................57 Końcówki lub wyprowadzenia testowe ......................................................................................57 Bezpiecznik lub zabezpieczenie przed przeciążeniem .............................................................57 Przydatne cechy ....................................................................................................................................58 Pomiar pojemności .......................................................................................................................58 Badanie diod ...................................................................................................................................58

6 Ebookpoint.pl

SPIS TREŚCI

Badanie ciągłości obwodu ............................................................................................................58 Pomiar częstotliwości ...................................................................................................................58 Pomiar wypełnienia przebiegu ....................................................................................................59 Automatyczny dobór zakresów ...................................................................................................59 Automatyczne wyłączanie ............................................................................................................60 Pomiar tranzystorów ....................................................................................................................60 Podwójny wyświetlacz ..................................................................................................................61 Pomiar wartości maksymalnej ....................................................................................................61 Pomiar wartości minimalnej .......................................................................................................61 Podstawka .......................................................................................................................................61 Dodatkowe cechy .................................................................................................................................62 Pomiar indukcyjności ...................................................................................................................62 Interfejs komunikacyjny RS-232 lub USB .................................................................................62 Funkcja oscyloskopu .....................................................................................................................62 Podświetlenie .................................................................................................................................63 Stoper (miernik) szerokości impulsu .........................................................................................63 Pomiar temperatury ......................................................................................................................63 Pomiar natężenia dźwięku ...........................................................................................................63 Licznik zdarzeń ..............................................................................................................................63 Wskaźnik paskowy ........................................................................................................................63 Zatrzymanie wartości pomiaru ...................................................................................................64 Podtrzymanie odczytu ..................................................................................................................64 Pomiar stanów logicznych ...........................................................................................................64 Pamięć pomiarów ..........................................................................................................................64 Pomiar względny ...........................................................................................................................64 Pomiar przesunięcia ......................................................................................................................64 Wykrywanie przekroczenia zadanego poziomu .......................................................................65 Uchwyt lub gumowa osłona ........................................................................................................65 Funkcje dotyczące prądu przemiennego ..........................................................................................65 Pomiar napięcia przemiennego ...................................................................................................65 Pomiar „True RMS” (prawdziwej wartości skutecznej) ..........................................................66 Pomiar prądu przemiennego .......................................................................................................66 Zdobądź zaciski haczykowe ................................................................................................................66 Porównanie konkretnych mierników ................................................................................................67 Możliwości taniego miernika .......................................................................................................67 Możliwości miernika ze średniej półki .......................................................................................69 Możliwości miernika klasy wyższej ............................................................................................70 Porównanie cen i możliwości ......................................................................................................72 Dalsza praca bez miernika ..................................................................................................................72

Rozdział 5.

Wartości i jednostki ...............................................................................................73 Wybór systemu metrycznego .............................................................................................................73 Pozbywanie się potęg tysiąca ..............................................................................................................73 „M” i „m” ........................................................................................................................................75 Alternatywa dla greckiego „mikro” ............................................................................................75 Skróty dla jednostek .............................................................................................................................76

7 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Gdy brakuje miejsca .............................................................................................................................76 Określanie brakującej jednostki ..................................................................................................77 Rozkodowanie trzech cyfr ............................................................................................................78 Zamiana kolorów na wartości .....................................................................................................78 Określenie wartości elementu przy użyciu miernika cyfrowego ............................................80 Omówiłem podstawy ...........................................................................................................................80

Rozdział 6.

Robot podążający wzdłuż linii ...............................................................................81 Budowa trasy .........................................................................................................................................82 Powierzchnia trasy ........................................................................................................................82 Oświetlenie trasy ............................................................................................................................82 Linia wyznaczająca trasę ...............................................................................................................82 Zakręty i przecięcia linii ...............................................................................................................84 Budowa trasy — podsumowanie .................................................................................................85 Wybór rozmiaru robota ......................................................................................................................85 Przedstawiam „Kanapkę” ....................................................................................................................86 Anatomia „Kanapki” .....................................................................................................................86 Korpus „Kanapki” .........................................................................................................................91 Budowa ..................................................................................................................................................94

Rozdział 7.

Baterie i akumulatorki 9-woltowe .........................................................................95 Pomiar napięcia baterii ........................................................................................................................96 Przygotowanie miernika do pomiaru napięcia .........................................................................96 Interpretacja wyników pomiaru ..................................................................................................98 Charakterystyka baterii i akumulatorków 9-woltowych ...................................................................98 Zalecenia dla ogniw 9-woltowych ....................................................................................................100 Polecane ogniwa ..........................................................................................................................100 Niepolecane ogniwa ....................................................................................................................102 Marki i producenci ogniw .................................................................................................................104 Użycie ogniw 9-woltowych w robotach ..........................................................................................104 Montaż baterii ..............................................................................................................................105 Idźmy z prądem ..................................................................................................................................106

Rozdział 8.

Zaciski i końcówki pomiarowe ............................................................................ 107 Krokodyle są dziś głodne ...................................................................................................................107 Zaciski haczykowe ..............................................................................................................................108 Sprawdzanie przewodów pomiarowych .........................................................................................109 Ustawienie trybu pomiaru ciągłości obwodów .......................................................................109 Test otwartego obwodu ..............................................................................................................110 Test zamkniętego obwodu .........................................................................................................111 Test połączenia przewodem mostkującym z krokodylkami .................................................111 Wykrywanie niepożądanych połączeń ............................................................................................112 Hydraulik z kabelkami .......................................................................................................................113

Rozdział 9.

Rezystory ............................................................................................................. 115 Ograniczanie napięcia i prądu za pomocą rezystorów .................................................................115 Zdobądź zestaw rezystorów o różnych wartościach .....................................................................116 Dlaczego ważny jest rozmiar i tolerancja ........................................................................................116 Wycinanki ...........................................................................................................................................117 Zaopatrz się w cążki do cięcia przewodów ..............................................................................117

8 Ebookpoint.pl

SPIS TREŚCI

Rezystancja i omy ...............................................................................................................................118 Pomiar rezystancji ..............................................................................................................................119 Interpretacja wartości rezystancji wyświetlanej przez miernik ............................................119 Poznaj zakresy pomiarowe rezystancji .....................................................................................120 Sprawdzanie wartości rezystora on-line .........................................................................................121 Oznaczanie i przechowywanie .........................................................................................................121 Zdobądź pojemniki na części .....................................................................................................122 Powstrzymaj pokusę, aby kawałek przeskoczyć ............................................................................123

Rozdział 10. Diody świecące (LED) .......................................................................................... 125 Cechy diod świecących ......................................................................................................................125 Rozmiary diod świecących .........................................................................................................125 Kształty diod świecących ............................................................................................................127 Przejrzystość obudowy diody ....................................................................................................128 Kąty widzenia ...............................................................................................................................129 Kolory diod ...................................................................................................................................129 Jasność diod świecących .............................................................................................................130 Sprawność diod świecących .......................................................................................................131 Spojrzenie z bliska na budowę diody ...............................................................................................131 Rozróżnianie diod wielokolorowych ...............................................................................................132 Diody dwukolorowe ....................................................................................................................133 Diody trójkolorowe lub trójstanowe ........................................................................................133 Diody pełnokolorowe .................................................................................................................133 Sprawdzanie diod świecących ...........................................................................................................134 Przygotowanie miernika do badania diody .............................................................................134 Interpretacja wyników badania diody świecącej .....................................................................135 Diody w zestawach .............................................................................................................................137 Rozświetlamy drogę ...........................................................................................................................137

Rozdział 11. Włączamy zasilanie! ............................................................................................ 139 Poznajemy listę elementów ...............................................................................................................139 Sprawdzanie części przed montażem .......................................................................................139 Czytanie schematów elektrycznych .................................................................................................140 Budujemy obwód wskaźnika zasilania ............................................................................................141 Czy widzisz światło? ....................................................................................................................142 Kilka eksperymentów z obwodem wskaźnika zasilania .........................................................142 Zadania każdego z elementów ..........................................................................................................142 Pomiary obwodu wskaźnika zasilania .............................................................................................142 Pomiar napięcia w obwodzie .....................................................................................................143 Pomiar prądu ...............................................................................................................................146 Obliczanie żywotności baterii ....................................................................................................147 Nie próbuj mierzyć napięcia z przewodem włożonym do gniazda do pomiaru prądu ....150 Podsumowanie wiedzy o obwodach ................................................................................................151

Rozdział 12. Budowa prototypów bez lutowania .................................................................... 153 Potrzeba czegoś lepszego ...................................................................................................................153 Płytki montażowe niewymagające lutowania ................................................................................153 Połączenia w otworkach .............................................................................................................154 9 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Gniazda przyłączeniowe .............................................................................................................158 Płytki stykowe wysoce pożądane ...............................................................................................159 Przewody do pracy z płytkami stykowymi .....................................................................................160 Wybór przewodów mostkujących ............................................................................................161 Jak zrobić własne przewody mostkujące .........................................................................................163 Usuwanie izolacji z końcówek przewodu ................................................................................163 Przycięcie przewodu do odpowiedniej długości .....................................................................164 Zagięcie końcówek przewodu ....................................................................................................165 Połączenia ............................................................................................................................................167

Rozdział 13. Przygotowanie płytki prototypowej do pracy ..................................................... 169 Rozważania na temat źródła zasilania .............................................................................................169 Zatrzaski do baterii 9 V ..............................................................................................................170 Podłączenie zasilania do gniazd przyłączeniowych ...............................................................170 Wybór wyłącznika zasilania ..............................................................................................................171 Co oznacza SPDT? ......................................................................................................................172 Montaż wyłącznika zasilania na płytce prototypowej ............................................................173 Połączenie szyn zasilających .............................................................................................................173 Dopasowanie końcówek pomiarowych miernika przy użyciu przewodu mostkującego ........173 Podłączanie dolnej szyny zasilającej .........................................................................................175 Podział na środku ........................................................................................................................175 Montaż diodowego wskaźnika zasilania .........................................................................................175 Pomiar napięcia w wybranych punktach .................................................................................176 Przycinanie wyprowadzeń .........................................................................................................176 Cała prawda o wyłączniku zasilania robota ....................................................................................177 Gotowi na więcej? ...............................................................................................................................178

Rozdział 14. Rezystory zmienne ............................................................................................... 179 Potencjometry .....................................................................................................................................179 Potencjometr dostrojczy .............................................................................................................180 Obracanie pokrętła ......................................................................................................................181 Zakup trymerów ..........................................................................................................................181 Pomiary potencjometru ..............................................................................................................181 Obwód z diodą świecącą o regulowanej jasności ...........................................................................183 Budowa obwodu z diodą świecącą o regulowanej jasności ...................................................184 Obwód równoważenia jasności diod ...............................................................................................184 Budowa obwodu pozwalającego na zrównoważenie jasności diod .....................................185 Fotorezystory na bazie siarczku kadmu ..........................................................................................185 Wybór fotorezystorów ................................................................................................................186 Doświadczenie z fotorezystorem ...............................................................................................187 Obwód sterowany światłem ..............................................................................................................187 Zrównoważony układ odczytu jasności ..........................................................................................188 Lista elementów ...........................................................................................................................188 Czujniki w parach ........................................................................................................................189 Dobieranie fotorezystorów ........................................................................................................189 Potencjometr do równoważenia rezystancji ............................................................................190 Rezystor ograniczający prąd ......................................................................................................190 Punkty testowe .............................................................................................................................191 10 Ebookpoint.pl

SPIS TREŚCI

Zamiana rezystancji na napięcie przy użyciu dzielnika napięcia .........................................193 Budujemy zrównoważony układ odczytu jasności .................................................................193 Niemożność zbalansowania układu odczytu jasności ...........................................................194

Rozdział 15. Komparatory ....................................................................................................... 195 Komparator napięciowy ....................................................................................................................195 Analiza układu LM393 ...............................................................................................................196 Zakup komparatorów .................................................................................................................199 Obwód porównywania jasności z komparatorem .........................................................................199 Porównanie schematu elektrycznego z diagramem połączeń ..............................................199 Oznaczenia elementów ...............................................................................................................200 Rysowanie połączonych i niepołączonych przewodów .........................................................200 Zasada działania obwodu porównywania jasności z komparatorem ..................................201 Lista elementów obwodu porównywania jasności z komparatorem ...................................201 Budowa obwodu porównywania jasności opartego na komparatorze ................................201 Dodajemy reflektory ..........................................................................................................................204 Działanie obwodu reflektorów z dwiema diodami LED .......................................................205 Budowa obwodu reflektorów .....................................................................................................206 Powtarzamy sztuczkę z połączeniem kilku diod .....................................................................206 Doceniamy prostotę ...........................................................................................................................207

Rozdział 16. Przełączniki tranzystorowe .................................................................................. 209 Czym jest „plus” i „minus” zasilania ...............................................................................................210 Poznajemy tranzystor 2907A .....................................................................................................210 Badanie miernikiem tranzystora bipolarnego ................................................................................212 Badanie miernikiem wyposażonym w gniazdo pomiaru tranzystorów ..............................212 Badanie tranzystora, gdy nie posiadasz noty katalogowej .....................................................214 Badanie tranzystora miernikiem wyposażonym jedynie w tryb badania diod ..................215 Obwody pomiarowe dla tranzystorów bipolarnych ......................................................................216 Schemat obwodu do badania tranzystorów PNP ...................................................................216 Budowa obwodu do badania tranzystorów PNP ....................................................................218 Schemat obwodu do badania tranzystorów NPN ..................................................................219 Budowa obwodu do badania tranzystorów NPN ...................................................................220 Obwód porównywania jasności z tranzystorami ...........................................................................220 Obliczanie wartości rezystorów ograniczających ...................................................................220 Budowa obwodu porównywania jasności z komparatorem i tranzystorami .....................222 Podsumowanie informacji o tranzystorach PNP i NPN ..............................................................223

Rozdział 17. Silniki prądu stałego ............................................................................................ 225 Zasada działania silnika prądu stałego ............................................................................................225 Rzut oka do wnętrza komutatorowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi i żelaznym rdzeniem ...............................................................................................226 Zaglądamy do wnętrza silnika bezszczotkowego ....................................................................229 Budowa silnika komutatorowego z magnesem trwałym, ale bez rdzenia ..............................231 Prosty obwód z silnikiem prądu stałego .........................................................................................232 Wybór silnika ...............................................................................................................................232 Wybór baterii ...............................................................................................................................233 Budowa prostego obwodu z silnikiem prądu stałego .............................................................233 11 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Podstawowe parametry silników prądu stałego .............................................................................234 Prędkość obrotowa silników prądu stałego .............................................................................234 Moment obrotowy silników ......................................................................................................237 Charakterystyka napięciowa silnika prądu stałego ................................................................240 Charakterystyka prądowa silnika prądu stałego .....................................................................241 Analiza poboru prądu przez silniki ..........................................................................................244 Sprawność silnika prądu stałego ...............................................................................................245 Głośność silnika ............................................................................................................................245 Zakłócenia (szumy) elektryczne wnoszone przez silnik prądu stałego ...............................245 Ciężar silników elektrycznych ...................................................................................................246 Wymiary silników .......................................................................................................................246 Podsumowanie właściwości silników prądu stałego ..............................................................247 Silniki z przekładnią ...........................................................................................................................247 Budowa silnika z przekładnią zębatą ........................................................................................248 Współczynnik przełożenia przekładni .....................................................................................250 Niedoskonałość zamiany prędkości na moment obrotowy ..................................................252 Wady stosowania przekładni .....................................................................................................252 Porównanie przekładni planetarnych i zębatych ....................................................................252 Dobór silnika z przekładnią .......................................................................................................253 Co dalej? ...............................................................................................................................................254

Rozdział 18. Dodajemy silniki z przekładnią ............................................................................ 255 Wybór silnika z przekładnią .............................................................................................................255 Zakup silników z przekładnią ....................................................................................................256 Badamy silnik z przekładnią ......................................................................................................257 Dodajemy silniki do naszego obwodu porównywania jasności z komparatorem ....................259 Poznajemy diodę .........................................................................................................................260 Dołączenie silników do obwodu porównywania jasności .....................................................261 Zakończyliśmy część elektroniczną .................................................................................................263

Rozdział 19. Koła ..................................................................................................................... 265 Budowa koła ........................................................................................................................................265 Cechy kół robota .................................................................................................................................266 Wypełnienie powietrzem ...........................................................................................................266 Kształty opon ...............................................................................................................................267 Szerokość opon ............................................................................................................................268 Średnica opony ............................................................................................................................269 Wybieramy koła dla robota .......................................................................................................271 Wybór kół dla „Kanapki” ..................................................................................................................272 Określenie minimalnej i maksymalnej średnicy kół ..............................................................273 Określanie maksymalnej średnicy w zależności od prędkości ..............................................273 Mój wybór kół dla robota „Kanapki” .......................................................................................274 Wybór innych kół dla „Kanapki” ..............................................................................................275 Czyszczenie opon ...............................................................................................................................278 Na kołach do przodu ..........................................................................................................................279

12 Ebookpoint.pl

SPIS TREŚCI

Rozdział 20. Łączniki ................................................................................................................ 281 Inne rozwiązania ................................................................................................................................281 Ręczne wykonanie łączników ....................................................................................................282 Rurki .....................................................................................................................................................282 Wybór materiału na rurkę .........................................................................................................282 Zakup rurek o odpowiednich rozmiarach ...............................................................................283 Mierzenie i cięcie rurek .....................................................................................................................285 Określanie i oznaczanie długości rurek ...................................................................................285 Cięcie rurek ..................................................................................................................................285 Szlifowanie uciętej krawędzi ......................................................................................................288 Testowanie uciętych kawałków .................................................................................................288 Osie krzyżakowe LEGO .....................................................................................................................289 Wybór osi o odpowiedniej długości .........................................................................................289 Zakup osi krzyżakowych z klocków LEGO .............................................................................289 Klejenie części łącznika ......................................................................................................................290 Rozklejanie się elementów .........................................................................................................290 Montaż wkrętu dociskowego ............................................................................................................292 Oznaczanie miejsca do wywiercenia otworu na wkręt dociskowy ......................................292 Stojak do wiertarki ......................................................................................................................292 Wiercenie otworu na wkręt dociskowy ....................................................................................294 Gwintowanie otworu ..................................................................................................................294 Wkładanie wkrętu dociskowego ...............................................................................................295 Wspaniały łącznik ..............................................................................................................................296

Rozdział 21. Sprzęt do lutowania ............................................................................................ 297 Drut do lutowania ..............................................................................................................................298 Topnik ..................................................................................................................................................299 Lutownica ............................................................................................................................................299 Podstawka pod lutownicę .................................................................................................................301 Gąbka ...................................................................................................................................................301 Uchwyt pomocniczy ..........................................................................................................................302 Odsysacze do cyny ..............................................................................................................................303 Lutowanie krok po kroku ..................................................................................................................304 Do biegu gotowi: lutujemy ................................................................................................................304

Rozdział 22. Lutowanie i łączenie ............................................................................................ 305 Montaż silników i przełączników ....................................................................................................305 Montaż silników ..........................................................................................................................306 Montaż przełącznika trybu śledzenia linii ...............................................................................317 Obwód diodowego oświetlenia „komory silników” ...............................................................322 Kończenie pracy ..........................................................................................................................323 Lutowanie ............................................................................................................................................324

Rozdział 23. Finalny montaż elementów na płytce .................................................................. 325 Układ śledzenia linii ...........................................................................................................................325 Optymalizacja wydajności działania robota ............................................................................327 Lutowanie punktowe a lutowanie na płytce drukowanej .................................................................328 Lutowanie punktowe układu śledzenia linii ............................................................................330 13 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Testowanie układu robota .................................................................................................................337 Uwaga na niską rezystancję .......................................................................................................337 Nieprzylutowane wyprowadzenia .............................................................................................337 Sprawdź wszystkie wyprowadzenia podłączone bezpośrednio do dodatniego źródła napięcia .......................................................................337 Pomiar rezystancji całego obwodu ...........................................................................................338 Pomiar spadku napięcia .............................................................................................................339 Podgrzewanie spoin z lutowia ...................................................................................................340 Wstrzymaj oddech .............................................................................................................................340

Rozdział 24. Korpus, czyli obudowa ........................................................................................ 341 Wybór obudowy .................................................................................................................................341 Bujanie w obłokach, czyli wymyślanie obudowy idealnej .....................................................341 Sprowadzenie na ziemię, czyli szukanie dostępnych części ..................................................341 Projektowanie własnej obudowy ...............................................................................................342 Korzystanie z gotowych produktów .........................................................................................344 Obudowa z pojemnika na kanapki ..................................................................................................345 Wycinanie otworów na silniki ...................................................................................................345 Montowanie silników .................................................................................................................348 Montaż rurki podtrzymującej silniki ........................................................................................350 Montaż silników i rurki ..............................................................................................................354 Montaż przełączników i oprawki baterii .................................................................................354 Montaż płytki układu ..................................................................................................................356 Wiercenie otworów na potencjometry .....................................................................................360 Wycinanie okna w wieczku pojemnika ....................................................................................360 Czynności końcowe ....................................................................................................................361 Zwarty i gotowy ..................................................................................................................................361

Rozdział 25. Uruchamianie robota ........................................................................................... 363 Poprawki i dostrajanie .......................................................................................................................363 Oględziny ......................................................................................................................................363 Próbne uruchomienie — jazda po prostej linii .......................................................................367 Rozwiązywanie typowych problemów .....................................................................................367 Czy on jedzie prosto? ..................................................................................................................371 Dziewicza podróż ...............................................................................................................................373 Rozwiązywanie problemów ze sterowaniem ...........................................................................373 Możliwości udoskonalania ................................................................................................................374 Zabezpieczenie przed niepoprawnym podłączeniem baterii ................................................374 Zapobieganie przepięciom przy użyciu kondensatorów .......................................................375 Poprawianie podążania za linią .................................................................................................376 Podsumowanie ....................................................................................................................................378

Rozdział 26. Dalszy rozwój ...................................................................................................... 379 Części do robotów ..............................................................................................................................379 Układy logiczne ...........................................................................................................................379 Mikrokontrolery ..........................................................................................................................380 Stabilizatory napięcia ..................................................................................................................381

14 Ebookpoint.pl

SPIS TREŚCI

Kondensatory ...............................................................................................................................383 Wykorzystanie energii słonecznej .............................................................................................384 Drabinki rezystorów ...................................................................................................................385 Przyciski ........................................................................................................................................386 Przełączniki DIP ..........................................................................................................................386 Zworki ...........................................................................................................................................387 Czujnik nachylenia ......................................................................................................................388 Czujniki temperatury ..................................................................................................................388 Czujniki dotyku ...........................................................................................................................389 Wykrywanie przedmiotów i zdalne sterowanie za pomocą podczerwieni ..............................389 Czujnik odległości i przedmiotów ............................................................................................390 Oscylatory i rezonatory kwarcowe ............................................................................................391 Dźwięk ...........................................................................................................................................391 Przekaźniki ...................................................................................................................................392 Koła zębate ...................................................................................................................................393 Serwomechanizmy ......................................................................................................................394 Kodery, czyli mierzenie prędkości obrotowej kół ..................................................................394 Wyświetlacze ................................................................................................................................395 Bezprzewodowe sterowanie i przesyłanie danych ..................................................................396 Codzienne wyzwania .........................................................................................................................396 Robot do podlewania kwiatów ..................................................................................................397 Wózek na kompost ......................................................................................................................397 Robot śmieciarz ...........................................................................................................................397 Robot do mycia okien .................................................................................................................397 Dachowy dozorca ........................................................................................................................397 Miniaturowy pług do odśnieżania ............................................................................................398 Pogromca ślimaków ....................................................................................................................398 Robot listonosz ............................................................................................................................398 Zawody .................................................................................................................................................398 Robocomp ....................................................................................................................................398 Cybairbot ......................................................................................................................................399 Robotic Arena ..............................................................................................................................399 PozRobot .......................................................................................................................................399 Cały świat możliwości ........................................................................................................................399

Rozdział 27. Dodatek ............................................................................................................... 401 Magiczne prawo Ohma .....................................................................................................................401 Prawo Ohma pomaga dobierać rezystory ograniczające .......................................................402 Pomoc w określeniu natężenia prądu na podstawie napięcia ...............................................402 Klucz do prawa Ohma ................................................................................................................403 Dalsze skutki prawa Ohma ........................................................................................................403 Rzeczy, które niechcący popsułem, pracując nad tą książką ........................................................403 W którą stronę podłączyłem baterię 9 V? ................................................................................404 Stopione przełączniki ..................................................................................................................405

15 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Strzelające bezpieczniki w mierniku .........................................................................................406 Niech mnie, znowu! ....................................................................................................................406 Właściwe nazewnictwo napięć .........................................................................................................407 Masa zamiast „minusa” zasilania ..............................................................................................407 V z podwójnymi literami ............................................................................................................407

Skorowidz ........................................................................................................... 409

16 Ebookpoint.pl

O autorze

David Cook od ponad dziesięciu lat dzieli się swoim doświadczeniem w zakresie budowy robotów z czytelnikami prowadzonego przez siebie popularnego serwisu RobotRoom.com, a także na łamach swoich dwóch książek wydanych przez wydawnictwo Apress. Inspiracją dla Davida było umieszczenie na Marsie wysłanego przez NASA łazika Sojourner. Na co dzień David zajmuje się tworzeniem oprogramowania. Karierę rozpoczął od pisania wielokrotnie nagradzanych gier wideo na wczesne komputery Apple Macintosh. Później, w Motoroli tworzył aplikacje z zakresu bezpieczeństwa publicznego dla policji, medycznych służb ratunkowych i straży pożarnej, a także zarządzał ich powstawaniem. Obecnie jest menedżerem ds. rozwoju w firmie SmartSignal, która tworzy oprogramowanie do predykcyjnej analizy danych pochodzących z czujników rozmieszczonych w elektrowniach na całym świecie. Aplikacja powiadamia obsługę elektrowni o narastających zagrożeniach, nim pojawią się realne problemy. David i jego zespół w SmartSignal pomagają w zapobieganiu przerwom w zasilaniu, umożliwiają redukcję kosztów i podnoszenie efektywności (co pozytywnie wpływa na środowisko).

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

18 Ebookpoint.pl

O korektorze merytorycznym

Scott Preston mieszka w Columbus w Ohio wraz ze swoją żoną Emily, córką Lilu i psem Castle. Ukończył Uniwersytet Stanowy Ohio w 1996 r. i zajął się tworzeniem aplikacji webowych. W 2006 r. porzucił doradztwo, aby zająć się rozwojem własnej firmy — Preston Research. Scott jest również członkiem Java Community Process, Central Ohio Java Users Group, a także założycielem The Columbus Robotics Society. W 2005 r. wydawnictwo Apress opublikowało jego pierwszą książkę, The Definitive Guide to Building Java Robots, natomiast w 2006 r. wydawnictwo SYS-CON Media wydało książkę Real-World-Ajax, której Scott jest współautorem. W swej piwnicy Scott nadal buduje zaawansowane roboty i pisze o nich w swoim serwisie internetowym www.scottsbots.com.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

20 Ebookpoint.pl

Podziękowania

Serdeczne podziękowania chcę przekazać wspaniałym ludziom z wydawnictwa Apress. Oto oni. • Ralph Moore, który zredagował drugie wydanie tej książki w rekordowym tempie, dbając jednocześnie o korektę do ostatniego słowa; poprawił nawet niektóre zdania, które nie zostały zmienione od pierwszego wydania. • Scott Preston, który był korektorem merytorycznym. Dzięki jego sugestiom udało się uprościć skomplikowane opisy, dodać wskazówki, czy chociażby wskazać inne źródła zakupu elementów i podzespołów. • April Milne i Jerry Votta z działu graficznego, którzy zamienili moje koślawe bazgroły na wielu rysunkach w jasne i czytelne opisy. • Steve Anglin — asystent redaktora — który pozostawał zawsze w zasięgu wzroku (czy e-maila), aby w trakcie produkcji tej książki rozwiązywać wszelkie problemy. • Jim Markham — przyjazny i niezwykle pracowity koordynator wydania. Choć książka ta nie ukazałaby się bez udziału Steva, gdyby nie Jim, trwałoby to kolejne pół roku. Dodatkowo chciałbym podziękować osobom zaangażowanym w pierwsze wydanie tej książki; są to Gary Cornell, Dan Appleman, Grace Wong, Stephanie Rodriguez, Sofia Marchant, Jim Munro, Dave Baum oraz Tom Gavin. Dziękuję mojej rodzinie! Rachel, James, Sam, Pumpkin, Raisin, Bones — dziękuję Wam za miłość i zrozumienie nawet wtedy, gdy zbyt wiele czasu spędzałem przed komputerem albo w piwnicy, majsterkując. Na koniec wreszcie serdeczne pozdrowienia otrzymują wszyscy przyjaciele ze SmartSignal: Stacey, Trung, Jon, Nasser, Chad, Matt, Bryan, Greg, Rich, George, Dave, Patrick, Bob i Jim.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

22 Ebookpoint.pl

Wprowadzenie

Napisałem tę książkę, gdyż uwielbiam budować roboty. Chciałbym, abyś Ty także to pokochał. Sporo czasu zajęło mi poznanie wielu narzędzi i podzespołów wykorzystywanych przy amatorskiej budowie robotów. Być może ułatwię nieco Twój start, dzieląc się doświadczeniami. To zadziwiające, iż tak wiele błyskotliwych umysłów porusza się dziś w świecie teorii i abstrakcji, zamiast pracować z rzeczywistymi obiektami. Liczę, że Ty dołączysz do grupy tych odkrywców, którzy tworzą prawdziwe, namacalne — choć domowej roboty — przedmioty.

Dla kogo jest ta książka? Książka skierowana jest zarówno do nastolatków, jak i dorosłych, którzy interesują się techniką i marzą o budowie niezwykłych konstrukcji w domowym zaciszu. Nie oczekuję, iż masz już jakieś wcześniejsze przygotowanie techniczne. Robot opisany i zbudowany w tej książce jest zasilany bateryjnie i ma rozmiary pojemnika na kanapki. Działa całkowicie samodzielnie, czyli nie jest zdalnie sterowany. Rozpoczniesz od poznania warsztatu, przejdziesz przez prototypowanie i budowę robota, a może nawet lutowanie własnej płytki z układami sterującymi. Po lekturze tej książki będziesz dysponował solidnymi — jak na amatora — podstawami wiedzy, które umożliwią budowanie własnych robotów.

„Gdzie jest ten rozdział o robocie zabójcy?” Książka ta nie jest poświęcona robotom siejącym zniszczenie. Jednak ogólne techniki tutaj przedstawione mogą stanowić dobrą podstawę do tego, by zmierzyć się z projektem budowy robota potwora, jeśli taką właśnie drogę obierzesz.

„Houston, mamy problem!” Jeśli jesteś doświadczonym inżynierem i chcesz się dowiedzieć czegoś o wielowymiarowych systemach wizyjnych, układach FPGA czy ramieniu robota o siedmiu stopniach swobody, książka ta raczej nie spełni Twoich oczekiwań. Przekartkuj ją, by zobaczyć, czy cokolwiek w niej Cię zainteresuje.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Nie jesteś gotów, aby nauczyć się lutować? Jeżeli jesteś jeszcze bardzo młody, masz niewiele wolnego czasu lub po prostu nie jesteś jeszcze gotów, aby bawić się w wiercenie czy lutowanie, zdecydowanie polecam rozpocząć od zestawów LEGO MINDSTORMS. Choć taki zestaw nie jest tani i ma nieco ograniczone możliwości w zakresie elektroniki i czujników, to jednak jest stosunkowo prosty, powinieneś zatem szybko rozpocząć budowę interesujących robotów. Najnowsza wersja zestawu to LEGO MINDSTORMS NXT. Poprzednie wersje MINDSTORMS — Robotics Invention System (wersje 1.0, 1.5 i 2.0) nie są już produkowane, jednak czasami można je zdobyć po niższej cenie na wyprzedażach czy aukcjach internetowych.

LEGO to za mało, lecz wciąż nie chcesz lutować? Jeśli szukasz łatwego w budowie zestawu o możliwościach większych, niż daje LEGO, weź pod uwagę robota Boe-Bot firmy Parallax. W zestawie znajdziesz korpus, płytkę bazową wyposażoną w port szeregowy RS-232 lub port USB, moduł procesorowy BASIC Stamp, silniki, koła, podręcznik i samouczek oraz płytę CD z oprogramowaniem. Jeżeli gustujesz w robotach kroczących, zainteresuj się robotem „Penguin” („Pingwin”) firmy Parallax lub też, jeśli wolisz coś już złożonego i gotowego do użycia, przyjrzyj się robotowi „Scribbler” („Bazgroła”) tej samej firmy. Firma Parallax oferuje także roboty oparte na bardziej zaawansowanym module sterującym z serii „Propeller”. Takim robotem jest np. „Stingray” („Ogończa”). Roboty te będą odpowiednie dla osób lepiej znających tajniki programowania. Podobna do modułów sterujących BASIC i Propeller jest także otwarta platforma uruchomieniowa Arduino. Zarówno firma Solarbotics, jak i SparkFun Electronics oferują szeroką gamę płytek prototypowych opartych na platformie Arduino, gdzie połączeń możesz dokonywać za pomocą specjalnie przygotowanych przewodów, bez lutowania.

Uwaga dotycząca listy części Wszędzie, gdzie to tylko możliwe, starałem się, aby opisom narzędzi czy podzespołów w tej książce towarzyszyła lista ich sprzedawców, numery katalogowe i przybliżone ceny. Starałem się także nie faworyzować żadnego z dostawców. Orientacyjne ceny podane są w złotówkach. Pamiętaj jednak, że będą się one zmieniać już po wydaniu książki. Niektóre podane numery katalogowe też mogą już nie być aktualne. Niestety!

Bądź na bieżąco Prowadzę serwis internetowy http://www.robotroom.com. Zapraszam. Znajdziesz tam informacje o robotach, jakie zbudowałem, a także linki do klubów i innych serwisów internetowych poświęconych robotom.

24 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 1 „„„

Witaj, twórco robotów! Wybrałeś sobie satysfakcjonujące i inspirujące hobby. Choć jest ono bardziej kosztowne niż zbieranie owadów, to jednak pochłania mniej gotówki niż wyścigi starych samochodów. Pomyśl, że pewnego dnia zaczniesz kreować nowe formy życia. Choć początkowo dość prymitywna, każda z nich będzie unikalna, stworzona od zera Twoimi rękami. I — jak na wielkiego artystę przystało — z czasem kolejne Twe dzieła będą coraz bardziej złożone i wspaniałe. Pomimo dziesiątek lat powszechnej fascynacji koncepcją robotów, prawdziwie użyteczne roboty osobiste pozostają ciągle w sferze marzeń. Postęp w dziedzinie robotyki, poza robotami przemysłowymi, powodowany jest głównie przez zupełnie niezależne obszary rynku, takie jak komputery osobiste, odtwarzacze CD, zabawki, układy zdalnego sterowania czy sprzęt AGD. Przygnębiające? Wcale nie. To przecież takie ekscytujące! Można zaangażować się w dziedzinę, która niesie potencjał przemiany całego naszego świata. Ty także możesz wnieść coś od siebie, bo miejsca na nowe odkrycia nie brakuje. Zatem witaj w świecie robotyki. Zaczynajmy!

Cztery dziedziny Robotyka to co najmniej cztery główne dziedziny wiedzy: • elektrotechnika i elektronika (czujniki i obwody elektryczne), • mechanika (silniki, przekładnie i korpus robota), • informatyka (pseudointeligentne zachowanie robota), • sztuka (styl, wrażenia i prezencja robota). Na szczęście, nie musisz być ekspertem w każdej z tych dziedzin, aby zbudować porządnego robota. Oczywiście, jeśli masz odpowiednie przygotowanie w którejś z nich, będzie to mocną stroną Twoich konstrukcji. Zagłębiając się w robotykę, zyskasz doskonałą możliwość, aby zdobyć nowe umiejętności i ujawnić ukryte talenty. Pomyśl o renesansowym artyście i uczonym Leonardzie da Vinci. Gdyby żył dziś, budowałby roboty.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Anatomia amatorskiego robota Roboty występują w rozmaitych kształtach i rozmiarach. Dyskusyjny pozostaje moment, w którym mechaniczne czy elektroniczne urządzenie staje się robotem. Podstawowym wymaganiem wydaje się możliwość zarówno poruszania się, jak również wyposażenie w czujniki oraz pewien rodzaj „inteligencji”. Na rysunku 1.1 przedstawiam typowego amatorskiego robota. Potrafi on odnaleźć na stole roboty będące jego przeciwnikami (lub inne przedmioty) i strącić je ze stołu. Dzieje się to całkowicie bez udziału człowieka. Czy większość ludzi uznałaby go za robota?

Rysunek 1.1. Różne ujęcia wysłużonego mistrza zawodów sumo — robota „Buldożer” Ludzie z większą pewnością uznają obiekt za robota, gdy posiada podstawowe elementy żywej istoty. Oczekują oczu i ust (czyli generalnie twarzy), nóg oraz tułowia, jakby obserwowali owada czy egzotycznego zwierzaka. Z punktu widzenia anatomii elementy robota kwalifikują się zasadniczo do jednej lub wielu spośród następujących kategorii, takich jak: • układy sterujące, • zasilanie elektryczne, • czujniki, • napęd i interakcja z otoczeniem, • korpus i wykończenie. Jak na speca od robotów przystało, zaznajomisz się z ich wnętrznościami. W kolejnych punktach opiszę typowe elementy, jakie możesz znaleźć „pod maską” robota.

26 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 1. „ WITAJ, TWÓRCO ROBOTÓW!

Układy sterujące Robot może być wykonany bez własnych układów sterujących. Tak jest w przypadku robotów sterowanych zdalnie przez człowieka. Roboty mogą także posiadać rozproszone sterowanie, gdzie proste układy obsługują jego pojedyncze elementy (np. rękę czy nogę), ale nie mają informacji o tym, co robi reszta robota. Robot może także być zbudowany w taki sposób, iż jego system sterowania znajduje się daleko poza jego ciałem — np. w postaci programu uruchomionego na laptopie. Jednak najczęstszym wyborem przy budowie układu sterowania robotem jest wykorzystanie mikrokontrolera (patrz rysunek 1.2). Mikrokontrolery są to układy bardzo zbliżone do mikroprocesorów spotykanych w komputerach osobistych. Różnica polega na tym, iż mikrokontroler to — w uproszczeniu — niemal cały komputer umieszczony w jednym układzie.

Rysunek 1.2. Mikrokontroler ATmega664 firmy Atmel Mikrokontrolery wyposażone są w pewną ilość pamięci operacyjnej oraz pamięci nieulotnej wbudowanej bezpośrednio w układ scalony. Gdy w procesorze wykorzystywanym w komputerach PC znaczna część złączy jest przeznaczona do komunikacji z zewnętrzną, szybką pamięcią, to w mikrokontrolerze złącza te są rozmaitymi wejściami i wyjściami, do których bezpośrednio można podłączyć różne czujniki, przyciski i inne dziwaczne urządzenia. Mikrokontrolery to niedocenieni bohaterowie, którzy otaczają nas ze wszystkich stron, choć niewiele osób zdaje sobie z tego sprawę. Mikrokontrolery pracują w samochodach, pralkach, suszarkach, odtwarzaczach wideo i innych domowych sprzętach. Wart wiele miliardów złotych rynek mikrokontrolerów zapewnia szeroki wybór modeli o zróżnicowanej cenie i możliwościach. Tak jest! Pewnego dnia Twoje roboty będą miały „mózg” ze zmywarki! Dołóż kółka do swojej Amiki czy Polara i będziesz miał wspaniałego robota. Dla uproszczenia robot zbudowany w tej książce wykorzystuje prosty układ sterowania oparty na komparatorze analogowym, a nie na mikrokontrolerze. W mojej kolejnej książce, Intermediate Robot Building („Budowa robotów dla średnio zaawansowanych”) wydanej przez wydawnictwo Apress w 2010 r., omawiam robota ze sterowaniem opartym o mikrokontroler.

Zasilanie elektryczne Można zbudować robota napędzanego silnikiem spalinowym i wyposażonego w siłowniki hydrauliczne, ale jednak w którymś miejscu w każdym robocie znajdą się układy elektroniczne. Układ zasilania elektrycznego zawiera samo źródło energii elektrycznej, obwód przetwarzający i stabilizujący napięcie oraz włącznik pozwalający na włączenie i wyłączenie zasilania robota.

Źródło energii Amatorskie roboty, poza jakimiś szczególnymi przypadkami, zasilane są zazwyczaj typowymi bateriami lub akumulatorkami (patrz rysunek 1.3). Są one bezpieczne, niezawodne, niedrogie, łatwo dostępne i zestandaryzowane. Z tego powodu robot opisywany w tej książce wykorzystuje typową baterię 9-woltową. 27 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 1.3. Powszechnie spotykane rozmiary baterii Wskazane jest użycie akumulatorków. Choć koszt ich zakupu jest większy niż zwykłych baterii, to jednak w dłuższej perspektywie pozwolą Ci zaoszczędzić sporo pieniędzy. Inną możliwością jest zasilanie energią słoneczną. Ponieważ jednak światło słoneczne nie jest dostępne bezustannie, prosty robot zasilany w ten sposób funkcjonuje w powtarzających się cyklach ładowania oraz rozładowania i wyłącza się pomiędzy okresami aktywności. Bardziej zaawansowany robot będzie ładował akumulatory, gdy wykryje odpowiednie warunki oświetleniowe, a później w ciemności wykorzysta zgromadzoną energię, dostarczając zasilanie do układów sterujących.

Stabilizacja napięcia Większość robotów wyposażona jest w mały fragment odpowiedzialny za utrzymanie pewnego stałego poziomu napięcia dla zasilania wszystkich układów elektronicznych. Nosi on nazwę stabilizatora napięcia (patrz rysunek 1.4).

Rysunek 1.4. Obwód stabilizacji napięcia zbudowany w oparciu o układ MCP1826S firmy Microchip będący nowoczesnym odpowiednikiem klasycznego stabilizatora 7805 W miarę zużywania się baterie dostarczają coraz mniej i mniej energii. Bez stabilizatora doprowadziłoby to do sytuacji, w której — w zależności od stanu baterii — robot poruszałby się z różną szybkością, zmieniałaby się jasność kontrolek i odczyty z czujników. Innym powodem stosowania regulatorów zasilania jest fakt, iż niektóre podzespoły robota mogą wymagać więcej mocy niż inne. Przykładowo silniki potrzebują znacznie większej mocy niż układy sterujące czy lampki kontrolne. Układ regulacji obniża (bądź przeciwnie — podwyższa) napięcie uzyskiwane z baterii do poziomu wymaganego przez każdy z głównych modułów robota. Aby nie komplikować robota omawianego w tej książce, 28 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 1. „ WITAJ, TWÓRCO ROBOTÓW!

wszystkie jego komponenty mogą pracować ze zmieniającym się napięciem pochodzącym bezpośrednio z baterii, więc układ stabilizacji napięcia nie jest konieczny. We wspomnianej wcześniej książce Intermediate Robot Building porównuję kilka metod regulacji napięcia i przedstawiam zalecenia dotyczące budowy pełnego układu zasilania.

Wyłącznik Większość robotów wyposażona jest w wyłącznik zasilania (patrz rysunek 1.5), który pozwala wyłączyć robota na czas konserwacji lub przechowywania.

Rysunek 1.5. Wyłącznik zasilania Co ciekawe, roboty zasilane energią słoneczną przeważnie nie posiadają wyłącznika. Budzą się do życia rano, wraz z pierwszym promieniem słońca i dokazują przez cały dzień.

Czujniki Twoja jedna zmarszczka na czole zawiera więcej receptorów niż dowolny robot kiedykolwiek zbudowany. Ilość czujników zainstalowanych w większości amatorskich robotów, z wyjątkiem pikseli w sensorze wizyjnym, ogranicza się do mniej niż tuzina, w czterech czy pięciu głównych odmianach. Zaawansowany amatorski robot może być wyposażony w działający w podczerwieni układ wykrywania przedmiotów, czujniki dotykowe, czujnik natężenia światła (patrz rysunek 1.6), próbnik baterii, czujniki położenia i przechyłu, a może nawet czujnik temperatury. Mimo stosunkowo niewielu źródeł danych, taki robot może mieć naprawdę wiele interesujących funkcji.

Rysunek 1.6. Półprzewodnikowy czujnik natężenia światła wykorzystujący siarczek kadmu

Przyciski Przełączniki i przyciski (patrz rysunek 1.7) stanowią pewien podzbiór czujników. Reagują na naciśnięcie.

29 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 1.7. Po lewej miniaturowy przycisk przylutowany do płytki drukowanej, którą wytrawiłem w swoim warsztacie w piwnicy. Po prawej kilka przykładów przycisków o różnych rozmiarach, kolorach i sprężystości Większość robotów wyposażona jest w kilka przycisków przeznaczonych do sterowania ich działaniem przez człowieka. Mogą one służyć do przełączania trybów pracy robota lub uruchamiać jakąś testową sekwencję działań. Pomysłowy projektant może w ogóle zrezygnować z przycisków i wybierać pożądane akcje przez np. machnięcie ręki przed odpowiednimi czujnikami.

Napęd i interakcja z otoczeniem Roboty podejmują działania zgodnie z informacjami otrzymanymi z czujników. Działanie jest zwykle jakąś formą ruchu. Jednakże działaniem jest także wydawanie dźwięków, wyświetlanie komunikatów, użycie lampek kontrolnych czy inne sposoby sygnalizacji mające na celu skłonić człowieka do działania.

Ruch Większość amatorskich robotów przemieszcza się przy użyciu pojedynczej pary kół (patrz rysunek 1.8). Inaczej niż ma to miejsce w samochodach z czterema kołami i jednym silnikiem, robot ma dwa koła napędzane przez dwa niezależne silniki, co daje mu wystarczającą moc i pozwala sprawnie skręcać bez obciążania skomplikowanymi układami sterowniczymi.

Rysunek 1.8. Dwa miniaturowe silniczki połączone z kołami za pomocą gumek Mechaniczne nogi w akcji robią piorunujące wrażenie, ale są zdecydowanie trudniejsze do zbudowania. Istnieją pewne prostsze w budowie odmiany konstrukcji na sześciu wzajemnie powiązanych nogach, lecz w projektach tych tracimy na sprawności poruszania się robota.

30 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 1. „ WITAJ, TWÓRCO ROBOTÓW!

Sterowanie silnikiem Większość robotów, poza stabilizatorem napięcia, wymaga także układu sterowania pracą silników (patrz rysunek 1.9). Szybkie ruszanie z miejsca i zatrzymywanie się czy hamowanie silnikiem wymaga impulsów energii zdecydowanie większych, niż logika sterująca robota może dostarczyć bezpośrednio. Dlatego niezbędny jest układ odpowiedzialny za sterowanie silnikami i ochronę pozostałych układów elektronicznych przed zakłóceniami i przepięciami.

Rysunek 1.9. Układ sterowania silnikiem oparty na układach MOSFET i diodach Schottky’ego

Lampki kontrolne Większość robotów ozdobiona jest licznymi, małymi lampkami. Diody LED (diody elektroluminescencyjne) sygnalizują stan zasilania, użycie silników, odczyty z czujników czy też przebieg procesów decyzyjnych (patrz rysunek 1.10). Wyświetlanie przez robota stanu, w jakim aktualnie się znajduje, znacząco ułatwia rozwiązywanie problemów i ulepszanie konstrukcji. Jednocześnie lampki sprawiają, że wygląd robota jest bardziej intrygujący.

Rysunek 1.10. Rząd diod LED sygnalizujących wykrycie celu Diody LED są bardzo wygodne w użyciu — nie kosztują wiele, nie wydzielają ciepła, są lekkie i produkowane w coraz większej gamie kolorów.

Pozostałe elementy Będziesz zaskoczony, jak szybko mogą się wyczerpać dostępne porty mikrokontrolera. Powszechnie używa się więc różnych układów wspomagających, aby zgrupować sygnały wejściowe przed przekazaniem ich do mikrokontrolera. Dodatkowe układy mogą także wstępnie przetwarzać te sygnały (np. z czujników czy przycisków), aby odciążyć główny procesor.

31 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Potrzebujesz jeszcze wielu innych rzeczy. Przewody, złącza, rezystory, kondensatory, diody i inne elementy są niezbędne, aby zbudować działający układ (patrz rysunek 1.11).

Rysunek 1.11. Przewody, złącza, rezystory, kondensatory, diody — o rany!

Korpus Jeśli nie budujesz celowo bezkształtnego robota, wówczas wszystkie jego elementy powinny być przymocowane do jakiegoś solidnego korpusu lub ramy. To zadziwiające, jak wielu konstruktorów nie przykłada do tego należytej uwagi. W efekcie otrzymują konstrukcję, która załamuje się pod własnym ciężarem albo — w najlepszym razie — kuśtyka dookoła w dziwaczny sposób. Porządny korpus nie tylko zapewnia solidne mocowanie części, ale również chroni je przed uszkodzeniami. Niestety, nazbyt często amatorskie roboty ze zwisającymi przewodami i wystającymi fragmentami płytek drukowanych okazują się zbyt delikatne.

Wykończenie Kolejnym istotnym aspektem korpusu jest jego wykończenie (patrz rysunek 1.12). Nieważne, jak bardzo zaawansowany technicznie będzie Twój robot, to jego ostateczny wygląd znacząco wpływa na to, jak widzowie będą go postrzegać. Nie lekceważ odrobiny efekciarstwa.

Proces budowy Robot to złożony twór i potrzeba wiele pracy, nim zacznie poprawnie funkcjonować. Istnieje kilka technik, które pomogą Ci wytrwać do końca i cieszyć się każdą przepracowaną chwilą.

32 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 1. „ WITAJ, TWÓRCO ROBOTÓW!

Rysunek 1.12. Robot podążający wzdłuż linii w obudowie z pudełka po cukierkach

Kawałek po kawałku Nawet najmniejszy robot to duży projekt. Łatwo może Cię przytłoczyć. Po powrocie ze szkoły, czy też gdy wreszcie nadejdzie weekend, skoncentruj się na małym fragmencie pracy, który akurat Cię wciągnął. Spraw, aby silnik kręcił się w przód i wstecz. Albo połącz koło z silnikiem. Albo po prostu wybierz z katalogu kilka części i je kup. Na koniec dnia weź do ręki fragment, nad którym pracowałeś, i podziwiaj go przez chwilę. Jeśli nawet nie wyszedł tak dobrze, jak tego chciałeś, pomyśl o wszystkim, czego się nauczyłeś. Kwituj ukończenie kolejnych etapów pracy i doceniaj postępy. Bądź konstruktorem, nie wizjonerem.

Tworzenie komponentów Unikaj pokusy, aby za jednym zamachem zbudować całego robota. Twórz pojedyncze komponenty, które staną się robotem, gdy je ze sobą połączysz (patrz rysunek 1.13). W ten sposób, jeśli projekt danego komponentu się sprawdzi, będziesz mógł ponownie go wykorzystać w kolejnych robotach. Jeśli komponent ulegnie uszkodzeniu lub nie będzie działał tak dobrze, jak tego oczekujesz, tylko ten element będziesz musiał zmienić. Ponieważ czas pracy nad pojedynczym komponentem jest stosunkowo krótki i możesz go kontrolować, łatwiej ukończyć coś znaczącego. Niektórzy twierdzą, że zbudowali całego robota w weekend. Nie sądzę. Nie liczą czasu spędzonego na nauce, projektowaniu, zakupach, dokonywaniu przeróbek czy tworzeniu mniejszych fragmentów.

Wyluzuj i baw się dobrze Jeśli poczujesz się sfrustrowany i będziesz miał ochotę rozdeptać oporny element, po prostu odłóż go na bok. To w końcu hobby, prawda?

33 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 1.13. Interfejs klawiatury gotowy do wielokrotnego wykorzystania Narysuj dymek z tekstem: „Jestem dla Ciebie za cwany, człowieczku!” i przyklej go do robota. Później udowodnij swą wyższość, wyzywając tę bezmyślną puszkę na partyjkę szachów. Albo przeciwnie — przyjmijmy, że robot jest ukończony i działa jak należy. Przed oficjalną prezentacją upewnij się, że niczego nie brakuje. Jakieś gołe miejsca? Może Twój robot potrzebuje roześmianej buźki albo plastikowych oczu (patrz rysunek 1.14)? Malowanie, nalepki, oznaczenia czy migające światełka to znakomite elementy wykończenia robota.

Rysunek 1.14. Twarz, z którą należy się liczyć Nazwij swojego robota mądrze albo pomysłowo prowokująco. Unikaj liczb, przydomków z filmów czy imion klaunów („M1734”, „R2-D2®”, „Pufi”). Co powiesz na „Grahamek”, „Zdobywca” czy „Postrach sąsiedztwa”? Pomyśl nad jakąś muzyką na uroczystą premierę. Czy przygotowałeś poczęstunek? Nastrojowe oświetlenie?

34 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 1. „ WITAJ, TWÓRCO ROBOTÓW!

Znajdź towarzyszy i pomoc Strony WWW zapoczątkowały nową erę w dzieleniu się informacjami. Noty katalogowe opisujące w szczegółach działanie różnych podzespołów są w każdej chwili dostępne na stronach producentów i sprzedawców. Chwila poszukiwań owocuje mnóstwem informacji związanych z robotami. Zamieszczone w sieci zdjęcia i filmy dostarczają informacji i inspiracji. Jeszcze lepszym źródłem są lokalne kluby pasjonatów robotyki. Znajdziesz tam nowych przyjaciół — zarówno ludzi, jak i roboty. Co ważniejsze, niezobowiązujące dyskusje często pomagają zrozumieć lub rozwiązać trapiący Cię problem. Wiele klubów organizuje comiesięczne bądź coroczne zawody. Jeśli lubisz wyzwania, może to stanowić doskonałe źródło motywacji. Choć wartość nagród przeważnie jest dość niska, to jednak możesz zdobyć fajne gadżety, których sam byś sobie nie kupił. Informacje o lokalizacji klubów znajdziesz w internecie. Użyj odpowiednich słów kluczowych. Większość poważniejszych organizacji publikuje linki do innych klubów, więc znalezienie choć jednego — jeśli nawet nie będzie w Twojej okolicy — może doprowadzić do klubu blisko Ciebie. Jeśli nie znajdziesz w pobliżu żadnego klubu, pomyśl nad jego założeniem. To całkiem proste — po prostu zainteresowani spotykają się w jakimś ustalonym miejscu, np. w bibliotece czy w domu kultury. Wciągnij w swoje hobby członków rodziny. Nie tylko będą lepiej rozumieć Twoje osiągnięcia, ale ich udział może także przynieść więcej satysfakcji z pracy. Gdy po raz pierwszy udałem się na zawody robotów w Illinois, uderzyła mnie rodzinna atmosfera tam panująca. Były dzieci w każdym wieku, mężowie z żonami, babcie, dziadkowie i przyjaciele.

Dalej w las W kolejnych rozdziałach omawiam istotne podstawy, takie jak katalogi, zasady bezpieczeństwa, zakup multimetru i numeracja. Sednem tej książki jest przedstawienie każdego elementu, narzędzia i kolejnych kroków niezbędnych, aby zbudować robota podążającego wzdłuż linii. Na początek omówię wymagania dotyczące zbudowania odpowiedniej trasy. Przyjrzymy się też już zbudowanemu robotowi tego typu. W każdym następnym rozdziale skoncentruję się na kolejnym elemencie bądź etapie na drodze do zaprojektowania i zbudowania własnego robota. Dowiesz się, do czego dokładnie przeznaczone są konkretne elementy; omówię także ewentualne zastępniki. Jeśli ukończysz każde ćwiczenie, na końcu książki będziesz posiadaczem własnej kopii robota podążającego wzdłuż linii. W ręku trzymasz kompletny projekt i szczegółową instrukcję, które pozwolą Ci — bez żadnej wstępnej wiedzy z dziedziny elektroniki, mechaniki czy programowania — zbudować od zera własnego robota. Robota podążającego wzdłuż linii wybrałem na główny przedmiot tej książki w odpowiedzi na niezliczone prośby płynące od początkujących pasjonatów robotyki. Skupienie się na jednym projekcie spowodowało, że w książce omawiam w szczegółach każdy aspekt budowy takiego robota. Wiele innych książek prezentuje mnóstwo różnych projektów robotów, lecz przez to nie zawierają one dość szczegółów niezbędnych początkującym, aby zbudować któregokolwiek z nich. Robot podążający wzdłuż linii nie wyruszy w trasę aż do ostatnich rozdziałów, jednak po drodze będzie wiele momentów, gdy zamkniesz pewien etap prac (np. zbudujesz w całości jakiś komponent robota) i będziesz mógł podsumować swoje dokonania i ocenić poczynione postępy. Jeśli nawet postanowisz, iż nie będziesz budował robota podążającego wzdłuż linii, prezentowany tu projekt stanowi doskonałą podstawę, którą możesz przekształcić, aby zbudować robota o całkiem odmiennych zastosowaniach. W ostatnich rozdziałach zamieściłem pomysły i sugestie, jak mogą wyglądać Twoje dalsze kroki we wspaniałym świecie robotyki.

35 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

36 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 2 „„„

Gdzie zdobyć narzędzia i podzespoły Aby zbudować dobrej klasy robota, potrzebujemy wielu rozmaitych narzędzi i podzespołów. Jeśli coś Cię drażni, jest szczególnie trudne do zrobienia, czy też w inny sposób wychodzi nie tak, jak tego chcesz, to albo używasz złych narzędzi, albo źle z nich korzystasz. W rzeczywistości pewnych prac praktycznie nie da się wykonać bez odpowiednich przyrządów. Natomiast użycie odpowiednich narzędzi we właściwy sposób sprawi, że każda praca będzie prosta i szybka. Ta sama zasada dotyczy podzespołów. Dostępna jest nieskończona liczba elementów, których możesz użyć przy budowie robota. Ważne, aby zastosować takie, które sprawią, że Twój robot będzie wytrzymały, podatny na przeróbki, a przy tym mało kosztowny. Często największym ograniczeniem jest niewiedza, że określone narzędzie czy podzespół w ogóle istnieją.

Zamów bezpłatne informacje Na początek warto zamówić jakieś darmowe katalogi. Poświęć kilka minut — najlepiej od razu — aby zamówić bezpłatne, drukowane katalogi (patrz rysunek 2.1) z wybranych firm przedstawionych w tabeli 2.1. Ponieważ dostarczenie katalogów może zająć nawet kilka tygodni, niech więc Twoje zamówienie będzie realizowane w czasie, kiedy Ty jeszcze zapoznajesz się z resztą książki.

Rysunek 2.1. Przykładowe katalogi narzędzi i podzespołów, tu akurat anglojęzyczne

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Tabela 2.1. Popularni sprzedawcy; w większości oferują drukowane katalogi Firma

Kategoria

Strona WWW

ELFA

mechanika, elektrotechnika, elektronika — narzędzia, podzespoły, zestawy uruchomieniowe

www.elfaelektronika.pl

TME

mechanika, elektrotechnika, elektronika — narzędzia, podzespoły, zestawy uruchomieniowe

www.tme.pl

Conrad Electronic

elementy elektroniczne, narzędzia, roboty — zestawy i akcesoria

www.conrad.pl

AVT

elektrotechnika, elektronika — narzędzia, podzespoły, zestawy uruchomieniowe

sklep.avt.pl

SEMICONDUCTORS BANK Ltd.

elektronika

www.semiconductors.com.pl

AND-TECH

moduły Arduino, elementy, narzędzia

www.zestawyuruchomieniowe.pl

mobot

komponenty do budowy robotów, zestawy uruchomieniowe

www.mobot.pl

Trobot

komponenty do budowy robotów, zestawy uruchomieniowe

www.trobot.pl

modele.sklep.pl

modelarstwo — elementy mechaniczne i elektromechaniczne: koła, silniki, serwa, narzędzia, materiały

modele.sklep.pl

Pomimo iż strony WWW producentów i sprzedawców nadają się znakomicie, aby odszukać szczegółowe informacje o danym elemencie, czy też zamówić podzespoły, to jednak papierowe katalogi wygodniej się przegląda lub kartkuje niezobowiązująco. Zawsze też będziesz mieć miłą niespodziankę, gdy nadejdzie Twoja przesyłka. Wszystkie firmy wymienione w tabeli oferują elementy różnych producentów. Większość producentów drukuje także własne katalogi. Gdy przypadną Ci do gustu elementy określonego producenta, sprawdź jego stronę WWW — być może oferuje również darmowy, drukowany katalog, a może nawet darmowe próbki swoich produktów.

Odczytaj ukryte informacje Katalogi, oprócz oczywistej zawartości, mogą być także dodatkowym źródłem wiedzy. Ponieważ każdy centymetr kwadratowy zadrukowanej strony kosztuje, producenci starają się wykorzystać to miejsce i zawrzeć w katalogach jak najwięcej informacji. Czasami to, czego nie ma w katalogu, jest równie ważne jak to, co się tam znajduje.

Zwróć uwagę na kolumny Jeśli chcesz poznać najważniejsze różnice pomiędzy częściami jednego typu, przyjrzyj się kolumnom w katalogu, gdzie części te są porównane. Jeśli przykładowo dla diod LED wymienione są: kolor, długość fali, wymiary czy jasność, to wiadomo, że te parametry muszą najwyraźniej charakteryzować poszczególne rodzaje diod LED. Waga nie jest wyszczególniona, ponieważ w przypadku diod LED nie ma praktycznie znaczenia.

38 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 2. „ GDZIE ZDOBYĆ NARZĘDZIA I PODZESPOŁY

Licz strony Inną subtelną informacją jest liczba stron, jaką w katalogu poświęcono danej rodzinie części. Jeżeli dużo miejsca zajmuje lista kondensatorów do montażu powierzchniowego, możesz się spodziewać, że są one powszechnie kupowane, skoro warto tak obszernie o nich wspominać. Warta odnotowania jest także ilość miejsca poświęconego różnym odmianom danego elementu. Jeżeli jednemu rodzajowi poświęcono dwadzieścia linii, drugiemu zaś tylko jedną, to można podejrzewać, iż ta druga posiada jakieś nieopisane ograniczenia. Smutne spostrzeżenie: jeśli którejś z Twoich ulubionych części poświęca się coraz mniej miejsca w kolejnych katalogach, prawdopodobnie na rynku coś się zmienia. Warto się upewnić, czy dane rozwiązanie nie odchodzi już do lamusa.

Porównuj ceny Zestawienie cen także jest ważne. Wszystkie układy scalone przedstawione w tabeli 2.2 realizują dokładnie tę samą funkcję logiczną. Dlaczego więc tak bardzo różnią się ceną? Tabela 2.2. Ceny jednostkowe różnych układów o tej samej funkcjonalności Układ scalony

Cena

7400

5,97 zł

74LS00

3,32 zł

74HC00

2,57 zł

74AC00

3,20 zł

74AUC00

3,78 zł

Zagłębienie się w specyfikację pokazuje, że podstawowy układ 7400 pobiera najwięcej energii, zapewnia niewielki prąd wyjścia w stanie wysokim i ogólnie nie wyróżnia się niczym szczególnym w porównaniu z innymi prezentowanymi układami. Dlaczego zatem kosztuje najwięcej? Ponieważ jest przestarzały. To jest naprawdę leciwe rozwiązanie. Jeśli należysz do osób, które wciąż potrzebują dokładnie tego układu, zapłacisz za to, że dziś już rzadko się go sprzedaje. Najniższą cenę w tym zestawieniu ma układ 74HC00 wykonany w technologii, która jest już dojrzała, ale wciąż bardzo popularna w użyciu. Na drugim końcu skali jest układ 74AUC00, który jest przedstawicielem najnowszej, jeszcze nie w pełni upowszechnionej technologii. Także i on kosztuje dużo, ponieważ jeszcze sprzedaje się go niewiele. Oczywiście, istnieją wyjątki. Dla części wymagających dużego nakładu pracy czy wykorzystania rzadkich materiałów wyższa cena może być oznaką lepszej jakości, a nie przestarzałej lub nowatorskiej technologii.

Oszczędzaj pieniądze Oto kilka porad, jak możesz wydawać pieniądze bardziej efektywnie: • kupuj produkty w większych ilościach, • zamawiaj produkty z katalogów, zamiast kupować bezpośrednio w sklepie, • szukaj upustów za zakupy on-line, • realizuj jedno większe zamówienie zamiast kilku mniejszych, aby uniknąć opłat za realizację małego zamówienia, • zwracaj uwagę na koszty przesyłki.

39 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Jeśli kupujesz jakieś tanie elementy, rozważ kupno ilości większej, niż potrzebujesz w jednym projekcie. W ilości 100 sztuk wiele elementów kosztuje o połowę mniej, ile zapłaciłbyś za jedną (patrz rysunek 2.2). Niektóre elementy kosztują tak niewiele (np. rezystory), że często nie można ich kupić w ilości mniejszej niż 10 szt. 450

400

350

Cena w groszach

300 Układ 74HC00 w obudowie DIP 250

Kondensator 10 µF Dioda LED 5 mm (czerwona) Rezystor 1 kΩ

200

Tranzystor 2N2222 150

100

50

0 1

10

100

1000

Ilość sztuk

Rysunek 2.2. Wyraźny spadek ceny jednostkowej produktów wraz ze wzrostem zamawianej ilości Pomyśl nad zebraniem grupy zainteresowanych, aby zakupić większą ilość podzespołów. Nie tylko każdy z Was zapłaci mniej za swoje części, ale dodatkowo podzielicie się kosztami przesyłki. Staram się wspierać pobliskie sklepy dla elektroników czy hobbystów, aby mieć pewność, że nadal będą istnieć, gdy będę czegoś potrzebował. Niektóre przedmioty, takie jak narzędzia czy elementy wykończenia korpusu, warto obejrzeć przed zakupem. Jednak ceny podzespołów elektronicznych w sklepach detalicznych są często kosmiczne, a wybór mocno ograniczony. Większość firm wysyłkowych — dzięki obniżeniu kosztów magazynowania części — oferuje ceny lepsze, niż możesz uzyskać w lokalnym sklepie. Ponieważ klienci nie wybierają produktów bezpośrednio z półek, nie trzeba ich atrakcyjnie pakować i można je przechowywać ciasno upchane w odległych miejscach, gdzie przestrzeń magazynowa jest najtańsza. Firmy sprzedające produkty wyłącznie on-line mogą obniżyć koszty jeszcze bardziej poprzez zmniejszenie bądź całkowitą rezygnację z drukowanych katalogów. Co więcej, systemy sprzedaży on-line nie generują kosztów związanych z telefoniczną obsługą zamówień. Dlatego też nawet wiele firm wysyłkowych oferuje dodatkowe upusty dla zamówień złożonych za pomocą internetu.

40 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 2. „ GDZIE ZDOBYĆ NARZĘDZIA I PODZESPOŁY

Uważaj na minimalną wartość zamówienia. Większość sprzedawców wysyłkowych i on-line nalicza dodatkową opłatę za obsługę zamówienia poniżej pewnej, ustalonej kwoty. Zwykle jest to 80 czy 100 zł. Patrz także na cenę przesyłki. Zwykle zaczyna się od pewnej dość wysokiej kwoty bazowej, która potem rośnie powoli wraz ze wzrostem wagi całej przesyłki. Podsumujmy: poprzez połączenie kilku małych zamówień w jeden duży zakup i kupowanie produktów w większych ilościach możesz uzyskać znacząco niższą cenę jednostkową towaru. Po prostu planuj z wyprzedzeniem albo łącz swoje zakupy z zakupami przyjaciół czy członków lokalnego klubu.

41 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

42 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 3 „„„

Zasady bezpieczeństwa

Próba budowy robota jest oznaką wysokiej inteligencji. Ochrona zdrowia w trakcie tej czynności jest oznaką jeszcze wyższej inteligencji. Podczas konstruowania i wykorzystywania robotów zdarzają się sytuacje, które mogą być potencjalnie szkodliwe dla zdrowia i niebezpieczne. W tym rozdziale — poświęconym zasadom bezpieczeństwa — pokazuję, na co powinieneś zwracać uwagę przy realizacji swojego hobby. Oto kilka przykładów potencjalnych zagrożeń, z którymi możesz się zetknąć, wykonując działania opisane w tej książce. • Oparzenia, podpalenia podczas lutowania czy mocowania koszulek termokurczliwych. • Baterie jako źródło iskry czy nawet zapłonu. • Uszkodzenia ciała — skaleczenia w czasie cięcia materiałów i wiercenia w nich. • Kontakt z chemikaliami — cyna i pasta lutownicza, kleje, elementy elektroniczne. • Uszkodzenia oczu odpryskami w czasie cięcia, wiercenia, skrawania, lutowania. • Dostęp małych dzieci do nieodpowiednich narzędzi i części.

Korzystaj z wieku i doświadczenia Budowa robotów to wspaniałe hobby, którym warto się dzielić tak z rodzicami, jak i z dziećmi, jednak używane urządzenia, narzędzia czy chemikalia mogą być w pewnych sytuacjach niebezpieczne. Młodsi pasjonaci powinni więc pracować wyłącznie pod okiem rodziców.

Przestrzegaj instrukcji Zawsze czytaj instrukcje i przestrzegaj tych, które są dołączone do narzędzi i materiałów. Można by cynicznie stwierdzić, że ostrzeżenia mają jedynie ograniczyć odpowiedzialność prawną producentów, ale tak długo, jak długo trzyma Cię to z dala od ostrego dyżuru, jest to akceptowalne. Czytanie instrukcji to także dodatkowa korzyść: możesz poznać funkcje narzędzia, o których nie miałeś pojęcia, lub nauczyć się jego efektywniejszego wykorzystywania. Pamiętaj, że informacje te pochodzą od fachowców.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Jeśli jesteś szczęśliwcem mającym dostęp do warsztatu, przestrzegaj obowiązujących tam zasad. Regulamin jest nie tylko po to, aby zapewnić wszystkim bezpieczeństwo, ale też by chronić drogi sprzęt i dbać jak najlepszą jakość wytwarzanych produktów. Przechowuj instrukcje razem ze sprzętem, którego dotyczą. W ten sposób zawsze będziesz wiedział, gdzie zajrzeć, jeśli pożyczasz komuś sprzęt albo sam masz problem z jego prawidłowym użyciem. Czytaj ponownie instrukcje co jakiś czas. W ramach przygotowań do tej książki przeczytałem znów instrukcje niektórych narzędzi i z radością dowiedziałem się kilku rzeczy, które wcześniej przeoczyłem lub już zdążyłem o nich zapomnieć. Jeśli masz jakieś wątpliwości, poproś o pomoc.

Czytanie etykiet na środkach chemicznych Etykiety na opakowaniach środków chemicznych są równie ważne jak instrukcje obsługi narzędzi. Dodatkowe informacje zawiera „Karta charakterystyki substancji/mieszaniny”, na której przedstawiono opis zagrożeń, jakie może spowodować dana substancja chemiczna, a także informacje o wymaganych środkach bezpieczeństwa i zasadach neutralizacji ewentualnych skażeń tą substancją. Karty te nie zawsze dołączane są do produktów w chwili zakupu, można je jednak uzyskać u producenta, a często także i dystrybutora danej substancji. Powszechnie są też publikowane w internecie.

Noś okulary ochronne Pojedynczy, zabłąkany odprysk może uszkodzić Twoje oko, pozbawiając głębi widzenia, czy zawężając pole widzenia o połowę. Rozprysk chemikaliów może osłabić lub trwale uszkodzić Twoje oczy. Tymczasem oczy — na równi z jasnym umysłem i pewnymi rękami — są niezbędne, aby budować wspaniałe roboty. Noś okulary ochronne! (patrz rysunek 3.1)

Rysunek 3.1. Okulary ochronne zabezpieczą Twoje oczy W mojej okolicy mieszkała kobieta, która dorabiała sobie szyciem. Pewnego dnia, w trakcie normalnej pracy pękła igła w maszynie do szycia, a odłamek trafił ją w oko. Niezwykły przypadek? Tak, ale pokazuje, że nie zawsze możesz polegać na swoich przeczuciach, co jest bezpieczne, a co nie, i kiedy jakaś czynność może być niebezpieczna dla Twoich oczu. Zawsze używam okularów ochronnych, gdy pracuję przy maszynach lub używam chemikaliów. Zakładam je także, kiedy przycinam przewody lub tnę arkusze blachy.

44 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 3. „ ZASADY BEZPIECZEŃSTWA

Zawieszaj okulary albo kładź szkłem do góry Porada od Twojego nauczyciela ZPT: nigdy nie kładź okularów szkłami do dołu. Szkła się zatłuszczą, pobrudzą albo porysują. Gorsza widoczność sprawi, że będziesz je zakładał mniej chętnie, a częściej zdejmował „tylko na chwilę”, żeby się czemuś dokładniej przyjrzeć. Zawieszaj okulary w takim miejscu, gdzie będą Ci się rzucały w oczy i zachęcały do założenia, nim przystąpisz do pracy.

Używaj ubrań ochronnych Używaj odpowiednich rękawic i ubrań z długimi rękawami, aby się chronić przed podrażnieniami, zadrapaniami, oparzeniami czy nawet zatruciem chemikaliami. Zawsze, gdy pracuję z chemikaliami, noszę długie spodnie, koszulę z długimi rękawami, rękawice odporne na działanie środków chemicznych (patrz rysunek 3.2), maskę przeciwpyłową i okulary ochronne.

Rysunek 3.2. Rękawice odporne na działanie środków chemicznych ochronią Twoje dłonie Wykonane z grubej skóry buty ze stalowymi czubkami i odporną na przebicie podeszwą są wskazane do pracy z kawałkami metalu czy innymi, ciężkimi materiałami.

Zapewnij właściwą wentylację O rany — niech ktoś otworzy okno! Chemikaliów staraj się używać na zewnątrz pomieszczeń. Jeśli nie jest to możliwe, otwieraj okno. Jeśli pomieszczenie nie ma okien, zapewnij jakąś wentylację, np. wyciąg. Przy szczególnie mocnych czy długotrwałych wyziewach pomyśl o użyciu maski do oddychania. Pozornie niegroźne materiały mogą podrażnić Twój nos, gardło czy płuca, gdy wydobędą się z nich opary. Noś maskę przeciwpyłową, kiedy wiercisz lub piaskujesz (patrz rysunek 3.3).

45 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 3.3. Nawet niedroga maska przeciwpyłowa pomoże chronić Twój nos, gardło i płuca Każdy wie, że palenie szkodzi. Czasem ludzie zapominają jednak, że palenie może spowodować zapłon łatwopalnych chemikaliów lub ich oparów. Największe zagrożenie występuje w słabo wentylowanych pomieszczeniach.

Właściwie przechowuj materiały i narzędzia Przechowuj narzędzia i chemikalia wysoko na półce w solidnie zamkniętej szafce, aby zabezpieczyć je przed dziećmi. Przechowuj chemikalia z dala od źródeł ciepła, takich jak lutownica, opalarka, tygiel, piecyk czy grzałka. Jeśli przekładasz chemikalia do innego pojemnika albo poddajesz jakiś przedmiot ich działaniu, pamiętaj, aby oznaczyć je właściwie i zawrzeć stosowne ostrzeżenie.

Informuj o tym, co robisz i czego używasz Poinformuj przyjaciół i rodzinę o tym, jakie chemikalia posiadasz. Ma to szczególne znaczenie, jeśli np. byłbyś skłonny podwędzić żonie plastikowy pojemnik na żywność, aby wytrawić w nim płytkę drukowaną dla swojego robota (oczywiście, to nie byłem ja). Nie chcesz chyba, żeby żona zabrała pojemnik z powrotem i trzymała w nim żywność.

Umyj się przed jedzeniem Po lutowaniu, malowaniu, piaskowaniu, użyciu chemikaliów czy innej brudnej robocie nie jedz i nie pij niczego, dopóki nie będziesz miał okazji porządnie się domyć. W ostateczności umyj choć ręce wodą i mydłem.

Unikaj groźnych substancji W minionych latach materiały wybierano głównie pod kątem ich wartości użytkowych. Jednak wraz z rozwojem nauki w dziedzinie materiałoznawstwa i ochrony środowiska więcej uwagi zaczęto poświęcać negatywnym cechom konkretnych materiałów. Wiele pozornie niegroźnych albo akceptowalnych dotąd materiałów zaczęto traktować jak zbyt niebezpieczne dla ludzi bądź środowiska. Toksyczne pierwiastki są poważnym zmartwieniem. W odróżnieniu od związków chemicznych, nie można ich unieszkodliwić poprzez proste działania, takie jak np. spalenie. Gdy jednak są właściwie utylizowane, mogą zostać ponownie wykorzystane lub chemicznie zneutralizowane.

46 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 3. „ ZASADY BEZPIECZEŃSTWA

Ołów Zakazuje się używania ołowiu w coraz większej liczbie produktów, włącznie z podzespołami i układami elektronicznymi. Najbardziej szkodliwe jest wdychanie jego oparów, następnie spożycie, a najmniej kontakt przez dotyk. Wysokie stężenie ołowiu w organizmie może prowadzić do śmierci dorosłej osoby, jednak nawet średnie jego stężenie we krwi powoduje trwałe obniżenie ilorazu inteligencji u dzieci. Musisz wiedzieć, że aktualnie uznawane za bezpieczne stężenie ołowiu we krwi dzieci jest dziesięciokrotnie mniejsze niż akceptowalne u ludzi dorosłych (poza kobietami w ciąży). Unikaj kupowania produktów zawierających ołów, włącznie z bateriami i akumulatorami ołowiowo-kwasowymi czy ołowiowo-żelowymi, nawet jeśli cena jest atrakcyjna. Nie wyrzucaj do śmieci przedmiotów zawierających ołów, lecz przekazuj je do odpowiedniego zakładu utylizacji odpadów. Podobnie jak większość elektroników, nauczyłem się lutować przy użyciu standardowego lutowia zawierającego 60% cyny i 40% ołowiu. Doskonale się topi i dobrze się nim lutuje. A jednak przestawiłem się na używanie jego bezołowiowej alternatywy w postaci spoiwa będącego połączeniem cyny i srebra (patrz rysunek 3.4).

Rysunek 3.4. Używaj bezołowiowego spoiwa lutowniczego Jeśli będziesz kupował bezołowiowe spoiwo lutownicze w najmniejszych opakowaniach, nie zapłacisz dużo więcej niż za „zwykłe” spoiwo zawierające ołów. Jeśli początkowo będzie Ci trudno nakładać spoiwo bezołowiowe, to dlatego, że nie jesteś do niego przyzwyczajony. Przy odrobinie praktyki i zastosowaniu odpowiedniej temperatury spoiwo bezołowiowe działa tak samo dobrze i daje nawet mocniejszy lut niż spoiwo zawierające ołów. Topnik — środek czyszczący zawarty w spoiwie — ma właściwości drażniące, a nawet potencjalnie rakotwórcze. Tak więc nawet wyeliminowanie ołowiu nie usuwa wszystkich zagrożeń. Pomoże tu odpowiednia wentylacja i zachowanie czystości.

Rtęć Staromodne, rtęciowe czujniki przechyłu z pewnością wyglądają doskonale (patrz rysunek 3.5), jednak rtęć jest szczególnie trującym pierwiastkiem. Nawet niewielką ilością możesz się zatruć, musisz także uważać, by nie przedostała się do strumienia czy rzeki.

47 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 3.5. Trzy szklane czujniki przechyłu zawierające szkodliwą ciekłą rtęć Nie kupuj przedmiotów zawierających rtęć. Tak długo, jak długo ludzie będą kupować produkty zawierające rtęć, będą one produkowane. Jeśli w swoim robocie użyjesz rtęciowego czujnika przechyłu i czujnik ten się stłucze, jak to uprzątniesz? Robot będzie pokryty trującą substancją. Nie wyrzucaj do kosza produktów zawierających rtęć. Przekaż je do pobliskiego punktu utylizacji odpadów niebezpiecznych. Większość typowych baterii może zostać wrzucona do specjalnych pojemników umieszczonych w niektórych sklepach z narzędziami czy częściami elektronicznymi, skąd zostaną zabrane i odpowiednio zutylizowane. Potraktuj to poważnie — odrobina czasu, jaką na to poświęcisz, może mieć znaczący wpływ na środowisko.

Kadm Kolejnym niebezpiecznym pierwiastkiem jest kadm. Nie kupuj akumulatorków niklowo-kadmowych (oznaczanych symbolem NiCd lub NiCad) nawet po okazyjnej cenie. Akumulatorki niklowo-metalowo-wodorkowe (oznaczane NiMH) są — pod wieloma względami — zamiennikiem lepszej jakości. Zanieś przedmioty zawierające kadm do punktu utylizacji odpadów. I znów, akumulatorki te możesz wrzucić do specjalnych pojemników w niektórych sklepach, podobnie jak omawiane wcześniej baterie.

Kupuj bezpieczne części z oznaczeniem RoHS Unia Europejska wprowadziła dyrektywę o nazwie RoHS (ang. Restriction of Hazardous Substances — „Ograniczenie rozpowszechniania substancji niebezpiecznych”). Inicjatywa to została podchwycona i przyjęta w różnych postaciach w wielu krajach na całym świecie. Jej celem jest ograniczenie użycia wybranych szkodliwych pierwiastków i związków chemicznych. Producenci, którzy przestrzegają tej dyrektywy, mogą swoje produkty oznaczać etykietą RoHS. Dyrektywa ta jest szeroko przyjęta i stosowana w przemyśle elektronicznym. Możesz napotkać na pozór identyczne elementy różniące się jedynie pojedynczą literą czy cyfrą w ich symbolu. Różnica polega zwykle na tym, że nowsza część została certyfikowana albo zmodyfikowana tak, aby spełniać dyrektywę RoHS. Co zaskakujące, zamiast podbijać koszty, elementy zgodne z RoHS są często odrobinę tańsze od ich starszych odpowiedników. Nie wiem, czy jest tak z powodu mniejszych kosztów ich utylizacji dzięki ich mniejszej szkodliwości, czy też wciąż duże — z racji niezaktualizowanych list części w dokumentacji produkcyjnej — zapotrzebowanie niektórych wytwórców na starsze części, niezgodne z RoHS, podbija ich cenę. W każdym razie norma RoHS jest dobra dla Ciebie, bo otrzymujesz tę samą funkcjonalność przy mniejszej ilości szkodliwych czynników. Jest przy tym także korzystna dla środowiska.

48 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 3. „ ZASADY BEZPIECZEŃSTWA

Porażenia Elektryczność budzi robota do życia. Jednak zbyt wiele energii albo jej przepływ przez wrażliwe obszary może być szkodliwy tak dla robota, jak i dla jego konstruktora.

Prąd stały czy prąd przemienny Na co dzień na świecie używa się bezpiecznie miliardów urządzeń zasilanych prądem przemiennym1. Urządzenia te zostały jednak zaprojektowane przez osoby o kierunkowym wykształceniu i doświadczeniu o wiele większym niż większości hobbystów. Prąd przemienny sam w sobie nie jest problemem. Jest nim wysokie napięcie i nieprzerwany dopływ napięcia z gniazdka. Z tej racji w książce unika się projektów wykorzystujących prąd przemienny. Zamiast tego pozostajemy przy niskonapięciowych rozwiązaniach wykorzystujących prąd stały. Moje wszystkie roboty zasilane są zwykłymi bateriami bądź akumulatorkami. Jakkolwiek kondensator naładowany przy użyciu pary zwykłych baterii 9-woltowych może postawić Cię na nogi, a 12-woltowy akumulator samochodowy może być zabójczy w wyjątkowo pechowych okolicznościach, to jednak ogólne ryzyko jest wielokrotnie mniejsze niż przy korzystaniu z gniazdka sieciowego.

Używaj akumulatorków i firmowych ładowarek W ostatnich latach akumulatorki stały się niezwykle użyteczne, nie tylko z punktu widzenia ochrony środowiska, ale także z przyczyn czysto ekonomicznych. Zaprojektowane do codziennego użytku akumulatorki litowe czy też niklowo-metalowo-wodorkowe są dziś powszechnie dostępne. Inną — poza bezpieczeństwem — zaletą używania baterii lub akumulatorków jest swoboda poruszania się robota. Ciągnące się przewody zasilające czy innego przeznaczenia mają tendencję do plątania się i ograniczają obszar oraz swobodę poruszania robota. Bez wątpienia albo Twój robot będzie przejeżdżał po przewodach, albo wkręcą się one w jego koła. Jeśli potrzebujesz pewnego, stabilnego źródła napięcia, kup regulowany zasilacz prądu stałego (patrz rysunek 3.6). Pomimo że zasilacz taki podłącza się do gniazdka ściennego z prądem przemiennym, to jednak został on zaprojektowany przez zawodowców i zwykle posiada zabezpieczenie termiczne i prądowe zgodne z jego znamionowymi parametrami. Krótko mówiąc, takie zasilacze są z reguły znacznie bezpieczniejsze niż jakikolwiek regulator, jaki mógłbyś sam zbudować.

Użycie bezpieczników automatycznych i wyłączników różnicowoprądowych Nadszedł dobry moment, aby sprawdzić Twoją domową tablicę rozdzielczą i przekonać się, czy poprzedni właściciel nie próbował przypadkiem „licować” bezpieczników. Elektronarzędzia i Twoje eksperymentalne układy lepiej podłączyć przez listwę zasilającą z wbudowanym bezpiecznikiem automatycznym i wyłącznikiem (patrz rysunek 3.7). Dzięki temu nawet jeśli bezpiecznik nie zadziała, będziesz w stanie szybko odciąć zasilanie od szalejącego urządzenia, nie dotykając go.

1

Potocznie częściej używa się określenia „prąd zmienny” jednak w istocie jest to szersza kategoria znaczeniowa. Prąd przemienny jest jednym ze szczególnych przypadków prądu zmiennego, charakteryzującym się powtarzalną, okresową, odbywającą się ze stałą częstotliwością zmianą wartości chwilowej napięcia — przyp. tłum.

49 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 3.6. Zasilany prądem przemiennym zasilacz prądu stałego o napięciu wyjściowym regulowanym w zakresie od 3 do 12 woltów

Rysunek 3.7. Bezpiecznik wbudowany w listwę zasilającą Wyłączniki różnicowoprądowe wbudowywane są często w gniazdka zasilające w łazience czy kuchni. W odróżnieniu od bezpieczników, które wykrywają nadmierne natężenie prądu, wyłączniki różnicowoprądowe odcinają zasilanie, gdy nie cały prąd wypływający z gniazda sieciowego wraca do niego. Zdarza się to szczególnie w przypadku zawilgocenia czy zamoczenia, gdy woda przewodzi prąd pomiędzy urządzeniem a Twoim ciałem. Podobnie jak bezpieczniki, tak i wyłączniki różnicowoprądowe mogą uratować komuś życie. Warto także rozważyć wbudowanie bezpiecznika topikowego bądź automatycznego w samego robota. Część obwodów elektronicznych zasilana napięciem stabilizowanym otrzymuje energię ze stabilizatora. Sprawdź więc w nocie katalogowej układu stabilizatora, czy posiada on wbudowane zabezpieczenie termiczne i prądowe (większość je ma). Przy elementach zasilanych bezpośrednio z baterii lub akumulatorów, takich jak np. silniki, użyj bezpiecznika topikowego bądź automatycznego, aby chronić je przed uszkodzeniem czy spaleniem. Termistory PTC (o dodatnim współczynniku temperaturowym) ograniczają przepływ energii, gdy zostaną przegrzane przez nadmierny przepływ prądu (patrz rysunek 3.8). Po kilku sekundach od zaniku przeciążenia stygną one na tyle, że prąd ponownie może płynąć bez przeszkód. Termistory są lekkie, tanie i możesz je umieścić głęboko w trzewiach robota, gdyż nie musisz naciskać żadnych przycisków (jak w bezpieczniku automatycznym), aby przywrócić zasilanie.

50 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 3. „ ZASADY BEZPIECZEŃSTWA

Rysunek 3.8. Klasyczny, jednorazowy bezpiecznik topikowy (po lewej) oraz dwa termistory PTC pełniące rolę bezpieczników elektronicznych w urządzeniach (po prawej)

Zadbaj o uziemienie Nigdy nie odcinaj linii uziemienia w kablu zasilającym (patrz rysunek 3.9). Uziemienie ma chronić przed porażeniem, gdy któryś z przewodów zasilających wewnątrz urządzenia odłączy się i dotknie metalowej części jego obudowy.

Rysunek 3.9. Wtyczka sieciowa ze złączem uziemienia Dzięki obecności linii uziemienia napięcie pojawiające się na metalowej obudowie może być bezpiecznie odprowadzone do gniazdka sieciowego i nie porazi osoby dotykającej urządzenia. • Jeżeli masz możliwość użycia gniazda z uziemieniem, ale jest ono zbyt daleko, wykorzystaj odpowiednio wytrzymały przedłużacz wyposażony w linię uziemienia. • Jeżeli dysponujesz właściwym zasilaniem, ale brakuje Ci wolnych gniazd, użyj listwy zasilającej. • Jeżeli nie dysponujesz żadnym gniazdkiem sieciowym wyposażonym w linię uziemienia, poproś elektryka z odpowiednimi uprawnieniami, by zainstalował takie gniazdko. Wycieczka do szpitala może być znacznie kosztowniejsza. Pomieszczenia z jedynie kilkoma gniazdkami, pozbawionymi w dodatku uziemienia, stają się powoli przeszłością. Takie rozwiązania nie tylko stanowią zagrożenie pożarowe, gdy ludzie podłączą wiele rozgałęźników, ale też stają się obiektem zainteresowania, gdyż obecnie nabywcy domów czy mieszkań zwracają baczniejszą uwagę na jakość wykonania instalacji elektrycznej. Dzięki zmianom przepisów i regulacji takie problemy nie występują już praktycznie w nowszych domach i mieszkaniach.

51 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Odłączaj zasilanie Zawsze fizycznie odłączaj zasilanie od układów robota, zanim przystąpisz do pracy nad nim. W większych robotach baterie czy akumulatory powinny nie tylko być odłączone, ale wręcz usunięte z robota na czas prac. Tak będzie bezpieczniej dla Ciebie i unikniesz przypadkowego uszkodzenia źródła energii. Zawsze używaj próbnika, aby upewnić się, że żaden układ nie pozostaje pod napięciem. Skorzystaj z rezystora dużej mocy (albo izolowanego wkrętaka, jeśli nie masz wyjścia), aby rozładować kondensatory, gdyż nawet po odłączeniu zasilania mogą one zachować w sobie dość energii, aby być niebezpieczne. Naładowane kondensatory o dużej pojemności stanowią jeden z powodów, dla których naprawa telewizorów czy zasilaczy komputerowych może być tak niebezpieczna. Nigdy nie dotykaj zasilonego układu obiema rękami — unikniesz tworzenia drogi dla prądu przez Twoje serce. Powinieneś także używać podgumowanych albo w inny sposób izolowanych butów. Przepływ prądu przez Twoją rękę, klatkę piersiową i dalej aż do stóp może być zabójczy. Przepływ do ziemi bierze się stąd, że prąd zawsze płynie ścieżką o najmniejszej rezystancji. Jeśli prąd „znajdzie” drogę o małym oporze (np. poprzez metal) bezpośrednio do ziemi, większość energii popłynie tamtą drogą, a nie przez Twoje ciało. Ostatnia rzecz: ludzka skóra znacznie lepiej przewodzi prąd, gdy jest mokra. Nie majstruj przy robocie ani przy żadnym innym urządzeniu elektronicznym, jeśli Twoje ciało albo samo urządzenie jest mokre lub nawet tylko wilgotne. Obejmuje to także zmoczone deszczem czy spocone dłonie.

Trzymaj się z daleka od niebezpiecznych robotów Na tym świecie jest dość problemów bez ludzi tworzących zabójcze roboty. Ostrza, szpikulce, młoty, pociski czy wirujące ciężarki to nie są elementy, jakie chciałbyś widzieć na urządzeniu, w którym masz usuwać usterki. „Oh, przepraszam za Twoją rękę! Pewnie mam zamienione te dwa przewody”.

Dobierz rozmiar silników Przemyśl rozmiar całego robota i wymaganą do tego moc silników. Nawet przy najlepszych intencjach już średniej wielkości robot może dysponować pokaźną siłą. Obejrzyj broszurę opisującą roboty przemysłowe. Znajdziesz tam całe strony poświęcone reklamie rozwiązań, które przy użyciu laserowych barier czy innych urządzeń bezpieczeństwa monitorują położenie materiałów czy pracowników i natychmiast odłączają zasilanie robota, gdy ludzie znajdą się za blisko. Zgadnij dlaczego? Silniki i siłowniki zwykle nagrzewają się w trakcie pracy. Pomyśl o ilości pracy, jaką wykonuje każdy element, i o natężeniu prądu, jaki pobiera. Każda mechaniczna czy elektroniczna część marnuje część otrzymanej energii, zamieniając ją w ciepło. Zwykle im więcej energii pobiera jakiś element, tym więcej ciepła wydziela.

Dobierz oświetlenie Na wyraźnie oświetlonym stanowisku przyjemnie się pracuje. Jasne oświetlenie ułatwia znalezienie błędów, szczególnie na płytkach drukowanych. Nad dobrze widocznym detalem nie będziesz musiał się pochylać i mrużyć oczu. Gdy to możliwe, kup lampę fluorescencyjną (patrz rysunek 3.10). Nie tylko pobiera ona niewiele energii, ale także nie nagrzewa się w czasie pracy. (Hmm, czyżby te dwa czynniki były powiązane?). Porządna, montowana do stołu i regulowana lampa to konieczność.

52 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 3. „ ZASADY BEZPIECZEŃSTWA

Rysunek 3.10. Stołowa, regulowana lampa ze świetlówką

Bądź wypoczęty i zrównoważony Wycieńczenie i zniechęcenie może się odbić i na Tobie, i na Twoim robocie. Planuj z wyprzedzeniem i dopracuj swojego robota, nim przystąpisz do zawodów. Wszystkie te superroboty zbudowane w jedną noc to raczej powód do wstydu niż do dumy. Wypoczywaj, rób sobie przerwy i czerp satysfakcję ze swojego hobby.

53 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

54 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 4

Uniwersalny miernik cyfrowy

Kontynuujemy omówienie wymagań wstępnych — takich jak zasady bezpieczeństwa czy możliwe sposoby zakupu części — niezbędnych, aby można było przystąpić do budowy robota. W tym rozdziale nauczysz się wszystkiego o mierniku cyfrowym — kluczowym przyrządzie pomiarowym, jaki każdy konstruktor robotów powinien mieć pod ręką. Funkcje różnych mierników możemy podzielić na kilka grup: absolutnie niezbędne w naszej pracy, przydatne i pozostałe. Rozdział kończę omówieniem trzech mierników różnej klasy. Miernik uniwersalny (patrz rysunek 4.1) jest przyrządem niezbędnym w trakcie budowy robota. Będzie Ci potrzebny w trakcie prób i realizacji podprojektów opisywanych w kolejnych rozdziałach.

Rysunek 4.1. Uniwersalny miernik cyfrowy z końcówkami pomiarowymi Przy użyciu miernika uniwersalnego możesz: • stwierdzić, czy Twój układ nie zużywa mniej lub też więcej energii niż powinien, • stwierdzić, czy element elektroniczny jest zużyty lub uszkodzony, • określić, z jaką wersją danego elementu masz do czynienia, • określić wartość charakteryzującą dany element, • ręcznie odczytać wskazania czujników w trakcie projektowania i usuwania usterek w układzie.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Możliwości uniwersalnych mierników cyfrowych zwiększyły się znacznie, podczas gdy ich ceny spadły. Całkowicie wystarczający miernik można dziś nabyć za cenę poniżej 60 zł. Za około 600 zł można już kupić naprawdę przyzwoity miernik. Opiszę teraz pokrótce funkcje najczęściej spotykane w miernikach cyfrowych. Nie przejmuj się zbytnio tym, co oznaczają dziwaczne symbole (μ, Ω), jakie napotkasz. Przytaczam je w taki sposób, aby pokrywały się z tym, co zobaczysz w katalogach czy reklamach. Jeśli na razie informacje tu zaprezentowane przyprawiają Cię o zawrót głowy, po prostu kup lub pożycz od kogoś jakiś tani i prosty miernik cyfrowy. Gdy dowiesz się więcej, dokonasz bardziej świadomego zakupu.

Niezbędne cechy Poniżej wymieniam cechy, które Twój miernik musi posiadać.

Powinien to być miernik cyfrowy Mierniki cyfrowe wyświetlają zmierzoną wartość na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym podobnym do tego, jaki znajdziesz w każdym kalkulatorze (patrz rysunek 4.2). Nie trzeba zgadywać ani zastanawiać się nad interpretacją odczytu. Mierniki analogowe wyposażone są we wskazówkę, która wychyla się w lewo bądź w prawo ponad narysowaną pod nią skalą (patrz rysunek 4.3). Mierniki cyfrowe pozwalają tak łatwo odczytać wynik pomiaru i są przy tym tak niedrogie, że nie warto używać miernika analogowego.

Rysunek 4.2. Wyświetlacz uniwersalnego miernika cyfrowego

Rysunek 4.3. Wychyłowy wskaźnik w tradycyjnym mierniku analogowym

Ilość wyświetlanych cyfr Wyświetlacz na 3½ cyfry oznacza możliwość wyświetlania liczb od 0 do 1999 (z ruchomym punktem dziesiętnym); 3¾ cyfry oznacza możliwość wyświetlania liczb aż do 4999; 4 cyfry to wyświetlanie liczb aż do 9999. W praktyce 3½ cyfry jest tu zupełnie wystarczające. Każdy miernik cyfrowy na tyle pozwala.

56 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 4.

UNIWERSALNY MIERNIK CYFROWY

Pomiar napięcia stałego Mierzone w woltach napięcie stałe wskazuje, jaki poziom czy też siłę ma elektryczność. Zakres od 0,2 V (200 mV) do 48 V jest zwykle wystarczający do pracy ze średniej skali robotami. Każdy, nawet najprostszy miernik cyfrowy umożliwia pomiar w takim zakresie.

Pomiar prądu stałego Mierzony w amperach prąd stały określa ilość elektronów (energii) przepływających przez dany obwód (i miernik) w ciągu jednej sekundy. Wszystko, czego potrzebujesz, to zakres od 0,0002 A (200 μA) do 2 A. Każdy miernik dysponuje takim zakresem.

Pomiar rezystancji Rezystancja (mierzona w omach) określa, jak bardzo dany materiał stawia opór przepływającemu przez niego prądowi. Zazwyczaj będziesz potrzebował zakresu od 1 Ω do 2 000 000 Ω (2 MΩ). Każdy miernik z tym sobie poradzi.

Końcówki lub wyprowadzenia testowe Miernik powinien być wyposażony w przewody pozwalające na podłączenie testowanego elementu czy układu (patrz rysunek 4.4). Każdy prosty miernik je ma. Paradoksalnie w naprawdę drogich przyrządach pomiarowych, takich jak niektóre oscyloskopy, sondy pomiarowe musisz zakupić osobno.

Rysunek 4.4. Końcówki pomiarowe

Bezpiecznik lub zabezpieczenie przed przeciążeniem Niemal każdy miernik ma wbudowane zabezpieczenie, które chroni go przed zniszczeniem w przypadku przyłożenia do końcówek pomiarowych zbyt wysokiego napięcia czy prądu. Dobrym znakiem jest certyfikat UL (Underwriters Laboratory) albo CE (Conformité Européenne) — patrz rysunek 4.5. Pamiętaj jednak,

57 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 4.5. Logo certyfikatów Underwriters Laboratory i Conformité Européenne iż — pomimo zabezpieczenia na wejściu końcówek pomiarowych — wiele mierników może być nadal podatnych na uszkodzenie bądź zniszczenie przez podanie złego sygnału na wejście pomiaru tranzystorów, wejście pomiaru pojemności czy port transmisji danych.

Przydatne cechy Tutaj omawiam dodatkowe cechy mierników, za które warto trochę dopłacić, jeśli możesz sobie na to pozwolić.

Pomiar pojemności Mierzona w faradach pojemność określa, jaką ilość elektronów (ładunku) może zgromadzić kondensator. Pożądany byłby zakres pomiaru od 0,000000000020 F (20 pF) do 0,01 F (10 000 μF); sporo mierników potrafi mierzyć pojemność, jednak zazwyczaj w węższym przedziale.

Badanie diod Mierzone w woltach albo miliwoltach napięcie przewodzenia diody określa, jaki poziom energii jest niezbędny, aby aktywować półprzewodnik. Jest to ważna funkcja miernika, ponieważ pomaga klasyfikować różne typy diod i rozróżniać tranzystory. Diody LED mogą nawet zacząć świecić w trakcie badania. Większość mierników została wyposażona w tę funkcję.

Badanie ciągłości obwodu Mierzona w omach ciągłość obwodu wskazuje, czy pomiędzy dwoma badanymi punktami istnieje połączenie elektryczne. Wiele mierników ma tę funkcję, często połączoną z akustycznym sygnałem potwierdzającym ciągłość, dzięki czemu nie musimy za każdym razem zerkać na ekran przyrządu, aby stwierdzić, czy badane punkty są połączone. Jeśli Twój miernik nie ma tej funkcji, możesz w zamian używać pomiaru rezystancji, jednak będziesz zmuszony za każdym razem patrzeć na wyświetlacz miernika.

Pomiar częstotliwości Mierzona w hercach częstotliwość określa, jak często w ciągu jednej sekundy coś się dzieje (patrz rysunek 4.6). Pożądany zakres pomiarowy to przedział od 0,1 Hz do 50 000 000 Hz (50 MHz). Niektóre mierniki mają tę funkcję, ale zakres pomiarów jest mniejszy. Jeśli decydujesz się na miernik z funkcją pomiaru częstotliwości, wybierz taki, który mierzy częstotliwość do co najmniej 45 000 Hz (45 kHz).

58 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 4.

UNIWERSALNY MIERNIK CYFROWY

Rysunek 4.6. Miernik wyświetlający zmierzoną częstotliwość 38 kHz

Pomiar wypełnienia przebiegu Współczynnik wypełnienia przebiegu określa, w jakim procencie czasu sygnał ma poziom wysoki w stosunku do czasu pełnego cyklu przebiegu. Przy pracy z robotami okazuje się to ważnym parametrem pomiarowym, gdyż stanowi klucz do sterowania PWM (modulacji szerokości impulsów). Tylko niektóre mierniki posiadają tę funkcję, często dołączoną do pomiaru częstotliwości.

Automatyczny dobór zakresów Zazwyczaj użytkownik musi samodzielnie ustawić na mierniku spodziewany maksymalny zakres mierzonego sygnału (patrz rysunek 4.7). Funkcja automatycznego doboru zakresu przestawia parametry pracy miernika, aby dostosować się do poziomu sygnału na wejściu. Funkcja ta może być uciążliwa, jeśli sygnał oscyluje na granicy dwóch sąsiadujących zakresów pomiarowych. Wówczas może następować ciągłe przełączanie pomiędzy jednym a drugim zakresem; chyba że miernik ma przycisk wstrzymania, który pozwala chwilowo zablokować zmianę zakresów. Jedynie mierniki średniej i wyższej klasy wyposażono w tę funkcję. Możesz to łatwo poznać po braku zakresów na przełączniku trybu pracy miernika (patrz rysunek 4.8).

Rysunek 4.7. Pokrętło wyboru trybu pracy miernika z ręcznym wyborem zakresu pomiarowego

59 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 4.8. Uproszczony wybór trybu pracy dzięki funkcji automatycznego doboru zakresu pomiarowego

Automatyczne wyłączanie Nagminne jest zapominanie o wyłączeniu miernika, gdy masz głowę zaprzątniętą wykonywaną właśnie czynnością. Często stwierdzam z zaskoczeniem, że mój miernik jest cały czas włączony, gdy odkładam go na bok po pracy. Na szczęście dla baterii mój miernik ma funkcję automatycznego wyłączania. Może być ona uciążliwa, jeśli miernik wyłącza się po zbyt krótkim czasie, jednak większość mierników nie wyłączy się, jeśli mierzona wartość ulega zmianom.

Pomiar tranzystorów W tym trybie miernik pozwala zmierzyć wzmocnienie stałoprądowe tranzystora hFE (oznaczane też jako β). Wyboru typu badanego tranzystora bipolarnego (PNP lub NPN) dokonuje się zazwyczaj, wkładając tranzystor w oddzielne dla każdego typu otwory pomiarowe umieszczone na obudowie miernika (patrz rysunek 4.9). Jeśli miernik nie ma funkcji oznaczenia typu tranzystora, możesz do tego celu użyć funkcji badania diod. W rozdziale 16. znajdziesz szczegółowe omówienie, krok po kroku, pomiarów z użyciem funkcji badania diod i tranzystorów.

Rysunek 4.9. Gniazdo do badania tranzystorów

60 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 4.

UNIWERSALNY MIERNIK CYFROWY

Podwójny wyświetlacz Podwójny wyświetlacz zawiera w rogu drugi, dodatkowy zestaw cyfr, co pozwala w czasie pomiaru wyświetlać wynik innego pomiaru albo obliczeń. Jest to praktycznie niezbędne przy określaniu wartości minimalnej, maksymalnej czy innych wyników obliczeń, gdyż inaczej nie można by wyświetlić jednocześnie bieżącej mierzonej wartości. Wiele mierników dysponuje tą funkcją.

Pomiar wartości maksymalnej Funkcja ta wyświetla największą wartość, jaką osiągnął mierzony sygnał. Jest to przydatne, aby przekonać się, czy jakiś sygnał w żadnym momencie nie przekroczył spodziewanego poziomu. Podczas gdy miernik powtarza pomiar raz za razem, Ty możesz badać różne fragmenty obwodu, zerkając tylko od czasu do czasu na wyświetlacz, aby odczytać największą wartość sygnału, jaka została zmierzona. Wiele mierników dysponuje tą funkcją.

Pomiar wartości minimalnej Funkcja ta zachowuje się podobnie do opisywanej przed chwilą, lecz zapamiętywana jest najmniejsza wartość zmierzonego sygnału. Wiele mierników dysponuje tą funkcją.

Podstawka Większość mierników wyposażono w element pozwalający na ich podparcie i ustawienie pod kątem na stole (patrz rysunek 4.10). Dzięki temu w trakcie pracy nad robotem łatwiej odczytuje się wyświetlane wyniki.

Rysunek 4.10. Miernik ustawiony na wbudowanej stopce w pozycji ułatwiającej odczytywanie wyników

61 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Dodatkowe cechy Tutaj omawiam inne funkcje, które dostępne są w niektórych miernikach; niekoniecznie musisz je posiadać.

Pomiar indukcyjności Mierzona w henrach indukcyjność oznacza opór stawiany zmianom w przepływie energii. Niewiele mierników posiada tę funkcję. Gdyby nie to, funkcja ta znalazłaby się na liście cech pożądanych.

Interfejs komunikacyjny RS-232 lub USB Interfejs komunikacyjny (patrz rysunek 4.11) pozwala miernikowi przesyłać wyniki pomiarów do komputera lub innego zewnętrznego urządzenia. Może to być bardzo przydatne przy tworzeniu zapisów z testów. Jednak wyniki pomiarów uaktualnianie są jedynie kilka razy na sekundę, zatem funkcja ta nie pozwala przekształcić miernika w prawdziwy oscyloskop cyfrowy.

Rysunek 4.11. Połączenie miernika cyfrowego z komputerem poprzez port RS-232 (po lewej) lub przy użyciu optycznego interfejsu USB (po prawej) Upewnij się, czy do miernika dołączone jest odpowiednie oprogramowanie. Jeśli trzeba je nabyć osobno, rozważ jego zakup wraz z miernikiem, aby uniknąć sytuacji, gdy oprogramowanie przestanie być dostępne z racji zakończenia produkcji danego typu miernika. Tylko niektóre mierniki wyposażone są w port komunikacyjny.

Funkcja oscyloskopu W trybie oscyloskopowym wyświetlany jest graficzny obraz zmian mierzonego sygnału w jakimś przedziale czasu. Może to być bardzo przydatne przy badaniu jakości i zgrupowania sygnałów danych oraz sygnałów zegarowych. Niestety, rozdzielczość i maksymalna szybkość wykonywania pomiarów w funkcji oscyloskopowej jest jeszcze mocno ograniczona. Prawdziwe, superszybkie oscyloskopy z wielkim wyświetlaczem to zupełnie inna klasa urządzeń. Niewiele mierników posiada funkcję oscyloskopu, a te, które ją mają, są znacząco droższe.

62 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 4.

UNIWERSALNY MIERNIK CYFROWY

Podświetlenie Podświetlenie zamontowane jest pod wyświetlaczem miernika. Przydaje się w nocy lub w ciemnych miejscach. Gdy zostanie włączone, bateria miernika zużywa się znacznie szybciej, a w niektórych urządzeniach włączenie podświetlenia powoduje generowanie wysokiego pisku słyszalnego przez osoby o wrażliwym słuchu. Większość wyższej klasy mierników, szczególnie z rozbudowanymi funkcjami graficznymi wyświetlacza, ma tę funkcję.

Stoper (miernik) szerokości impulsu Stoper odmierza czas pomiędzy dwoma zdarzeniami. Może się przydać przy sprawdzaniu parametrów czasowych układu lub sygnału sterującego serwomechanizmami. Niewiele mierników dysponuje tą funkcją.

Pomiar temperatury Mierzona w stopniach Celsjusza lub Fahrenheita temperatura pokazuje, jak zimny bądź gorący jest badany obiekt. Może się przydać, kiedy szukasz odpowiedzi na odwieczne pytanie: „Czy nie wydaje Ci się, że to się za bardzo grzeje?”. Jedynie niektóre mierniki wyposażone są w tę funkcję.

Pomiar natężenia dźwięku Mierzone w decybelach natężenie dźwięku wskazuje, jak cichy bądź głośny jest dany dźwięk. Może się przydać przy badaniu silnika czy pomiarze wydajności głośnika lub czułości mikrofonu. Tylko nieliczne mierniki wyposażone są w tę funkcję.

Licznik zdarzeń Licznik rejestruje, ile razy — niezależnie od czasu trwania — coś się wydarzyło. Wiele mierników dysponuje tą funkcją.

Wskaźnik paskowy Mierniki cyfrowe nie reagują natychmiast na zmianę mierzonej wartości. Zamiast tego uśredniają wartości odczytów w krótkim przedziale czasu i aktualizują wyświetlaną wartość jedynie kilka razy na sekundę (miłośnicy dawnych, analogowych rozwiązań wskazują to jako słabość). Dlatego niektóre mierniki cyfrowe zawierają na wyświetlaczu także aktualizowany na bieżąco paskowy wskaźnik wartości w danej chwili (patrz rysunek 4.12).

Rysunek 4.12. Paskowy wskaźnik pozwala uzyskać miernikom cyfrowym czas reakcji zbliżony do mierników analogowych

63 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Zatrzymanie wartości pomiaru Zatrzymanie ostatniego pomiaru zapobiega zmianom wyświetlanej na ekranie miernika zmierzonej wartości. Większość mierników aktualizuje wynik kolejnych pomiarów, pokazując zatrzymaną wartość w jakiejś innej części wyświetlacza. Wiele mierników dysponuje tą funkcją.

Podtrzymanie odczytu W tym trybie odczytana wartość jest okresowo przenoszona i pokazywana w drugim polu podwójnego wyświetlacza. Dzięki temu wyraźnie widać, kiedy bieżąca wartość się zmienia, gdyż przez kilka sekund oba pola podwójnego wyświetlacza pokazują różne wartości.

Pomiar stanów logicznych W tym trybie zmierzone napięcie stałe jest interpretowane jako stany logiczne — niski, wysoki albo wartość zabroniona pomiędzy nimi (patrz rysunek 4.13). Lepiej zrobisz to jednak we własnej głowie, używając trybu pomiaru napięcia stałego. W zależności od rodzaju części, jakie wybierzesz przy budowie robota, układy mogą traktować daną wartość napięcia jako stan wysoki, podczas gdy miernik uzna je za stan niski. Jest to szczególnie prawdopodobne, gdy użyjesz nowoczesnych, niskonapięciowych układów. Większość mierników posiada tryb pomiaru stanów logicznych.

Rysunek 4.13. Przejście pomiędzy stanami logicznymi na wyświetlaczu miernika

Pamięć pomiarów Podobnie jak pamięć w kalkulatorze, w tym trybie miernik może zapamiętać jedną lub więcej zmierzonych wartości. Jeśli zachowana i pokazana gdzieś na wyświetlaczu jest jedynie jedna wartość, wówczas jest to po prostu inna nazwa funkcji zatrzymania wartości pomiaru. Niektóre mierniki pozwalają zapamiętać wiele wartości, lecz nie jest to zbyt użyteczne bez funkcji graficznej prezentacji przebiegu.

Pomiar względny Tryb względny wyświetla różnicę pomiędzy aktualną a poprzednio zmierzoną wartością. Pokazuje zatem zmianę, a nie bezwzględną wartość. Niektóre mierniki dysponują tym trybem.

Pomiar przesunięcia W tym trybie miernik pokazuje różnicę pomiędzy wartością zmierzoną a wartością zachowaną w pamięci. Niektóre mierniki wyposażono w ten tryb.

64 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 4.

UNIWERSALNY MIERNIK CYFROWY

Wykrywanie przekroczenia zadanego poziomu W tym trybie miernik pokazuje, kiedy mierzona wartość przekracza zadaną minimalną lub maksymalną wartość progową zapisaną w pamięci. Niektóre mierniki dysponują tym trybem.

Uchwyt lub gumowa osłona Gumowa osłona (patrz rysunek 4.14) chroni obudowę miernika przed porysowaniem i obiciem. Jeśli jest wystarczająco dużo miejsca, warto jej zawsze używać.

Rysunek 4.14. Gumowa osłona miernika Jeśli osłona sprzedawana jest osobno, najlepiej kupić ją od razu wraz z miernikiem. Później, gdy miernik przestanie być produkowany, może już nie być dostępna. Osłony można kupić dla większości mierników.

Funkcje dotyczące prądu przemiennego Podczas gdy prąd stały (DC) pochodzi z baterii lub akumulatorów, prąd przemienny (AC) uzyskujemy z gniazdka sieciowego. Ze względu na niebezpieczeństwa związane z wysoką wartością napięcia i potencjalnie dużym prądem sieci, w tej książce skupimy się jedynie na układach zasilanych prądem stałym.

Pomiar napięcia przemiennego Mierzone w woltach napięcie przemienne wskazuje, jaki szczytowy poziom czy też siłę ma elektryczność. Każdy, nawet najprostszy miernik cyfrowy dysponuje takim zakresem.

65 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Pomiar „True RMS” (prawdziwej wartości skutecznej) Pomiar „true RMS” dokładnie określa napięcie przemienne niezależnie od zakłóceń i wahnięć (szumów) obecnych w napięciu dostarczanym do gospodarstw domowych i przemysłu. Obecnie wiele mierników dysponuje już tą funkcją.

Pomiar prądu przemiennego Mierzony w amperach prąd przemienny określa ilość elektronów (energii) przepływających w ciągu jednej sekundy przez badany obwód (i miernik). Każdy miernik dysponuje takim zakresem.

Zdobądź zaciski haczykowe Standardowe końcówki pomiarowe, które otrzymujesz z większością mierników, nadają się do sprawdzania płytek drukowanych oraz chwilowego dotykania przewodów i złączy. Zaciski haczykowe (patrz rysunek 4.15) i zaciski krokodylkowe dostępne są jako osobne przewody lub jako nakładki na standardowe końcówki pomiarowe i pozwalają na zaczepienie badanych elementów i uzyskanie połączenia z wiszącymi przewodami czy wyprowadzeniami układu scalonego bez angażowania rąk. Dla niskonapięciowych obwodów preferowane są zaciski haczykowe.

Rysunek 4.15. Zacisk haczykowy jako nakładka na standardową końcówkę pomiarową Para haczyków może być o tyle bardziej niebezpieczna, że miernik zostaje na stałe połączony z badanym układem. Haczyki utrudniają szybkie odłączenie miernika w przypadku wystąpienia wysokiego napięcia czy innych problemów. Z drugiej jednak strony, pojedynczy haczyk połączony z masą układu będzie bardziej bezpieczny, niż gdybyśmy w ogóle nie używali haczyków. Pozwala on operatorowi trzymać tylko jedną, prostą końcówkę pomiarową i skupić się na jednym punkcie pomiaru, co ogranicza ryzyko porażenia prądem. Ponieważ zaciski haczykowe będą wielokrotnie wykorzystywane w tej książce, warto zakupić ich parę (patrz tabela 4.1). Tabela 4.1. Przykładowe zaciski haczykowe Dostawca

Numer katalogowy

Cena

Ilość i kolor

TME

D-6010

4,05 zł

1 czerwony

TME

D-6011

4,05 zł

1 czarny

66 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 4.

UNIWERSALNY MIERNIK CYFROWY

Porównanie konkretnych mierników W tym podrozdziale opisane są reklamowane specyfikacje trzech uniwersalnych mierników cyfrowych. Nie oczekuj, że uda Ci się kupić dokładnie te same modele — numery katalogowe i oznaczenia mierników wciąż się zmieniają. Postaraj się przeanalizować wyspecyfikowane parametry tak, abyś był w stanie wybrać dostępny model spełniający Twoje oczekiwania. Rozszyfrowałem żargon i porównałem trzy modele: tani, średni i wysokiej klasy. Ciekawe, czy uda Ci się zgadnąć, ile kosztują?

Możliwości taniego miernika Na rysunku 4.16 przedstawiam praktycznie najtańszy miernik, jaki udało mi się znaleźć, oznaczony symbolem DT-830B. Wydaje się, że dostępnych jest jeszcze kilka bardzo podobnych modeli różniących się nieco obudową i symbolem.

Rysunek 4.16. Tani miernik cyfrowy Zakres wyświetlacza: 1999

Oznacza to samo co 3½ cyfry.

Napięcie stałe: 200 mV

Najmniejszym zakresem pomiarowym dla napięcia stałego jest 200 mV. To dobrze. Oznacza to, że na najmniejszym zakresie miernik będzie mierzył napięcie stałe aż do 0,2 V.

±0,5%+2

Oznacza to, że w dolnym zakresie pomiar przebiega z dokładnością 0,5%, a ostatnia cyfra może się różnić o 2 na plus lub na minus. Gdy przykładowo na wyświetlaczu widzisz 1.05, faktycznie zmierzone napięcie może być nie mniejsze niż 1,05–(1,05*0,005)–0,02 = 1,024 i nie większe niż 1,05+(1,05*0,005)+0,02 = 1,075. W amatorskich zastosowaniach jest to wystarczające.

67 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

2/20/200/1000 V

Najwyższym zakresem pomiaru jest 1000 V. To zdecydowanie więcej niż potrzeba dla robota skonstruowanego w domu. W sumie mamy do wyboru 5 zakresów pomiaru napięcia stałego: 0,2, 2, 20, 200 i 1000 V.

±0,8%+2

Oznacza to, że na maksymalnym zakresie (1000 V) pomiar przebiega z dokładnością do 0,8%, a ostatnia cyfra może się różnić o 2 na plus lub na minus. W amatorskich zastosowaniach jest to wystarczające. Dlaczego mierzysz coś o napięciu 1000 V?!

Napięcie zmienne: 200/750 V ±1,2%+10

Jedynie dwa zakresy pomiaru napięcia zmiennego (sieciowego). Nie jest to nam potrzebne przy budowie robotów. Zauważ, że dokładność pomiarów jest znacznie mniejsza niż dla napięcia stałego.

Natężenie prądu stałego: 200μ/2m/20m/200mA ±1%+2

Najniższy zakres to 200 μA. To wystarczy. Oznacza to, że po ustawieniu najniższego zakresu miernik będzie w stanie mierzyć prądy mniejsze niż 0,0002 A.

10A ±2%+2

W większości mierników następuje wyraźny przeskok pomiędzy pomiarem małych i dużych prądów. Gdy przełączysz miernik na pomiar wysokiego natężenia prądu, musisz przełożyć wtyczkę dodatniego (czerwonego) przewodu pomiarowego do osobnego złącza w mierniku. Wewnątrz miernika złącze to jest zabezpieczone bezpiecznikiem o innej wartości. W omawianym mierniku rozczarowuje fakt, że pomiar małych prądów kończy się poziomie 200 mA. Powiedzmy 500 mA byłoby znacznie lepsze. Oznacza to, że musisz używać większego, mniej dokładnego (choć oczywiście poprawnego) zakresu 10 A dla wszystkich pomiarów, które — jak się spodziewasz — mogą przekroczyć 150 mA (żeby nie przepalić bezpiecznika 200 mA).

Rezystancja: 200/2K/20K/200K/20M ±0,8%

Pięć zakresów, w tym dobrze dobrany najmniejszy i największy zakres pomiaru. Miernik z dolnej półki wcale nie oznacza, że nie możesz nim mierzyć rezystorów o wartości 1 Ω. Po prostu musisz ustawić zakres 200 Ω, aby osiągnąć najlepszą dokładność pomiaru małych rezystancji.

HFE (wzmocnienie stałoprądowe tranzystora): 1 – 1000

Przydatna funkcja. Pozwala zmierzyć wzmocnienie tranzystora bipolarnego.

Badanie diody

Przydatne do sprawdzania diod LED.

Według reklamy miernik ten pozwala jeszcze mierzyć pojemność i posiada podświetlenie, jednak żadna z tych informacji nie jest prawdziwa. To można zresztą stwierdzić, patrząc na zdjęcie przyrządu. Na pokrętle wyboru trybu pracy nie ma opcji pomiaru pojemności, a na obudowie nie ma przycisku włączającego podświetlenie. Istnieje kilka funkcji, których bardzo by mi brakowało, gdybym posiadał tylko ten miernik: test ciągłości obwodów z sygnalizacją dźwiękową, pomiar pojemności, częstotliwości i stopnia wypełnienia przebiegu, automatyczny dobór zakresu, automatyczne wyłączanie, gumowa osłona i wbudowana stopka. W moim odczuciu obudowa tego miernika wykonana jest z najtańszego plastiku, przewody pomiarowe nie trzymają się pewnie w swoich gniazdach, zaciski baterii przylutowane są bezpośrednio do płytki drukowanej (wkładając lub wyjmując baterię, łatwo można uszkodzić miernik), a bezpiecznik 200 mA także jest przylutowany do płytki drukowanej (potrzeba sporo wysiłku, by go wymienić, jeśli ulegnie spaleniu). Jednak wciąż jest to dobry miernik „na jeden raz” dla osób, które planują jedynie krótką przygodę z elektrycznością. Zrozumiesz, czemu jestem tak wyrozumiały, kiedy spojrzysz, ile ten miernik kosztuje.

68 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 4.

UNIWERSALNY MIERNIK CYFROWY

Możliwości miernika ze średniej półki Miernik VC97 z automatyczną regulacją zakresów (patrz rysunek 4.17) oferuje wszystkie funkcje urządzenia omawianego przed chwilą, a także znacznie więcej.

Rysunek 4.17. Miernik cyfrowy średniej klasy 3¾ cyfry

Miernik może wyświetlać liczby aż do 3999.

Duży wyświetlacz z symbolami jednostek

Łatwiejszy odczyt szczególnie wtedy, kiedy miernik jest umieszczony z boku Twojego stanowiska roboczego. Miernik ten wyświetla obok mierzonej wartości symbol odpowiedniej jednostki (Mv, V, Ma, A, μF, Ω), wskazuje aktualny tryb i zakres pracy. Doskonałe rozwiązanie.

Automatyczny dobór zakresów

Cecha ta jest szczególnie przydatna przy pomiarze rezystancji czy pojemności, gdy próbujesz uporządkować stos elementów. Gorąco namawiam, abyś zainwestował w miernik z automatycznym doborem zakresów. Nie są one aż tyle droższe od mierników z regulacją manualną. Ta funkcja to chyba najlepszy powód, żeby zrezygnować z najtańszego miernika.

Dołączona sonda do pomiaru temperatury (–40ºC do 1000ºC)

Niektóre urządzenia nie mają dołączonej sondy do pomiaru temperatury, a później może być trudno ją zdobyć. Zakres mierzonych temperatur jest wspaniały, podobnie jak w większości mierników oferujących tę funkcję.

Pomiar częstotliwości i stopnia wypełnienia przebiegu

Ważna i przydatna funkcja, szczególnie wtedy, kiedy dostrajasz układy detekcji przedmiotów. Producent deklaruje, że miernik ten może mierzyć częstotliwość do 30 MHz, czyli znacznie większą niż w większości mierników.

Pomiar pojemności

Miernik zatrzymuje się na poziomie 200 μF, który jest trochę mniejszy od oczekiwanego dla kondensatorów elektrolitycznych, jednak dla pozostałych typów kondensatorów jest w pełni wystarczający.

69 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Automatyczne wyłączanie

Funkcja ta pozwala znacznie oszczędzać baterie.

Zakres 500 mA dla pomiarów prądu

To zdecydowanie lepszy poziom niż 200 mA w poprzednio omawianym mierniku.

Test ciągłości obwodów

Miernik wydaje dźwięk, gdy nastąpi połączenie. Dzięki temu możesz się skupić na badaniu układu, zamiast ciągle zerkać na wyświetlacz miernika.

Gumowa osłona

Chroni miernik przed potłuczeniem w razie upadku.

Reklama tego miernika zawiera także zadziwiającą informację: „Znaczna sprawność antymagnetyczna i przeciwzakłóceniowa”. Nie mam pojęcia, co to znaczy, ale brzmi to jak funkcje, które na pewno chciałbym mieć w swoim mierniku. ☺ Uważam ten miernik za dobrze wykonany i przyjemny w użyciu. Końcówki pomiarowe są lepszej niż zazwyczaj spotykana jakości. Miernik ten posiada jeszcze wiele funkcji i trybów pracy uruchamianych przyciskami poniżej wyświetlacza, o których nawet nie wspomniałem. Jedyną drobną wadą jest to, że miernik nie ma osobnego wyłącznika. Zamiast tego należy ustawić pokrętło wyboru trybu pracy w pozycję „off”, która umieszczona jest na samym końcu, a nie bardziej w połowie zakresu obrotu. Miernik korzysta z dwóch baterii typu AAA.W wielu miernikach przechodzi się obecnie od zasilania baterią 9-woltową do zasilania parą baterii AA lub AAA. Niekorzystnym efektem takiej zmiany jest brak możliwości testowania białych i niebieskich diod LED w trybie badania diody, ponieważ wymagają one napięcia wyższego niż 3 V.

Możliwości miernika klasy wyższej Na rysunku 4.18 pokazany jest miernik VA38. Posiada on wszystkie możliwości opisywanych wcześniej mierników i jeszcze kilka dodatkowych.

Rysunek 4.18. Miernik cyfrowy dobrej klasy

70 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 4.

UNIWERSALNY MIERNIK CYFROWY

Zakres wyświetlanych wartości: 0 – 40000

Wyświetlacz tego miernika mieści aż 5 cyfr. Sugeruje to większą precyzję i dokładność pomiarów w stosunku do prostszych mierników.

Dokładność pomiarów napięcia stałego: 0,03%

Jest to dokładność o rząd wielkości większa niż najtańszego w tym zestawieniu miernika, który miał dokładność 0,5%. Ponieważ jednak elastyczność układów większości robotów jest w miarę duża, taka wysoka dokładność pomiarów jest naprawdę potrzebna tylko profesjonalnym konstruktorom.

Pomiar „True RMS”

Dokładnie mierzy napięcie sygnałów przemiennych, nawet gdy ich przebiegi nie są idealne. Niewiele wnosi przy obwodach prądu stałego, chyba że posłuży do pomiaru jakichś sygnałów wejściowych i wyjściowych. W takim wypadku jednak lepszy byłby oscyloskop.

50-elementowy wskaźnik paskowy

Nie mam przekonania, czy to coś daje. Sam nigdy tego nie używałem.

Podświetlenie

Miernik ma śliczne błękitno-białe podświetlenie wyświetlacza. Jakkolwiek rzadko używam miernika w ciemności, to jednak warto mieć świadomość, że posiada taką funkcję, gdyby była potrzebna.

Zasilanie baterią 9-woltową

W trybie badania diod świecą się niebieskie i białe diody LED.

Oddzielny wyłącznik

Nie musisz ruszać pokrętła trybu pracy, aby włączyć i wyłączyć miernik. Mogę ustawić tryb pracy i spokojnie wyłączyć go, gdy będę chciał zrobić sobie przerwę. Po powrocie mogę włączyć miernik, który zachowuje wcześniejsze ustawienie.

Optyczny port danych USB

W odróżnieniu od starszych mierników wymagających do podłączenia komputera z dziś już przestarzałym portem RS-232, miernik ten wyposażony jest w specjalny przewód USB zakończony z drugiej strony złączem optycznym. Oznacza to, że informacje przekazywane są poprzez impulsy świetlne, a nie połączenie elektryczne. Pozwala to uniknąć problemów związanych z zakłóceniami pomiarów wnoszonymi przez napięcie zasilające komputera czy domowej instalacji elektrycznej. Razem z miernikiem dostarczane jest oprogramowanie dla komputera PC, nie trzeba go zatem kupować osobno. (W większości firmowe oprogramowanie do mierników tworzone jest jedynie dla systemu Windows. Miej to na uwadze, jeśli używasz Mac OS lub Linuksa).

W komplecie dostarczany jest zintegrowany uchwyt ochronny, zapinany na suwak futerał oraz wysokiej klasy przewody pomiarowe

Warto upewnić się, czy te elementy wchodzą w skład zestawu. Dla niektórych wysokiej klasy mierników elementy te trzeba zakupić oddzielnie.

Co ciekawe — podobnie jak większość mierników wysokiej klasy, a w przeciwieństwie do większości tych z klasy średniej — ten miernik nie posiada złącza do pomiaru tranzystorów ani funkcji pomiaru temperatury. Droższe mierniki koncentrują się na dokładności i precyzji (ilości cyfr) pomiarów, zamiast pretendować do miana „narzędzi do wszystkiego”. W praktyce profesjonaliści używają często wysoce dokładnych i specjalistycznych niezależnych przyrządów (woltomierzy, amperomierzy, mierników RLC itp.), a nie przyrządów uniwersalnych.

71 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Porównanie cen i możliwości Oto kwoty, jakie zapłaciłem za poszczególne mierniki (wraz z przesyłką): • 6,5 dolara za miernik klasy ekonomicznej DT-830B, • 32 dolary za średniej klasy VC97, • 165 dolarów za dobrej klasy VA38. Poważnie! 6,5 dolara za miernik cyfrowy! Najtańszy miernik będzie do przyjęcia dla osób o bardzo ograniczonym budżecie albo jako miernik zapasowy. Po prostu nie oczekuj, że wytrzyma bardzo długo. Miernik ten może mierzyć wszystkie podstawowe wartości przy zachowaniu rozsądnej dokładności, choć nie posiada funkcji pomiaru pojemności ani częstotliwości. Zdarza się, że mierniki tej klasy dodawane są bezpłatnie przy przekroczeniu pewnej kwoty zakupów. Sprawdź tę możliwość, zanim go kupisz. Środkowy miernik wyposażony jest w niemal wszystko, czego kiedykolwiek będziesz potrzebował przy amatorskiej zabawie z robotami. Jeśli możesz sobie na to pozwolić, staraj się kupić miernik z funkcją automatycznego doboru zakresów i innymi omówionymi tu cechami. Znacząco zwiększy to Twoją wydajność i zadowolenie z pracy. Najbardziej zaawansowany miernik jest także najdokładniejszy. Bez wątpienia zbudowany jest z najlepszej klasy materiałów. Jednakże jego wysokie parametry nie znajdą zastosowania w Twojej pracy; przy budowie i uruchamianiu amatorskich robotów wystarczy zgrubny pomiar poszczególnych wartości. Możesz wierzyć lub nie, ale dostępne są także jeszcze droższe mierniki dysponujące mniejszą ilością funkcji. Te najwyższej klasy mierniki, kosztujące po kilka i więcej tysięcy złotych oferują fantastyczną dokładność i precyzję po zaporowej cenie. W niektórych, specjalistycznych zastosowaniach takie homologowane mierniki są niezastąpione. Jednak dla większości zwykłych ludzi lepszym rozwiązaniem będzie umiarkowanie kosztowny, średniej klasy miernik uniwersalny i średniej klasy oscyloskop.

Dalsza praca bez miernika Powinieneś dysponować miernikiem cyfrowym, nim zagłębisz się dalej w tę książkę. Możesz — oczywiście — jedynie czytać o kolejnych testach i próbach, jednak więcej nauczysz się, jeśli sam wszystkiego spróbujesz. Przy niemal każdym elemencie elektronicznym opisywanym w kolejnych rozdziałach pojawia się opis jego przetestowania z użyciem miernika cyfrowego.

72 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 5 „„„

Wartości i jednostki

Zanim przedstawię Ci robota podążającego wzdłuż linii, ostatnia już porcja teorii. W rozdziale tym opisuję systemy oznaczeń oraz skróty powszechnie używane w robotyce. Warto, abyś miał o tym choćby ogólne pojęcie, chociaż zawsze możesz wrócić do tego rozdziału, jeśli napotkasz coś, czego nie rozumiesz.

Wybór systemu metrycznego Naukowcy używają systemu metrycznego, gdyż jest on określony jasno i czytelnie, a jednostki łatwo się przelicza, dzieląc i mnożąc przez dziesięć. Jak na specjalistę od robotów przystało, powinieneś stosować w pracy system metryczny. Daje Ci to także prawo, aby poczuć wyższość nad tymi neandertalczykami, którzy ciągle używają staromodnego systemu imperialnego. W tej książce stosuje się system metryczny. Wyjątkiem są miejsca, w których producenci z rozmysłem specyfikują elementy opisane w systemie innym niż metryczny. Jeśli przykładowo producent dostarcza płytkę drukowaną z otworami rozmieszczonymi co 0,1 cala, to tak właśnie będzie to opisane. Choć cale można łatwo przeliczyć na system metryczny, to jednak wartość 2,54 mm nie jest elementem oficjalnej specyfikacji tej płytki. Oto inny przykład odstępstwa od reguły: jeśli regulamin zawodów ogranicza rozmiar robota do wymiarów 8 1/2 cala na 11 cali, wówczas warto używać dalej takiego określenia, gdyż każdy mieszkaniec Stanów Zjednoczonych natychmiast zorientuje się, że chodzi o rozmiar zwykłego arkusza papieru1. Ta sama osoba niekoniecznie rozpozna te wymiary, gdy będą podane w systemie metrycznym jako 21,59 na 27,94 cm. Co więcej, liczbom po przeliczeniu z cali na centymetry może towarzyszyć niewielka utrata dokładności.

Pozbywanie się potęg tysiąca Długie liczby trudno się czyta (patrz rysunek 5.1). Jeżeli na schemacie masz wymagany element o wartości 10000000, możesz niechcący zamontować element o wartości znacznie wyższej bądź niższej, jeśli źle policzysz zera.

1

Ebookpoint.pl

W Stanach Zjednoczonych Ameryki podstawowym formatem papieru jest tzw. format letter o rozmiarze właśnie 8,5 na 11 cali (około 21,59 na 27,94 cm). W Polsce natomiast podstawowym formatem jest format A4 o rozmiarze 21 na 29,7 cm — przyp. tłum.

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 5.1. Powiedz szybko, jak duża to liczba? 158 milionów? 15 milionów? 1,5 miliona? Aby uniknąć błędów, liczba cyfr w długich liczbach jest zwykle ograniczana w standardowy sposób. Gdy skorzystasz z tabeli 5.1, możesz zamiast 10 000 000 napisać 10 M. 10 000 000 = 10 milionów = 10 mega = 10 M Zauważ, że mnożnik dla miliona ma sześć zer (patrz tabela 5.1) i tyle właśnie zer usunęliśmy z oryginalnej liczby. Zatem „M” zajmuje po prostu miejsce sześciu wyciętych zer. Tabela 5.1. Potęgi tysiąca w systemie metrycznym Liczba

Mnożnik

Przedrostek

Skrót

bilion

1 000 000 000 000

tera-

T

miliard

1 000 000 000

giga-

G

milion

1 000 000

mega-

M

tysiąc

1 000

kilo-

k

jedna tysięczna

0,001

mili-

m

jedna milionowa

0,000001

mikro-

μ albo u

jedna miliardowa

0,000000001

nano-

n

jedna bilionowa

0,000000000001

piko-

p

Jeśli z jakiegoś powodu przydatne jest pozostawienie większej ilości zer (np. w celu porównania), można po prostu użyć mniejszego mnożnika: 10 000 000 = 10 000 tysięcy = 10 000 kilo = 10 000 k Zauważ, że mnożnik dla tysiąca ma trzy zera (patrz tabela 5.1) i usunęliśmy tylko trzy zera z oryginalnej liczby. Zatem „k” zajmuje miejsce trzech usuniętych zer. Można także użyć większego mnożnika. W takim przypadku oryginalna liczba przesuwa się na miejsca dziesiętne („po przecinku”): 10 000 000 = 0,01 miliarda = 0,01 giga = 0,01 G W każdym z przykładów wartość liczby pozostaje taka sama: 10 000 000 = 0,01 G = 10 M = 10 000 k Zwykle pełną liczbę zapisuje się jedynie wtedy, kiedy jest to kluczowa informacja: „Zamontuj rezystor o wartości 10 000 000 Ω, a nie o wartości 10 000 Ω!”.

74 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 5. „ WARTOŚCI I JEDNOSTKI

Mechanizm potęg tysiąca pozwala nie tylko ograniczyć ilość cyfr, ale również grupuje elementy: 120 000, 32 000, 13 200 stają się odpowiednio 1,2 M, 32 k, 13,2 k. W ten sposób łatwiej stwierdzić, że dwa ostatnie elementy mają zbliżone wartości, ponieważ obydwa znajdują się w zakresie „k”. Nie przejmuj się, jeśli początkowo wydaje się to skomplikowane. Szybko zrozumiesz zasady działania.

„M” i „m” Jako skrótu używa się dwóch liter „m”. Duże „M” jest skrótem dla miliona (patrz rysunek 5.2), podczas gdy małe „m” jest skrótem dla jednej tysięcznej.

Rysunek 5.2. Jeden milion reprezentowany przez 1 M Uważaj, aby tego nie pomylić, gdyż różnica wartości jest bardzo duża: 1 M = 1 000 000 000 m Pewien handlowiec przysłał mi e-mail z pytaniem, jak dużą moc dostarcza do anteny jedno z urządzeń bezprzewodowych. Odpisałem: „600 mW” (czyli 0,6 wata; jedną setną tego, ile pobiera typowa żarówka 60 W). Po chwili uświadomiłem sobie, że możemy się nie zrozumieć. Zatelefonowałem do handlowca i zapytałem, jaką informację przekazał klientowi. Odpowiedział: „600 megawatów”. Ho ho! To tyle, co dziesięć milionów żarówek!

Alternatywa dla greckiego „mikro” Ostatnia uwaga dla potęg tysiąca: skrótem dla jednej milionowej jest greckie „mi” — „μ”. Jeśli wśród dostępnych znaków nie ma „μ”, wówczas często używa się „u” (patrz rysunek 5.3). Przykładowo: 10 u to to samo, co 10 μ (i to samo, co 0,00001).

Rysunek 5.3. Niektóre oznaczenia używają łacińskiej litery „u” („U”) zamiast greckiej „μ”

75 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Skróty dla jednostek Oprócz skrótów dla mnożników używa się także skrótów dla jednostek bądź rodzajów pomiarów. Bardzo często mnożnik (patrz tabela 5.1) zapisywany jest z jednostką (patrz tabela 5.2).Przykładowo szybkość taktowania procesorów starszych komputerów osobistych wyrażano w MHz (megahercach). Litera „M” oznacza tu miliony (patrz tabela 5.1), a skrót „Hz” — herce (patrz tabela 5.2). Tabela 5.2. Jednostki często spotykane w robotyce Wielkość fizyczna

Jednostka

Skrót

Zwykle dotyczy

długość lub odległość

metr

m

rozmiarów elementów, grubości materiałów

rezystancja

om

Ω

rezystorów, uzwojeń silników

napięcie

wolt

V

baterii, silników, układów scalonych

natężenie prądu

amper

A

obwodów, źródeł napięcia, silników

moc

wat

W

obwodów, silników

częstotliwość

herc

Hz

rezonatorów kwarcowych, układów scalonych, przebiegów

pojemność (kondensatora)

farad

F

kondensatorów

indukcyjność

henr

H

cewek

wzmocnienie

współczynnik wzmocnienia (brak jednostki miary)

hFE lub β

tranzystorów

natężenie światła

kandela

cd

diod świecących

ciężar

gram

g

silników, baterii

moment obrotowy

niuton na metr

Nm

silników

pojemność (akumulatora)

amperogodzina

Ah

akumulatorów

temperatura

stopień Celsjusza

ºC

układów scalonych, czujników, lutownicy

prędkość obrotowa

obroty na minutę

rpm

silników

Inny powszechnie używany przykład to milimetry, zapisywane jako „mm”. Pierwsze „m” oznacza tu tysięczne części jednostki, drugie „m” oznacza metry. Zatem milimetr to jedna tysięczna metra (0,001 m).

Gdy brakuje miejsca W większości elementów wartości i jednostki nadrukowane są bezpośrednio na obudowie (patrz rysunek 5.4). Przykładowo na dużym silniku mógłbyś przeczytać: „24-woltowy, rewersyjny silnik prądu stałego ze stałym magnesem, pobór prądu: 0,5 A bez obciążenia, rezystancja cewki: 8 Ω, numer części: 54321, wyprodukowany 6 grudnia 2001 r. przez Jan Nowak i Synowie, odwiedź naszą stronę WWW! To przypomniało mi śmieszną historię...” itd.

76 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 5. „ WARTOŚCI I JEDNOSTKI

Rysunek 5.4. Element z dużą ilością miejsca na opis i szczegółową etykietą Ponieważ jednak części stają się coraz mniejsze, ubywa na nich miejsca na nadrukowanie opisów. Producenci stosują kilka sztuczek, aby wcisnąć tam najważniejsze informacje.

Określanie brakującej jednostki W normalnych warunkach, gdy podawana jest wartość, nie może zabraknąć także jednostki. „200” nie mówi wystarczająco wiele. Czy to jest 200 Ω (omów) czy 200 V (woltów), 200 F (faradów), a może 200 A (amperów)? Tylko jedno z tych czterech jest poprawne. Jeśli na małym elemencie brakuje jednostki (patrz rysunek 5.5), możesz domniemywać, jaka ona jest, bazując na rodzaju elementu (patrz tabela 5.3).

Rysunek 5.5. Brak mnożnika i jednostki na elemencie (powinno być 4,9152 MHz) Tabela 5.3. Brakujące jednostki

2

Rodzaj elementu

Jednostka

bateria lub akumulator

wolty (V)

duży kondensator2

mikrofarady (μF)

mały kondensator

pikofarady (pF)

rezonator kwarcowy

megaherce (MHz)

cewka

henry (H)

generator kwarcowy

megaherce (MHz)

potencjometr

omy (Ω)

rezystor

omy (Ω)

W tym wszystkie kondensatory elektrolityczne bez względu na rozmiar fizyczny — przyp. tłum.

77 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rozkodowanie trzech cyfr Możliwa jest taka sztuczka: w opisach niektórych elementów nie tylko brakuje jednostki, ale również nadrukowane są tylko trzy cyfry (patrz rysunek 5.6). W takim przypadku ostatnia cyfra oznacza ilość zer, jakie trzeba „dokleić” do pierwszych dwóch cyfr.

Rysunek 5.6. Mało miejsca na etykietę (104 oznacza 100 000 pF) Przykładowo 223 oznacza 22 000, 501 oznacza 500, natomiast 475 oznacza 4 700 000. Jakieś pomysły, jaką wartość oznacza 100? Wartość 10 (dlatego zwykle nadrukowuje się tylko „10”).

Zamiana kolorów na wartości Niektóre elementy nie tylko są małe, lecz mają również cylindryczny kształt (patrz rysunek 5.7). Aby poradzić sobie z kwestią nadruku, wartości wyrażone są kolorowymi paskami (patrz tabela 5.4).

Rysunek 5.7. Kolorowe paski: żółty, fioletowy, brązowy i złoty (470 z tolerancją 5%) Tabela 5.4. Kolory pasków i reprezentowane wartości Kolor

Pierwszy pasek

Drugi pasek

Trzeci pasek

czarny

0

0

×1

brązowy

1

1

×10

czerwony

2

2

×100

pomarańczowy

3

3

×1000 (kilo-)

żółty

4

4

×10 000

zielony

5

5

×100 000

niebieski

6

6

×1 000 000 (mega-)

fioletowy

7

7

–

szary

8

8

–

biały

9

9

–

78 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 5. „ WARTOŚCI I JEDNOSTKI

Przykładowo element z paskami: żółtym (4), fioletowym (7) i brązowym (×10) będzie miał wartość: 47×10 = 470. Element z paskami: czerwonym (2), czerwonym (2) oraz czerwonym (×100) będzie miał wartość: 22×100 = 2200. Analizując zestawienie kolorów (patrz tabela 5.4), można stwierdzić, że na małym, okrągłym i niewyraźnie oznaczonym elemencie bardzo trudno będzie odróżnić pasek czerwony od pomarańczowego czy brązowy od czarnego. Tak jest w istocie — użyj mocnej lampy albo zmierz wartość miernikiem. Jeśli zapamiętanie tabeli kolorów jest zbyt trudne (kolory w jej środkowej części ustawione są tak jak kolory w tęczy), przydatny może okazać się podręczny kartonowy dekoder kodów kolorów (patrz rysunek 5.8).

Rysunek 5.8. Ustaw kolory, obracając tarcze dekodera, aby odczytać wartość elementu Pomimo iż dla nietypowych wartości dekoder zawsze się przyda, wkrótce jednak przekonasz się, iż na co dzień używa się tylko kilku typowych wartości. Szybko zapamiętasz kombinacje: brązowy – czarny (10 i mnożnik), czerwony – czerwony (22 i mnożnik) czy żółty – fioletowy (47 i mnożnik). Jeśli element ma naniesione cztery kolorowe paski, czwarty oznacza tolerancję (patrz tabela 5.5). Tabela 5.5. Kolory paska oznaczającego tolerancję Kolor

Tolerancja

(brak paska)

20%

srebrny

10%

złoty

5%

czerwony

2%

brązowy

1%

Tolerancja określa, jak bardzo faktyczna wartość parametru charakteryzującego daną część może się różnić od deklarowanej. Przykładowo złoty pasek (5%) dla części o wartości 1000 oznacza, że faktycznie jej wartość musi być nie mniejsza niż 950 i nie większa niż 1050. Oczywiście, może też być dokładnie na poziomie 1000, jednak żaden producent tego nie gwarantuje. Na niektórych, egzotycznych elementach znajdziesz pięć czy nawet sześć pasków. Dodatkowe paski mogą oznaczać niezawodność, dodatkowe cyfry znaczące albo temperaturowy współczynnik rezystancji. W amatorskich zastosowaniach raczej nie spotkasz się z takimi elementami ani nie będziesz ich potrzebował.

79 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Określenie wartości elementu przy użyciu miernika cyfrowego Jeśli oznaczenie albo kod kolorów na pierwszy rzut oka nie dają Ci odpowiedzi, jaka jest wartość danego elementu, szkoda czasu na zgadywanie czy szukanie odpowiedzi w tabelach. Po prostu sprawdź element przy użyciu miernika! (W następnych rozdziałach pojawią się informacje, w jaki sposób za pomocą miernika uniwersalnego sprawdzić poszczególne rodzaje elementów). Kolejny dobry powód, aby przetestować element miernikiem, to fakt, iż tylko nieliczne części mają wartość zgodną z oznaczeniem. - μF w rzeczywistości może mieć jedynie 8 μF, ale równie dobrze nawet 18 μF (patrz rysunek 5.9). Na szczęście, w większości układów jest to akceptowalne odchylenie.

Rysunek 5.9. Pomiar miernikiem pokazuje, iż kondensator 10 μF w rzeczywistości ma wartość 11 μF Dodatkową korzyścią ze sprawdzenia elementu miernikiem jest możliwość wykrycia uszkodzonej części, zanim wlutujemy ją do układów robota. Jeśli miernik wskazuje zdecydowanie za niską lub za wysoką wartość, element zapewne jest uszkodzony.

Omówiłem podstawy Dotychczas w tej książce opisałem podstawy anatomii robota, podejście i właściwe techniki pracy, sposoby pozyskiwania elementów, zasady bezpieczeństwa, a także cechy i możliwości mierników cyfrowych oraz wartości i jednostki występujące w oznaczeniach elementów. Wszystkie te kwestie pojawią się w trakcie projektowania i budowy robota, zatem warto dysponować odpowiednim przygotowaniem. W kolejnym rozdziale Twoja cierpliwość zostanie nagrodzona i zapoznasz się z bliska z robotem podążającym wzdłuż linii.

80 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 6 „„„

Robot podążający wzdłuż linii

„Kanapka” — robot prezentowany w tym rozdziale — to robot samodzielnie podążający wzdłuż wyznaczonej linii (z ang. linefollower — patrz rysunek 6.1). Projekt ten jest o tyle niezwykły, iż raz zbudowanym robotem — bez żadnych zmian konstrukcyjnych — możesz bawić się dowolnie długo, gdy tylko dostarczysz mu kolejne wyzwania w postaci nowych tras, przeszkód, tuneli i innych atrakcji.

Rysunek 6.1. „Kanapka” — robot podążający wzdłuż wyznaczonej linii Robot podążający wzdłuż linii zbudowany jest z tych samych, typowych bloków funkcjonalnych, jakie możesz znaleźć w konstrukcji wszystkich robotów. Budowę „Kanapki” uprościłem jednak na tyle, że wystarczające będą ich najprostsze wersje. Pomimo wielu uproszczeń, wciąż jest to jednak zawansowany robot. Będziesz się musiał wiele nauczyć i sporo napracować, aby go zbudować. Dopiero wtedy, gdy zrozumiesz działanie poszczególnych elementów, obwodów i mechanizmów, będziesz mógł stworzyć z nich działającego robota.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

W tym rozdziale omawiam założenia projektu. W kolejnych przybliżę szczegóły budowy i działania poszczególnych bloków robota. Pamiętaj, że prezentowany tutaj model robota posłuży jako przykład, na którym omówię funkcjonowanie wielu typowych elementów i obwodów, jednak informacje te dotyczą wszystkich rodzajów robotów, nie tylko podążających wzdłuż linii.

Budowa trasy Ponieważ jest to eksperyment naukowy, nic nie stoi na przeszkodzie, abyś mógł uprościć środowisko, z którym robot będzie musiał się zmierzyć. Jeśli zaś ułatwisz życie robotowi, ułatwisz je jednocześnie sobie.

Powierzchnia trasy Powierzchnia, po której będzie poruszał się robot, powinna być płaska i gładka — np. podłoga wyłożona linoleum. Sprawdzi się także jednolita wykładzina czy dywan z krótkim włosem. Ważne tylko, aby nie miał wzoru. Miękkie podłoże, choć zmniejszy prędkość poruszania się robota, będzie delikatniejsze dla jego kół i innych elementów, które się o to podłoże ocierają. Taki np. betonowy chodnik zedrze te części bardzo szybko. Nie pozwól też, aby na trasie robota znalazły się przeszkody, drzwi, małe dzieci i domowe zwierzęta.

Oświetlenie trasy Podstawą jest solidne oświetlenie pomieszczenia, które nie rzuca wyraźnych cieni na trasę. Mógłbyś zbudować robota radzącego sobie z jazdą zarówno w domu, jak i na dworze, jednak wymagałoby to dodatkowej elektroniki.

Linia wyznaczająca trasę Szerokość linii wyznaczającej trasę, którą będzie podążał robot, powinna zawierać się w przedziale pomiędzy 1,8 a 2,5 cm. Linia ta musi wyraźnie kontrastować z podłożem. Zarówno linia, jak i podłoże powinny być w jednolitym kolorze bez żadnych wzorów. W praktyce najlepiej sprawdza się biała linia na czarnym podłożu (patrz rysunek 6.2). Kolory podłoża i linii nie powinny zmieniać się na całej długości trasy.

Rysunek 6.2. Trasa wykonana ze zwykłej taśmy maskującej naklejonej na gładką, ciemną powierzchnię Na szczęście, w naszym przypadku nie ma aż takiego znaczenia, w jakim kolorze masz podłogę, gdyż robot zaprojektowany jest tak, aby podążać zarówno po jasnej linii na ciemnym tle, jak i po ciemnej linii na jasnym tle.

82 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 6. „ ROBOT PODĄŻAJĄCY WZDŁUŻ LINII

Wybór materiału do wykonania linii Jak powinieneś wykonać linię? Namalowana sprawdzi się znakomicie. Gdy skorzystasz z farby, masz do dyspozycji mnóstwo kolorów, a wybierając jej rodzaj, decydujesz, na ile linia będzie błyszcząca. Także Ty decydujesz o szerokości linii. Linia malowana powinna także być bardzo trwała, choć będziesz musiał odrobinę ją konserwować. Niestety, malowanie wydłuża także czas przygotowań i pozostawia trwałe ślady. Inną, równie dobrą możliwością jest użycie flamastra o szerokim końcu i narysowanie trasy na kartonie. Upewnij się tylko, że narysowana linia jest wystarczająco szeroka i wyraźna na całej długości. Nierówna, wyblakła czy przerwana linia może sprawić, iż robot wyjedzie poza trasę. Przygotowując trasę w domu, wiele osób decyduje się na tworzenie linii przy użyciu taśmy samoprzylepnej (np. maskującej czy izolacyjnej). Takie trasy możesz szybko i łatwo przygotować, dokonać w nich zmian, a później równie szybko je usunąć. Taśmę samoprzylepną łatwo zdobyć i występuje w wielu przydatnych do naszych celów szerokościach. Błyszcząca, biała taśma lub matowa czarna zapewnią najlepszy kontrast i ułatwią robotowi trzymanie się wyznaczonej trasy. Niestety, zwykła, półprzejrzysta taśma maskująca nie sprawdzi się tak dobrze, gdyż nie będzie wystarczająco odróżniać się od podłoża, na które zostanie naklejona. Uważaj na połyskliwe, ciemne materiały. Odbicia mogą dać więcej światła, niż Ci się wydaje, i zmylić czujniki robota. Przy odrywaniu taśmy na podłodze mogą pozostać resztki kleju. Sprzyja temu szczególnie podwyższona temperatura czy pozostawienie taśmy w jednym miejscu przez dłuższy czas. Niebieska taśma maskująca (patrz rysunek 6.3) oraz inne odmiany o zmniejszonej przyczepności nie brudzą tak bardzo jak zwykła, biało-żółta taśma maskująca, dlatego najczęściej używam właśnie taśmy niebieskiej.

Rysunek 6.3. Zwykła, biało-żółta taśma maskująca (pod spodem) oraz niebieska, malarska taśma maskująca (na wierzchu) Ostrzeżenie: jedna z matek zwróciła się do mnie, przedstawiając problemy, jakie sprawia usunięcie starej taśmy z podłóg wykonanych z twardego drewna. Sugerowała, iż w książce powinienem zawrzeć stosowne ostrzeżenie. Zatem ostrzegam. • Unikaj stąpania po naklejonej taśmie — powoduje to mocniejsze wnikanie kleju w podłogę. • Przed ułożeniem trasy wypróbuj taśmę w niewidocznym miejscu, aby mieć pewność, że da się ją usunąć bez pozostawiania resztek kleju na podłodze. • Nie pozostawiaj naklejonej taśmy w jednym miejscu dłużej niż przez tydzień (lub tyle, ile zaleca producent).

83 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Ciekawą cechą taśmy niebieskiej jest to, iż nie jest ani zbyt ciemna, ani zbyt jasna. Dzięki temu dla układu wizji robota może być ona ciemną linią na jasnym podłożu lub jasną linią na ciemnym podłożu. Wadą takiego rozwiązania jest kontrast mniejszy niż ten, który uzyskamy, stosując białą lub czarną linię. Niebieska taśma ma także dwie inne wady. Po pierwsze, niebieski kolor odbija bardzo niewiele światła podczerwonego, przez co nie nadaje się ona do użycia w przypadku robotów wykorzystujących właśnie nadajniki i odbiorniki podczerwieni. Po drugie — podobnie jak inne taśmy o zmniejszonej przyczepności — niebieska taśma, o ile nie zostanie bardzo starannie przyklejona, może przyczepić się do robota i wkręcić w jego mechanizmy.

Zakręty i przecięcia linii Proste odcinki nie stanowią problemu dla poprawnie funkcjonującego robota. Co innego ostre łuki, które mogą zmylić nawet całkiem zmyślnego robota. Przy stosunkowo umiarkowanym stopniu komplikacji logiki robota i jego systemu wizyjnego jesteś w stanie zbudować urządzenie, które poradzi sobie z zakrętami pod kątem 45º i większym, a także z liniami zawierającymi przerwy (patrz rysunek 6.4). Jednak dla naszego przykładowego robota maksymalny kąt załamania linii to 22,5º. Linie muszą ponadto zachowywać ciągłość.

Rysunek 6.4. Zbyt ostre zakręty (od lewej do prawej): 135º, 90º oraz 45º. Linia zawierająca przerwę (od prawej) Aby poprowadzić robota w dowolnym kierunku, musisz połączyć kolejno kilka małych skrętów na większej przestrzeni (patrz rysunek 6.5).

Rysunek 6.5. Poprawny zakręt o 180º utworzony z serii połączonych skrętów o 22,5º każdy Im lepszy będzie kontrast między linią a podłożem, a także im wolniej będzie poruszał się robot, tym ostrzejsze zakręty będzie pokonywać. Nie obawiaj się próbować coraz trudniejszych układów trasy — w końcu najgorsze, co może Cię spotkać to to, że robot odjedzie w siną dal. Wielu konstruktorów obawia się tras, gdzie linie przecinają się lub rozgałęziają (patrz rysunek 6.6). Gdy czujniki zareagują jednocześnie na dwie odnogi rozwidlonej trasy, niektóre roboty mogą wtedy skierować się pomiędzy linie. Na szczęście, układy robota zaprezentowanego w tej książce nie dadzą się zmylić takim przecięciom i bez problemu wybierze on jedną bądź drugą odnogę. Zabawne jest obserwowanie, gdy robot wybiera poszczególne odnogi na rozwidleniu trasy, gdyż za każdym razem może dokonać innego wyboru. Widywałem roboty, które na wielokrotnym rozwidleniu skręcały pod dużym kątem i wybierały najbardziej załamaną ścieżkę. Choć to trywialne, zazwyczaj wyjaśnieniem jest padający cień czy nierówność podłoża.

84 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 6. „ ROBOT PODĄŻAJĄCY WZDŁUŻ LINII

Rysunek 6.6. Skrzyżowanie i rozwidlenie trasy

Budowa trasy — podsumowanie „Kanapka” podąża wzdłuż w miarę szerokiej, dobrze widocznej linii na pozbawionym przeszkód, płaskim i kontrastującym z jej kolorem podłożu. Trasa zawiera łagodne, wielostopniowe zakręty i jest równomiernie oświetlona.

Wybór rozmiaru robota Fajnie byłoby zbudować naprawdę malutkiego robota, np. takiego, który mieściłby się na dłoni (patrz rysunek 6.7). Niestety, bardzo małe roboty są trudne w montażu. Praca przy nich wymaga pewnej ręki, cierpliwości i doświadczenia. Tak jak w miniaturowym domku dla lalek, wszystkie detale muszą być odpowiednio małe, co ogranicza wybór dostępnych części.

Rysunek 6.7. Robot podążający wzdłuż linii mieszczący się w dłoni Druga skrajność to wielkie roboty. Są zazwyczaj ciężkie i wymagają dużych silników, aby się poruszać. Duże silniki pobierają dużo energii, co oznacza konieczność użycia większych baterii czy akumulatorów. Aby to wszystko unieść, rama robota musi być wykonana z bardziej wytrzymałych materiałów, które z kolei są trudniejsze do cięcia czy wiercenia. Wydaje się, że najlepszym rozmiarem dla amatorskiego robota jest rozmiar zbliżony do pojemnika na kanapki. Dostępnych jest mnóstwo części w odpowiednim rozmiarze, typowe baterie zapewniają wystarczającą ilość energii, a plastik i miękkie metale są wystarczająco wytrzymałe dla obciążeń, jakie występują w trakcie jego pracy.

85 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Oczywiście, nie oznacza to, że zawsze będziesz musiał budować tylko małe roboty. Gdy uda Ci się zakończyć ten projekt, będziesz mógł pójść w tę stronę, którą wybierzesz. Wtedy będziesz miał już podstawowe doświadczenie w konstrukcji robotów, co pozwoli skupić się na problemach specyficznych dla rozmiaru robota, jaki sobie obierzesz.

Przedstawiam „Kanapkę” Istnieje mnóstwo wariantów budowy robota podążającego wzdłuż linii. Prezentuję tu mój projekt robota, który posiada całkiem spore możliwości, a jednocześnie jest zbudowany z najmniejszej możliwej liczby prostych części i podzespołów. Wszystkie elementy użyte do budowy robota dostępne są aktualnie w handlu, nie musisz więc stosować części z odzysku. Oczywiście, jeśli chcesz, możesz niektóre części wykonać samodzielnie z dostępnych materiałów. Prezentowanego tu robota nazwałem „Kanapką”, gdyż jego obudowa jest zbudowana z pojemnika na kanapki. Tych samych układów i rozwiązań możesz użyć nawet wtedy, kiedy zdecydujesz się na inny kształt robota. W zależności od silników i pojemników, jakie masz pod ręką, Twój robot może zyskać zupełnie inny wygląd, lecz wciąż będzie miał podobne możliwości podążania wzdłuż linii.

Anatomia „Kanapki” Na pierwszy rzut oka „Kanapka” wydaje się bardzo skomplikowanym robotem (patrz rysunek 6.8). I to jest dokładnie taki efekt, jaki chcemy uzyskać. Błyskające światełka, kolorowe przewody, metalowe śrubki, prawdziwe koła i zaokrąglona obudowa robią na ludziach duże wrażenie, a nie wymagają dodatkowej pracy, gdyż i tak są częścią projektu. A dobre wrażenie to połowa sukcesu.

Rysunek 6.8. Widok na „Kanapkę” z góry

86 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 6. „ ROBOT PODĄŻAJĄCY WZDŁUŻ LINII

Nie daj się zmylić i przytłoczyć pierwszemu wrażeniu. Robota tego można rozłożyć na mniejsze moduły, które są łatwe do odtworzenia. W kolejnych podpunktach opisuję role poszczególnych elementów i przełączników.

Przełącznik trybu śledzenia linii W tylnej części robota znajduje się przełącznik z trzema stabilnymi pozycjami: na lewo, po środku i na prawo (patrz rysunek 6.9).

Rysunek 6.9. Zamontowany z tyłu robota przełącznik trybu śledzenia linii w swoim środkowym położeniu (wyłączenie silników) Gdy przełącznik ustawiony jest w swoim lewym położeniu, lewy silnik połączony jest z lewym zestawem czujników, a prawy silnik — z prawym zestawem. Przy takim ustawieniu robot podąża wzdłuż ciemnej linii na jasnym tle. Gdy przełącznik ustawiony jest w prawym położeniu, lewy silnik połączony jest z prawymi czujnikami, a prawy — z lewymi. W takiej konfiguracji robot podąża wzdłuż jasnej linii na ciemnym tle. Nie wierz, jeśli nie chcesz, lecz zamiana podłączenia silników to wszystko, co jest konieczne, aby robot radził sobie zarówno z jasnymi, jak i z ciemnymi liniami. Nie potrzeba żadnych zaawansowanych algorytmów czy skomplikowanych obwodów!

Włącznik i źródło zasilania Z tyłu robota umieszczona jest również bateria i włącznik zasilania (patrz rysunek 6.10). Bateria to typowa, dostępna na rynku bateria 9-woltowa.

Rysunek 6.10. Zamontowany z tyłu robota włącznik zasilania (po lewej) oraz bateria (po prawej)

87 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Oświetlenie trasy i czujniki Z przodu na spodzie robota umieszczone są dwie diody oświetlające trasę oraz cztery czujniki światła (patrz rysunek 6.11). Oświetlenie umożliwia robotowi poruszanie się w ciemności. Dodatkowo równomierne oświetlenie podłoża uniemożliwia robotowi uznanie cienia za ciemną linię.

Rysunek 6.11. Zamontowane z przodu robota czujniki i oświetlenie trasy Cztery czujniki pogrupowane są w pary: dwa czujniki dla lewej strony oraz dwa dla prawej. Czysto technicznie wystarczyłby jeden czujnik dla każdej ze stron, ale drugi, skrajny, stanowi bufor bezpieczeństwa, jeśli wewnętrzny czujnik zgubi linię przy gwałtownym skręcie.

Ustawienie robota na środku linii Gdy ustawiasz robota na trasie, czujniki powinny być umieszczone centralnie ponad linią (patrz rysunek 6.12). W ten sposób pary czujników lewa i prawa otrzymują tę samą ilość światła.

Rysunek 6.12. Ustawienie robota z czujnikami umieszczonymi centralnie ponad linią Gdy robot wykryje różnicę w oświetleniu par czujników, będzie wiedział, że zboczył z trasy. Wówczas zacznie sterować odpowiednio prawym bądź lewym silnikiem tak długo, aż skręci, wróci na trasę i odbierana przez czujniki jasność znów się wyrówna.

88 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 6. „ ROBOT PODĄŻAJĄCY WZDŁUŻ LINII

Regulacja równowagi czujników Z przodu robota znajduje się niewielki otwór, za którym umieszczony jest potencjometr regulujący pracę czujników (patrz rysunek 6.13). Przez otwór można przełożyć niewielki śrubokręt, aby regulować położenie potencjometru.

Rysunek 6.13. Umieszczony z przodu potencjometr regulacji czujników Istnieje wiele powodów zamontowania takiego potencjometru. Po pierwsze, byłoby niezwykle trudno dobrać cztery idealnie dopasowane czujniki. Po drugie, w trakcie lutowania niechybnie któryś czujnik znajdzie się odrobinę wyżej lub niżej niż pozostałe. Po trzecie, wraz ze starzeniem się części oraz zabrudzeniem przez pył czy kurz ich czułość zapewne ulegnie zmianie. Przy użyciu potencjometru w każdej chwili możesz wyrównać czułość lewej i prawej pary czujników. Ponieważ regulacja musi odbywać się w momencie, gdy robot znajduje się na trasie, potencjometr musi być dostępny po złożeniu całego robota. Potencjometr powinien jednak być osłonięty, tak aby nie poruszyć go przypadkowo w trakcie obsługi robota. Zatem potencjometr zamontowany w środku, ale dostępny z zewnątrz przez otwór do regulacji jest tu właściwym rozwiązaniem. Zawsze warto stosować potencjometry pozwalające na dostrojenie parametrów pracy działającego urządzenia.

Wskaźniki jaśniejszej strony Jeśli robot nie podąża wzdłuż linii lub w inny sposób reaguje nieprawidłowo, istotne jest, aby mieć jakikolwiek sygnał, co robot „widzi”. Nie dałoby się również wyregulować równowagi czujników, gdyby nie było jakiegokolwiek sygnału, która z par czujników robota odbiera więcej światła. Trzy żółte diody LED świecą po prawej stronie, gdy prawe czujniki odbierają więcej światła niż lewe. I przeciwnie: trzy zielone diody LED świecą po lewej stronie, gdy lewe czujniki „widzą” więcej światła niż prawe (patrz rysunek 6.14). Gdy osiągnięta jest równowaga, oba zestawy diod świecą światłem ciągłym lub błyskają.

89 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 6.14. Lewe wskaźniki jaśniejszej strony widoczne z lewej strony robota Dwa różne kolory wybrano po to, abyś nawet w ciemności mógł stwierdzić, która strona się świeci, gdy nie widać obudowy i położenia robota. Aż trzy diody są zaś dlatego, by ich wskazania były widoczne z każdej strony.

Układy sterujące Ten robot nie jest jakimś bystrzakiem. Włącza jedynie odpowiedni silnik i wskaźniki po jaśniejszej stronie, gdy jeden zestaw czujników otrzyma więcej światła niż drugi. Za te przebłyski geniuszu odpowiada układ zwany komparatorem (patrz rysunek 6.15). Porównuje on dwa sygnały i przestawia przełącznik w jedną bądź w drugą stronę. To wszystko.

Rysunek 6.15. Komparator (pośrodku) otoczony przez dwa tranzystory pełniące rolę przełączników (po lewej i po prawej) Niestety, silnik i trzy diody LED pobierają więcej mocy niż komparator może zapewnić. Dlatego rolę przełącznika zasilania każdej ze stron pełni osobny tranzystor sterowany przez komparator.

Napęd Koła są zamocowane na stałe w pozycji „na wprost”, bez możliwości skręcania przy manewrach. Miniaturowe układy kierownicze są trudne do zbudowania we własnym zakresie; niełatwo także zdobyć gotowe w rozmiarze odpowiednim dla naszego robota. Robot może jednak wybrać kierunek, sterując zasilaniem każdego z silników. Gdy obydwa silniki są włączone, robot jedzie na wprost. Gdy zasilany jest jedynie lewy silnik, robot skręca w prawo, obracając się wokół nieruchomego prawego koła. Analogicznie, gdy zasilany jest jedynie prawy silnik, robot skręca w lewo, obracając się wokół lewego koła. „Kanapka” ma dwa koła. Gdyby robot miał cztery, niezmiernie trudno byłoby mu się obracać. Przeważnie jechałby prosto. Gdyby miał skręcić, wydawałby straszny, wibrujący hałas, gdyż jedna para kół byłaby przeciągana w poprzek, zamiast obracać się wzdłuż swojej osi. Możliwe są także inne sposoby rozmieszczenia kół, np. trójkołowy robot z rolką lub kółkiem kulowym z przodu lub z tyłu. Dostępne są nawet koła wielokierunkowe złożone z wielu zestawów prostopadłych rolek. Mimo iż nie jest to kluczowy czynnik dla małego i lekkiego robota, rozmieszczenie kół staje się coraz ważniejsze w większych i szybciej poruszających się robotach.

90 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 6. „ ROBOT PODĄŻAJĄCY WZDŁUŻ LINII

Zamocowanie dwóch kół blisko tyłu sprawia, iż przód robota przesuwa się bezpośrednio po podłożu. Nie jest to wielki problem; plastik trochę się zdziera, ale dość gładko ślizga się w dowolnym kierunku. Pozwala to na w miarę płynne poruszanie się do przodu i zwinne zakręcanie. Czasami przód „Kanapki” zacina się i podskakuje na nierównym czy zabrudzonym okruchami podłożu. Kiedy „Kanapka” ma świeżą baterię i duże koła, potrafi także od czasu do czasu stanąć dęba. Choć świetnie to wygląda, jednak robot momentalnie traci z pola widzenia linię, wzdłuż której podążał, i czasem może zboczyć z trasy.

Dobór i wymiana kół LEGO robi fantastyczne kółka. Koła w wielu stylach, kształtach i rozmiarach są częściami zestawów LEGO dostępnych w sklepach, na aukcjach internetowych lub w sklepie internetowym LEGO. Ceny są rozsądne, a nikt nie produkuje części lepszej jakości. Większość kół składa się z opony (zewnętrzna, gumowa część) oraz obręczy z piastą (sztywna, wewnętrzna część). Zdecydowana większość piast firmy LEGO pasuje do ich krzyżakowych osi (patrz rysunek 6.16).

Rysunek 6.16. Kółko LEGO (po lewej) oraz łącznik na osi silnika (po prawej) Gdyby istniał element pozwalający na połączenie silnika ze standardową, krzyżakową osią LEGO, zyskałbyś dostęp do niemal wszystkich kół produkowanych przez LEGO. Taki łącznik możesz wykonać sam (patrz prawa część rysunku 6.16). Mając odpowiedni łącznik, możesz szybko i bez żadnych narzędzi zakładać i zdejmować robotowi różne odmiany kół. To daje wspaniałe możliwości eksperymentowania. Może Cię to także uratować, jeśli nagle stwierdzisz, że koła, których od początku planowałeś użyć, okażą się za niskie czy za szerokie.

Korpus „Kanapki” Muszę wyznać, iż „Kanapka” nie jest pierwszym robotem podążającym wzdłuż linii, jaki zbudowałem podczas pracy nad tą książką. Wcześniejszy model (patrz rysunek 6.17) jest dobry, lecz jest także trudniejszy do zbudowania. Posiada aluminiową ramę i wspornik, które muszą być przycięte do odpowiedniego rozmiaru. Dodatkowo czujniki wystają z przodu robota i wyginają się, ilekroć robot w coś uderzy. Układ elektroniczny, przewody i przekładnie także pozostają odsłonięte, co sprawia, że podnoszenie robota to niezwykle delikatna czynność.

91 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 6.17. „Falka” — poprzednik „Kanapki” Użycie gotowego pojemnika rozwiązuje wszystkie problemy. Do budowy „Kanapki” użyłem plastikowego pojemnika na kanapki firmy Ziploc (patrz rysunek 6.18). Plastikowe pojemniki są niedrogie, lekkie, łatwo wywiercić w nich otwory i można je kupić w każdym markecie.

Rysunek 6.18. Plastikowy pojemnik firmy Ziploc Większość pojemników na jedzenie wykonanych jest z termoplastycznego polipropylenu, który ma wysoką odporność na wilgoć i chemikalia. Może nawet wytrzymać gotowanie, choć staje się kruchy w niskich temperaturach.

92 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 6. „ ROBOT PODĄŻAJĄCY WZDŁUŻ LINII

Składamy wszystko razem W „Kanapce” do połączenia elementów z korpusem nie użyto taśmy klejącej, gumek ani kleju. Wielu majsterkowiczów nadużywa tych sposobów łączenia elementów, przez co ich konstrukcje są często niechlujne albo po prostu delikatne. Co więcej, demontaż takich połączeń jest bardzo kłopotliwy.

Montaż mechaniczny Gdy to tylko możliwe, do połączenia elementów z korpusem używaj zwykłych wkrętów (patrz rysunek 6.19). Zapewniają one niesamowicie mocne połączenia, są wytrzymałe, niedrogie, dobrze wyglądają i możesz je wkręcać i wykręcać bez końca. Elementy łączące we wszelkich kształtach i rozmiarach kupisz w większości sklepów z elementami metalowymi czy w marketach remontowo-budowlanych.

Rysunek 6.19. Typowy wkręt montażowy Tak długo, jak to tylko możliwe, używaj przy budowie robota jednego rodzaju i rozmiaru wkrętów. Dzięki temu, aby serwisować robota, nie będziesz musiał nosić ze sobą całej walizki pełnej różnej maści wkrętaków.

Połączenia elektryczne Na głównej płytce robota wszystkie elementy są przylutowane, co zapewnia wysoką trwałość połączeń. Przewody dochodzące do płytki, takie jak połączenia z silnikami czy włącznikiem, dołączone są za pomocą dwuczęściowych złączy (patrz rysunek 6.20). W ten sposób serwisowanie robota staje się dziecinnie proste, a dodatkowo możesz łatwo odłączać komponenty na czas testów, czy nawet wymieniać je z innymi robotami.

Rysunek 6.20. Przewody podłączone do głównej płytki poprzez złącza Molex

93 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Budowa Wiesz już, jakie są wymogi poprawnie skonstruowanej trasy oraz podstawy funkcjonowania „Kanapki”. Jeśli dotychczas nie wierciłeś, nie lutowałeś ani nie pracowałeś z układami elektronicznymi, możesz sądzić, iż przepaść dzieli Cię od zbudowania własnego robota. Nie załamuj się. W kolejnych rozdziałach omówię poszczególne elementy robota. Dowiesz się, co kupić, jak zbudować prototyp robota podążającego wzdłuż linii i jak przetestować jego poszczególne elementy. Jeśli nawet nie zdecydujesz się na budowę własnego robota tego typu, przeczytaj proszę uważnie kolejne rozdziały. Pomimo iż „Kanapka” jest inspiracją każdej omawianej kwestii, to jednak przekazywana wiedza i omówione techniki są wspólne dla wszystkich robotów.

94 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 7 „„„

Baterie i akumulatorki 9-woltowe

„Kanapka” — robot podążający wzdłuż linii — wykorzystuje jako źródło energii baterię 9-woltową. Większość moich robotów wyposażyłem w takie baterie lub akumulatorki, ponieważ są one małe i lekkie. W tym rozdziale nauczysz się, jak sprawdzić baterię 9-woltową (patrz rysunek 7.1) oraz dowiesz się nieco o różnicach między bateriami o odmiennym składzie chemicznym i pochodzącymi od różnych producentów.

Rysunek 7.1. 9-woltowa bateria alkaliczna Jakie napięcie ma 9-woltowa bateria? Tak, to pytanie jest podchwytliwe. Choć odpowiedź brzmi: około 9 woltów, to rzeczywisty poziom napięcia zmienia się w zależności od substancji, z jakich bateria jest wykonana, oraz od stopnia jej wyczerpania. W tej chwili nie musisz dokładnie rozumieć, co to jest „napięcie”. Jeśli jednak chcesz, możesz myśleć o napięciu jak o ciśnieniu wody tłoczonej przez pompę. Mocniejsza pompa może tłoczyć wodę silniejszym strumieniem niż słabsza. Podobnie bateria o wyższym napięciu może zasilać układy elektryczne z większą mocą niż bateria o niższym napięciu. Jednostką pomiaru napięcia jest wolt, zwykle oznaczany po prostu literą V. Zatem 9 woltów i 9 V oznacza dokładnie to samo.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Pomiar napięcia baterii Za chwilę zmierzysz napięcie baterii przy użyciu miernika cyfrowego. Budując roboty, będziesz to robił często. Nie chcesz przecież, aby Twój robot ruszył do akcji ze zbyt słabą baterią. „ Ostrzeżenie: Wskazówki zawarte w tej książce powinny dać się zastosować w większości typowych mierników cyfrowych. Powinieneś jednak uważnie zapoznać się z instrukcją dołączoną do sprzętu, jakiego używasz, i stosować się do wytycznych tam zawartych.

Przygotowanie miernika do pomiaru napięcia 1. Podłącz czarny przewód pomiarowy do złącza miernika oznaczonego „COM” (patrz rysunek 7.2).

Rysunek 7.2. Złącza typowego miernika: wspólne (masa) oraz pomiaru napięcia 2. Podłącz czerwony przewód pomiarowy do złącza miernika oznaczonego „V”. (W zależności od konkretnego miernika, przy złączu tym mogą występować także inne oznaczenia, np. „Ω”.) 3. Masz zamiar mierzyć napięcie, zatem ustaw pokrętło wyboru trybu pracy miernika w pozycję „V” (albo „DCV”). Jeśli Twój miernik wymaga ręcznego wyboru zakresu pomiarowego (pokrętłem możesz wybrać jeden z zakresów w części dotyczącej pomiaru napięcia), wybierz zakres większy niż 9 V (patrz rysunek 7.3). Mierniki z automatycznym doborem zakresu nie mają zwykle różnych zakresów umieszczonych wokół pokrętła, gdyż automatycznie dobierają odpowiednie parametry pomiaru. Aby uchronić miernik przed uszkodzeniem, zawsze ustawiaj zakres pomiarowy na wartość większą niż maksymalna wartość, jaką spodziewasz się otrzymać w czasie pomiarów. Ponieważ w tym przypadku spodziewasz się wartości około 9 V, wybierz więc najbliższy zakres powyżej 9 V. Choć w żaden sposób nie zaszkodzi ustawienie znacznie większego zakresu (np. 1000 V), jednakże wtedy odczyt jest mało precyzyjny. Innymi słowy, nie spodziewaj się dokładnych wyników, jeśli używasz zakresu 0 do 1000 V, aby zmierzyć wartość, o której wiesz, że nie przekroczy 10.

96 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 7. „ BATERIE I AKUMULATORKI 9-WOLTOWE

Rysunek 7.3. Ustawienie zakresu pomiaru napięcia stałego na wartość powyżej 9 V 4. Nie dotykaj jeszcze niczego metalowymi końcówkami przewodów pomiarowych. Jeśli miernik nie jest jeszcze włączony — włącz go. Miernik powinien w tym momencie wskazywać wartość zero (patrz rysunek 7.4). Wartość na wyświetlaczu może delikatnie oscylować, jednak powinna pozostawać w pobliżu zera.

Rysunek 7.4. Wskazanie miernika przy braku przyłożonego napięcia 5. Przytknij metalową końcówkę czarnego przewodu pomiarowego do ujemnego zacisku baterii (większy „zatrzask”, przeważnie opisany jako „–” [minus]). 6. Przytknij metalową końcówkę czerwonego przewodu pomiarowego do dodatniego zacisku baterii (mniejszy „zatrzask”, przeważnie opisany jako „+” [plus]) — patrz rysunek 7.5.

Rysunek 7.5. Końcówki przewodów pomiarowych dotykające zacisków baterii

97 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Interpretacja wyników pomiaru Jeśli na wyświetlaczu widnieje liczba ujemna (patrz rysunek 7.6), oznacza to, iż zrobiłeś coś odwrotnie. Upewnij się, że przewody pomiarowe zostały wetknięte do właściwych gniazd w mierniku i dotykają właściwych wyprowadzeń baterii. Zamień je, jeśli trzeba. Nie przejmuj się, jeśli otrzymałeś wartość ujemną — miernikowi to w żaden sposób nie szkodzi.

Rysunek 7.6. Wartość ujemna oznacza zamienione połączenia Jeśli miernik wskazuje zero, oznacza to, że gdzieś nie ma styku. Upewnij się, że przewody pomiarowe są dokładnie wetknięte w gniazda miernika, a ich metalowe końcówki dotykają metalowych wyprowadzeń baterii. Jeśli miernik pokazuje wartość dodatnią (patrz rysunek 7.7), znaczy to, że poprawnie mierzysz napięcie baterii. W zależności od rodzaju baterii 9-woltowej i stopnia jej rozładowania, właściwe napięcie powinno znajdować się w przedziale od 5 do 10 V.

Rysunek 7.7. Wartość dodatnia oznacza prawidłowy pomiar Jeśli odłączysz którąkolwiek końcówkę pomiarową od zacisku baterii, miernik z powrotem pokaże zero. Warto zapamiętać, że zawsze — aby zmierzyć jakąś wartość — obie końcówki pomiarowe muszą dotykać badanego elementu czy układu.

Charakterystyka baterii i akumulatorków 9-woltowych W zależności od składu chemicznego i wieku, napięcie i inne parametry baterii i akumulatorków 9-woltowych mogą różnić się znacząco (patrz tabela 7.1). Może wydawać się nieporozumieniem nazywanie tego typu ogniw mianem „9-woltowych” skoro ich rzeczywiste napięcie może dość znacznie odbiegać od 9 V. Niefortunnie określenie rozmiaru ogniwa zostało powiązane z napięciem. Inne popularne typy baterii uniknęły tego problemu poprzez stosowanie nazw „AA”, „AAA”, „C”, „D” itp. W kolumnie „napięcie nowego (...) egzemplarza” w tabeli 7.1 podaję w przybliżeniu wartość, jaką odczytasz, gdy zmierzysz napięcie nowej (nieużywanej) baterii lub w pełni naładowanego akumulatorka, jeśli nie będą przyłączone do żadnego obwodu. Gdy mierzysz napięcie ogniwa przyłączonego do jakiegoś układu, zawsze będzie ono odrobinę niższe. Nowe ogniwo osiąga swe nominalne napięcie po upływie pewnego czasu albo po krótkim okresie używania. W kolumnie „napięcie nominalne” określam wartość napięcia, jaką producent deklaruje oficjalnie dla ogniwa tego rozmiaru. Dla wszystkich typów baterii (nie akumulatorów) producenci deklarują wartości bliskie 9 V.

98 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 7. „ BATERIE I AKUMULATORKI 9-WOLTOWE

Tabela 7.1. Typowe charakterystyki baterii i akumulatorków 9-woltowych Typ ogniwa

Napięcie

Waga

Pojemność

Cena

nowego/w pełni naładowanego egzemplarza

nominalne

w połowie zużycia

po rozładowaniu

„zwykła” bateria cynkowo-chlorkowa

9,8 V

9V

6,5 V

4,8 V

37 g

400 mAh

4,50 zł

bateria litowa

9,7 V

9V

8,1 V

5,4 V

35 g

1200 mAh

40 zł

akumulatorek litowo-polimerowy

8,4 V

7,4 V

7,4 V

5,5 V

28 g

550 mAh

115 zł

bateria alkaliczna

9,5 V

9V

7,4 V

4,8 V

45 g

595 mAh

7,40 zł

akumulatorek niklowo-magnezowo-wodorkowy 8,4 V

9,6 V

8,4 V

7,5 V

7,0 V

40 g

200 mAh

49 zł

akumulatorek niklowo-magnezowo-wodorkowy 9,6 V

11,2 V

9,6 V

8,6 V

8,0 V

45 g

170 mAh

47 zł

Wartości w kolumnie „napięcie w połowie zużycia” zostały wyliczone poprzez zmierzenie czasu, po jakim ogniwo osiągnęło poziom całkowitego rozładowania, a później odczyt napięcia w połowie tego czasu. Daje to zgrubną informację, jakim napięciem dysponujesz, gdy ogniwo jest w połowie rozładowane. Kolumna „napięcie po rozładowaniu” zawiera wartości zadeklarowane wprost przez producentów ogniw. Oczywiście, nie jest tak, że np. bateria alkaliczna nagle przestanie działać poniżej poziomu 4,8 V. Jednak w którymś momencie musisz uznać baterię za wyczerpaną. Niektórzy producenci podstępnie zawyżają czas pracy swoich ogniw poprzez zadeklarowanie niższej wartości jeszcze akceptowalnego napięcia. W rzeczywistości większość typowych urządzeń przestaje działać poprawnie, gdy napięcie ich 9-woltowego ogniwa spada poniżej 7 V. Choć zwykle będziesz projektował swoje roboty tak, aby działały nawet przy niższych napięciach, pamiętaj, że wydajność ogniw spada drastycznie przy końcu ich pojemności. Tak więc nawet układy zaprojektowane do pracy przy niskim napięciu nie przedłużą „życia” baterii w nieskończoność. Wróćmy do tabeli 7.1. W kolumnie „waga” przedstawiam różnice w wadze poszczególnych typów ogniw w zależności od ich składu chemicznego i materiału, z którego wykonana jest obudowa. Przykładowo obudowa plastikowa będzie ważyć mniej niż stalowa czy aluminiowa. Te różnice sugerują, gdzie potencjalnie można uszczknąć nieco z wagi robota poprzez dobór odpowiedniego ogniwa. Kolumna „pojemność” wyrażona jest w mAh. Skrót „mA” oznacza miliampery, zaś „h” godziny. Mówiąc najprościej, pojemność oznacza, jak duży prąd ogniwo może zapewnić przez jedną godzinę. Jeśli urządzenie zużywa mniej prądu, bateria wystarczy na dłużej niż godzinę. Jeśli zużywa więcej prądu, ogniwo wystarczy na krótszy czas.

99 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Zalecenia dla ogniw 9-woltowych Polecane ogniwa Akumulatorki niklowo-magnezowo-wodorkowe Do eksperymentów i prób robota najlepsze wydają się akumulatorki NiMH (niklowo-magnezowo-wodorkowe; patrz rysunek 7.8), gdyż można je ładować wiele setek razy.

Rysunek 7.8. 9-woltowe akumulatorki niklowo-magnezowo-wodorkowe. Po lewej prosty akumulatorek 8,4 V o pojemności 150 mAh, po prawej profesjonalny akumulatorek 9,6 V o pojemności 260 mAh Niestety, akumulatorki działają krócej (mają mniejszą pojemność) niż baterie jednorazowe. Co więcej, każdego dnia tracą pewien procent swojego ładunku, nawet jeśli nie są używane. Ponieważ jednak możesz je ładować, zrób to po prostu tuż przed prezentacją swojego robota. Kupując akumulatorek NiMH 9 V, zwróć uwagę na nominalne napięcie i nominalną pojemność (mAh). Do większości zastosowań będziesz potrzebował tych o napięciu nominalnym 8,4 V, a nie o napięciu 7,2 V (większość producentów wycofała się już z ich produkcji). Możesz dodać swojemu robotowi odrobinę szybkości czy siły w zapasach, kupując akumulatorek o napięciu nominalnym 9,6 V, jednak miej na uwadze, iż napięcie w pełni naładowanego akumulatorka na poziomie 11,2 V może być zbyt wysokie dla niektórych robotów, a ponadto takie akumulatorki mogą nie współpracować poprawnie z wieloma typowymi ładowarkami. Akumulatorek o większej pojemności (mAh) będzie pracował dłużej niż ten o podobnym składzie chemicznym i mniejszej pojemności. Przez dłuższy czas zapewni także napięcie o wyższym poziomie. W identycznych warunkach robot zasilany akumulatorkiem o pojemności 260 mAh będzie funkcjonował o 73% czasu dłużej niż robot z akumulatorkiem o pojemności 150 mAh.

Zachowanie ładunku, gdy ogniwo jest nieużywane Najnowsze akumulatorki NiMH (patrz rysunek 7.9) o wiele lepiej niż starsze konstrukcje zachowują swój ładunek, gdy nie są używane. Dzięki temu możesz ich używać natychmiast po wyjęciu z opakowania, gdyż powinny zachować większość ładunku od czasu, gdy zostały naładowane w fabryce. Takie akumulatorki przydadzą Ci się przy pracy z robotami, gdyż możesz przygotować sobie zapas niemal w pełni naładowanych ogniw, nie doładowując ich co chwilę.

100 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 7. „ BATERIE I AKUMULATORKI 9-WOLTOWE

Rysunek 7.9. Akumulatorki fabrycznie przygotowane do natychmiastowego użycia

Akumulatorki litowo-polimerowe Akumulatorki litowo-polimerowe (LiPo; patrz rysunek 7.10) są zbliżone do akumulatorów litowo-jonowych (Li-Ion) wykorzystywanych w laptopach. Mogą być ładowane setki razy, lepiej niż akumulatorki NiMH zachowują ładunek, są lekkie, mogą dostarczyć prąd o dużym natężeniu, a ich pojemność zbliża się do pojemności baterii alkalicznych. W trakcie zawodów robotów używam akumulatorków LiPo zamiast NiMH.

Rysunek 7.10. Litowo-polimerowe akumulatorki 9-woltowe Wadą akumulatorków litowo-polimerowych jest cena, a także fakt, iż wymagają specjalnie przystosowanej ładowarki.

Baterie alkaliczne Baterie alkaliczne to najpopularniejszy i najłatwiej dostępny typ ogniw (patrz rysunek 7.11). Nieużywane zachowują ładunek przez całe lata, mają wysokie napięcie początkowe i utrzymują rozsądny poziom napięcia w trakcie całego cyklu pracy. Baterie alkaliczne zapewniają najdłuższy — spośród popularnych typów baterii — czas pracy dla układów o średnim i dużym poborze prądu. Niestety, baterii alkalicznych nie można ponownie naładować. Po zużyciu należy je wyrzucić do specjalnych pojemników. Ich używanie jest zatem wysoce kosztownym rozwiązaniem.

101 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 7.11. Popularne marki 9-woltowych baterii alkalicznych

Baterie litowe specjalnego przeznaczenia Baterie litowe (patrz rysunek 7.12) mają kilka przyjemnych cech: są bardzo lekkie, dobrze sprawdzają się w niskich temperaturach i zachowują ładunek przez długie lata. Mogłyby zatem doskonale nadawać się np. do robota balonu operującego na dużych wysokościach czy projektu badawczego trwającego kilka lat.

Rysunek 7.12. Baterie litowe Baterie litowe mają także szereg wad: są kosztowne, nie zapewniają dużej wydajności prądowej (maksymalnie 80 mA lub 120 mA, zależnie od producenta), a ich wysoka nominalna pojemność (1200 mAh dla baterii 9-woltowej) jest prawdziwa tylko przy obciążeniu bardzo niewielkim prądem. Wady te sprawiają, że baterie litowe nie nadają się do robotów napędzanych silnikami elektrycznymi. Nie myl jednorazowych baterii litowych z akumulatorkami litowo-jonowymi czy litowo-polimerowymi. Akumulatorki zapewniają większą wydajność prądową bez przedstawionych tu ograniczeń.

Niepolecane ogniwa Węgiel i cynk Biedne „zwykłe” baterie! Największą ich zaletą, jaka przychodzi mi do głowy, jest ich najniższa spośród ogniw jednorazowych cena. Stanowią więc dobry wybór dla robota, który rzuca się ze skał do morza albo pogrąża w oceanie lawy.

102 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 7. „ BATERIE I AKUMULATORKI 9-WOLTOWE

Pomijając niski koszt zakupu, ogólny koszt używania baterii węglowo-cynkowych, magnezowo-węglowych czy cynkowo-chlorkowych (patrz rysunek 7.13) jest dużo wyższy niż dowolnych akumulatorków, gdyż po rozładowaniu można je już jedynie wyrzucić.

Rysunek 7.13. „Zwykłe” baterie 9-woltowe Pojemność „zwykłych” baterii obniża się znacząco przy obciążeniu większym prądem, więc pokaźne nominalne 400 mAh znacząco maleje w prądożernych robotach. Przestarzałe baterie oparte na cynku i węglu mają także niewielką żywotność (szybciej się rozładowują, gdy nie są używane). Napięcie takich baterii spada równomiernie w trakcie używania, zatem użyteczny czas pracy w urządzeniach wymagających wyższego napięcia ulega skróceniu. Paradoksalnie: równomiernie spadające napięcie może być przydatne, aby szacować pozostałą jeszcze pojemność baterii.

Akumulatorki niklowo-kadmowe Ze względu na ochronę środowiska nie zaleca się obecnie używania akumulatorków niklowo-kadmowych (NiCd; patrz rysunek 7.14). Dodatkowo baterie takie mają mniejszą pojemność i wytrzymują mniej cykli ładowania niż akumulatorki NiMH. Czołowi producenci przestali już wytwarzać akumulatorki niklowo-kadmowe.

Rysunek 7.14. Niklowo-kadmowy akumulatorek 9-woltowy

e2 Titanium i Ultra Dwaj czołowi producenci baterii alkalicznych wprowadzili do swojej oferty ich wersje wzbogacone (patrz rysunek 7.15). Jest to jedynie chwyt marketingowy. Firmy dyktują znacząco wyższą cenę za praktycznie niezauważalną poprawę wydajności.

103 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 7.15. Ulepszone alkaliczne baterie 9-woltowe

Marki i producenci ogniw Ostra konkurencja sprawiła, iż nie ma praktycznie różnicy w parametrach produktów najpopularniejszych marek. Nie zwracaj uwagi na markę ogniwa, ale raczej na jego konstrukcję (baterie alkaliczne, akumulatorki NiMH itp.), cenę czy datę ważności. Uważaj na ogniwa o napięciu nominalnym poniżej 8,4 V. Przykładowo niektóre 9-woltowe akumulatorki NiMH dają napięcie 7,2 V. Powód? Zamiast siedmiu wewnętrznych ogniw zawierają ich tylko sześć oraz jakieś wypełnienie (patrz rysunek 7.16).

Rysunek 7.16. Wypełnienie z pianki poliestrowej w akumulatorku o mniejszym napięciu Mimo iż niższe napięcie może być w wielu układach nieakceptowalne, to jednak czasami wygodnie mieć ogniwo o niższym napięciu i wadze, ale o standardowym kształcie i rozmiarze obudowy. Jeśli np. Twój robot nie potrzebuje całych 9 V, zainstalowanie ogniwa o niższym napięciu może zaoszczędzić trochę na jego wadze albo też spowolnić ruchy robota, który nie zachowuje się poprawnie, gdy porusza się zbyt szybko.

Użycie ogniw 9-woltowych w robotach Mówiąc najogólniej, im wyższe napięcie, tym szybsza praca silników i ich siła. Gdy po raz pierwszy umieściłem „Kanapkę” na trasie, byłem rozczarowany sposobem radzenia sobie z podążaniem wzdłuż linii. Silniki obracały się zbyt szybko, aby wykonywać ostre skręty. Zamieniłem zatem nową baterię alkaliczną dającą napięcie 9,5 V na akumulatorek zapewniający 7,2 V. Niższe napięcie przełożyło się na wolniejsze obroty silników, co miało zdecydowanie pozytywny wpływ na jakość podążania robota wzdłuż linii.

104 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 7. „ BATERIE I AKUMULATORKI 9-WOLTOWE

I odwrotnie. Inny mój robot był odrobinę za powolny i zbyt słaby w zawodach robotów sumo. Silniki miały nominalne napięcie pracy 12 V, więc całkiem bezpiecznie można było zainstalować świeżo naładowany akumulatorek NiMH dający napięcie 11,2 V. Gdy używasz w swoim robocie ogniw o standardowych rozmiarach (nieważne, czy będą to ogniwa 9 V, AA, AAA, C, D, czy inne), możesz łatwo wymieniać je na ogniwa różnych typów (baterie i akumulatorki o różnym składzie chemicznym), aby uzyskać oczekiwaną wydajność. Warto zapamiętać ten trik. Zdecydowanie łatwiej na pięć minut przed zawodami wymienić baterię, niż modyfikować układy robota, czy dokonywać zmian w oprogramowaniu.

Montaż baterii Ogniwa są zwykle jednymi z najcięższych elementów robota. Z tego powodu bateria w „Kanapce” zamontowana jest w pobliżu tylnej osi (patrz rysunek 7.17). W ten sposób większość wagi ogniwa przenosi się na koła, poprawiając ich przyczepność, a nie na przód robota, który szoruje po podłożu.

Rysunek 7.17. Ogniwo zamontowane w pobliżu tylnej osi Ponieważ bateria będzie często wymieniana, upewnij się, że umieszczona jest w łatwo dostępnym miejscu. W moim robocie do minisumo — „Buldożerze” — popełniłem błąd. Baterie są umieszczone pod przewodami i układami elektronicznymi (patrz rysunek 7.18). Aby zainstalować świeży komplet, trzeba rozebrać większość robota.

Rysunek 7.18. Znajdź miedziane krawędzie obudowy! We wnętrzu robota ukryte są dwie baterie. Twoje zadanie polega na tym, by je znaleźć!

105 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Baterię 9-woltową można przymocować do urządzenia na wiele sposobów. Większość seryjnie produkowanych urządzeń posiada specjalny zasobnik na baterie stanowiący część ich obudowy. Jeśli nie masz dostępu do supernarzędzi czy też wtryskarki, raczej nie wytworzysz zasobnika idealnie dopasowanego do Twojego robota. Z drugiej strony, mocowanie przy użyciu taśmy klejącej wygląda okropnie, a dodatkowo jest mało pewne. Gumki nieźle nadają się do unieruchomienia baterii, choć nie są idealne. Z powodzeniem wykorzystywałem mocowanie „na rzepy”. Problem z nimi polega na tym, że jedna część rzepa musi być na stałe przyklejona do baterii. Do każdej nowej baterii trzeba przyklejać nowy kawałek rzepa. Dostępne są także gotowe metalowe zaciski. Na środku mają otwór dla wkrętu (patrz rysunek 7.19), dzięki czemu łatwo je przymocować do ramy robota. Użyj podkładki z drugiej strony (patrz rysunek 7.17), aby nie wyrwać wkrętu z obudowy przy wyciąganiu baterii.

Rysunek 7.19. Sposoby montażu ogniwa 9-woltowego: (od lewej do prawej) gumka, rzepy, metalowy uchwyt, odlany pojemnik Ostrzeżenie: metalowe uchwyty zwykle obejmują baterię bardzo ściśle, co może prowadzić do jej porysowania w czasie montażu lub demontażu. Na szczęście, uszkodzenia są bardzo powierzchowne, a odrobina taśmy izolacyjnej na końcach zacisku powinna całkowicie wyeliminować ten problem. Odlewane, plastikowe pojemniki mogą solidnie przytrzymać baterię i zapewnić połączenie elektryczne. Jeśli w swoim robocie masz miejsce na montaż takiego pojemnika — zrób to. Dzięki temu bateria już się nie wysunie.

Idźmy z prądem Masz już zatem źródło zasilania i umiesz je sprawdzić miernikiem. Poświęć chwilę na wybór miejsca umieszczenia baterii w robocie. Ogniwo 9-woltowe będzie stanowiło źródło zasilania we wszystkich naszych dalszych eksperymentach.

106 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 8 „„„

Zaciski i końcówki pomiarowe

Elementy elektroniczne wykorzystywane w „Kanapce” są na stałe przylutowane do płytki drukowanej. Więcej na ten temat dowiesz się później. Co jednak zrobić, jeśli chcesz tylko na chwilę połączyć coś na próbę? Nie, nie używaj w tym celu taśmy izolacyjnej. Słabo trzyma i strasznie się lepi! W tym rozdziale omawiam prostą metodę wykonywania tymczasowych połączeń. Przedstawię także, w jaki sposób za pomocą miernika uniwersalnego sprawdzić, czy połączenie jest poprawne.

Krokodyle są dziś głodne Zaciski krokodylkowe mają połączone sprężyną „szczęki”, którymi obejmują elementy (patrz rysunek 8.1). Ściskając środek zacisku, powodujemy rozwarcie szczęk i wypuszczenie chwyconego obiektu. Po zwolnieniu nacisku szczęki z powrotem zamkną się, chwytając wszystko, co między nie włożysz.

Rysunek 8.1. Zacisk krokodylkowy w osłonie izolacyjnej Zaciski krokodylkowe są użyteczne. Zabawnie się nazywają, a ich szczęki możesz otwierać i zamykać, jak gdyby coś zjadały albo mówiły: „Cześć!”. Para zacisków połączonych kabelkiem nazywana jest niekiedy przewodem mostkującym albo przewodem pomiarowym (patrz rysunek 8.2). Kabelek to zwykle elastyczna linka miedziana umieszczona w kolorowej, izolującej osłonie plastikowej. Teraz dysponujesz czymś, czym możesz uchwycić element za dwa końce i połączyć je przewodem.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 8.2. Kabel mostkujący to para zacisków krokodylkowych połączonych elastycznym przewodem

Zaciski haczykowe Zaciski dostępne są w różnych rozmiarach i kolorach (patrz rysunek 8.3). Poza „krokodylkami” stosowane są także zaciski haczykowe, które trzymają się przewodów czy wyprowadzeń układów scalonych nieco pewniej niż „krokodylki” (patrz rysunek 8.4). Dlatego też ich będziesz zapewne używał częściej.

Rysunek 8.3. Kolejno od góry: duży zacisk krokodylkowy, średni „krokodylek”, mały zacisk haczykowy (do niewielkich układów scalonych), miniaturowy zacisk haczykowy (do najmniejszych układów)

Rysunek 8.4. Zbliżenie końcówki zacisku haczykowego Czasami zakończenie haczyka odgina się w trakcie użytkowania. Przypomina wtedy bardziej literę „L” niż „J”. Nie powinno tak być. Zegnij je ponownie. Gdy haczyk cofa się, powinien trafić w zagłębienie na końcu obsadki.

108 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 8. „ ZACISKI I KOŃCÓWKI POMIAROWE

Kup sobie co najmniej pięć przewodów ze średnimi zaciskami krokodylkowymi i pięć z małymi zaciskami haczykowymi do układów scalonych (patrz tabela 8.1). Są one dostępne w różnych kolorach; spróbuj zdobyć czarne, czerwone i jeszcze w jakimś — co najmniej jednym — innym kolorze. Tabela 8.1. Przewody z zaciskami krokodylkowymi i haczykowymi Dostawca

Numer katalogowy

Cena

Opis

ELFA Elektronika

40-328-27

57,32 zł

zestaw pięciu przewodów pomiarowych z krokodylkami w pięciu różnych kolorach

ELFA Elektronika

40-328-50

57,20 zł

zestaw pięciu przewodów pomiarowych z zaciskami haczykowymi w pięciu różnych kolorach

TME

PRZEW-POM-5

4,42 zł

dwa przewody pomiarowe (czarny i czerwony) z zaciskami krokodylkowymi

Conrad

108489

12,94 zł

zestaw dziesięciu przewodów pomiarowych z krokodylkami w pięciu różnych kolorach (cienkie przewody)

Conrad

108488

32,20 zł

zestaw dziesięciu przewodów pomiarowych z krokodylkami w pięciu różnych kolorach (grubsze przewody)

Conrad

128912

38,74 zł

zestaw dziesięciu przewodów pomiarowych z zaciskami haczykowymi w pięciu różnych kolorach

Sprawdzanie przewodów pomiarowych Za chwilę dowiesz się, w jaki sposób Twój miernik pokazuje obecność lub brak połączenia elektrycznego. Później przy użyciu przewodu pomiarowego z krokodylkami wykonasz próbne połączenie.

Ustawienie trybu pomiaru ciągłości obwodów 1. Podobnie jak przy każdym innym pomiarze, podłącz czarny przewód pomiarowy do złącza COM miernika. 2. Podłącz czerwony przewód pomiarowy do złącza oznaczonego „Ω” (lub „ohm”). Najprawdopodobniej będzie to to samo złącze, którego używałeś wcześniej przy pomiarze napięcia ogniwa 9-woltowego. 3. Jeśli Twój miernik posiada tryb badania ciągłości obwodów, wybierz go przełącznikiem obrotowym (patrz rysunek 8.5). Test ciągłości obwodu bada, czy pomiędzy dwoma końcami przewodów pomiarowych występuje połączenie elektryczne. Tryb ten jest poręczny, gdyż miernik zwykle wydaje dźwięk, gdy wykryje połączenie, więc nie musisz patrzeć na wyświetlacz.

Rysunek 8.5. Pokrętło wyboru trybu pracy miernika ustawione w pozycji pomiaru ciągłości obwodów

109 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Jeśli Twój miernik nie posiada trybu pomiaru ciągłości obwodów, wybierz tryb pomiaru rezystancji o jak najmniejszym zakresie (patrz rysunek 8.6). Krótki przewód, taki jak przewód testowy, nie powinien praktycznie stawiać oporu przepływającemu przezeń prądowi.

Rysunek 8.6. Wybrany najmniejszy zakres pomiaru rezystancji

Test otwartego obwodu 4. Na tym etapie nie dotykaj niczego metalowymi zakończeniami przewodów pomiarowych (patrz rysunek 8.7). Jeśli miernik nie jest jeszcze włączony — włącz go.

Rysunek 8.7. Końcówki pomiarowe nie stykają się Miernik wyposażony w funkcję pomiaru ciągłości obwodów powinien teraz wyświetlać napis „open” („otwarty” obwód) i nie wydawać żadnego dźwięku (patrz rysunek 8.8). Szczegóły sprawdź w instrukcji obsługi swojego miernika.

Rysunek 8.8. Miernik pokazuje napis „open” („otwarty” obwód — brak połączenia) i bardzo wysoką rezystancję

110 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 8. „ ZACISKI I KOŃCÓWKI POMIAROWE

Jeśli Twój miernik nie ma funkcji pomiaru ciągłości obwodów, będzie wyświetlał 0L, ∞ (nieskończoność) lub jakąś bardzo dużą wartość w zakresie megaomów. Ponieważ końcówki pomiarowe nie stykają się, zatem obwód jest „otwarty”.

Test zamkniętego obwodu 5. Zetknij końcówki pomiarowe ze sobą (patrz rysunek 8.9).

Rysunek 8.9. Zetknięte końcówki pomiarowe tworzą połączenie elektryczne Miernik wyposażony w funkcję pomiaru ciągłości obwodów powinien teraz — w zależności od możliwości wyświetlacza — pokazywać napis „short” lub „shrt” („zwarty” obwód) i denerwująco brzęczeć (patrz rysunek 8.10). Niektóre mierniki mogą wyświetlać wartość 0 mV zamiast słówka „short”. Szczegóły sprawdź w instrukcji obsługi swojego miernika.

Rysunek 8.10. Miernik pokazuje słówko „shrt” („zwarty” obwód), co oznacza połączenie elektryczne oraz niemal zerową rezystancję Jeśli Twój miernik nie ma funkcji pomiaru ciągłości obwodów, będzie wyświetlał wartość 0 Ω lub podobną, bliską zeru wartość. Słyszałeś kiedyś o „zwarciu w obwodzie”? Cóż, ten jest całkiem porządnie zwarty. Prąd z miernika wypływa jednym przewodem pomiarowym i natychmiast płynie do drugiego! Poeksperymentuj z różnymi zakresami pomiaru rezystancji i trybem pomiaru ciągłości obwodów swojego miernika. Chcesz przecież mieć świadomość, co pokazuje Twój miernik, gdy jest połączenie, a co — gdy go nie ma.

Test połączenia przewodem mostkującym z krokodylkami 6. Zamiast stykać końcówki pomiarowe bezpośrednio ze sobą, połącz je przy użyciu przewodu mostkującego z krokodylkami (patrz rysunek 8.11). Użyj pojedynczego przewodu i zamocuj jeden z krokodylków na metalowej końcówce czarnego przewodu pomiarowego, a drugi na analogicznej końcówce przewodu czerwonego.

111 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 8.11. Połączenie wykonane za pomocą przewodu mostkującego z zaciskami krokodylkowymi Powinieneś otrzymać takie same wskazania na mierniku, niezależnie od tego, czy stykasz końcówki pomiarowe bezpośrednio, czy też łączysz je razem przy użyciu przewodu mostkującego. Przewód z krokodylkami zapewnia tak samo dobry przepływ prądu jak zetknięcie końcówek bezpośrednio. W trakcie użytkowania zaciski krokodylkowe mogą się zabrudzić lub obluzować i nie będą dawać pewnego połączenia. Przewód pomiędzy zaciskami może się naderwać bądź wysunąć z zacisku. Jeśli przewód mostkujący nie zapewnia stabilnego połączenia, możesz go sprawdzić swoim miernikiem. Pomiar uszkodzonego kabla pokaże przerwę w obwodzie albo jakąś wartość rezystancji wyższą niż końcówki zetknięte bezpośrednio. Wyobraź sobie, że przewód w kablu mostkującym to rurka dla prądu. Prąd przepływa miedzianym (albo wykonanym z innego metalu) przewodem, tak jak woda płynie przez rurkę. W odróżnieniu od rurki z wodą, gdy odłączysz jeden koniec przewodu, prąd nie rozleje się dookoła.

Wykrywanie niepożądanych połączeń Tryb pomiaru ciągłości obwodów (oraz tryb pomiaru rezystancji) jest bardzo przydatny w pracy przy robotach. Tryby te pozwalają wykryć, czy pomiędzy rozmaitymi fragmentami korpusu robota i różnymi obwodami występują niepożądane połączenia elektryczne. Choć nie zrobisz tego jeszcze teraz, przedstawiam tutaj przykładowe kroki, jakie mógłbyś wykonać, sprawdzając robota. 1. Wyłącz zasilanie robota. Jeśli to możliwe, zdemontuj wszystkie baterie lub akumulatorki. 2. Podłącz czarny przewód pomiarowy do jakiegokolwiek elementu robota. Jeśli wolisz, możesz użyć krokodylka do połączenia końcówki pomiarowej z badanym elementem. Jest to o wiele prostsze i wygodniejsze niż przytrzymywanie przewodu pomiarowego przez cały czas. Podobnie zacisk haczykowy może ułatwić dotarcie do miejsc, gdzie trudno włożyć zwykłą końcówkę pomiarową. 3. Dotykaj metalowym końcem czerwonego przewodu pomiarowego każdego metalowego elementu robota tak dokładnie, jak to konieczne. Jeśli pomiędzy fragmentem połączonym z czarnym przewodem pomiarowym a elementem dotykanym końcem czerwonego przewodu występuje połączenie elektryczne, miernik będzie brzęczał (albo wyświetlał słówko „short”, niewielką wartość rezystancji lub coś podobnego). Nie ma znaczenia, jak długie czy skomplikowane jest to połączenie. Jeśli pomiędzy elementami występuje połączenie — miernik to wykryje. „Cukiereczek”, jeden z moich robotów podążających wzdłuż linii, ma korpus zbudowany z metalowego pojemnika na cukierki. Kiedy wywierciłem otwory na czujniki i wkręty (patrz rysunek 8.12), nie pomyślałem, iż naruszając emalię pokrywającą pojemnik, naraziłem obwody robota na kontakt z metalem w obudowie. Gdy z dumą włączyłem robota, obwody oszalały. Na szczęście, tego dnia straciłem jedynie układ scalony za 15 dolarów.

112 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 8. „ ZACISKI I KOŃCÓWKI POMIAROWE

Rysunek 8.12. Odsłonięte metalowe fragmenty obudowy spowodowały niepożądane połączenia elektryczne Powinienem był choć trochę posprawdzać miernikiem połączenia, zanim włączyłem robota. Sprawdzając szybko silniki, poszczególne płytki drukowane, główne wkręty, zaciski od baterii i korpus, zauważyłbym, że przypadkowo występuje połączenie elektryczne pomiędzy metalowymi fragmentami obudowy robota a płytką drukowaną.

Hydraulik z kabelkami W poprzednim rozdziale dowiedziałeś się wiele o bateriach i akumulatorkach 9-woltowych, które działają jak pompa do prądu. W tym rozdziale nauczyłeś się, iż przewody mostkujące z krokodylkami (czy każdy inny kawałek metalu) zachowują się tak, jak rurka dla prądu. Teraz potrzebujesz czegoś, co jest warte podłączenia do tej rurki.

113 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

114 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 9 „„„

Rezystory

W „Kanapce”, robocie podążającym wzdłuż linii, na płytce drukowanej umieściłem wiele rezystorów (patrz rysunek 9.1). Są one tak istotne, że „Kanapka” nie mógłby bez nich funkcjonować. W tym rozdziale dowiesz się, jak odróżniać, kupić i przetestować rezystory. W kolejnych rozdziałach zrobisz użytek z rezystorów tak samo, jak zrobiłem to w „Kanapce”.

Rysunek 9.1. Pięć rezystorów na płytce drukowanej „Kanapki”

Ograniczanie napięcia i prądu za pomocą rezystorów Woda dociera do Twojego domu całkiem pokaźną rurą. Jednak wężyk Twojego prysznica jest znacznie cieńszy. Oczywiście, cieńszy wężyk zajmuje nieco mniej miejsca, ale przede wszystkim ogranicza ilość wody płynącej w danym punkcie. Nie byłbyś zachwycony, rozpoczynając dzień od prysznica uderzającego w Ciebie z siłą całego wodociągu! (A może właśnie lubisz taki prysznic?!). Poza wątpliwą przyjemnością przywalenia strugą wody, mnóstwo wody po prostu by się zmarnowało. Nie potrzebujesz jej aż tyle, aby wygodnie wziąć prysznic. Rezystory ograniczają lub rozdzielają przepływ prądu. Przez to ograniczają jego zużycie i dostarczają dokładnie wymaganą ilość do każdego elementu.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Zdobądź zestaw rezystorów o różnych wartościach Rezystory są tak przydatne, a jednocześnie niedrogie, że warto mieć ich bardzo wiele, o różnych wartościach. Na początek doskonały będzie zestaw zwykłych warstwowych rezystorów węglowych o różnych wartościach i mocy 0,25 – 0,5 W oraz tolerancji 5% (patrz rysunek 9.2).

Rysunek 9.2. 100-elementowy zestaw przewlekanych, warstwowych rezystorów węglowych o mocy 0,5 W i tolerancji 5% Każdy z zestawów przedstawionych w tabeli 9.1 będzie odpowiedni na początek. Miłe jest też to, że zestawy oferowane przez firmę Conrad zawierają plastikowe pudełka z przegródkami. Tabela 9.1. Zestawy rezystorów Dostawca

Numer katalogowy

Cena

Ilość rezystorów

Conrad1

418706

35,80 zł

390 (+ plastikowe pudełko)

419044

46,45 zł

575 (+ plastikowe pudełko)

419052

53,25 zł

575 (+ plastikowe pudełko)

AVT

AVT701/E3

18 zł

800

ELFA Elektronika

60-158-00

41,82 zł

610

Dlaczego ważny jest rozmiar i tolerancja Zaproponowałem, aby rozpocząć od przewlekanych rezystorów o mocy 0,5 W, gdyż ich większe rozmiary pozwalają łatwiej odczytać kolorowe paski na obudowie. Jeśli chcesz użyć mniejszych rezystorów przewlekanych o mocy 0,25 W, także możesz z nich skorzystać. Jednak nim staniesz się ekspertem, nie kupuj rezystorów do montażu powierzchniowego (SMT lub SMD). Są zbyt małe, aby z nimi eksperymentować (patrz rysunek 9.3). Tolerancja 5% oznacza, że rezystor o wartości znamionowej 100 Ω może w rzeczywistości mieć rezystancję nie mniejszą niż 95 Ω i nie większą niż 105 Ω. Dla amatorskiego robota to więcej niż wystarczająco. Możesz wydać nieco więcej i zakupić rezystory metalizowane o tolerancji 1%, ale w Twoim robocie nie zauważysz żadnej różnicy. Wiele bardzo dokładnych rezystorów oznaczonych jest więcej niż czterema kolorowymi paskami, co początkującym utrudnia właściwe odczytanie ich wartości. 1

Każdy z trzech zestawów zawiera rezystory z innego przedziału wartości. W sumie pokrywają praktycznie cały użyteczny w amatorskich zastosowaniach zakres wartości — przyp. tłum.

116 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 9. „ REZYSTORY

Rysunek 9.3. Od góry: rezystory przewlekane o mocy odpowiednio 1 W, 0,5 W, 0,25 W i 0,125 W. Na dole: rezystor do montażu powierzchniowego o mocy 0,1 W

Wycinanki Nowe elementy często połączone są papierową taśmą klejącą (patrz rysunek 9.4). Dzieje się tak, ponieważ większość elementów produkowanych jest w długich rolkach, tak aby mogły być umieszczone w urządzeniach do automatycznego nakładania elementów. Sprzedawca zakupuje całą rolkę, z której później odcina fragmenty, stosownie do Twojego zamówienia.

Rysunek 9.4. Wycinanie rezystora z taśmy stanowiącej fragment większej rolki Możesz próbować odklejać taśmę, lecz pozostaną klejące resztki na końcach elementów. Resztki te mogą uniemożliwić właściwy kontakt metalowych elementów w czasie eksperymentowania. Mogą także zaklejać gniazda i otwory. Użyj więc cążków do obcinania przewodów, aby wyciąć zakończenia rezystora z taśmy papierowej. Nie korzystaj z nożyczek, gdyż ich ostrza szybko stępią się i uszkodzą. Jeśli naprawdę potrzebujesz pełnej długości wyprowadzeń rezystora, możesz próbować wyciągnąć go z mocującej taśmy i dokładnie oczyścić obklejone końce. Rezystory to wytrzymałe elementy i czyszczenie nie zrobi im krzywdy.

Zaopatrz się w cążki do cięcia przewodów Cążki do przewodów to jedno z podstawowych narzędzi (patrz rysunek 9.5). Nie tylko pozwalają wycinać elementy z mocującej je taśmy, ale także przecinają pojedyncze przewody, umożliwiają dopasowanie długości wyprowadzeń elementów umieszczanych na prototypowych płytkach stykowych czy obcięcie zbyt długich wyprowadzeń elementów po ich przylutowaniu do płytki drukowanej.

117 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 9.5. Cążki boczne do cięcia przewodów Warto raczej kupić cążki w pobliskim sklepie, niż zamawiać je z katalogu (patrz tabela 9.2), abyś mógł poczuć, jak konkretny model leży w dłoni. Tabela 9.2. Cążki do cięcia przewodów Dostawca

Numer katalogowy

Cena

Conrad

819972

15,43 zł

Conrad

820719

32,95 zł

Conrad

813847

68,77 zł

TME

GTH-231

13,40 zł

TME

GPH-128

29,40 zł

TME

CK-3750-145/BT

78,23 zł

ELFA

80-410-39

66,54 zł

ELFA

80-447-36

75,40 zł

Rezystancja i omy Jednostką powiązaną z rezystancją są omy oznaczane skrótowo „Ω”. Zatem 100 omów to to samo co 100 Ω. Nie ma żadnej różnicy. Nie ma znaczenia, czy rozumiesz i czujesz, czym są omy. Przypomnij sobie, że rezystancja to jakby mniejsza średnica rurki czy małe dziurki w głowicy Twojego prysznica. Większa wartość w omach oznacza większą rezystancję, czyli jakby cieńszą rurkę. Większość podzespołów elektronicznych nie wytrzyma pełnej mocy baterii. Potrzebują czegoś, co ją ograniczy. To właśnie robią rezystory.

118 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 9. „ REZYSTORY

Pomiar rezystancji 1. Jeśli Twój miernik nie jest jeszcze ustawiony na zakres 200 Ω (lub podobny), ustaw go teraz. 2. Jak zwykle, podłącz czarny przewód pomiarowy do gniazda oznaczonego „COM” na obudowie miernika. 3. Podłącz czerwony przewód pomiarowy do gniazda oznaczonego „Ω”, „ohm” lub podobnie, zgodnie z instrukcją pomiaru rezystancji Twojego konkretnego typu miernika. 4. Włącz miernik, jeśli tego wymaga. Wygodnie byłoby użyć nakładek na przewody pomiarowe z krokodylkami albo zaciskami haczykowymi (jeśli je posiadasz). Dość trudno dotykać jednocześnie obu wyprowadzeń rezystora końcówkami pomiarowymi tak, aby się nie odtoczył. 5. Znajdź rezystor o wartości 100 Ω. Będzie oznaczony paskami: brązowym, czarnym, brązowym i złotym. Nie występuje rezystor o odwrotnym oznaczeniu: złoty, brązowy, czarny, brązowy. Jeśli Ci się wydaje, że taki znalazłeś, to znaczy, że czytasz paski od złej strony. Przytoczona w jednym z poprzednich rozdziałów tabela kolorów wskazuje, że brąz oznacza „1”, czarny to „0”, kolejny brąz to „× 10”, a złoto to tolerancja 5%, czyli 100 ± 5 Ω. „ Uwaga: Symbol „±” oznacza plus lub minus. W podanym przykładzie 100 plus 5 daje 105, a 100 minus 5 daje 95. Zatem wartość rezystora mieści się gdzieś pomiędzy 95 a 105.

6. Dotknij czarnym przewodem pomiarowym jednego z wyprowadzeń rezystora lub podłącz przewód do tego wyprowadzenia (patrz rysunek 9.6). Nie ma znaczenia, które wyprowadzenie wybierzesz.

Rysunek 9.6. Końcówki z zaciskami haczykowymi przytrzymują rezystor 100 Ω 7. Czerwony przewód podłącz albo przytknij do drugiego wyprowadzenia rezystora.

Interpretacja wartości rezystancji wyświetlanej przez miernik Jeśli masz szczęście, miernik pokaże 100 Ω. Jednak bardziej prawdopodobne jest, iż miernik pokaże jakąś wartość trochę poniżej albo powyżej 100. To zupełnie normalne. (Nie będę opowiadał, ile rezystorów musiałem wypróbować, żeby dobrać bliski 100 Ω, który potrzebny mi był do przygotowania rysunku 9.7.) Jeśli Twój miernik wyświetla „0L” albo jakąś bardzo dużą liczbę, upewnij się, na jaki tryb pracy miernika ustawione jest pokrętło. Czy to na pewno są omy? Czy ich zakres jest większy od 100? Poruszaj końcówkami pomiarowymi, aby się upewnić, że wszystko jest dokładnie połączone. Raz jeszcze sprawdź kod kolorów na rezystorze; może trzeci pasek to jednak nie brąz (× 10)?

119 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 9.7. Miernik wyświetlający rezystancję w przybliżeniu 100 Ω Rezystor, który się zestarzał, został przegrzany, potraktowany zbyt dużym napięciem czy prądem lub w inny sposób źle traktowany, może ulec uszkodzeniu i mieć inną niż oczekiwana wartość rezystancji. Jest jednak mało prawdopodobne, aby faktyczna rezystancja nowego rezystora 100 Ω o tolerancji 5% leżała poza przedziałem od 95 do 105 Ω. Zawsze możesz wypróbować kilka rezystorów, aby mieć całkowitą pewność.

Poznaj zakresy pomiarowe rezystancji 1. Znajdź rezystor 470 Ω. Będzie miał kolorowe paski: żółty, fioletowy, brązowy i złoty. 2. Jeśli posiadasz miernik z ręcznym wyborem zakresu, ustaw zakres mniejszy niż 470. Powygłupiamy się przez chwilę. 3. Zamocuj rezystor 470 Ω tak samo, jak zrobiłeś to wcześniej z rezystorem 100 Ω (patrz ponownie rysunek 9.6). Inaczej niż w przypadku ustawienia zbyt niskiego zakresu pomiaru napięcia, wybór zbyt małego zakresu rezystancji w żaden sposób nie uszkodzi miernika. Jednak wtedy miernik z ręcznym wyborem zakresu nie będzie w stanie wyświetlić wyniku pomiaru. Mój miernik wyświetla wtedy „0L” zamiast właściwej, zmierzonej wartości (patrz rysunek 9.8).

Rysunek 9.8. Wartość rezystora wykracza poza ustawiony zakres pomiaru rezystancji To właśnie jedna z denerwujących cech mierników z ręcznym wyborem zakresu pomiarowego. Aby określić właściwą rezystancję elementu, musisz albo dokonać wstępnego szacowania wartości (sprawdzając tabelę kolorów), albo powtórzyć pomiar na kilku zakresach, nim otrzymasz właściwy odczyt. Z powodu konieczności ciągłej zmiany zakresów trudno użyć takiego miernika do posortowania pudełka nieznanych rezystorów. Ta sama czynność trwa ledwie chwilę, gdy masz miernik z automatycznym doborem zakresów pomiarowych. Jeśli posiadasz miernik automatyczny lub ustawiłeś manualnie właściwy zakres pomiarowy, możesz odkryć, że Twój miernik wyświetla wartość rezystora 470 Ω jako w przybliżeniu 0,470 kΩ (patrz rysunek 9.9). To wciąż jest poprawna wartość, bo „k” oznacza tu „kilo-”, czyli 1000. Jeśli pomnożysz 0,47 przez 1000, otrzymasz 470. Im droższy i bardziej wyrafinowany miernik, tym lepiej radzi sobie z wyświetlaniem wyników w jasny i czytelny sposób. Jeśli Twój miernik nie wyświetla liczb zbyt dobrze, pomyśl dwa razy, gdy na wyświetlaczu pojawi się punkt dziesiętny.

120 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 9. „ REZYSTORY

Rysunek 9.9. Niezbyt poręczny sposób prezentacji wartości rezystora mieszczącego się w wybranym zakresie pomiarowym

Sprawdzanie wartości rezystora on-line Zaletą sprawdzania rezystora miernikiem jest to, że nie musisz odcyfrowywać kolorowych oznaczeń i zawsze wiesz, jaką faktycznie wartość ma dany rezystor. Czynność ta jest jednak czasochłonna. Moja (anglojęzyczna) strona Robot Room oferuje graficzny kalkulator (patrz rysunek 9.10), w którym możesz wybrać kolory pasków lub wprowadzić ręcznie wartość rezystancji. Przejdź do adresu: http://www.robotroom.com/Calculators/Resistor/ Resistor-Color-Code-Calculator.aspx.

Rysunek 9.10. Kalkulator wartości rezystancji dostępny on-line

Oznaczanie i przechowywanie Pomierz i posortuj wszystkie rezystory w Twoim uniwersalnym zestawie. Jeśli rezystory pochodzą z rolki, nie rozłączaj ich, lecz zapisz ich wartość na łączącej je taśmie (patrz rysunek 9.11).

121 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 9.11. Rezystory pochodzące z rolki nadal połączone taśmą z dopisaną na dole odręcznie wartością Lubię przechowywać swoje rezystory pogrupowane wg koloru ich trzeciego paska (mnożnika). W ten sposób umieszczam razem rezystory mające wartości pomiędzy 0 a 99 (czarny trzeci pasek), 100 do 999 (pasek brązowy), 1 k do 9,9 k (pasek czerwony), 10 k do 99 k (pasek pomarańczowy), 100 k do 999 k (pasek żółty), oraz 1 M i więcej (pasek zielony lub niebieski). W ten sposób łatwo poukładać rezystory nieleżące na swoim miejscu, sprawdzając tylko kolor jednego paska.

Zdobądź pojemniki na części Na elementy kup sobie wiele plastikowych pojemników z ruchomymi przegródkami (patrz rysunek 9.12). Łatwiej ustawiać na sobie kilka pojemników, gdy mają ten sam rozmiar, a Ty — jako budowniczy robotów — będziesz miał mnóstwo rozmaitych części. Warto mieć możliwość różnej aranżacji przestrzeni w pojemnikach, aby dobrać rozmiar przegródek do konkretnych rodzajów elementów.

Rysunek 9.12. Elementy poukładane w pojemniku z przegródkami

122 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 9. „ REZYSTORY

Niedrogie pojemniki możesz znaleźć w sklepach dla elektroników, marketach budowlanych czy nawet zwykłych sklepach wielobranżowych. Wygodne pojemniki znajdziesz także w sklepach dla wędkarzy. Większość elementów (rezystory, potencjometry, kondensatory, przełączniki, przewody, złącza, gniazda, wkręty, silniki, magnesy itp.) nie wymaga przechowywania w jakimś specjalnym rodzaju pojemnika. Wybieraj solidne pojemniki, które pewnie się zamykają i których przegródki sięgają od samego dołu do samej góry. Nie chcesz przecież, aby części pomieszały się, przelatując nad przegródkami, kiedy pojemnik upadnie.

Powstrzymaj pokusę, aby kawałek przeskoczyć Masz już do dyspozycji pokaźną kolekcję rezystorów o różnych wartościach. Bez nich nigdy nie zbudujesz robota. Jednak zanim zaczniesz używać ich w swoich układach, musisz poznać kolejne elementy — diody świecące (LED).

123 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

124 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 10 „„„

Diody świecące (LED) W tym rozdziale omówię diody świecące (LED1 — ang. Light Emitting Diode). Nauczysz się, jak je wybierać i sprawdzać. Wyjaśnię także, dlaczego żaden porządny robot nie może się bez nich obyć. Diody świecące to cud techniki. Są tanie, lekkie, zimne w dotyku, odporne na uderzenia i długowieczne. Są także dostępne w szerokiej gamie kolorów i rozmiarów. Diody świecące nadają się doskonale do wszelkich urządzeń zasilanych bateryjnie, gdyż wymagają do pracy niewielkiego napięcia i prądu.

Cechy diod świecących Diody świecące produkowane są w wielu rozmiarach, kształtach i kolorach, a także oferują różne kąty widzenia. Dysponują również wieloma poziomami jasności i różnią się sprawnością.

Rozmiary diod świecących Najpopularniejszym rozmiarem diod świecących jest T1¾. Oznaczenie to pochodzi jeszcze z czasów stosowania miniaturowych żaróweczek. Litera „T” oznacza kształt pocisku. Symbol „1¾” oznacza przybliżoną średnicę diody wyrażoną w ósmych częściach cala. Cóż za dziwaczny standard! Diody w rozmiarze T13/4 są najtańsze, a jednocześnie dostępne w największej liczbie kolorów (patrz rysunek 10.1). Z drugiej strony, diody w rozmiarze T1 wyglądają bardziej nowocześnie, a przy tym zajmują mniej miejsca. Diody do montażu powierzchniowego są jeszcze mniejsze, ale też trudniejsze do montażu w amatorskich zastosowaniach. Coraz częściej prezentuje się diody świecące, podając ich średnicę w systemie metrycznym. Przykładowo dioda w rozmiarze T1¾ występuje jako dioda o średnicy 5 mm (milimetrów), a T3¼ — 10 mm. Choć oznaczenie T1¾ określa także kształt diody, to jednak określanie diod za pomocą średnicy w milimetrach jest dokładniejsze, gdyż aktualnie przy produkcji diod stosuje się już wymiary w milimetrach, a nie ósmych częściach cala.

1

Ebookpoint.pl

Często zamiast poprawnej nazwy „dioda świecąca” (lub jeszcze bardziej profesjonalnie „dioda elektroluminescencyjna”) spotyka się potoczne określenie „dioda LED”. Jest to jednak dokładnie ten sam element — przyp. tłum.

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 10.1. Rozmiary diod świecących: (od lewej) do montażu powierzchniowego (1,5 mm), mała — T1 (3 mm), standardowa — T1¾ (5 mm) i wielka — T3¼ (10 mm).

Użycie suwmiarki do pomiaru średnicy diody świecącej Szybko połapiesz się w rozmiarach diod, bo występują w kilku typowych średnicach. Jeśli jednak masz wątpliwości, zawsze możesz zmierzyć średnicę suwmiarką. Suwmiarka służy do precyzyjnego pomiaru niewielkich wymiarów. Po lewej stronie rysunku 10.2 pokazana jest dioda świecąca w rozmiarze T1¾ umieszczona w szczękach suwmiarki. Cyfrowy wyświetlacz pokazuje wartość 5,00 mm. Conrad sprzedaje suwmiarki cyfrowe za 95,07 zł (nr kat. 816033). Podobne możesz także znaleźć w zbliżonej cenie na serwisach aukcyjnych lub w ofercie sklepów z narzędziami.

Rysunek 10.2. Pomiar średnicy diody świecącej za pomocą suwmiarki (po lewej). Drugi koniec suwmiarki wysuwa się w celu pomiaru głębokości otworów (po prawej) Choć nie jest niezbędna, suwmiarka może być przydatna w wielu pracach związanych z budową robota. Przykładowo możesz nią zmierzyć grubość arkusza blachy aluminiowej, rozstaw wyprowadzeń jakiegoś elementu czy głębokość otworu pod wkręt (patrz prawa część rysunku 10.2).

126 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 10. „ DIODY ŚWIECĄCE (LED)

Kształty diod świecących Pojedyncze diody dostępne są w szerokim wyborze kształtów i opraw (patrz rysunek 10.3). Wciąż dominuje klasyczny kształt pocisku („T”), lecz dostępne są także różnorakie diody prostokątne czy łamane.

Rysunek 10.3. Wybór kształtów pojedynczych diod świecących Kształt diody zapewnia albo skupienie emitowanego światła (wąski snop światła), albo jego rozproszenie. Jeśli zedrzesz kopułkę ze zwykłej diody 5 mm (użyj papieru ściernego o średniej grubości ziarna, a później wypoleruj powierzchnię najdrobniejszym papierem albo pastą polerską), uzyskasz specyficzny, jarzący się okrąg zamiast normalnego strumienia światła (patrz rysunek 10.4).

Rysunek 10.4. Własnej roboty punktowa dioda świecąca Często kilka diod świecących umieszcza się we wspólnej obudowie (patrz rysunek 10.5). Numeryczny wyświetlacz LED (spotykany często w zegarach) to właśnie siedem niezależnych diod świecących, rozmieszczonych w kształcie cyfry „8”. Zapalając wybrane diody, można uzyskać kształty wszystkich cyfr i niektórych liter.

Rysunek 10.5. Wyświetlacze LED: 7-segmentowy i paskowy (słupkowy)

127 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Przejrzystość obudowy diody Powszechnie spotyka się trzy rodzaje przejrzystości diody (patrz rysunek 10.6).

Rysunek 10.6. Rodzaje obudowy diody: bezbarwna, biała matowa, kolorowa matowa

Obudowy przezroczyste Obudowy przezroczyste nazywane są także bezbarwnymi. Obudowa taka wykonana jest z przezroczystego tworzywa, które załamuje światło nieco nierównomiernie (tak jak powierzchnia wody). Bezbarwne diody są zazwyczaj odrobinę jaśniejsze, ponieważ ich obudowy nie pochłaniają i nie rozpraszają generowanego światła. Strumień światła emitowany jest zwykle wprost do przodu, tak jak światło reflektora. Przezroczyste diody nadają się doskonale na wskaźniki, które będą obserwowane jedynie od frontu, ale nie muszą być zbyt wyraźnie widoczne z boków (np. sygnalizacja świetlna na ulicy). Sprawdzą się także znakomicie tam, gdzie potrzebny jest długi snop światła, np. przy alarmie antywłamaniowym. W „Kanapce” użyłem ich, gdyż koncentrują większość swojej energii na podłodze przed robotem, tak jak reflektory samochodowe.

Obudowy matowe białe Te obudowy wykonane są z białego lub mlecznego tworzywa. Światło wydobywa się równomiernie przez całą powierzchnię diody i jest jednakowo widoczne z każdej strony. Ilość światła widocznego „z frontu” jest mniejsza, gdyż półprzezroczysta obudowa pochłania część światła, aby wypromieniować je w innych kierunkach. Ponieważ obudowa ma przytłumiony biały kolor, jest doskonale widoczne, gdy dioda się zaświeci w jakimś kolorze. Diody tego typu znakomicie nadają się do konstrukcji wskaźników, które powinny być widoczne tak samo z każdej strony obudowy, a również z jej przodu. Dobre przykłady to wskaźniki zasilania, gotowości, namierzenia celu czy wskaźnik błędu.

Obudowy matowe kolorowe Kolorowe, matowe obudowy nazywane są czasem „matowymi czerwonymi” czy podobnie, w zależności od konkretnego koloru. Obudowy takie rozpraszają światło równomiernie we wszystkich kierunkach, podobnie jak obudowy matowe białe. W przeciwieństwie do nich jednak tworzywo, z którego są wykonane, jest fabrycznie zabarwione, więc nawet przy zgaszonej diodzie można stwierdzić, jakiego jest koloru. Przydaje się to, gdy wiele diod występuje obok siebie („Czy czerwona dioda jest zgaszona?”). Z drugiej strony, w jasnym pokoju trudniej stwierdzić, czy dioda jest zapalona, czy nie, gdyż nie zmienia się jej kolor, a jedynie jasność. Pierwsze diody świeciły na tyle słabo, że nie mogły pełnić roli reflektorków i nie były w stanie rozjaśnić białej obudowy. Dlatego właśnie najchętniej produkowano diody w kolorowych obudowach. Zabarwienie obudowy gwarantuje stabilność koloru i przyzwoite oświetlenie.

128 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 10. „ DIODY ŚWIECĄCE (LED)

Diody w kolorowych obudowach pozostają do dziś najpopularniejszą i najtańszą odmianą. Jednakże, dzięki postępowi technologicznemu umożliwiającemu wzrost jasności świecenia diod, trendy zmieniają się. Aktualnie produkowane są minimalnie zabarwione diody przezroczyste albo niemal białe.

Kąty widzenia Warto mieć pojęcie o charakterystyce widoczności konkretnej diody świecącej, gdyż wtedy będziesz wiedział, jak rozchodzi się strumień światła. Szerszy kąt widzenia oznacza diodę, której światło jest lepiej widoczne ze wszystkich stron. Noty katalogowe często przedstawiają kąty widzenia w postaci wykresów, co jest znacznie czytelniejsze niż pojedyncza liczba. Kąty widzenia podaje się jedynie dla diod przezroczystych. Obudowy matowe z natury rozpraszają światło diody we wszystkich kierunkach.

Kolory diod Diody świecące trafiły do masowej produkcji — początkowo w kolorze czerwonym — w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Lata dziewięćdziesiąte przyniosły znaczące postępy w zakresie jasności i sprawności diod; pojawiły się wtedy także diody niebieskie w przystępnej cenie. Praktycznie w tym samym czasie dostępne stały się też wysokiej jakości białe diody, a to dlatego, że konstrukcyjne są one identyczne z niebieskimi, lecz mają świecący na biało luminofor. Diody czerwone, pomarańczowe, żółte i żółto-zielone pozostają wciąż najtańsze. Choć ceny diod wyraziście zielonych, niebieskich czy białych wciąż spadają, to jednak są one wciąż droższe od diod czerwonych. Dostępne są także diody fioletowe i ultrafioletowe. Diody emitują większość światła w bardzo wąskim paśmie koloru. Z tej racji kolory mieszane (spoza palety barw podstawowych), takie jak np. brązowy, wymagają połączenia wielu starannie dobranych barw. Byłoby trudno zachować jednolitość koloru przy produkcji w ilościach masowych. Dlatego też jeszcze upłynie trochę czasu, nim dostępny będzie wybór kolorów taki jak w pudełku kredek („umbra palona”?). Na rysunku 10.7 możesz zobaczyć, jakie kolory są dostępne obecnie.

Rysunek 10.7. Gama kolorów, od podczerwieni do niebieskiego, z białym na końcu. (Na tym rysunku nie widać zbyt wiele, bo książka jest w czarno-biała, jednak — wierzcie mi — wygląda to pięknie)

Zależność pomiędzy barwą a długością fali W reklamach i notach katalogowych kolory diod świecących określane są często poprzez długość emitowanej fali wyrażaną w nanometrach (nm). Czasem wartość tę oznacza się symbolem λ (niekiedy z przyrostkiem) oznaczającym właśnie długość fali. Gdy natkniesz się na barwę opisaną długością fali, użyj tabeli 10.1, aby zobaczyć, z jakim kolorem masz do czynienia. Przykładowo 655 nm to wyraźny kolor czerwony, ale już 635 nm zbliża się nieco ku pomarańczowemu. (Oczywiście, to dobrze, o ile potrzebujesz koloru pomarańczowoczerwonego).

129 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Tabela 10.1. Przybliżone przedziały kolorów Kolor lub odcień

Przybliżony zakres długości fal

Podczerwień (IR)

ponad 700 nm

Czerwony

630 nm do 700 nm

Pomarańczowy

590 nm do 630 nm

Żółty

570 nm do 590 nm

Zielony

500 nm do 570 nm

Niebieski

450 nm do 500 nm

Fioletowy

390 nm do 450 nm

Ultrafiolet (UV)

poniżej 390 nm

„ Niepoważnie: Jeśli chcesz się nabawić kłopotów, zamknij w jednym pokoju kilku artystów, fizyków, filozofów i psychologów i zadaj im dwa pytania: “Które kolory są podstawowe?” i “Jakie są długości ich fal?”. Możesz zresztą sam przekonać się, gdzie leży problem. Następnym razem, gdy zobaczysz tęczę, spróbuj podzielić ją na części o czystych kolorach. Gdzie kończy się niebieski, a zaczyna zielony?

Określanie kolorów za pomocą standardowego systemu kolorymetrycznego CIE Międzynarodowa Komisja ds. Oświetlenia (franc. Commission Internationale de l’Eclairage — CIE) ma swoją siedzibę w Wiedniu, w Austrii. W 1931 r. organizacja ta opublikowała naukową metodę określania barwy bazującą na postrzeganiu kolorów przez ludzkie oko. W jej systemie kolorymetrycznym każdy kolor może zostać opisany przy użyciu dokładnie trzech wartości: X, Y i Z. W reklamach kolory diod świecących rzadko określane są w systemie CIE, jednak takie określenia pojawiają się czasami w notach katalogowych. Zazwyczaj zamiast bezwzględnych wartości XYZ podawane są względne współrzędne chromatyczności x i y. Za pomocą odpowiedniego oprogramowania można przeliczyć wartości kolorów w systemie CIE na długości fali czy kolory ekranowe.

Jasność diod świecących Jasność diod świecących podaje się często w milikandelach (mcd). Parametr ten wskazuje, z jaką intensywnością dane źródło światła świeci w określonym kierunku. Producent, który chce uzyskać jak największą wartość milikandeli, musi po prostu tak dobrać parametry odbłyśnika i soczewki diody, aby uzyskać wąski snop światła, taki jak w reflektorze. Wtedy większa ilość światła emitowana jest w wiązce o małym kącie rozwarcia, przez co odbieramy ją jako intensywniejszą (jaśniejszą). Określenie jasności w milikandelach jest mało przydatne, jeśli potrzebujesz rzeczywiście jasnego snopa światła, gdyż nie wiesz wtedy, jak szeroki jest kąt świecenia źródła i jak w przestrzeni rozkłada się jasność takiego snopa. Diody niskiej jakości często dają snop w kształcie aureoli z ciemnym obszarem pośrodku. Podawanie wartości w milikandelach jest całkowicie mylące, jeśli interesuje Cię całkowita ilość emitowanego światła. Jednostką, która sumuje całe emitowane światło, niezależnie od kierunku, jest lumen (lm). Producenci diod nie mogą kombinować z wartościami wyrażonymi w lumenach poprzez skierowanie strumienia światła w jednym kierunku, bo całkowita ilość emitowanego światła pozostanie i tak taka sama. Kolejną spotykaną jednostką jest luks (lx), który określa ilość światła padającą na określoną powierzchnię z określonej odległości. Nic nie wiadomo o tym, ile sumarycznie światła emituje dioda we wszystkich kierunkach, ani jak równomiernie rozłożone jest oświetlenie.

130 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 10. „ DIODY ŚWIECĄCE (LED)

Ekstrasuperjasność bez granic Diody świecące reklamowane są często jako bardzo jasne, ekstrajasne czy superjasne. Określenia te są całkowicie subiektywne i — w żaden sposób — nie są zestandaryzowane. Przepraszam, ale to nic nie znaczy.

Sprawność diod świecących Sprawność określa stosunek pomiędzy ilością pobieranej energii a ilością emitowanego światła. Wraz z rozwojem technologii diody stają się coraz sprawniejsze. Ma to znaczenie szczególnie w robotach zasilanych bateryjnie. Dla światła widzialnego sprawność wyrażana jest w lumenach na wat (lm/W). Przypomnij sobie, że lumeny mierzą całkowitą ilość emitowanego światła, bez względu na kierunek świecenia. Weź zatem całkowitą ilość światła (lumeny) i podziel ją przez całkowitą pobraną moc (waty), a dowiesz się, ile mocy potrzeba na pojedynczą jednostkę światła. Niestety, niewielu producentów podaje ten parametr. Dlatego też bardzo trudno stwierdzić, czy „dioda o wysokiej sprawności” rzeczywiście jest sprawniejsza. Jednakże w większości przypadków prawdziwie „wysokosprawne” diody świecą lepiej mimo niższego poboru mocy.

Spojrzenie z bliska na budowę diody Większość diod świecących ma dwa wyprowadzenia (patrz rysunek 10.8). Musisz podłączyć „plus” zasilania do anody, a „minus” (albo masę) do katody. Zwykła dioda nie zaświeci się, jeśli podłączysz zasilanie odwrotnie. Więcej: charakterystyka diody LED w ogóle nie pozwala na przepływ przez nią prądu przy odwrotnym połączeniu.

Rysunek 10.8. Budowa diody świecącej

131 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Aby określić, które z wyprowadzeń jest katodą, poszukaj spłaszczenia lub wycięcia w dolnej części okrągłej obudowy diody blisko jednego z wyprowadzeń. Dodatkowo wyprowadzenie podłączone do katody jest zazwyczaj krótsze niż wyprowadzenie anody. Przeważnie (choć nie zawsze) katoda podłączona jest do elektrody z odbłyśnikiem (patrz rysunki 10.8 i 10.9). Odbłyśnik to malutkie, zaokrąglone zwierciadło, które kieruje światło do czoła diody.

Rysunek 10.9. Widok na odbłyśnik i strukturę półprzewodnikową Wewnątrz odbłyśnika umieszczona jest struktura półprzewodnikowa (patrz rysunek 10.10). To ta część diody świecącej, która emituje światło. Producent ustala kolor świecenia diody, modyfikując skład chemiczny struktury.

Rysunek 10.10. Świecąca struktura półprzewodnikowa oraz przewód i elektroda zasilająca Przewód zasilający łączy strukturę półprzewodnikową z anodą. Przewód jest bardzo cienki! W niektórych przezroczystych diodach świecących możesz zobaczyć cień tego przewodu (a niekiedy także kształt struktury), kierując światło diody na sufit.

Rozróżnianie diod wielokolorowych Umieszczenie w diodzie więcej niż jednej struktury półprzewodnikowej umożliwia jej świecenie w więcej niż jednym kolorze (patrz rysunek 10.11). Obudowa diody jest wtedy przezroczysta albo matowobiała, gdyż nie miałoby sensu jej barwienie na jakiś konkretny kolor, podczas gdy dioda może świecić na dwa lub więcej kolorów.

132 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 10. „ DIODY ŚWIECĄCE (LED)

Rysunek 10.11. Widok z boku na dwukolorową (czerwoną i zieloną), trójstanową diodę świecącą Diody wielokolorowe przydają się, gdy chcemy oszczędzić miejsce lub obrazować kilka stanów, np. biały oznacza wyłączenie, czerwony — błąd, zielony — gotowość.

Diody dwukolorowe Dwukolorowymi nazywamy zwykle diody mające dwa wyprowadzenia. Gdy prąd płynie w jednym kierunku, dioda świeci na jeden z kolorów. Gdy kierunek przepływu prądu zostanie odwrócony, dioda świeci w drugim kolorze. Ponieważ prąd nie może płynąć w dwu przeciwnych kierunkach jednocześnie, w danej chwili widzimy jedynie jeden kolor. Możesz zmieniać kierunek przepływu prądu w tę i z powrotem na tyle szybko, że dla ludzkiego oka widoczny będzie trzeci kolor, będący złożeniem dwóch dostępnych kolorów świecenia diody.

Diody trójkolorowe lub trójstanowe Trójkolorowymi nazywamy zazwyczaj diody posiadające trzy wyprowadzenia zamiast dwóch (patrz rysunek 10.11). Jedno wyprowadzanie odpowiada za jeden kolor, drugie za drugi, a trzecie jest wspólne. Zależnie od tego, które wyprowadzenie jest wspólne, mówimy o wspólnej anodzie (+) lub wspólnej katodzie (–). Ponieważ każdy z dwóch kolorów posiada swoje niezależne wyprowadzenie, może być włączany w tym samym czasie, niezależnie od drugiego. Daje to trzy dostępne kolory (włączony pierwszy kolor, włączony drugi, włączone obydwa) oraz stan wyłączenia.

Diody pełnokolorowe Diody pełnokolorowe są świętym Graalem elektroników! Diody te, oznaczane przeważnie „RGB”, zawierają trzy niezależne struktury: czerwoną, zieloną i niebieską. Elektrycznie sterując jasnością świecenia każdej ze struktur, możesz mieszać kolory podstawowe w dowolnych proporcjach, co pozwala uzyskać niemal każdy kolor. Diody RGB mają po cztery wyprowadzenia (patrz rysunek 10.12): jedno dla struktury czerwonej, drugie dla zielonej, trzecie dla niebieskiej, zaś czwarte jest wspólne. To, niestety, sprawia, że są trudniejsze do podłączenia. W ciągu ostatnich dziesięciu lat ceny diod RGB zmalały dziesięciokrotnie. Można je zakupić u praktycznie każdego sprzedawcy podzespołów elektronicznych. Przykładowo TME oferuje diody pełnokolorowe o średnicy 5 mm w cenie od 4,17 zł (przezroczysta — nr kat. HB5-40ARAAGCABC).

133 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 10.12. Czerwona, zielona i niebieska struktura, umieszczone razem w jednej diodzie, pozwalają uzyskać niemal dowolny kolor

Sprawdzanie diod świecących Najbardziej oczywistym sposobem przetestowania diody świecącej jest jej podłączenie do obwodu (w następnym rozdziale) i sprawdzenie, czy dioda świeci. Jeżeli jednak Twój miernik cyfrowy posiada tryb badania diod, bezpiecznie możesz sprawdzić diodę świecącą i — przy okazji — nauczyć się paru rzeczy.

Przygotowanie miernika do badania diody 1. Czarny przewód pomiarowy powinien być podłączony do gniazda COM na mierniku. 2. Czerwony przewód podłącza się na ogół do złącza Ω, jednak sprawdź to w instrukcji obsługi swojego miernika. 3. Ustaw pokrętło wyboru trybu pracy miernika na symbolu diody, który wygląda jak strzałka rozbijająca się o ścianę (patrz rysunek 10.13). Symbol ten oznacza element pozwalający na swobodny przepływ prądu w jednym kierunku (strzałka), lecz uniemożliwiający przepływ w kierunku przeciwnym (ściana). Tryb badania diod jest odpowiedni także dla diod świecących, gdyż — zgodnie z ich nazwą — jest to po prostu pewna odmiana diod półprzewodnikowych.

Rysunek 10.13. Oznaczenie trybu badania diod na mierniku uniwersalnym 4. Włącz miernik i zaobserwuj, co pojawia się na wyświetlaczu. Niektóre mierniki wyświetlają „0L”, „open” lub coś podobnego, aby wskazać, że pomiędzy przewodami pomiarowymi nie ma przepływu prądu. 5. Weź zwykłą, czerwoną diodę świecącą. W tej próbie kolor jest istotny.

134 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 10. „ DIODY ŚWIECĄCE (LED)

6. Znajdź wyprowadzenie diody będące katodą. Zwykle jest to krótsze z dwóch wyprowadzeń, ale sprawdź też wycięcie w dolnej części obudowy diody, aby mieć całkowitą pewność. Podłącz czarny przewód pomiarowy do katody (–), natomiast czerwony przewód podłącz do anody (+) (patrz rysunek 10.14). Będzie Ci o wiele wygodniej, jeśli użyjesz nakładek na przewody pomiarowe wyposażonych w zaciski haczykowe. Nie przejmuj się, jeśli podłączysz diodę odwrotnie. Nic złego się nie stanie.

Rysunek 10.14. Testowana dioda podłączona do zacisków haczykowych

Interpretacja wyników badania diody świecącej Jeżeli wskazania miernika nie zmienią się po podłączeniu diody, prawdopodobnie podłączyłeś ją odwrotnie (patrz rysunek 10.15). Jeśli nie tu leży problem, sprawdź raz jeszcze, czy wszystkie przewody są solidnie podłączone do miernika i mają zapewniony dobry kontakt z wyprowadzeniami diody świecącej.

Rysunek 10.15. Rozwarty obwód oznacza błędnie wykonany pomiar lub uszkodzoną diodę Jeśli nie był to problem z połączeniami, może to oznaczać, iż dioda jest uszkodzona. Jest to jednak mało prawdopodobne w przypadku fabrycznie nowej diody. Diody przesterowane zbyt wysokim prądem mają zwykle przepalony przewód zasilający lub inny rodzaj przerwy wewnątrz obudowy. W takim przypadku ich wewnętrzne połączenia są trwale uszkodzone i nie są w stanie przewodzić prądu. Nie jest także dobrze, jeśli miernik wyświetla wartość napięcia przewodzenia bliską zeru (patrz rysunek 10.16). Wtedy najprawdopodobniej stykają się ze sobą obydwa wyprowadzenia diody lub przewody pomiarowe. Jeśli przyczyną nie były źle wykonane połączenie, prawdopodobnie dioda jest uszkodzona. Odczytane napięcie przewodzenia poniżej 400 mV (0,4 V) wskazuje, iż prąd przepływa praktycznie bezpośrednio pomiędzy anodą i katodą, omijając strukturę półprzewodnikową. Określa się to jako zwarcie2. Jest mało prawdopodobne, aby dioda opuściła fabrykę w takim stanie. Przerwa w obwodzie zdarza się częściej.

2

Dla elementów półprzewodnikowych (np. takich jak diody czy tranzystory) używa się często terminu „przebicie” — przyp. tłum.

135 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 10.16. Sygnalizacja zwarcia obwodu albo zerowego napięcia przewodzenia wskazują na błąd pomiaru lub uszkodzoną diodę świecącą Jeśli wszystko poszło dobrze, dla czerwonej diody świecącej miernik pokaże napięcie przewodzenia na poziomie około 1,6 V (patrz rysunek 10.17). Wiele mierników wyświetla tę wartość w miliwoltach (mV). Przykładowo 1632 mV to tyle samo, co 1,632 V.

Rysunek 10.17. Miernik pokazuje prawidłowe napięcie przewodzenia diody „ Wskazówka: Przyjrzyj się dokładnie diodzie w czasie badania jej miernikiem. Dioda może się wtedy delikatnie świecić. (Być może będziesz musiał osłonić ją dłońmi, aby uzyskać zaciemnienie i zobaczyć). Jest to niezły sposób, by upewnić się, że dioda działa, oraz nabrać pojęcia o jej efektywności. Diody gorszej jakości nie zaświecą się wcale lub będą się tylko leciusieńko żarzyć. Diody o dużej efektywności będą świecić całkiem wyraźnie.

Jeśli jeszcze tego nie robiłeś, zamień teraz podłączenia diody, żeby zobaczyć, co pokazuje miernik, gdy dioda jest podpięta odwrotnie. Miernik powinien wskazywać „0L” albo „open”. Jeśli dioda pracuje w obydwu kierunkach, jest to zapewne dioda dwukolorowa. Wypróbuj garść różnych diod świecących. Zauważysz, że kształt i rozmiar diody nie wpływają na wyświetlaną wartość napięcia przewodzenia. Wpływ ma natomiast kolor diody! Kolory zbliżone do czerwonego (włącznie z podczerwienią) mają — ogólnie rzecz ujmując — niższe napięcia przewodzenia, zaś diody zbliżone kolorem do niebieskiego mają te napięcia wyższe. W praktyce tryb badania diod w wielu starszych albo tańszych miernikach nie radzi sobie z pomiarem diod wyraziście zielonych, niebieskich czy białych, wymagających napięcia 2,5 V. Dlatego właśnie chciałem, abyś rozpoczął próby od diody czerwonej.

Spadek napięcia w kierunku przewodzenia Wartość napięcia wyświetlana przez miernik określana jest mianem spadku napięcia w kierunku przewodzenia lub krócej — napięciem przewodzenia diody. Gdy prąd przepływa przez diodę we właściwym kierunku (w kierunku przewodzenia), wartość ta określa, jakie napięcie odkłada się na samej diodzie (ile go „pochłania”). Z pewnością cenna jest informacja o napięciu wymaganym przez każdy element, jaki chciałbyś wykorzystać w swoim robocie. To daje Ci ogólne pojęcie, jakiego minimalnego napięcia baterii lub akumulatorków będziesz potrzebował lub też ile elementów możesz podłączyć szeregowo przy danym napięciu zasilania. Kupując diody świecące, uważaj na te, których napięcie przewodzenia (Vt) przekracza 4 V. Przykładowo dla niektórych diod niebieskich podaje się od 5 do 5,5 V. Układy zaawansowanych robotów pracują przy napięciu 5 V bądź niższym, a wiele mikrokontrolerów nie gwarantuje, że na swoich wyjściach zapewnią napięcie wyższe niż 4,5 V. W ten sposób staje się niemożliwe zaświecenie diody o napięciu przewodzenia 5,5 V bez użycia dodatkowych układów sterujących.

136 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 10. „ DIODY ŚWIECĄCE (LED)

Diody w zestawach Możesz zamówić sobie zestaw diod świecących (patrz tabela 10.2). Zestaw różnych diod to dobry sposób, aby tanio zapoznać się z dostępnymi rozmiarami, kolorami, kształtami i rodzajami obudów diod. Ponieważ w czasie pierwszych prób możesz zniszczyć jakieś diody, łatwiej będzie przeboleć spalenie czerwonej diody za 30 groszy niż niebieskiej za 3 zł. Tabela 10.2. Diody świecące w zestawach Sprzedawca

Numer katalogowy

Cena

Ilość diod

Conrad

182245

18,99 zł

19 diod + rezystory ograniczające

Conrad

182206

63,99 zł

74 diody (3 mm i 5 mm) + gniazda do montażu diod na froncie urządzenia + plastikowy pojemnik

Conrad

182300

75,42 zł

100 diod + rezystory ograniczające + uchwyty + plastikowy pojemnik

Zanim kupisz większą ilość diod tego samego rodzaju (w przeciwieństwie do zestawu), warto zamówić tylko kilka sztuk, aby się upewnić, że ich jasność i jakość spełniają Twoje oczekiwania. Niektóre diody są blade i świecą nierównomiernie.

Rozświetlamy drogę Robot „Kanapka” jarzy się aż jedenastoma różnymi diodami świecącymi (patrz rysunek 10.18). Trzy zielone i trzy żółte diody sygnalizują najjaśniejszą część trasy. Trzy czerwone diody czysto dla zabawy rozświetlają od środka „komorę silnika”. Dwie białe diody pełnią rolę reflektorów i oświetlają trasę w nocy lub w tunelu.

Rysunek 10.18. Jedenaście diod rozświetlających robota „Kanapkę” Czerwone, zielone i żółte diody są tanie. Wszystkie kolorowe diody kosztują razem mniej niż dwie białe. Mógłbym wybrać inny niż biały kolor do oświetlenia trasy, lecz żaden nie odbijałby się tak dobrze od wszystkich możliwych kolorów podłoża. Bajerancko wyglądające diody nie tylko zadają szyku, ale są też szalenie przydatne jako wskaźniki stanu robota przy diagnozowaniu ewentualnych problemów. Zawsze więc warto mieć ich kilka pod ręką. Przebiłeś się już przez dziesięć rozdziałów tej książki. Być może bateria, przewody z krokodylkami, rezystory i diody świecące wystarczą, aby zbudować jakiś obwód? Sprawdźmy.

137 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

138 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 11 „„„

Włączamy zasilanie!

Budowa i sprawdzenie obwodu wskaźnika zasilania Niemal każdy robot wymaga lampki wskaźnika zasilania. Jest to obwód bardzo prosty do zbudowania. W tym rozdziale zmontujesz wskaźnik zasilania, używając elementów i narzędzi, o których czytałeś w poprzednich rozdziałach. Dowiesz się nieco o roli, jaką pełni każdy z elementów, oraz nauczysz się, jak za pomocą miernika sprawdzić, czy obwód działa tak, jak powinien. W ogólnym ujęciu opis obwodu składa się z listy elementów, schematu elektrycznego i montażowego, a także zdjęć i instrukcji budowy krok po kroku. Gdy już nabierzesz doświadczenia, zauważysz, że we wszystkich układach pojawiają się te same wspólne rozwiązania i wzorce, więc dokumentacja im towarzysząca koncentruje się przede wszystkim na koncepcji działania obwodu lub jego szczególnie trudnych fragmentach.

Poznajemy listę elementów Lista elementów to krótki opis każdej z części użytych w obwodzie. Czasem na liście tej wymienia się także używane narzędzia, jednak przeważnie się tego nie robi. Niewielkie obwody zwykle nie posiadają listy części, bo rysunek poglądowy czy schemat układu wystarczą, aby zorientować się, jakie części będą potrzebne. Oto lista elementów dla obwodu wskaźnika zasilania: • miernik — potrzebny do sprawdzenia obwodu, • bateria lub lepiej akumulatorek 9 V, • trzy przewody mostkujące z zaciskami krokodylkowymi (najlepiej czerwony, zielony i czarny), • rezystor 1 kΩ (kolory pasków: brązowy, czarny, czerwony i złoty), • czerwona dioda świecąca.

Sprawdzanie części przed montażem Przed montażem sprawdź wszystkie elementy przy użyciu miernika uniwersalnego. Nie jest to sprawą życia i śmierci, gdy łączysz części tylko na chwilę przy użyciu przewodów mostkujących. Jednak gdy zamierzasz przylutować części na stałe — szczególnie te kosztowne — staje się to kluczowe.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Po lekturze wcześniejszych rozdziałów umiesz już przy użyciu miernika zweryfikować poniższe wymagania. • Napięcie baterii lub akumulatorka powinno się mieścić w zakresie od 7 do 10 V. Optymalne byłoby około 9 V. • Przewody mostkujące powinny mieć rezystancję poniżej 1 Ω (dobra przewodność). • Rzeczywista wartość rezystora 1 kΩ powinna się mieścić w przedziale od 950 do 1050 Ω. • Czerwona dioda świecąca powinna mieć napięcie przewodzenia w przedzie od 1,4 do 2,0 V.

Czytanie schematów elektrycznych Schemat elektryczny ilustruje logiczne połączenia pomiędzy poszczególnymi elementami (patrz rysunek 11.1). Różne rodzaje części przedstawiane są przy użyciu konkretnych symboli. Symbole te nie przypominają rzeczywistego wyglądu elementu, ale po obejrzeniu kilku schematów zaczniesz je szybko rozróżniać.

Rysunek 11.1. Schemat elektryczny układu wskaźnika zasilania Każdy element oznaczony jest literą i liczbą. Litera określa rodzaj części, np. „R” dla rezystora. To przydatna wskazówka, jeśli nie rozpoznajesz symbolu na schemacie. Po literze następuje liczba, która zapewnia, iż każdy element jest nazwany unikalnie. Jeśli na schemacie pojawią się dwa rezystory, zostaną oznaczone „R1” i „R2”. Liczba nie musi mieć nic wspólnego z położeniem czy wartością elementu; po prostu tworzy unikalne oznaczenie części. Część istotnych informacji o elemencie umieszczona jest na schemacie wraz z jego oznaczeniem. Oto obszerniejszy opis schematu z rysunku 11.1. • B1 — bateria lub akumulatorek 9 V. Zwróć uwagę na położenie plusa (+) i minusa (–) na symbolu. Baterie oznacza się dwiema lub więcej poziomymi liniami różnej długości. • R1 — rezystor 1 kΩ. „(br/cza/cze)” jest moim skrótowym zapisem oznaczającym kolory pasków na obudowie rezystora (brązowy, czarny, czerwony). Ostatni pasek zwykle się pomija, gdyż obecnie większość rezystorów posiada tolerancję 5% (złoty pasek) lub lepszą. Symbolem rezystora jest prostokąt. • D1 — czerwona dioda świecąca. Używam litery „D”, ponieważ LED to rodzaj diody. Równie dobrze można by napisać po prostu „LED1”. W układach zawierających inne typy diod byłoby to nawet lepsze. Zwróć uwagę na symbol diody — strzałkę uderzającą w ścianę; dokładnie taki symbol jak na mierniku. Strzałki wybiegające na zewnątrz oznaczają emisję światła. • Strzałki w środku — pięć strzałek wewnątrz schematu. Czasem na schemacie narysowane są strzałki, aby pokazać kierunek przepływu prądu w obwodzie. W takim typowym ujęciu prąd wypływa z dodatniego bieguna baterii, płynie poprzez rezystor i diodę świecącą i wpływa do drugiego bieguna baterii.

140 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 11. „ WŁĄCZAMY ZASILANIE!

Budujemy obwód wskaźnika zasilania Za chwilę, łącząc poszczególne elementy przy użyciu przewodów z krokodylkami, zbudujesz obwód wskaźnika zasilania (patrz rysunek 11.2).

Rysunek 11.2. Zdjęcie zmontowanego obwodu wskaźnika zasilania 1. Podłącz jeden koniec czerwonego przewodu mostkującego do dodatniego złącza baterii lub akumulatorka 9 V. 2. Podłącz drugi koniec tego samego przewodu do jednego z wyprowadzeń rezystora. Nie ma znaczenia, które z wyprowadzeń rezystora wybierzesz. 3. Podłącz jeden koniec zielonego przewodu do drugiego (wolnego) wyprowadzenia rezystora. 4. Drugi koniec zielonego przewodu mostkującego podłącz do anody diody świecącej. Zajrzyj do poprzedniego rozdziału, jeśli nie pamiętasz, jak zlokalizować anodę. 5. Podłącz jeden z zacisków czarnego przewodu do katody diody świecącej. STOP! Ostatnim połączonym punktem będzie drugi biegun baterii. Powinieneś jednak zawsze sprawdzić cały obwód przed ostatecznym podłączeniem do baterii. Przy tylko jednym podłączonym jej wyprowadzeniu prąd w obwodzie nie płynie. Na moment wyobraź sobie, że jesteś leniwą kroplą ładunku elektrycznego. Bateria jest pompą, która nakazuje Ci (ładunkowi elektrycznemu) opuścić baterię i udać się dalej rurą (przewodem). Ty wcale nie chcesz być poza baterią. Twoim celem jest wrócić do baterii tak szybko i łatwo (jesteś w końcu leniwy), jak to tylko możliwe. Jeśli możesz znaleźć jakąś drogę na skróty — wykorzystasz ją. Poruszanie się w powietrzu wcale nie jest proste, więc to żaden skrót. Czy przypadkiem jakieś metalowe elementy nie dotykają innych metalowych elementów? To są wspaniałe skróty. Upewnij się, że prąd nie ma innej drogi, niż tylko wypłynąć z baterii, dalej czerwonym przewodem, przez rezystor, zielony przewód, przez diodę świecącą, czarnym przewodem z powrotem do baterii. To właśnie trasa, jaką ma pokonać prąd w swojej podróży z powrotem do baterii. Gotowy? 6. Podłącz wolny koniec czarnego przewodu do ujemnego bieguna baterii.

141 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Czy widzisz światło? Przy odrobinie szczęścia poklepujesz się teraz po plecach i gratulujesz sobie dobrze wykonanej roboty. Uzyskałeś śliczne, czerwone światełko. Jeśli Twoja dioda nie zaświeciła się, sprawdź uważnie wszystkie połączenia. Zaciski krokodylkowe lubią się zsuwać. Jeśli dioda nadal się nie świeci, zapewne podłączona jest odwrotnie. Nic się nie stało. Odłącz obydwa końce diody, odwróć ją i podłącz ponownie.

Kilka eksperymentów z obwodem wskaźnika zasilania Gdy już skończysz podziwiać świecącą na czerwono diodę, spróbuj kilku poniższych rzeczy. • Odłącz czerwoną diodę i podłącz na jej miejsce diodę świecącą innego koloru czy rozmiaru. • Zamień połączenia rezystora. To bez różnicy: rezystancja się nie zmieni. Rezystory nie są wrażliwe na polaryzację, tzn. nie ma dla nich znaczenia, który koniec podłączony jest do „plusa”, a który do „minusa”. Sam w sobie ten eksperyment jest nudny, bo nic się nie wydarzyło po odwróceniu rezystora, ale to właśnie warto zapamiętać. • Zamień połączenia diody świecącej. Podłączona w złym kierunku nie będzie świecić. Diody świecące wymagają odpowiedniej polaryzacji. Inaczej mówiąc, ma znaczenie, który koniec podłączony jest do „plusa”, a który do „minusa”. • Odłącz którykolwiek z krokodylków. Dioda zgaśnie. Nie ma znaczenia, w którym miejscu przerwiesz obwód. Jeśli cała gałąź czy pętla nie jest podłączona do obydwu końców baterii, przestaje działać. (Ponieważ rura urywa się nagle i nie dochodzi do drugiego końca baterii, kropla elektryczności nie ma dokąd płynąć. Nie mając przed sobą dalszej drogi, nie może zrobić miejsca kolejnym kroplom. Na końcu ślepej uliczki robi się korek).

Zadania każdego z elementów Każdy z elementów składających się na obwód wskaźnika zasilania pełni jakąś istotną rolę. Bateria lub akumulatorek (B1) to pompa. Bierze po kolei elektrony („kropelki” elektryczności) i wysyła je nieustannie dookoła. Zaciski i przewody to rury, które doprowadzają elektrony do odpowiednich elementów. Rezystor (R1) chroni „delikatną” diodę świecącą przed pełną mocą baterii. Przypomnij sobie, że rezystory zachowują się jak zwężenia na rurze lub cienkie otwory, które przepuszczają dalej jedynie wymaganą ilość elektryczności. Ograniczenie przepływu przez rezystor zapobiega także marnotrawstwu. Chcemy jedynie zaświecić diodę i zużyć tylko tyle energii, ile trzeba. Czerwona dioda świecąca (D1) jest powodem istnienia tego obwodu. Bateria, przewody i rezystor są jedynie po to, aby zapewnić jej warunki do działania.

Pomiary obwodu wskaźnika zasilania W działającym obwodzie możesz wykonać dwa użyteczne pomiary: napięcia (ciśnienia w rurach) i natężenia prądu (siły przepływu).

142 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 11. „ WŁĄCZAMY ZASILANIE!

Pomiar napięcia w obwodzie Mierzenie napięcia w różnych punktach obwodu to najczęstszy rodzaj pomiarów, jakie będziesz wykonywać. Z nich dowiesz się, czy każdy element otrzymuje wymagany poziom napięcia („ciśnienia”). Przy zbyt małym napięciu część nie będzie działać; przy zbyt wysokim — ulegnie uszkodzeniu. 1. Przygotuj miernik tak samo jak do pomiaru napięcia baterii (patrz rysunek 11.3). Użyj nakładki z zaciskiem krokodylkowym albo haczykowym na czarny przewód pomiarowy (COM). Czerwony przewód powinien mieć zwykłą, metalową końcówkę bez nakładek, gdyż będziesz jej używał w wielu miejscach.

Rysunek 11.3. Miernik przygotowany do pomiarów napięcia w różnych punktach obwodu 2. Podłącz zasilanie do swojego obwodu z czerwoną diodą. Pomiary będą wykonywane przy włączonym zasilaniu. 3. Nie odłączając czarnego krokodylka, podłącz zacisk haczykowy czarnego przewodu pomiarowego do ujemnego bieguna baterii (patrz rysunek 11.4). Czarny przewód pozostanie podłączony w tym miejscu, a końcówką czerwonego przewodu pomiarowego będziesz dotykał różnych punktów w obwodzie.

Rysunek 11.4. Czarny przewód pomiarowy podpięty do ujemnego bieguna baterii. Czerwony przewód pozostaje swobodny 4. Gdy dotkniesz końcówką czerwonego przewodu pomiarowego dodatniego bieguna baterii, miernik powinien wskazywać — zgodnie z oczekiwaniem — napięcie baterii. U mnie było to 9,15 V.

143 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

5. Dotknij końcówką pomiarową odsłoniętej części krokodylka na drugim końcu czerwonego przewodu mostkującego. Wskazywana przez miernik wartość napięcia nie powinna ulec zmianie. Pamiętaj, że przewód to tylko rurka; sam w sobie nie zatrzymuje napięcia. 6. Dotknij czerwoną końcówką pomiarową górnego wyprowadzenia rezystora. Znów nie powinieneś zobaczyć żadnej różnicy. Wyprowadzenie rezystora to też tylko rurka. 7. Dotknij teraz drugiego dolnego wyprowadzenia rezystora (patrz rysunek 11.5). Nareszcie coś się dzieje! Napięcie powinno znacząco spaść. W moim układzie napięcie w tym punkcie wynosi 1,8 V.

Rysunek 11.5. Czerwona końcówka bada napięcie w punkcie za rezystorem Co się stało? Rezystor wykonał swoją robotę. Ograniczył napięcie do poziomu wymaganego przez diodę świecącą, która jest za nim. (To wyjaśnienie nie jest do końca ścisłe technicznie, ale w tej chwili wystarczy). 8. Dotknij czerwoną końcówką pomiarową każdego z końców zielonego przewodu mostkującego, a później anody diody świecącej. Napięcie wciąż powinno być na poziomie 1,8 V (lub raczej takim, jakie odczytałeś wcześniej). Zielony przewód i wyprowadzenie anody to znów tylko rurki. Nie zatrzymują napięcia. 9. Dotknij czerwoną końcówką pomiarową katody diody świecącej. W tym miejscu napięcie powinno spaść do zera. Czerwona dioda zużyła pozostałą resztkę napięcia. 10. Dotknij czerwoną końcówką pomiarową czarnego krokodylka. Napięcie równe zero. Dotknij ujemnego bieguna baterii (tam gdzie podłączony jest czarny zacisk haczykowy). Napięcie równe zero. Nie ma znaczenia, jakich elementów użyjesz w obwodzie — gdy prąd dopływa do drugiego końca baterii, napięcie zawsze wynosi zero.

Pomiar napięcia „w punkcie” Technika pomiarowa, którą właśnie zastosowałeś odpowiada na pytanie: „Jakie jest napięcie w tym i w tym punkcie?”. Aby zmierzyć napięcie w konkretnym punkcie, czarny przewód zawsze podłączaj do ujemnego bieguna baterii, a czerwoną końcówką dotykaj badanego punktu. W miarę, jak przesuwasz się w dół obwodu, napięcie maleje, gdyż każdy z podstawowych elementów zużywa go trochę.

Pomiar „spadku napięcia” albo napięcia „na elemencie” Często będziesz chciał wiedzieć, jakie napięcie jest zużywane przez daną część. Jednym ze sposobów, aby się tego dowiedzieć, jest wykorzystanie odrobiny matematyki. Oto co policzyłem dla mojego obwodu. Napięcie przed rezystorem wynosi 9,15 V. Napięcie za rezystorem to 1,8 V. Zatem rezystor zużywa 7,35 V. Napięcie przed diodą świecącą wynosi 1,8 V. Za diodą napięcie wynosi 0 V. Dioda zużywa zatem 1,8 V.

144 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 11. „ WŁĄCZAMY ZASILANIE!

Nie musisz wyliczać tych wartości. Możesz sprawdzić za pomocą miernika, ile napięcia zużywa każdy z elementów. Ustawienia miernika pozostają cały czas takie same, jak przy poprzednim pomiarze. Jedyna zmiana polega na tym, że teraz czerwony przewód pomiarowy podłączasz do górnego wyprowadzenia rezystora, a czarny do dolnego wyprowadzenia (patrz rysunek 11.6). Miernik powinien wskazywać teraz 7,35 V (czy też tyle, ile Ci wyszło z obliczeń).

Rysunek 11.6. Przewody pomiarowe czerwony i czarny podłączone, aby zmierzyć spadek napięcia na samym rezystorze „ Ostrzeżenie: Nie próbuj mierzyć rezystancji rezystora (tryb Ω) w czasie, gdy jest podłączony do obwodu. Do pomiarów w obwodzie używaj jedynie trybu pomiaru napięcia, nie trybu pomiaru rezystancji, bo możesz uszkodzić miernik. W trybie pomiaru rezystancji (Ω) miernik dostarcza własne napięcie, aby sprawdzić, ile zużyje badany rezystor w porównaniu ze znanym rezystorem umieszczonym wewnątrz miernika. Ze względu na to na badanym rezystorze nie powinno występować jakieś inne napięcie. Jeżeli takie dodatkowe, zewnętrzne napięcie będzie dostatecznie wysokie, może uszkodzić wewnętrzne układy miernika. W odwrotnej sytuacji miernik jest ustawiony w tryb pomiaru napięcia, bo spodziewasz się, że w badanym obwodzie występuje napięcie i je właśnie masz w tym trybie zmierzyć. Jeśli zatem ustawisz pokrętło miernika na wystarczająco wysoki zakres pomiaru napięcia, jego układy wewnętrzne poradzą sobie z zewnętrznym napięciem, gdyż do tego zostały zaprojektowane.

Zmierz napięcie zużywane przez diodę świecącą, podłączając czerwony przewód pomiarowy do jej górnego wyprowadzenia, czarny zaś do dolnego (patrz rysunek 11.7). Miernik powinien wskazywać 1,8 V (a raczej wartość, jaką wcześniej wyliczyłeś).

Rysunek 11.7. Przewody pomiarowe czerwony i czarny podłączone, aby zmierzyć spadek napięcia na czerwonej diodzie świecącej

145 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

W rozdziale 10. badałeś diodę świecącą przy użyciu trybu badania diod. Napięcie konsumowane przez diodę w działającym obwodzie będzie zwykle nieco wyższe niż zmierzone w trybie badania diody. „ Ostrzeżenie: Nie sprawdzaj diody podłączonej do obwodu miernikiem pracującym w trybie badania diod! Użyj tryb pomiaru napięcia. Inaczej możesz uszkodzić miernik. W trybie badania diod miernik dostarcza do testowanej diody własne napięcie, podobnie jak robi to dla rezystora w trybie pomiaru rezystancji. Zewnętrzne napięcie podawane na diodę może być wystarczająco wysokie, aby przepalić układy wewnątrz miernika.

Podsumowanie kwestii napięcia w obwodzie Przewody, zaciski i wyprowadzenia elementów nie zużywają napięcia. Dioda świecąca zużywa go mniej więcej tyle, ile wskazał miernik przy badaniu diody. Rezystor zużywa resztę napięcia. Zależnie od tego, gdzie umieścisz końcówki pomiarowe, możesz mierzyć napięcie w danym punkcie obwodu lub na wybranym elemencie tego obwodu.

Pomiar prądu Drugim najpopularniejszym rodzajem pomiarów w obwodzie jest pomiar przepływającego prądu. Napięcie określa, jaką siłę ma każda kropla; prąd podaje, ile kropli płynie przez obwód. Pomiar prądu jest istotny, aby ustalić, na jak długo wystarczą Twoja bateria czy akumulatorek. 1. Odłącz od obwodu obie końcówki pomiarowe miernika, jeśli są jeszcze przyłączone. 2. Tak jak zazwyczaj, czarny przewód pomiarowy podłącz do złącza „COM” miernika. 3. Natomiast czerwony przewód musi teraz zostać odłączony z gniazda oznaczonego „V”, a podłączony do gniazda oznaczonego „A” lub „mA” (patrz rysunek 11.8). Dokładne wytyczne znajdziesz w instrukcji obsługi swojego miernika.

Rysunek 11.8. Miernik przygotowany do pomiaru prądu 4. Do tego pomiaru oba przewody pomiarowe powinny mieć na końcach zaciski haczykowe. 5. Ustaw pokrętło trybu pracy miernika na „mA”, „A” lub „amp”. Jeśli nie masz funkcji automatycznego doboru zakresu pomiarowego, ustaw miernik na zakres powyżej 20 mA (miliamperów). Jeśli wolisz, możesz też rozpocząć od wyższego zakresu i zmniejszyć go potem w miarę potrzeb.

146 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 11. „ WŁĄCZAMY ZASILANIE!

Wcześniej, przy pomiarach napięcia, końcówki pomiarowe podłączałeś do elementów obok już istniejących połączeń. Nie musiałeś niczego rozłączać, aby dokonać pomiaru. Przy pomiarze prądu miernik wymaga, aby wszystkie kropelki elektryczności przepływały przez niego, aby mógł je policzyć. Myśl o tym jak o bramce na stacji metra. Nikt nie może iść dalej, dopóki nie przejdzie przez kołowrotek na bramce. 6. Połącz swój obwód wskaźnika zasilania i upewnij się, że dioda świeci. 7. Teraz odłącz czerwonego krokodylka od dodatniego bieguna baterii i podłącz go do czarnego przewodu pomiarowego (patrz rysunek 11.9).

Rysunek 11.9. Połączenia do pomiaru prądu przepływającego w obwodzie wskaźnika zasilania 8. Podłącz czerwony przewód pomiarowy do dodatniego bieguna baterii. W takiej konfiguracji cały prąd wypływający z baterii płynie przez czerwony przewód pomiarowy do miernika, przepływa przez miernik, gdzie jest mierzony, wypływa z niego czarnym przewodem pomiarowym i dalej płynie do czerwonego zacisku. Takie połączenie zapewnia, że przez miernik przepłynie i zostanie zmierzona każda kropelka energii wypchnięta przez baterię do pracy w obwodzie. Jeśli wszystko się udało, dioda powinna świecić, a miernik musi wskazywać wartość gdzieś pomiędzy 5 a 10 mA. W moim układzie było to 7,2 mA (patrz rysunek 11.10).

Rysunek 11.10. Miernik pokazuje 7,2 mA jako wartość prądu płynącego w obwodzie Jeśli dioda nie świeci się, sprawdź wszystkie połączenia i ustawienia miernika. Jeśli miernik pokazuje ujemną wartość (np. –7,2 mA), znaczy to, że zamieniłeś czarny i czerwony przewód.

Obliczanie żywotności baterii Przy założeniu, że w swoim obwodzie użyłeś nowej baterii 9 V, możesz teraz określić, na jak długo wystarczy. Zwykle pojemność nowej baterii podana jest na opakowaniu albo na stronie producenta. Jeśli nie znasz nominalnej pojemności swojej baterii, możesz założyć 595 mAh dla baterii alkaicznej i 150 mAh dla akumulatorka. Pojemność baterii wyrażoną w mAh (miliamperogodzinach) podziel teraz przez zużycie prądu w Twoim obwodzie wyrażone w mA (miliamperach). Otrzymasz liczbę, która wskazuje, przez ile godzin bateria może zasilać Twój obwód.

147 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Przykładowo mam akumulatorek o pojemności 150 mAh, a mój obwód wskaźnika zasilania zużywa 7,2 mA. 150 mAh / 7,2 mA = 20,8 h To prawie 21 godzin.

Przedłużanie żywotności baterii Możesz wydłużyć czas życia baterii, jeśli ograniczysz przepływ prądu. Przypomnij sobie, że rezystory nie tylko chronią wrażliwe elementy przed pełną mocą baterii, ale zapobiegają także marnotrawstwu energii. Zamiast rezystora o wartości 1 kΩ użyj teraz innego o wartości 2,2 kΩ (kolory pasków: czerwony, czerwony, czerwony i złoty). To trochę ponad dwa razy większa rezystancja niż wcześniej. Śmiało, spróbuj. Miernik powinien pokazywać spadek w przepływie prądu z racji użycia rezystora 2,2 kΩ. W moim obwodzie prąd zmalał z 7,2 mA do 3,4 mA. To oznacza, że akumulatorek wystarczy teraz na 44 godziny. 150 mAh / 3,4 mA = 44 h Niestety, dioda nie świeci już tak jasno jak wcześniej. Wypróbuj inne wartości rezystorów (patrz rysunek 11.11). Możesz wybrać dowolnie wysokie wartości rezystancji, ale nie schodź poniżej 470 Ω. Obserwuj wskazania miernika i jasność świecenia diody.

Rysunek 11.11. Różne wartości rezystorów do testów: od 10 000 Ω (10 kΩ) do 470 Ω Wraz ze wzrostem rezystancji wydłuża się żywotność baterii, ale dioda przygasa (patrz tabela 11.1). Gdy rezystancja maleje, maleje też czas życia baterii, ale dioda świeci jaśniej. Tabela 11.1. Wartość rezystancji a czas życia baterii i jasność diody Rezystancja

Oznaczenie rezystora (kolory pasków)

Prąd w obwodzie

Czas życia baterii

Jasność świecenia diody

10 000 Ω

brązowy, czarny, pomarańczowy, złoty

0,7 mA

200 godzin

bardzo ciemna

4700 Ω

żółty, fioletowy, czerwony, złoty

1,6 mA

94 godziny

ciemna

2200 Ω

czerwony, czerwony, czerwony, złoty

3,4 mA

44 godziny

zadowalająca

1000 Ω

brązowy, czarny, czerwony, złoty

7,2 mA

21 godzin

wyraźna

680 Ω

niebieski, szary, brązowy, złoty

10,5 mA

14 godzin

jasna

470 Ω

żółty, fioletowy, brązowy, złoty

15,1 mA

10 godzin

bardzo jasna

Warto zapamiętać, że jasność świecenia diody zależy od natężenia przepływającego prądu, a nie od wysokości przyłożonego napięcia. Wiele podzespołów elektronicznych działa podobnie. Mówi się o nich, że są „sterowane prądowo”.

148 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 11. „ WŁĄCZAMY ZASILANIE!

Dobór rezystorów Gdy zacząłem zajmować się elektroniką, nie mogłem zrozumieć, w jaki sposób ludzie wybierają właściwe wartości rezystorów. Wydawało mi się, że dla każdego zastosowania istnieje jedna, optymalna wartość. W pewnych granicach wartość rezystora jest kwestią gustu. Zależy ona od tego, jak projektant postrzega wydajność. Jeśli dioda świeci wystarczająco jasno przy rezystorze 2200 Ω, to można w ten sposób oszczędzić nieco baterii. Jeśli jednak nie liczy się żywotność baterii, a ważniejsza jest jasność świecenia diody, rezystor o wartości 1000 Ω będzie lepszym wyborem. Wartość rezystora jest do uzgodnienia. Jak jasna może być dioda świecąca? Według noty katalogowej producenta maksymalny prąd znamionowy dla mojej diody to 30 mA. Możesz przesunąć końcówki pomiarowe miernika w taki sposób, aby umieścić je bezpośrednio przed diodą świecącą i zmierzyć ilość przepływającego przez nią prądu. Podłącz z powrotem czerwonego krokodylka do plusa zasilania. Teraz odłącz zielonego krokodylka od anody diody świecącej i wepnij miernik pomiędzy te punkty (patrz rysunek 11.12).

Rysunek 11.12. Pomiar prądu pomiędzy zielonym zaciskiem a diodą świecącą Ponieważ jednak nie istnieje żadna inna powrotna droga do baterii poza tą, która przechodzi przez diodę świecącą, ilość elektronów wypływających z baterii jest taka sama jak ilość elektronów przepływających przez diodę i wracających do drugiego bieguna baterii. Cały prąd, jaki wypływa z baterii, musi przepłynąć przez diodę świecącą. Nie ma zatem żadnego powodu, aby przepinać końcówki miernika w celu zmierzenia prądu płynącego przez diodę.

Obliczanie prądu Oto prosty wzór, który pozwoli przewidzieć jeszcze przed zbudowaniem, ile prądu zużyje Twój obwód: (V / Ω) × 1000 = mA Sprawdźmy, czy wzór pasuje do naszych wyników pomiarów. W moim obwodzie napięcie na rezystorze wynosi 9,15 V, a jego faktyczna rezystancja to 1020 Ω. (9,15 V / 1020 Ω) × 1000 = 8,97 mA O! Coś się nie zgadza. Przewidywana wartość to 8,97 mA, ale z pomiaru wyszło jedynie 7,2 mA. Aha! Przecież rezystor nie zużywa całego napięcia. Część zużywa dioda świecąca. Rezystor zużywa jedynie 7,35 V. (7,35 V / 1020 Ω) × 1000 = 7,2 mA Doskonale!

149 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Wzór na minimalną wartość rezystora dla diody świecącej Oto wzór, który pozwoli Ci określić najmniejszą dopuszczalną wartość rezystora, jakiego możesz użyć, aby chronić diodę świecącą. Musisz zmierzyć napięcie swojej baterii i napięcie przewodzenia diody. W nocie katalogowej producenta diody musisz odszukać informację o najwyższym dopuszczalnym dla niej stałym prądzie. (napięcie baterii – napięcie przewodzenia diody) / (maksymalny dopuszczalny prąd diody w mA / 1000) = minimalna wartość rezystora w Ω Dla naszego obwodu wskaźnika zasilania: (9,15 V – 1,8 V) / (30 mA / 1000) = 245 Ω Z obliczeń wynika, że minimum to 245 Ω, podczas gdy ja wcześniej ostrzegałem, byś nie schodził poniżej 470 Ω. Cóż, daje to pewien margines bezpieczeństwa, w przypadku gdyby Twoja bateria dawała nieco wyższe napięcie albo dioda miała nieco niższe napięcie przewodzenia.

Nie próbuj mierzyć napięcia z przewodem włożonym do gniazda do pomiaru prądu Aby mierzyć prąd w obwodzie, musisz wyciągnąć czerwony przewód pomiarowy z gniazda w mierniku oznaczonego „V”. Wkładasz go później do gniazda oznaczonego „A”, „mA” czy też „amp”. W ten sposób w mierniku tworzy się rurka, którą będzie przepływał prąd z obwodu i będzie można go zmierzyć. Powiedzmy, że teraz zdecydujesz, że chcesz ponownie zmierzyć napięcie na rezystorze, ale zapomnisz przełożyć czerwony przewód z powrotem do gniazda oznaczonego „V”. Umieszczasz przewody pomiarowe czerwony i czarny na wyprowadzeniach rezystora. Bum! Nagle Twoja dioda świecąca staje się diodą dymiącą. „ Uwaga: To żart. Dioda umiera w milczeniu.

Co się stało? Ponieważ miernik stał się rurką do pomiaru prądu, płynący prąd może teraz ominąć tędy rezystor (patrz rysunek 11.13). To tak, jakby rezystora już nie było w obwodzie. Dioda świecąca otrzymuje całą moc baterii i przez to zostaje zniszczona.

Rysunek 11.13. Przez miernik skonfigurowany do pomiaru natężenia prądu ładunki elektryczne omijają rezystor, co nie było naszym zamiarem Nie śmiej się. Któregoś dnia sam tak zrobisz. 150 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 11. „ WŁĄCZAMY ZASILANIE!

Ważne jest, aby się upewnić, że przewód pomiarowy został z powrotem przełożony do gniazda „V”, zanim zaczniesz mierzyć napięcie. Jeszcze bezpieczniejszym rozwiązaniem jest wyrobienie sobie nawyku przekładania czerwonego przewodu do gniazda „V” i przestawianie miernika w tryb pomiaru napięcia, gdy tylko zakończysz pomiary natężenia prądu.

Podsumowanie wiedzy o obwodach Oto ważne rzeczy opisane w tym rozdziale. • Schemat elektryczny jest symboliczną reprezentacją elementów składających się na obwód. • Każdy element na schemacie jest oznaczony literą i liczbą tak, aby można się było do niego jednoznacznie odwoływać i nie mylić go z żadną inną częścią na tym samych schemacie. • Możesz zmierzyć napięcie w dowolnym punkcie, podłączając czarny przewód pomiarowy do ujemnego bieguna baterii i dotykając końcówką pomiarową czerwonego przewodu punktu, w którym chcesz dokonać pomiaru. • Możesz także zmierzyć napięcie zużyte przez dany element (spadek napięcia na elemencie), przyłączając czerwony przewód przed badanym elementem, a czarny przewód tuż za nim. • Możesz zmierzyć natężenie prądu przepływającego przez cały obwód, przestawiając odpowiednio tryb pracy miernika, przekładając czerwony przewód pomiarowy do innego gniazda w mierniku i łącząc miernik i przewody pomiarowe szeregowo pomiędzy resztą obwodu a dodatnim biegunem baterii. • Czas życia baterii jest odwrotnie proporcjonalny do natężenia prądu pobieranego przez obwód. • Natężenie prądu płynącego przez diodę wpływa bezpośrednio na jasność jej świecenia. • Możesz regulować natężenie płynącego prądu, zmieniając wartość rezystora w obwodzie. • Zbyt duży prąd może uszkodzić diodę świecącą, więc zawsze należy używać rezystora do jej zabezpieczenia. Przewody z krokodylkami sprawdzają się przy krótkich i prostych obwodach składających się z niewielu części. Jednak czasem zaciski zsuwają się, a ich odsłonięte, metalowe części mogą niechcący się zetknąć. Czasem obwód staje się jednym, wielkim supłem. Istnieje znacznie lepszy sposób na szybką budowę prototypowego obwodu. Czytaj dalej!

151 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

152 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 12 „„„

Budowa prototypów bez lutowania Obwody wykorzystywane przez „Kanapkę” — robota podążającego wzdłuż linii — są całkiem proste, a mimo to, musisz wykonać trzydzieści czy czterdzieści połączeń elektrycznych. Pomyśl zatem, ile trzeba by ich wykonać w Twoim zaawansowanym robocie; przewody z krokodylkami raczej tu nie wystarczą. W tym rozdziale poznasz popularną metodę budowy obwodów testowych.

Potrzeba czegoś lepszego Gdy projektujesz obwody wchodzące w skład robota, pomyłki się zdarzają. Wielu konstruktorów rozbudowuje swoje dzieło o kolejne elementy tak, aby nauczyć się czegoś nowego. Te dwa powody sprawiają, że nim konstrukcja będzie gotowa, konieczna jest faza pewnych eksperymentów zwana prototypowaniem. To czas, w którym wypróbowujesz różne rozwiązania, nim zdecydujesz się na ostateczny kształt konstrukcji. Aby ułatwić eksperymenty z układami elektronicznymi, potrzebne jest jakieś rozwiązanie, które umożliwi łatwą modyfikację tworzonych obwodów czy też wymianę poszczególnych podzespołów. Powinno być przy tym niedrogie, zapewniać stabilność połączeń i umożliwiać zastosowanie dokładnie tych samych elementów, które będą użyte w ostatecznej konstrukcji. Ostatecznie przewody z krokodylkami także znajdą zastosowanie jako tymczasowe połączenia z baterią czy sprzętem pomiarowym, jednak poza nimi konstruktorzy oczekują także pewniejszych metod wykonywania połączeń.

Płytki montażowe niewymagające lutowania Płytka montażowa niewymagająca lutowania (zwana też płytką prototypową lub płytką stykową) to wspaniałe narzędzie dla każdego konstruktora (patrz rysunek 12.1). Jak sama nazwa wskazuje, wykonywanie połączeń nie wymaga żadnego lutowania. Elementy i przewody po prostu wciska się w otwory w płytce, aby je ze sobą połączyć. Bez bałaganu, bez kłopotu. Możesz używać tych samych elementów i przewodów bez końca.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 12.1. Płytka stykowa (840 pól) z podstawą i trzema gniazdami przyłączeniowymi Zawsze testuję nowe elementy czy też projekt nowego obwodu przy użyciu płytki prototypowej. Choć zaczynając pracę, jestem zazwyczaj przekonany, że wiem dość dokładnie, jak ma wyglądać gotowy obwód, to jednak łatwość wprowadzania zmian sprawia, że często nanoszę kolejne ulepszenia. Gdy już zlutuję gotowy obwód, mój prototyp zwykle pozostaje nietknięty na płytce prototypowej. Jeśli tylko mam dość zapasowych elementów (i samych płytek), zachowuję oryginalny projekt do kolejnych eksperymentów, łatwiejszego wyszukiwania i naprawiania usterek czy dalszych prac rozwojowych.

Połączenia w otworkach Otworki w płytce montażowej noszą fachową nazwę pól stykowych. Gdy przewód zostanie wciśnięty w otwór, styka się z metalowym paskiem umieszczonym pod spodem (patrz rysunek 12.2). Gdy kolejny przewód zostanie wciśnięty przez inny otwór w obrębie tego samego metalowego paska, elektrycznie będą ze sobą połączone. Metalowy pasek pełni tu rolę rurki łączącej te dwa przewody i umożliwiającej przepływ prądu pomiędzy nimi.

Rysunek 12.2. Widok na odsłonięte metalowe styki pod dziurkowaną powierzchnią płytki

154 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 12. „ BUDOWA PROTOTYPÓW BEZ LUTOWANIA

Otworki rozmieszczone są równo, co 1/10 cala (około 2,54 mm). Pod każdym otworkiem znajduje się metalowy styk, który przytrzymuje włożony w otwór przewód czy element. Najlepiej, gdy przewody umieszczane w otworkach mają średnicę pomiędzy 0,38 mm a 0,81 mm. Cieńsze mogą się wysuwać albo łączyć niepewnie; grubsze mogą się zacinać bądź nawet uszkodzić sam otwór lub styk pod spodem.

Grupowanie po 5 Większość otworków na płytce stykowej łączonych jest ze sobą w grupach po 5. Każdy z przewodów wciśniętych w jeden z takich 5 otworów będzie połączony ze wszystkimi pozostałymi w tej grupie (patrz rysunek 12.3).

Rysunek 12.3. Dwa przewody połączone razem poprzez umieszczenie w jednej, 5-stykowej grupie Umieść w otworkach jednej grupy 5 przewodów, a wszystkie zostaną połączone. Umieść ich mniej, a także zostaną połączone, ale pozostaną wolne otwory. Grupy leżące obok siebie są całkowicie niezależne. Przewód umieszczony w jednej grupie 5 styków nie będzie połączony z innym przewodem umieszczonym w grupie obok (patrz rysunek 12.4).

Rysunek 12.4. Dwa przewody, które nie są ze sobą połączone, ponieważ należą do różnych grup Jeśli jednak chcesz połączyć ze sobą dwie osobne grupy 5 styków, po prostu włóż dwa końce tego samego przewodu do otworków w każdej z grup (patrz rysunek 12.5). Przewód połączy metalowe paski pod powierzchnią płytki. Wszystko to, co teraz będzie połączone elektrycznie z jednym z pasków, będzie połączone także z drugim.

Rysunek 12.5. Wykorzystanie obydwu końców przewodu, aby połączyć ze sobą dwie grupy styków

155 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Szczelina pośrodku Przez środek płytki przebiega szczelina. Przewód podłączony do grupy styków po jednej jej stronie nie będzie połączony z grupą po drugiej stronie (patrz rysunek 12.6).

Rysunek 12.6. Przewody nie są ze sobą połączone, gdyż leżą po przeciwnych stronach szczeliny Szczelina zaprojektowana jest pod kątem układów scalonych w obudowach dwurzędowych (DIP — ang. Dual Inline Package), co widać na rysunku 12.7. DIP jako typ obudowy odnosi się do jej kształtu i rozmiaru, nie zaś do producenta czy roli pełnionej przez dany układ scalony.

Rysunek 12.7. Szczelina centralna dopasowana do rozmiarów układów w obudowach DIP Umieść układ w obudowie DIP w taki sposób, aby każde z jego wyprowadzeń („pinów”) trafiło do swojej własnej grupy 5 styków. Jeśli układ jest prawidłowo umieszczony, jego środek znajduje się dokładnie nad szczeliną. Dzięki temu łatwo go wyciągnąć, podważając jakimś narzędziem. Układ jest umieszczony nieprawidłowo, kiedy niektóre z jego wyprowadzeń trafiają w pustą przestrzeń wewnątrz szczeliny (patrz rysunek 12.8). Zdecydowanie trudno jest wtedy cokolwiek do nich podłączyć. Co gorsza, w takim ułożeniu kilka wyprowadzeń układu scalonego połączonych jest razem w ramach grupy 5 styków.

156 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 12. „ BUDOWA PROTOTYPÓW BEZ LUTOWANIA

Rysunek 12.8. Nieprawidłowo umieszczony układ scalony ma wyprowadzenia wewnątrz szczeliny

Magistrala 25-stykowa Do tej chwili zapewne opanowałeś już budowę płytki. Wszystko w grupach po 5 styków. O co zatem chodzi z dwoma skrajnymi rzędami styków na górze i na dole płytki biegnącymi przez całą jej szerokość? Dwa poziome rzędy styków na górze i na dole płytki noszą nazwę szyny dystrybucyjnej lub rozprowadzającej (patrz rysunek 12.9). Chociaż wyglądają, jakby składały się z niezależnych grup po 5 styków każda, w rzeczywistości są połączone pod spodem płytki w znacznie większą, 25-stykową grupę.

Rysunek 12.9. Dwa przewody dołączone do szyny rozprowadzającej Połączenie takie nazywa się szyną (lub magistralą) rozprowadzającą (sygnały, zasilanie), gdyż tak jak w transporcie drogowym czy szynowym, umożliwia dotarcie do kluczowych punktów na danym obszarze, zarówno tych położonych blisko siebie, jak i odległych. Istnieje ważny powód, dla którego na górze i na dole płytki występują po dwie szyny rozprowadzające: wiele elementów każdego obwodu wymaga wygodnego dostępu do zasilania. Możesz wtedy podłączyć jedną szynę (rząd) do dodatniego bieguna baterii, drugą zaś do bieguna ujemnego. W ten sposób wszystkie elementy uzyskają łatwy dostęp do napięcia zasilającego. W zależności od długości i konstrukcji płytki zdarza się, że szyny są przerwane w jej połowie. Jeśli potrzebujesz, aby szyna ciągnęła się nieprzerwanie przez całą długość płytki, połącz po prostu obie jej połowy krótkim przewodem (patrz rysunek 12.10).

Rysunek 12.10. Przedłużenie szyny dystrybucyjnej przez dołączenie przewodem drugiej jej połowy

157 Ebookpoint.pl ]

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Gniazda przyłączeniowe Bardziej wyrafinowane płytki wyposażone są w gniazda przyłączeniowe (patrz rysunek 12.11). Choć nie są one niezbędne, pozwalają jednak łatwo podłączać i odłączać zasilanie od płytki bez ciągłego wciskania i wyciągania delikatnych przewodów z otworów płytki.

Rysunek 12.11. Trzy gniazda przyłączeniowe. Do środkowego podpięty jest przewód i wciśnięty wtyk bananowy Gniazda przyłączeniowe zabezpieczone są plastikowymi, izolującymi osłonami. Osłony te zwykle mają różne kolory. Dla zachowania konwencji używaj zawsze czerwonego przyłącza dla „plusa” zasilania a czarnego dla „minusa”. Plastikowe osłony można wykręcić, aby odsłonić mały otwór w podstawie złącza. Przez otwór możesz przełożyć przewód i zamocować go, dokręcając osłonkę z powrotem. Drugi koniec przewodu możesz wtedy wetknąć w wybrany otwór na płytce stykowej. Od góry przyłącza znajduje się otwór, w którym możesz umieścić wtyk bananowy.

Wtyki bananowe Wtyki „bananowe”?! A żebyś wiedział. Wtyki bananowe (albo krócej „bananki”) przypominają końcówkę banana mniej więcej tak samo, jak krokodylki przypominają paszczę krokodyla. Lepsze wtyki bananowe mają jeszcze otwór w połowie i z tyłu, abyś mógł do nich podłączyć kolejny wtyk (patrz rysunek 12.12). Dwa wtyki bananowe połączone izolowanym przewodem to jeden z popularnych rodzajów przewodów pomiarowych, nazywanych skrótowo przewodami bananowymi.

Rysunek 12.12. Wtyk bananowy z otworem przyłączeniowym w połowie i z tyłu Przewody bananowe dołączane są bardzo często do takich urządzeń pomiarowych jak mierniki czy oscyloskopy, a także do laboratoryjnych zasilaczy.

158 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 12. „ BUDOWA PROTOTYPÓW BEZ LUTOWANIA

Płytki stykowe wysoce pożądane Płytki stykowe występują w licznych rozmiarach (patrz rysunek 12.13). Często rozróżnia się według ilości pól stykowych (otworów). Mam pewnie z pół tuzina płytek 840-polowych, a także kilka mniejszych — 270-polowych i większych — 3220-polowych. Jednak płytki 840-polowe są w sam raz na początek (patrz tabela 12.1).

Rysunek 12.13. Płytki stykowe o 270, 840 i 3220 polach Tabela 12.1. Płytki stykowe lepszej klasy Sprzedawca

Numer katalogowy

Cena

Ilość pól stykowych

Gniazda przyłączeniowe

Conrad

527819

66,33 zł

840

3

Conrad

526843

106,99 zł

1380

2

Conrad

526851

122,09 zł

1680

3

Conrad

526860

208,99 zł

2420

4

TME

WBU-502L

46,62 zł

800

4

TME

WB-104-1

63,84 zł

1280

3

TME

WB-106

85,98 zł

1920

4

ELFA

48-427-04

58,06 zł

840

2

ELFA

48-427-12

109,10 zł

1680

3

ELFA

48-427-20

152,52 zł

2420

4

W kiepskich płytkach prototypowych metalowe zaciski nie są dokładnie spasowane z otworami (patrz rysunek 12.14), co sprawia, iż wyprowadzenia elementów wyginają się lub stawiają opór przy wkładaniu i wyjmowaniu. Złej jakości płytka stykowa powoduje, że cała zabawa staje się frustrująca.

159 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 12.14. Źle spasowane zaciski sprawiają, że niektóre pola stykowe praktycznie nie nadają się do użycia „ Wskazówka: Otwory w nowych płytkach stykowych muszą się na początku trochę wyrobić. Jednak po pewnym czasie wkładanie i wyjmowanie elementów czy przewodów będzie przebiegało zupełnie gładko, a chwyt będzie pewny i stabilny.

Przewody do pracy z płytkami stykowymi Mimo iż zaciski w płytkach stykowych dopuszczają użycie przewodów o różnych średnicach, najlepiej jednak używać zwykłych, izolowanych przewodów połączeniowych o średnicy około 0,6 mm1. Do pracy z płytkami stykowymi należy stosować przewody wykonane z drutu, nie zaś z plecionki (tzw. „linka”; patrz rysunek 12.15). Przewody splatane zbudowane są z wielu cienkich drutów — włókien, które zostały skręcone (splecione) razem. W czasie wtykania w otwory płytki stykowej przewody te mają tendencję do rozszczepiania się na pojedyncze włókna.

Rysunek 12.15. Izolowane przewody o średnicy około 0,6 mm: drut (u góry) i linka (na dole) Zarówno zwykłe przewody miedziane (kolor czerwono-brunatny), jak i miedziane ocynkowane (kolor srebrzysty) nadają się tak samo dobrze do stosowania z płytkami prototypowymi. Używaj przewodów o średnicy około 0,6 mm2. Cieńsze będą się trochę obluzowywać w otworach płytki, a przewód może się wyginać, gdy będziesz go wpychał. Grubsze natomiast mogą zacinać się w otworach, czasem trwale rozpychając styki pod spodem płytki. Korzystaj wyłącznie z przewodów izolowanych. Podobna do gumy osłona zapobiega nieoczekiwanym połączeniom elektrycznym, gdy dwa przewody przypadkowo się zetkną. Dodatkowo przewody mogą mieć 1

W Polsce do oznaczania przewodów bardzo często zamiast średnicy używa się jego powierzchni przekroju. I tak przykładowo popularny przewód o średnicy 0,8 mm może występować w katalogu jako przewód 0,5 mm2 — przyp. tłum.

2

Autor nawiązuje do używanych w Stanach Zjednoczonych przewodów typu AGW 22, których średnica wynosi około 0,64 mm. W Polsce łatwiej dostępne są przewody o średnicy 0,5 mm lub 0,8 mm — przyp. tłum.

160 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 12. „ BUDOWA PROTOTYPÓW BEZ LUTOWANIA

różne kolory izolacji, co ułatwia ich odróżnianie (patrz rysunek 12.16). Kup co najmniej czerwony przewód do podłączania „plusa” zasilania, czarny do podłączania „minusa” i jakiś inny do „zwykłych” sygnałów (patrz tabela 12.2).

Rysunek 12.16. Szpulki izolowanego, miedzianego przewodu 0,6 mm o różnych kolorach izolacji Tabela 12.2. Izolowane przewody połączeniowe (drut) Sprzedawca

Numer katalogowy

Cena

Długość

Kolor izolacji

Opis

ELFA

55-502-90

44,77 zł

100 m

czarny

drut miedziany, ocynowany, ø 0,5 mm; szpula 100 m; różne kolory

55-502-91

czerwony

55-502-93

zielony

55-502-94

niebieski 100 m

czarny

drut miedziany, ocynowany, ø 0,6 mm (0,28 mm2); szpula 100 m; różne kolory

55-254-07

29,77 zł

55-254-23

45,14 zł

czerwony

55-254-56

41,20 zł

zielony

55-254-64

41,20 zł

niebieski

ELFA

55-288-07

61,00 zł

6 ×10 m

6 kolorów

drut miedziany, ocynowany, ø 0,6 mm (0,28 mm2); zestaw 6 kolorów, po 10 m każdy

TME

H05V-U05SW

91,00 zł

100 m

czarny

drut miedziany 0,5 mm2 (ø 0,8 mm); opakowanie 100 m

ELFA

H05V-U05RT

czerwony

H05V-U05GN/GE

żółto-zielony

H05V-U05BL

niebieski

Wybór przewodów mostkujących Poszczególne elementy i grupy styków na płytce prototypowej połączone są przewodami mostkującymi, zwanymi też niekiedy zworami — nazwa ta używana jest szczególnie dla tych przewodów, które wykonane są ze sztywnego drutu (patrz rysunek 12.17). Nazwa bierze się stąd, iż przewody te tworzą mostek, po którym prąd może przejść z jednej wysepki (grupy styków) na drugą.

161 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 12.17. Przewody mostkujące: przewód wzmocniony (na górze), zwora z zestawu (po środku), zwora domowej roboty (na dole)

Wzmocnione przewody mostkujące Wzmocnione przewody mają na końcach solidne, metalowe wtyki pokryte gumową warstwą izolacyjną. Sztywność i rozmiar tych wtyków pozwala na łatwe manipulowanie przewodami mostkującymi w polach stykowych. Wtyki te są na tyle wysokie, iż wystają nad inne elementy na płytce. Długość przewodów umożliwia łączenie odległych punktów. Typowe długości przewodów mostkujących to 50, 100 i 200 mm. Przewody 100-milimetrowe są zazwyczaj najwygodniejsze, choć także i te dłuższe, i te krótsze przydają się co jakiś czas. Pokryte gumą wtyki są wygodne. Pewnie trzymają się w otworach, a jednak nie potrzeba żadnych narzędzi, aby je przekładać. Zdecydowanie powinieneś zaopatrzyć swoje laboratorium w zapas przewodów tego rodzaju3.

Zwory w zestawach Zestaw gotowych zworek zawiera zwykle przewody o różnych długościach (patrz rysunek 12.18). Najdłuższe zaprojektowane są w taki sposób, aby pasowały do połączenia styków odległych od siebie o określoną liczbę otworków, jednak w praktyce zwykle są albo trochę za długie, albo trochę za krótkie. Kolor izolacji powiązany jest z długością zwory.

Rysunek 12.18. Zestaw zwór różnej długości 3

Przewody tego rodzaju rzadko pojawiają się w ofercie popularnych polskich sklepów wysyłkowych. Łatwiej znajdziesz je w ofercie rodzimych serwisów aukcyjnych (np. pod hasłem: „przewody połączeniowe do płytek styk”) — przyp. tłum.

162 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 12. „ BUDOWA PROTOTYPÓW BEZ LUTOWANIA

Przewody ukształtowane są w taki sposób, aby przylegały płasko do płytki, co sprawia, że takie połączenia dobrze wyglądają. Ich niskie położenie powoduje, że ponad płytką nie tworzy się plątanina przewodów, co znacznie ułatwia dostęp do innych zamontowanych elementów. Wadą natomiast jest fakt, że z racji kształtu nie mogą przechodzić ponad innymi elementami czy zworami. Najlepsze połączenie to zestaw płaskich zwór o różnych długościach (patrz tabela 12.3) oraz garść wzmocnionych przewodów mostkujących. Tabela 12.3. Zestawy zwór o różnych długościach Sprzedawca

Numer katalogowy

Cena

Ilość zwór

Conrad

524530

25,99 zł

70

Conrad

524531

35,12 zł

140

Conrad

526797

84,99 zł

350

ELFA

55-290-03

121,03 zł

350

Jak zrobić własne przewody mostkujące Możesz także sam przygotować przewody mostkujące. W ten sposób uzyskasz przewody o pożądanej długości i kolorze izolacji wynikającym z funkcji pełnionej w Twoim układzie (a nie z długości zwory). Nie jest to jednak tak łatwe, jak wykorzystanie gotowych zwór, a także ich trwałość nie będzie tak duża jak gotowych, wzmocnionych przewodów.

Usuwanie izolacji z końcówek przewodu Aby przygotować własny przewód mostkujący, wykonaj następujące kroki. 1. Rozpocznij od usunięcia około 7 mm izolacji z jednego końca przewodu o średnicy 0,6 mm (patrz rysunek 12.19).

Rysunek 12.19. Narzędzie do zdejmowania izolacji z przewodów wyposażone w otwory o różnych średnicach w trakcie pracy

Narzędzia do usuwania izolacji Dostępnych jest wiele przyrządów do usuwania izolacji. Preferuję raczej te, które są wyposażone w ponumerowane otworki dostosowane do przewodów o różnej średnicy, a nie regulowane czy też automatycznie dostosowujące się do średnicy przewodu (patrz rysunek 12.20). Ponumerowane otworki zapewniają dużą dokładność, więc nie musisz się obawiać przecięcia i uszkodzenia przewodu. Nie trzeba w nich także wykonywać żadnych regulacji

163 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

w zależności od średnicy przewodu; po prostu przekładasz przewód przez odpowiedni otwór. W tabeli 12.4 przedstawiam wybranych producentów i modele narzędzi do usuwania izolacji wyposażone w ponumerowane otworki.

Rysunek 12.20. Przyrządy do zdejmowania izolacji: regulowany oraz automatycznie dostosowujący się do średnicy przewodu Tabela 12.4. Narzędzia do usuwania izolacji Sprzedawca

Numer katalogowy

Cena

Zakres dopuszczalnych średnic

ELFA

80-516-17

58,80 zł

0,25 – 0,81 mm

3 funkcje: nożyce, szczypce do ściągania izolacji z otworkami, obcęgi

ELFA

80-830-39

106,76 zł

0,2 – 6 mm

3-funkcyjne narzędzie do zdejmowania izolacji, cięcia i zaciskania końcówek przewodów

TME

CSP-30-1

53,75 zł

0,25 – 0,81 mm

proste szczypce z otworkami

TME

NB-028

49,08 zł

0,2 – 6 mm

3-funkcyjne narzędzie do zdejmowania izolacji, cięcia i zaciskania końcówek przewodów

Conrad

820021

53,23 zł

0,2 – 6 mm

automatyczny ściągacz izolacji do przewodów o grubości od 0,2 do 6,0 mm

Opis

Przycięcie przewodu do odpowiedniej długości 2. Po usunięciu izolacji z jednego końca przewodu przytnij go z drugiej strony do pożądanej długości. Pamiętaj, aby doliczyć kawałek izolacji, jaki usuniesz z drugiego końca. Przycinanie przewodów jest o wiele szybsze, jeśli Twój przyrząd do usuwania izolacji dysponuje także taką funkcją. (Większość ją posiada). Jeśli nie, użyj cążków prostych lub bocznych. 3. Po przycięciu przewodu usuń około 7 mm izolacji z jego drugiej strony.

164 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 12. „ BUDOWA PROTOTYPÓW BEZ LUTOWANIA

Zagięcie końcówek przewodu 4. Możesz uformować przewód do właściwego kształtu gołymi rękami. Gdy jednak chwycisz przewód czubkiem wąskich szczypiec i zagniesz go w oparciu o twardą, płaską powierzchnię, uzyskasz eleganckie, prostokątne załamania (patrz rysunek 12.21).

Rysunek 12.21. Zginanie przewodu za pomocą wąskich szczypiec Ta sama technika sprawdza się także doskonale przy zaginaniu wyprowadzeń różnych elementów (np. rezystorów). To wszystko. Twoja zwora jest już gotowa (patrz rysunek 12.22).

Rysunek 12.22. Gotowa zwora domowej roboty

Wybór szczypiec Poza przyrządem do ściągania izolacji powinieneś dysponować także wąskimi, szpiczastymi szczypcami (patrz rysunek 12.23). Tak jak w przypadku innych narzędzi, kup sobie najlepsze, na jakie Cię stać. Dobre narzędzia to inwestycja, która zwraca się za każdym razem, kiedy ich używasz.

Rysunek 12.23. Szczypce szpiczaste

165 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Zwróć uwagę na płynny ruch szczęk, gładkie i równe krawędzie oraz uchwyt, który pewnie leży w Twojej dłoni. Spójrz pod światło na zaciśnięte szczęki. Światło przeświecające przez ubytki pomiędzy szczękami wskazuje, że w tych miejscach nie stykają się one dość dokładnie. Sprawdź, czy czubek jest równo spasowany w poziomie. Szpiczaste szczypce powinny mieć szczęki długie i wąskie. Stąd ich nazwa.

Szpiczaste szczypce z gładkimi szczękami Zdobądź parę szpiczastych szczypiec o gładkich szczękach (niekarbowane; patrz rysunek 12.24). Przydadzą się do zaginania przewodów, pracy z elementami na płytce stykowej i innych delikatnych czynności (patrz tabela 12.5). Gładkie szczęki (bez karbów) nie spowodują zerwania czy uszkodzenia izolacji na przewodach, a także będzie można wsuwać je pod elementy bez ryzyka uszkodzenia.

Rysunek 12.24. Gładkie szczęki (bez karbów) Tabela 12.5. Szpiczaste szczypce o gładkich szczękach Sprzedawca

Numer katalogowy

Cena

Opis

TME

KNP.3111160

105,66 zł

szczypce płaskie, mocno wydłużone — 55 mm

ELFA

80-532-76

150,06 zł

szczypce do bardzo precyzyjnych prac montażowych — np. z układami elektronicznymi czy mechanizmami precyzyjnymi; płasko-okrągłe, długie szczęki; długość szczypiec: 145 mm

Conrad

816260

34,03 zł

płaskie szczypce Toolcraft 200 mm

Conrad

823325

94,97 zł

cążki płasko-okrągłe z ostrzem tnącym

Gładkie, długie i wąskie szczypce nadają się znakomicie do wyciągania przewodów z płytki stykowej (patrz rysunek 12.25). Jest to szczególnie ważne, gdy płytka wypełniona jest już na tyle elementami i innymi przewodami, że trudno sięgnąć po cokolwiek palcami.

Szczypce z długimi, karbowanymi szczękami Szczypce z karbowanymi szczękami (patrz rysunek 12.26) sprawdzą się lepiej w zastosowaniach, gdzie konieczne jest użycie większej siły i pewny uchwyt, natomiast nie ma takiego znaczenia ryzyko otarcia czy podrapania przedmiotu (patrz tabela 12.6).

166 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 12. „ BUDOWA PROTOTYPÓW BEZ LUTOWANIA

Rysunek 12.25. Wyciąganie płaskiej zwory przy użyciu szpiczastych szczypiec

Rysunek 12.26. Szczęki karbowane Tabela 12.6. Szczypce z karbowanymi szczękami Sprzedawca

Numer katalogowy

Cena

Opis

TME

KNP.3011

69,99 zł

szczypce płaskie, wydłużone; 160mm

ELFA

80-448-32

102,95 zł

szczypce płasko-okrągłe, z ostrzem tnącym 160 mm

Conrad

821014

56,66 zł

płaskie, podłużne szczypce

Połączenia Mając do dyspozycji płytkę stykową, posiadasz doskonałe narzędzie do projektowania obwodów. W kolejnych rozdziałach za jej pomocą nie tylko zmontujesz raz jeszcze obwód wskaźnika zasilania, ale zbudujesz i przetestujesz przed zlutowaniem wszystkie obwody robota podążającego wzdłuż linii.

167 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

168 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 13 „„„

Przygotowanie płytki prototypowej do pracy W tym rozdziale przygotujesz swoją 840-stykową płytkę prototypową do dalszych prób (patrz rysunek 13.1). Zamontujesz baterię oraz włącznik i wskaźnik zasilania. Tej podstawowej konfiguracji będziesz mógł używać do testowania nowych obwodów czy modułów robota.

Rysunek 13.1. Płytka prototypowa przygotowana do eksperymentów

Rozważania na temat źródła zasilania Energii do obwodów na płytce prototypowej można dostarczyć na wiele równie dobrych sposobów. Stały dopływ energii możliwy jest po dołączeniu płytki do gniazdka sieciowego przy użyciu odpowiedniego zasilacza. Uniwersalne zasilacze o regulowanym napięciu dostępne są w ofercie większości sprzedawców elementów i urządzeń elektronicznych, jak również w wielu sklepach z elektroniką. Możesz również wykorzystać stary zasilacz „z odzysku”; np. z automatycznej sekretarki czy starego modemu kablowego. Decyduję się na zasilanie układów z sieci elektrycznej, jeśli wymagają do pracy dużego natężenia prądu lub też mają być załączone przez długi czas.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

W większości przypadków wybieram jednak zasilanie przy użyciu akumulatorków 9 V. Są one małe, poręczne, bezpieczne (niskie napięcie, niewielki maksymalny prąd) i nie muszę ciągnąć przewodów zasilających przez całe biurko. Bateria czy akumulatorek 9-woltowy dostarczają wystarczająco dużo energii dla większości układów cyfrowych. Warto też, aby układy zbudowane na płytce prototypowej były testowane z tym samym źródłem energii, które będzie użyte w docelowym robocie.

Zatrzaski do baterii 9 V Choć możesz podłączyć baterię do płytki prototypowej przy użyciu przewodów z krokodylkami, jednak wygodniejsze jest użycie specjalnych zatrzasków do baterii 9 V, dzięki którym mniejsze jest prawdopodobieństwo jej odłączenia się. Do baterii 9 V zdecydowanie polecam solidne, sztywne zatrzaski zamiast zwykłych — elastycznych (patrz rysunek 13.2). Wiotkie zatrzaski trudno odłącza się od baterii, a ponadto szybko się zużywają, przerywają albo rozpadają na części. W tabeli 13.1 przedstawiam dostępne zatrzaski o sztywnej konstrukcji.

Rysunek 13.2. Sztywne (na górze) albo wiotkie (na dole) zatrzaski do baterii i akumulatorków 9 V Tabela 13.1. Sztywne zatrzaski do baterii 9 V Sprzedawca

Numer katalogowy

Cena

Opis

ELFA

42-001-50

4,70 zł

przewody 10 cm

ELFA

42-043-01

4,70 zł

przyłącza wpuszczone (odporne na zachlapanie); przewody 15 cm

TME

KEYS234-M

2,20 zł

przewody 20 cm

TME

KEYS84-8

1,59 zł

przyłącza wpuszczone (odporne na zachlapanie); przewody 20 cm

Conrad

624691

1,64 zł

przewody 15 cm

Conrad

650514

1,89 zł

przyłącza wpuszczone (odporne na zachlapanie); przewody 15 cm

Podłączenie zasilania do gniazd przyłączeniowych Możesz umieścić końce przewodów połączonych z zaciskiem baterii bezpośrednio w wybranych otworach na płytce. Jednak — gdy płytka prototypowa jest przenoszona — bateria często spada, co sprawia, że przewody wypadają ze swoich otworów. Lepiej więc podłączyć zacisk baterii do gniazd przyłączeniowych (jeśli masz takowe na swojej płytce). Oczywiście, czarny przewód należy podłączyć do czarnego gniazda przyłączeniowego, a czerwony do czerwonego. Każde czerwone gniazdo nadaje się równie dobrze, jeśli na Twojej płytce jest więcej niż jedno.

170 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 13. „ PRZYGOTOWANIE PŁYTKI PROTOTYPOWEJ DO PRACY

Ponieważ fabrycznie na końcach przewodów zatrzasków baterii usunięty jest jedynie mały fragment izolacji, usuń jej jeszcze trochę. Następnie przełóż oczyszczone końce przez otwory w dolnej części gniazd przyłączeniowych (patrz rysunek 13.3).

Rysunek 13.3. Umieszczanie oczyszczonych z izolacji końców przewodów w otworze gniazda przyłączeniowego Przygotuj krótkie odcinki przewodu 0,6 mm i przełóż je przez otwory w odpowiednich gniazdach. Aby otrzymać pewne połączenie, przed dokręceniem osłony owiń końce przewodów wokół podstawy gniazd. Umieść wolne końce tych przewodów we właściwych otworach na płytce prototypowej. (Zerknij na rysunek 13.8, aby zobaczyć połączenie baterii z gniazdami przyłączeniowymi sfotografowane z innego kąta widzenia). Prąd popłynie z baterii poprzez zacisk i przewody do gniazd przyłączeniowych, a dalej przygotowanymi przez Ciebie przewodami do wybranych otworów na płytce stykowej. Dzięki dołączeniu zasilania do płytki z wykorzystaniem gniazd przyłączeniowych możesz — używając przewodów z wtykami bananowymi — wygodnie podłączyć do nich miernik w celu pomiaru napięcia. Możesz także usunąć baterię z zacisku i w zamian podpiąć do gniazd przyłączeniowych zasilacz sieciowy. „ Ostrzeżenie: Nigdy nie dołączaj do jednego obwodu baterii lub akumulatorka i zasilacza sieciowego jednocześnie. Jeśli chcesz, aby bateria czy akumulatorek pozostawały cały czas podłączone do obwodu, będziesz potrzebował specjalnie zaprojektowanego zabezpieczenia, które ma chronić je przed zniszczeniem w momencie podłączenia zasilacza sieciowego.

Wybór wyłącznika zasilania Jak myślisz, czy miło jest pędzić za robotem, który wyrwał się spod kontroli, aby wyciągnąć z niego baterię? Dopracowane roboty wyposażone są w wyłącznik zasilania. Łatwo dostępny wyłącznik staje się kluczowy w czasie pracy nad prototypem, gdyż w trakcie prac w konstruowanych obwodach mogą pojawiać się zwarcia czy przeciążenia. Niestety, niewiele wyłączników pasuje rozmiarem do płytek stykowych; albo wyprowadzenia ich styków są zbyt grube, albo są rozmieszczone w odległości innej niż wielokrotność 0,1 cala (2,54 mm). Z tego powodu nie możesz ich wetknąć w otwory na płytce stykowej. Zginanie albo podcinanie wyprowadzeń wyłącznika rzadko kończy się sukcesem, gdyż musi on solidnie trzymać się płytki. Inaczej wypadnie przy pierwszej próbie użycia.

171 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Znam kilka przełączników1 pasujących rozmiarem do płytek stykowych (patrz rysunek 13.4). Są na tyle niezbędne, że zawsze powinieneś mieć ich garść pod ręką. W zależności od potrzeb możesz użyć przełącznika, który jest bardziej zwarty, co jest zaletą, gdy na płytce drukowanej Twojego robota zaczyna brakować miejsca, lub też nieco większego, który wygodniej będzie przełączać. W tabeli 13.2 przedstawiam przełączniki przesuwne pasujące rozstawem wyprowadzeń do otworów w płytkach stykowych.

Rysunek 13.4. Przykładowe przełączniki pasujące do płytek stykowych Tabela 13.2. Pojedyncze, dwupozycyjne (SPDT) przełączniki przesuwne pasujące do płytek stykowych Sprzedawca

Numer katalogowy

Cena

Opis

ELFA

35-276-25

6,58 zł

10,2 × 6,5 × 4 mm

ELFA

35-365-47

7,54 zł

10 × 7,4 × 2,5 mm

ELFA

35-360-18

5,42 zł

10 × 5,9 × 2,5 mm

ELFA

35-245-01

14,51 zł

10,1 × 12,6 × 5 mm

ELFA

35-276-31

15,62 zł

9,8 × 9,1 × 5,4 mm

ELFA

35-260-43

28,78 zł

9,5 × 9,5 × 5 mm

TME

TS4SCQH

6,14 zł

10,2 × 10,1 × 5,1 mm

Conrad

708062

4,99 zł

10 × 7,9 × 2,5 mm

Co oznacza SPDT? Przełączniki przesuwne uruchamia się przez przemieszczanie suwaka w tył i w przód. SPDT (ang. Single Pole Double Throw) oznacza przełącznik pojedynczy (jednobiegunowy), dwupozycyjny. Wyobraź sobie, że przełącznik typu SPDT to metalowy pręt (biegun) umieszczony między dwoma przewodami po lewej i prawej stronie. Gdy przesuniemy suwak w lewo, pręt jest dociskany do lewego przewodu i tworzy z nim połączenie elektryczne. Gdy przesuniemy suwak w prawo, pręt jest dociskany do prawego przewodu, tym razem z nim tworzy połączenie elektryczne. Jedynie przez ułamek sekundy, w trakcie przesuwania, pręt nie jest połączony z żadnym z przewodów. Normalnie jest dociśnięty albo do lewej, albo do prawej strony (dwupozycyjny — dwie możliwe pozycje). W żadnym momencie przewody lewy i prawy nie stykają się ze sobą. Nie ma również możliwości, aby pręt stykał się jednocześnie z lewym i prawym przewodem.

1

Raz mówimy o „wyłącznikach”, innym razem o „przełącznikach”, ale nie ma w tym błędu. Wciąż mówimy o tym samym elemencie, czyli przełączniku. Po prostu w prezentowanych tu obwodach nie wykorzystujemy w pełni jego możliwości przełączania sygnału pomiędzy dwoma wyprowadzeniami. Jedno wyprowadzenie pozostaje niewykorzystane, stąd w naszym obwodzie element ten pełni rolę wyłącznika — przyp. tłum.

172 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 13. „ PRZYGOTOWANIE PŁYTKI PROTOTYPOWEJ DO PRACY

Montaż wyłącznika zasilania na płytce prototypowej Przewód od „minusa” zasilania (czarny) możesz podłączyć bezpośrednio do szyny dystrybucyjnej na płytce. Natomiast przewód biegnący do „plusa” (czerwony) niech przechodzi przez wyłącznik, dzięki czemu możesz łatwo rozłączyć obwód i odciąć zasilanie. Aktualnie ujemny biegun baterii masz podłączony do czarnego gniazda przyłączeniowego, z którego wychodzi również kawałek czarnego przewodu 0,6 mm. Włóż teraz drugi koniec tego przewodu do pierwszego z prawej strony otworu, w drugim rzędzie styków, licząc od góry płytki (patrz rysunek 13.5). Ten rząd styków to szyna dystrybucyjna, więc „minus” zasilania dostępny jest w wielu otworach w tym rzędzie.

Rysunek 13.5. Umieszczenie przełącznika na płytce stykowej (widok znad prawego, górnego rogu płytki) Dodatni biegun baterii podłączony jest do czerwonego gniazda przyłączeniowego, z którego wychodzi dodatkowo odcinek czerwonego przewodu. Zamiast podłączać czerwony przewód bezpośrednio do pierwszego od góry rzędu otworów, podłącz go do grupy 5 styków tuż poniżej szyny dystrybucyjnej (raz jeszcze patrz rysunek 13.5). Dzięki temu za pomocą wyłącznika będziesz mógł odłączać „plus” zasilania od reszty obwodu. Umieść przełącznik typu SPDT na płytce w taki sposób, aby jego środkowe wyprowadzenie znalazło się w tej samej grupie 5 styków, do której podłączyłeś czerwony przewód (ponownie patrz rysunek 13.5). Takie umieszczenie środkowego wyprowadzenia wyłącznika i czerwonego przewodu zasilającego sprawia, że są one elektrycznie połączone.

Połączenie szyn zasilających Za pomocą niewielkiej zwory z czerwonego przewodu połącz teraz lewe wyprowadzenie wyłącznika z najwyżej położonym na płytce rzędem otworów (patrz rysunek 13.6). Obie linie zasilające — dodatnia i ujemna — są teraz podłączone do dwóch górnych rzędów otworów, lecz „plus” zasilania przechodzi najpierw przez wyłącznik. Gdy suwak wyłącznika przesunięty jest w lewo, zasilanie jest dołączone. Gdy suwak wyłącznika przesunięty jest w prawo, zasilanie jest odłączone. Nie ma znaczenia, iż „minus” zasilania podpięty jest przez cały czas.

Dopasowanie końcówek pomiarowych miernika przy użyciu przewodu mostkującego Ze względu na swą grubość, proste lub haczykowe końcówki pomiarowe miernika nie sięgają do metalowych styków umieszczonych pod otworami płytki prototypowej. Użyj zacisku haczykowego, aby uchwycić kawałek zwykłego przewodu lub wzmocniony przewód mostkujący (patrz rysunek 13.7). Teraz, wkładając drugi koniec przewodu w wybrany otwór, możesz mierzyć napięcie w dowolnej grupie styków.

173 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 13.6. Umieszczenie przewodu dołączającego za pośrednictwem wyłącznika górny rząd otworów do „plusa” zasilania

Rysunek 13.7. Zacisk haczykowy na końcu przewodu pomiarowego przytrzymuje wzmocniony przewód mostkujący Aby stwierdzić, czy oba górne rzędy otworów podłączone są prawidłowo do źródła zasilania, zmierz napięcie pomiędzy nimi, używając dwóch przewodów podłączonych do obydwu końcówek pomiarowych miernika (patrz rysunek 13.8). Przestaw przełącznik w obie pozycje, by zobaczyć, że napięcie zmienia się pomiędzy 0 a pełnym napięciem zasilania (około 9 V).

Rysunek 13.8. Pomiar napięcia na górnych szynach dystrybucyjnych przy użyciu przewodów dołączonych do końcówek pomiarowych

174 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 13. „ PRZYGOTOWANIE PŁYTKI PROTOTYPOWEJ DO PRACY

Podłączanie dolnej szyny zasilającej Czerwonym przewodem mostkującym połącz górny rząd z górnej magistrali rozprowadzającej z górnym rzędem dolnej magistrali (patrz rysunek 13.9). Czarnym przewodem połącz w ten sam sposób dolne rzędy obu magistral. W ten sposób napięcie z baterii dostępne jest zarówno w górnej, jak i w dolnej części płytki.

Rysunek 13.9. Przewody mostkujące dostarczają energię do dolnej magistrali dystrybucyjnej

Podział na środku Magistrale na płytce 840-stykowej nie przebiegają nieprzerwanie przez całą szerokość płytki. W połowie są rozdzielone. Użyj krótkich zwór, aby połączyć obie części każdego z rzędów na górnej i dolnej magistrali dystrybucyjnej (patrz rysunek 13.10).

Rysunek 13.10. Zwory łączące lewą i prawą stronę płytki prototypowej Korzystając z funkcji pomiaru napięcia, sprawdź teraz miernikiem, że faktycznie napięcie dostarczane jest na szyny zasilające górną i dolną na całej szerokości płytki.

Montaż diodowego wskaźnika zasilania Przypomnij sobie obwód wskaźnika zasilania z diodą świecącą, jaki wcześniej zbudowaliśmy, korzystając z przewodów z krokodylkami. W skrócie: składał się on z rezystora podpiętego do „plusa” zasilania, a następnie do diody świecącej. Drugie wyprowadzenie diody podłączone było do „minusa” zasilania. Dioda świecąca gasła, gdy obwód został rozłączony w dowolnym miejscu.

175 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Ponieważ rozprowadziłeś zasilanie w obrębie całej płytki, możesz wskaźnik zasilania umieścić w dowolnym miejscu. Wybrałem prawy, dolny róg jedynie dlatego, że było tam dość wolnego miejsca. Umieść jedno z wyprowadzeń rezystora 1 kΩ w którymś z otworów dodatniej szyny zasilającej. Drugie wyprowadzenie rezystora umieść w otworze grupy 5-stykowej (patrz rysunek 13.11).

Rysunek 13.11. Obwód wskaźnika zasilania podłączony do dolnej magistrali zasilającej Do wolnego otworu w tej samej grupie włóż anodę diody świecącej. Zauważ, iż dioda nie otrzymuje całej mocy baterii, gdyż zasilanie jest do niej dostarczane jedynie przez rezystor ochronny (ograniczający prąd). Umieść katodę diody świecącej w otworze sąsiedniej grupy styków. Używając czarnej zwory, połącz tę grupę z dowolnym otworem na ujemnej szynie zasilającej. Czerwona dioda powinna się świecić, gdy przełącznik włącza zasilanie, a gasnąć, kiedy zasilanie jest wyłączone.

Pomiar napięcia w wybranych punktach Powinieneś zmierzyć napięcia w obwodzie wskaźnika zasilania zmontowanym na płytce, aby się upewnić, że są podobne do tych, które zmierzyłeś w obwodzie zmontowanym przy użyciu przewodów z krokodylkami. Przypomnij sobie, iż aby dokonać pomiaru napięcia w wybranym punkcie, czarny przewód pomiarowy musi być podłączony do „minusa” zasilania. Ponieważ ujemny biegun baterii podłączyłeś do czarnego gniazda przyłączeniowego, które jest z kolei podłączone do dolnego rzędu górnej i dolnej szyny zasilającej, zatem możesz podłączyć czarny przewód pomiarowy do dowolnego z tych miejsc. Wybrałem podłączenie czarnego przewodu pomiarowego do dolnego rzędu dolnej szyny zasilającej, co możesz zobaczyć na rysunku 13.12. Mogłem wybrać dowolny otwór w tym rzędzie, ponieważ wszystkie są podłączone do „minusa” zasilania. Teraz już wiesz, dlaczego szyny dystrybucyjne są takie ważne. Możesz dodawać niezależne moduły i malutkie obwody na całej powierzchni płytki tak, jakby były podłączone wprost do baterii. Oczywiście, grupy 5-stykowe nie są od razu podłączone do magistral, dlatego więc musisz dostarczyć do nich odpowiednie napięcie i prąd, używając wybranego rezystora czy innego elementu. Masz czarny przewód pomiarowy połączony z „minusem” zasilania, włóż zatem końcówkę przewodu mostkującego połączonego z czerwonym przewodem pomiarowym w wolny otwór w grupie styków, w której umieszczona jest anoda diody świecącej (patrz rysunek 13.12). Miernik powinien wskazać napięcie około 1,8 V, podobnie jak to miało miejsce w obwodzie połączonym przewodami z krokodylkami.

Przycinanie wyprowadzeń Po przetestowaniu obwodu czy poszczególnych elementów na płytce prototypowej możesz zdecydować się na przycięcie wyprowadzeń elementów. Krótkie i równe wyprowadzenia nie przeszkadzają w pracy, a także nie stwarzają zagrożenia przypadkowego zetknięcia się z innymi wyprowadzeniami.

176 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 13. „ PRZYGOTOWANIE PŁYTKI PROTOTYPOWEJ DO PRACY

Rysunek 13.12. Przewody pomiarowe połączone z przewodami mostkującymi wykorzystane przy pomiarze pomiaru napięcia na anodzie diody świecącej Do przycięcia doskonale nadają się wyprowadzenia rezystora i diody świecącej. Jest duża szansa, że zostawisz te elementy na stałe na płytce prototypowej do wykorzystania w większości prób.

Cała prawda o wyłączniku zasilania robota Wyłączniki zasilania w większości robotów nie różnią się znacząco od tego, który zamontowałeś na swojej płytce prototypowej. Wyłączniki w robotach mogą wyglądać bardziej okazale, wytrzymywać większe napięcie, czy wykonywać kilka połączeń jednocześnie, jednak zawsze zapewniają ten sam mechanizm otwierania i zamykania połączenia obwodu z „plusem” zasilania. W niemal wszystkich robotach moduły i obwody zasilane są przy użyciu szyn zasilających; dokładnie tak, jak na Twojej płytce prototypowej. Na rysunku 13.13 przedstawiam zdjęcie spodniej strony płytki drukowanej robota „Kanapki”. Jest tam siatka otworów, podobnie jak na płytce stykowej. W pobliżu środka znajdują się dwie długie linie, do których podpięte są rozmaite obwody. To właśnie dodatnia i ujemna szyna zasilająca. Ujemny biegun baterii podłączony jest na stałe do „minusowej” szyny zasilającej na płytce drukowanej „Kanapki”. Jeden koniec wyłącznika zasilania podłączony jest do dodatniego bieguna baterii, drugi zaś do dodatniej szyny zasilającej. Dokładnie tak samo jak na Twojej płytce prototypowej. Gdy załączysz zasilanie robota, energia popłynie z dodatniego bieguna baterii poprzez wyłącznik i dalej przez dodatnią szynę zasilającą, rozmaite obwody robota, do ujemnej szyny zasilającej i ostatecznie do ujemnego bieguna baterii. Zaznaczam, że płytka „Kanapki” jest mocno zabałaganiona. Niektóre elementy, takie jak przełączniki, zostały umieszczone poza płytką i dołączone przewodami. Jednak jedyną istotną różnicą pomiędzy płytką „Kanapki” a płytką stykową jest to, że elementy „Kanapki” są ze sobą zlutowane, a nie po prostu umieszczone w tworzących grupy styków otworach.

177 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 13.13. Płytka drukowana robota „Kanapki” z szynami zasilającymi

Gotowi na więcej? Twoja płytka prototypowa jest już gotowa. Po pstryknięciu wyłącznika możesz dostarczyć zasilanie w obrębie całej powierzchni. Umiesz już zmierzyć napięcie w dowolnym punkcie, aby się przekonać, czy leży ono w przedziale odpowiednim dla danego elementu. Czy jesteś gotów, aby poznać nowe elementy — takie jak czujniki — i dodać je do swojego prototypu?

178 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 14 „„„

Rezystory zmienne Czujniki światła i „pokrętło” służące do dostrojenia ich pracy to rezystory zmienne (o zmiennej wartości). W tym rozdziale poznasz takie rezystory oraz przygotujesz prototyp pierwszej części układu podążania wzdłuż linii. Dotychczas rezystory, z którymi się spotkałeś, miały zawsze stałą wartość. Innymi słowy ich rezystancja była taka sama przez cały czas. W diodowym wskaźniku zasilania jasność świecenia diody zależy od wartości użytego rezystora. Aby zmienić jasność jej świecenia, należy zastosowany rezystor zastąpić innym o innej wartości. Byłoby super, gdyby można było umieścić w obwodzie rezystor, którego wartość można zmieniać i w ten sposób regulować jasność świecenia diody bez konieczności wymiany jakichkolwiek elementów.

Potencjometry Potencjometry (patrz rysunek 14.1) to rodzaj rezystorów zmiennych. Ich rezystancję można zmieniać, przekręcając pokrętło czy śrubę regulacyjną. Zapewne używałeś ich setki razy, nawet o tym nie wiedząc. Przykładowo potencjometry wykorzystywane są zwykle do regulacji głośności w sprzęcie grającym czy regulacji jasności i kontrastu w starszych (analogowych) telewizorach.

Rysunek 14.1. Różnego rodzaju potencjometry

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Wartość każdego potencjometru możesz ustawić na 0 Ω (brak rezystancji). Wartość podana na potencjometrze oznacza jego maksymalną wartość. Przykładowo wartość potencjometru 500 Ω możesz regulować w zakresie 0 do 500 Ω. Wartość potencjometru 10 kΩ możesz regulować w zakresie 0 do 10 kΩ. Obudowy potencjometrów występują w wielu rozmiarach i kształtach. Podobnie jednak jak przy przełącznikach, tylko nieliczne z nich pasują rozstawem wyprowadzeń do płytek stykowych. Pozostałe mają zazwyczaj wyprowadzenia zbyt grube lub dziwacznie rozmieszczone.

Potencjometr dostrojczy Potencjometry dostrojcze nazywa się także trymerami. Są małe, lekkie i w większości przypadków pasują do płytek stykowych (patrz rysunek 14.2).

Rysunek 14.2. Jednoobrotowy potencjometr dostrojczy pasujący do płytki stykowej Trymery, w przeciwieństwie do pełnowymiarowych potencjometrów, nie mają pokrętła, które można obracać palcami. Reguluje się je za pomocą niewielkiego śrubokręta. Może to być uciążliwe, gdy musisz wykonać regulację, jednak znacząco zmniejsza prawdopodobieństwo przypadkowej zmiany wartości rezystancji. Trymery używane są przeważnie wtedy, gdy raz ustawiona wartość nie jest zmieniana zbyt często i zajmuje się tym serwisant, a nie użytkownik urządzenia. Tarcze trymerów są delikatniejsze od tarcz pełnowymiarowych potencjometrów. Zużywają się już po około stu obrotach, a w potencjometrach pełnowymiarowych wykonuje się dziesiątki tysięcy obrotów. To jednak nie powinno stanowić problemu, gdyż reguluje je się zdecydowanie rzadziej. Pamiętasz pokrętło równoważące sygnały z czujników robota „Kanapki”? Robot musi być umieszczony na trasie, aby określić, czy lewa para czujników odbiera ten sam poziom sygnału, co prawa. Jednak po właściwej regulacji mającej zrównoważyć odchyłki w parametrach różnych egzemplarzy czujników czy nierównomiernego lutowania rzadko trzeba ponownie regulować położenie pokrętła. Dlatego też „Kanapka” zamiast zamontowanego na zewnątrz, pełnowymiarowego potencjometru posiada jedynie niewielki otwór, przez który można przełożyć śrubokręt, aby dostać się do trymera zamontowanego na płytce drukowanej (patrz rysunek 14.3).

Rysunek 14.3. Regulacja trymera robota „Kanapki” za pomocą miniaturowego, płaskiego śrubokręta przez przeznaczony do tego otwór w obudowie

180 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 14. „ REZYSTORY ZMIENNE

Obracanie pokrętła W większości potencjometrów pokrętło wykonuje tylko jeden obrót (a nawet nieco mniej — zwykle około 300˚), czyli przejście od rezystancji 0 Ω do jego wartości maksymalnej (nominalnej, podanej na obudowie) jest bardzo szybkie, gdyż wymaga pojedynczego obrotu tarczy. Z racji ograniczenia do jednego obrotu po położeniu tarczy możesz także łatwo określić, czy potencjometr jest ustawiony na wartość minimalną, w połowie, czy może na pełny swój zakres. Potencjometry wieloobrotowe (patrz rysunek 14.4) wymagają wielu (np. 25) obrotów, aby przejść przez cały zakres możliwych rezystancji. Pozwala to na bardzo dokładne ustawienie żądanej wartości, gdyż każdy obrót śrubokręta zmienia rezystancję tylko odrobinę. Kiedy położenie pokrętła zmieni się trochę w wyniku wibracji czy zmian temperatury, zmiana rezystancji będzie mniejsza niż w potencjometrze jednoobrotowym.

Rysunek 14.4. Potencjometr dostrojczy wieloobrotowy pasujący do płytki stykowej Potencjometr wieloobrotowy łatwo rozpoznać po metalowej śrubie wystającej blisko krawędzi jego obudowy (patrz rysunek 14.4), która odróżnia go od trymerów o pojedynczym obrocie mających pokrętło czy otwór na wkrętak pośrodku (patrz rysunek 14.2). Potencjometry wieloobrotowe mają bardziej złożoną budowę i stąd są droższe od trymerów o jednym obrocie. Będziesz potrzebował dokładnej regulacji, aby zrównoważyć sygnały z czujników w robocie podążającym wzdłuż linii. Nie chciałbyś również, aby ustawiona wartość zmieniła się znacząco na skutek drgań czy ruchu robota. Dlatego też potencjometr wieloobrotowy (patrz rysunek 14.3) jest najlepszym wyborem.

Zakup trymerów Warto zgromadzić niewielki zapas trymerów o różnych rozmiarach i wartościach. Najpierw jednak zdecyduj, jakie rezystancje i sposób regulacji najbardziej Ci odpowiadają. Preferuję wartości: 500 Ω, 2 kΩ, 10 kΩ, 25 kΩ, 100 kΩ oraz 1 MΩ. Jeżeli potrzebujesz jedynie dwóch sztuk potencjometrów wieloobrotowych o wartości 20 kΩ, które używane są w konstrukcji „Kanapki”, to w katalogu firmy ELFA mają one nr 64-007-23, w TME — T910W-20K, a w firmie Conrad — 422329.

Pomiary potencjometru Maksymalna rezystancja trymera nadrukowana jest zwykle na jego obudowie, często w postaci 3-cyfrowego kodu opisywanego wcześniej. Trzecia cyfra oznacza ilość zer, jaką należy dopisać po dwóch pierwszych cyfrach. Przykładowo „501” to 500 Ω, „103” to 10 kΩ (10 000 Ω), zaś „254” to 250 kΩ (250 000 Ω).

181 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Aby zmierzyć rezystancję potencjometru, przygotuj miernik dokładnie tak samo, jak to robiłeś przy pomiarze rezystancji zwykłego rezystora o stałej wartości. Istotną różnicą jest to, że potencjometr ma nie dwa, a trzy wyprowadzenia.

Pomiar maksymalnej rezystancji potencjometru Aby zbadać maksymalną rezystancję dowolnego potencjometru, podłącz przewody pomiarowe do wyprowadzeń pierwszego i trzeciego (patrz rysunek 14.5). Zmierzona wartość powinna w przybliżeniu odpowiadać tej, która nadrukowana jest na obudowie potencjometru.

Rysunek 14.5. Zaciski haczykowe podpięte do pierwszego i trzeciego wyprowadzenia trymera w celu zmierzenia jego maksymalnej rezystancji Obracanie pokrętła czy śruby regulacyjnej nie ma wpływu na wartość rezystancji pomiędzy wyprowadzeniami pierwszym a trzecim. Nie ma wpływu także zamiana miejscami przewodów pomiarowych — dokładnie tak samo jak w przypadku rezystora o stałej wartości.

Pomiar zmiennej rezystancji potencjometru Podłącz miernik do wyprowadzeń pierwszego i drugiego (środkowego) potencjometru, aby obserwować, jak mierzona rezystancja zmienia się wraz z obrotem pokrętła czy śruby regulacyjnej (patrz rysunek 14.6). Z obrotem w lewo rezystancja pomiędzy wyprowadzeniami pierwszym a drugim maleje, rośnie natomiast pomiędzy drugim a trzecim. I odwrotnie: wraz z obrotem pokrętła w prawo rezystancja pomiędzy wyprowadzeniami pierwszym a drugim rośnie, zaś pomiędzy drugim a trzecim maleje.

Rysunek 14.6. Zaciski haczykowe podpięte do wyprowadzeń trymera pierwszego i drugiego w celu pomiaru jego zmiennej (regulowanej) rezystancji

182 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 14. „ REZYSTORY ZMIENNE

Gdy pokrętło ustawione jest w którejś z krańcowych pozycji, rezystancja pomiędzy wyprowadzeniami środkowym a pierwszym bądź trzecim powinna wynosić 0 Ω. Gdy obróci się je do drugiego końca, zmierzona rezystancja powinna w przybliżeniu odpowiadać wartości podanej na obudowie potencjometru.

Potencjometr liniowy czy logarytmiczny i potencjometr wykładniczy Ustaw pokrętło w połowie zakresu. Czy zmierzona wartość rezystancji równa jest w przybliżeniu połowie wartości nominalnej? Jeśli tak, potencjometr ma charakterystykę liniową. Oznacza to, że jego rezystancja zmienia się równomiernie wraz z obrotem pokrętła. Tak właśnie potencjometr powinien działać w większości zastosowań związanych z budową robotów. Jeżeli rezystancja w połowie skali jest znacznie mniejsza bądź znacznie większa od połowy wartości nominalnej potencjometru, ma on najprawdopodobniej charakterystykę logarytmiczną bądź wykładniczą. Przy budowie robotów nie jest to zbyt wygodne. Potencjometry o charakterystyce wykładniczej stosowane są często do regulacji głośności w sprzęcie grającym, gdyż odpowiada ona nieliniowej percepcji natężenia dźwięku odbieranego przez ludzkie ucho.

Obwód z diodą świecącą o regulowanej jasności Schemat przedstawiony na rysunku 14.7 jest bardzo zbliżony do schematu wskaźnika zasilania prezentowanego wcześniej. Bez zmian pozostaje bateria (B1) i dioda świecąca (D1).

Rysunek 14.7. Schemat prostego obwodu pozwalającego na regulację jasności świecenia diody Różnica polega na tym, iż pomiędzy rezystorem (R1) a diodą świecącą (D1) pojawił się potencjometr (R2). Zauważ, że jego symbol jest bardzo podobny do symbolu zwykłego rezystora, a jedyną zmianą jest dodanie strzałki pośrodku. Możesz sobie wyobrażać, że strzałka ta przesuwa się od jednego do drugiego końca rezystora, wybierając różne wartości rezystancji. Zauważ też, że potencjometr (R2) został oznaczony literą „R”. Dzieje się tak dlatego, że nadal jest to rodzaj rezystora, choć posiada zmienną rezystancję. Przypomnij sobie, że podobnie postąpiliśmy w przypadku diody świecącej (D1), oznaczając ją literą „D” jako jedną z odmian diody (choć emitującą światło). Skoro mamy już potencjometr, którego rezystancja może się zmieniać w szerokich granicach, po co zawracać sobie jeszcze głowę umieszczaniem rezystora o stałej wartości (R1)? W końcu potencjometr 100 kΩ może zapewnić każdą potrzebną wartość, począwszy od 470 Ω wzwyż. Niestety, użytkownik może ustawić rezystancję potencjometru na 0 Ω. Gdyby rezystor R1 nie zapewniał stałej, minimalnej wartości rezystancji w obwodzie, dioda świecąca D1 otrzymałaby całą, nielimitowaną moc z baterii i uległaby zniszczeniu. Jeśli nie projektujesz akurat systemu realizującego funkcję samozniszczenia, zapewne będziesz wolał zabezpieczyć się przed skrajnymi wartościami w układach regulacji.

183 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

„ Wskazówka: Zawsze wtedy, gdy umieszczasz w obwodzie potencjometr, zadaj sobie pytanie, co by się stało, gdyby jego rezystancja została ustawiona na 0 , oraz co by się stało, gdybyś ustawił jego rezystancję na wartość maksymalną. Zastanów się, jakie napięcia i prądy popłyną w obwodzie, a następnie sprawdź projekt miernikiem, aby się upewnić, że mieszczą się one w granicach, które są bezpieczne dla pozostałych elementów obwodu.

Budowa obwodu z diodą świecącą o regulowanej jasności Upewnij się, że odłączyłeś zasilanie od płytki prototypowej. Nigdy nie dodawaj ani nie usuwaj elementów z układu będącego pod napięciem! Obwód z diodą świecącą o regulowanej jasności (patrz rysunek 14.7) można łatwo zbudować na płytce prototypowej. Na rysunku 14.8 możesz zobaczyć zdjęcie przykładowego rozwiązania.

Rysunek 14.8. Obwód z diodą świecącą o regulowanej jasności zbudowany na płytce prototypowej Zwróć uwagę, że rezystor R1 o stałej wartości podłączony jest do tej samej grupy styków, do której należy także środkowe wyprowadzenie trymera R2. Jego pierwsze wyprowadzenie połączone jest natomiast z diodą świecącą, zaś trzecie nie jest nigdzie podłączone. Włącz zasilanie! Obracaj pokrętło trymera małym śrubokrętem, obserwując jasność świecenia diody. Jeśli korzystasz z diody o wysokiej sprawności, może się okazać, że będzie ona lekko świecić nawet wtedy, gdy obrócisz pokrętło do końca w prawo. Jeśli używasz gorszej diody, światło może przestać być widoczne, nim pokrętło znajdzie się w połowie zakresu. Wypróbuj różne wartości trymerów. Pamiętaj, że rezystor R1 chroni obwód przed zbyt dużym prądem, możesz więc bezpiecznie eksperymentować z potencjometrami o dowolnej wartości.

Obwód równoważenia jasności diod Spójrz na schemat na rysunku 14.9. Gdzie podziała się bateria? Schemat został uproszczony poprzez zastąpienie baterii opisem „+9 V” (napięcie stałe 9 V, plus zasilania).

184 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 14. „ REZYSTORY ZMIENNE

Rysunek 14.9. Schemat mechanizmu równoważenia jasności świecenia dwóch diod Teraz zajmuje mniej miejsca i pozwala się skupić na istocie obwodu. Dodatkowo nie wywołuje w nas błędnego przekonania, że to musi być bateria. Przecież zasilacz sieciowy prądu stałego o odpowiednim napięciu będzie równie dobry. A co się stało na samym dole schematu? Diody połączone są z trzema coraz krótszymi liniami poziomymi. Jest to kolejne uproszczenie. Linie te oznaczają powrót do baterii — to symbol tzw. „masy”, czyli punktu odniesienia o zerowym potencjalne (napięciu), który zwykle połączony jest z ujemną linią zasilania. Umieszczenie małego symbolu na schemacie jest czytelniejsze niż zaciemniane go licznymi, ciągnącymi się połączeniami. Schemat został zatem uproszczony poprzez pozbycie się baterii i linii, którymi prąd do niej wraca. Może przy tak prostym obwodzie niewiele to zmienia, jednak ta ogólnie przyjęta technika zdecydowanie upraszcza złożone schematy.

Budowa obwodu pozwalającego na zrównoważenie jasności diod Jeśli spojrzysz na rysunek 14.10, możesz zauważyć, iż budujesz rzeczywisty obwód, który wygląda niemal tak samo jak na schemacie (patrz rysunek 14.9). To kolejny dobry powód, aby rysować schematy bez baterii i wspólnych linii zasilających. W tym obwodzie druga dioda świecąca D2 została podłączona do trzeciego, wcześniej niewykorzystanego wyprowadzenia potencjometru R2. Został też zastosowany potencjometr o wartości maksymalnej zaledwie 500 Ω. Gdy pokrętło potencjometru ustawione jest w połowie zakresu, rezystancja rozdzielana jest równo na obie diody — po około 250 Ω na każdą. Kiedy obracasz pokrętło w lewo bądź w prawo, rezystancja dzielona jest w nierównej proporcji pomiędzy obie diody. Jeśli jasność świecenia jednej z nich zwiększa się, wtedy druga odpowiednio przygasa. To przypomina ustawianie balansu głośności w sprzęcie stereofonicznym.

Fotorezystory na bazie siarczku kadmu Fotorezystory na bazie siarczku kadmu (patrz rysunek 14.11) są niezwykle popularne w świecie robotów. Lekkie, niedrogie, intrygująco wyglądają i naśladują reakcję ludzkiego oka na światło widzialne.

185 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 14.10. Obwód równoważenia jasności świecenia diod zbudowany na płytce stykowej „ Uwaga: Uważni czytelnicy z dobrą pamięcią wypomną mi teraz moją radę, aby nie kupować elementów zawierających kadm. Jednak po przeprowadzonych poszukiwaniach nie udało mi się znaleźć odpowiednich zamienników fotorezystorów, które nie zawierają kadmu. Na usprawiedliwienie dodam, że te fotorezystory nie zawierają zbyt wiele kadmu.

Rysunek 14.11. Typowy fotorezystor na bazie siarczku kadmu Siarczek kadmu oznaczany jest też skrótem „CdS”. Fotorezystory nazywane są czasem także fotoopornikami lub opornikami fotoelektrycznymi. Niezależnie od nazwy jest to dokładnie ten sam element. Potencjometry zmieniają swoją rezystancję w odpowiedzi na obrót pokrętła czy śruby regulacyjnej, a fotorezystory zmieniają swoją rezystancję w zależności od natężenia padającego na nie światła. Nieźle, prawda?

Wybór fotorezystorów Do pracy w terenie czy w trudnych warunkach przeznaczone są fotorezystory hermetyczne (patrz rysunek 14.12). Nieprzejrzysta, metalowa obudowa i plastikowa, bezbarwna soczewka chronią czujnik przed wilgocią, kurzem i brudem. Metalowa obudowa zapobiega także zmianom rezystancji spowodowanym światłem padającym na spodnią stronę czujnika. Podobnie jak potencjometry, fotorezystory dostępne są w wielu rozmiarach i funkcjonalnych zakresach rezystancji. Większe fotorezystory wolniej zmieniają swoją rezystancję, jednak są też zwykle bardziej czułe na zmiany oświetlenia, gdyż mają większe „oko” (powierzchnię aktywną).

186 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 14. „ REZYSTORY ZMIENNE

Rysunek 14.12. Fotorezystory na bazie siarczku kadmu: obudowany i odkryty

Doświadczenie z fotorezystorem Podłącz fotorezystor do miernika w ten sam sposób, jak to robiłeś, badając rezystor o stałej wartości (patrz rysunek 14.13). Obserwuj, jak zmienia się rezystancja, gdy kierujesz fotorezystor w stronę światła lub też przysłaniasz go dłonią. Naprawdę warto spróbować!

Rysunek 14.13. Zaciski haczykowe podłączone do fotorezystora, aby mierzyć zmieniającą się rezystancję

Obwód sterowany światłem W prezentowanym wcześniej w tym rozdziale obwodzie z regulowaną jasnością świecenia diody (patrz rysunek 14.7) zastąp użyty tam potencjometr poznanym właśnie fotorezystorem. Rysunek 14.14 to zdjęcie zmodyfikowanego obwodu zbudowanego na płytce prototypowej. Gdy w pokoju robi się ciemniej, dioda także świeci słabiej. Gdy zaś robi się widniej, również i dioda świeci jaśniej. To samo możesz także uzyskać, zakrywając fotorezystor palcem. Pamiętasz moment, gdy dobierając wartość rezystora ograniczającego, musiałeś wybrać pomiędzy jasnością świecenia diody a żywotnością baterii? Kiedy zastosujesz fotorezystor, Twój układ może automatycznie rozjaśniać diodę, aby była widoczna w świetle dziennym, ale jednocześnie oszczędzać energię, przyciemniając ją w ciemniejszych miejscach, gdzie i tak będzie dobrze widoczna. Fotorezystory wykorzystywane są powszechnie w automatycznych lampach nocnych czy światłach ulicznych. W tych rozwiązaniach fotorezystor podłączony jest do układu, który załącza żarówkę, gdy wokół zrobi się ciemno (tzw. aparat zmierzchowy).

187 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 14.14. Zmontowany na płytce prototypowej układ sterowanej natężeniem światła regulacji jasności świecenia diody

Zrównoważony układ odczytu jasności Robot „Kanapka” wykorzystuje cztery umieszczone na froncie fotorezystory pracujące w parach do określenia ilości światła odbitego od trasy. Na rysunku 14.15 przedstawiam schemat układu, jaki zastosowany został w robocie.

Rysunek 14.15. Zrównoważony obwód odczytu jasności

Lista elementów • +9 V — źródło prądu stałego o napięciu 9 V, • R1 — rezystor 470 Ω (paski: żółty, fioletowy, brązowy), • R2 — trymer 20 kΩ, • R3, R4, R5, R6 — fotorezystory; zakres rezystancji w przybliżeniu od 100 Ω w jasnym świetle do 450 kΩ w ciemności.

188 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 14. „ REZYSTORY ZMIENNE

Czujniki w parach Na schemacie rezystory od R3 do R6 to fotorezystory (zwróć uwagę na strzałki skierowane w stronę symbolu rezystora — oznaczają one padające na niego światło). Każdy z fotorezystorów zmienia swą rezystancję w zależności od ilości padającego na niego światła. Połączone razem fotorezystory R3 i R4 „obserwują” prawą stronę podłogi pod spodem robota, podczas gdy — także połączone — R5 i R6 obserwują lewą stronę. Para połączonych fotorezystorów może „obserwować” większy obszar terenu niż pojedynczy fotorezystor. Inną zaletą zastosowania takiej pary jest możliwość ręcznego dobrania fotorezystorów tak, aby zrównoważyć fabryczne rozbieżności w ich minimalnych i maksymalnych wartościach rezystancji.

Dobieranie fotorezystorów Jeśli nawet wyglądają tak samo, czy nawet pochodzą z jednej serii produkcyjnej, poszczególne egzemplarze fotorezystorów zauważalnie różnią się zakresem swojej rezystancji. Ważne, aby określić i rozdzielić grupy elementów o podobnej rezystancji. Pewnie da się zrównoważyć robota, w którym fotorezystory nieco się różnią, to już ta sztuka nie uda się, jeśli fotorezystory będą się różnić drastycznie. Dobieranie rezystorów to prosta czynność. Podłącz fotorezystor do miernika i skieruj go w stronę światła. Zapisz wartość rezystancji. Następnie przytrzymaj fotorezystor pod stołem (lub w innej, ciemnej lokalizacji) i zapisz nową wartość rezystancji. W miarę jak będziesz się przedzierał przez Twój stosik fotorezystorów, zorientujesz się, na ile zbliżone są do siebie dolne i górne granice rezystancji poszczególnych egzemplarzy. Podstawowym celem tego testu jest pozbycie się wadliwych sztuk. To te fotorezystory, które nie zmieniają swojej wartości albo też osiągają wartości niezwykle wysokie lub niskie, szczególnie w porównaniu z pozostałymi egzemplarzami. Drugim celem jest zgrubne dopasowanie fotorezystorów. Zatem jeszcze raz wystaw fotorezystor na światło, policz do pięciu, odczytaj i zapisz wartość rezystancji. Teraz umieść fotorezystor w ciemnym miejscu (np. pod stołem), policz do pięciu i ponownie odczytaj oraz zapisz wartość rezystancji. To wystarczy. Nie musimy dopasowywać fotorezystorów bardzo dokładnie, bo korzystamy z potencjometru R1 równoważącego sygnały z czujników oraz wprowadzamy ostry kontrast pomiędzy linią stanowiącą trasę a podłożem. Mówiąc szczerze, wszystkie cztery fotorezystory „Kanapki” zostały wybrane przypadkowo z zapasu powstałego po odrzuceniu sztuk wadliwych. I „Kanapka” działa doskonale. W kolejnych klonach „Kanapki” używałem już staranniej dobranych fotorezystorów, lecz nie było różnicy w ich sprawności. W tabeli 14.1 prezentuję wartości odczytane w trakcie pomiarów z partii identycznie wyglądających fotorezystorów. Tabela 14.1. Przykładowe odczytane wartości fotorezystorów Oznaczenie

Rezystancja po oświetleniu żarówką

Rezystancja w ciemnym miejscu (np. pod biurkiem)

A

123 Ω

260 kΩ

B

130 Ω

338 kΩ

C

115 Ω

400 kΩ

D

124 Ω

370 kΩ

E

105 Ω

440 kΩ

F

128 Ω

470 kΩ

G

110 Ω

430 kΩ

H

115 Ω

434 kΩ

I

119 Ω

550 kΩ

189 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

W robocie podążającym wzdłuż linii po jednej stronie umieściłbym razem fotorezystory „C” i „H”, zaś po drugiej „D” i „G”. Kolejność czujników byłaby następująca: „C”, „H”, „G” i „D”. „C” i „H” mają sumarycznie zakres od 230 Ω do 834 kΩ, podczas gdy „G” i „D” mają łącznie zakres od 234 Ω do 800 kΩ. Położone bliżej środka robota „H” i „G” mają bardzo podobne zakresy. Rozmieszczone po bokach „C” i „D” także zachowują się podobnie. Nie musisz przez to wszystko przechodzić. Wyobraź sobie jednak pechowego robota, w którym znajdą się fotorezystory „A” oraz „I”. Obydwa reagują tak samo na jasne pola, ale na ciemnej powierzchni rezystancja fotorezystora „I” będzie dwukrotnie większa niż fotorezystora „A”. Żaden z fotorezystorów przedstawionych w tabeli 14.1 nie był uszkodzony. Natrafiłem na jeden wadliwy, którego zakres rozciągał się od 4 MΩ w pełnym świetle do ponad 40 MΩ w ciemności. To wartości nieporównywalne z pozostałymi fotorezystorami. Jeśli znajdziesz taki element, pozbądź się go od razu (zachowując zasady utylizacji tego typu elementów), by nie umieścić go przypadkowo w swojej konstrukcji.

Potencjometr do równoważenia rezystancji Wracamy do rysunku 14.15: znajduje się tam potencjometr R2 o wartości 20 kΩ. Wraz z obrotem pokrętła rozkłada on rezystancję pomiędzy dwie odnogi prowadzące do dwóch par fotorezystorów. R2 działa tutaj dokładnie w taki sam sposób, jak miało to miejsce w obwodzie umożliwiającym równoważenie jasności świecenia diod (patrz rysunek 14.9). W połowie swojego zakresu R2 dostarcza rezystancję 10 kΩ do lewej gałęzi i 10 kΩ do prawej gałęzi. Obracając go do końca w którąś stronę, sprawiamy, że dostarcza 0 Ω po tej stronie i całe 20 kΩ po drugiej (i vice versa). W tabeli 14.1 pokazuję, iż maksymalna spodziewana różnica rezystancji w zakresie jasności nie jest zbyt duża, zatem R2 zapewnia wystarczający zapas rezystancji, aby wyrównać te różnice po obydwu stronach w warunkach dobrego oświetlenia. Robot posiada reflektory oświetlające trasę w ciemności, zatem równoważenie odczytów w zakresie małej jasności nie jest konieczne.

Rezystor ograniczający prąd Występujący na rysunku 14.15 rezystor R1 nazywany jest rezystorem ograniczającym (prąd). Ponieważ wszystkie pozostałe rezystory to rezystory o zmiennej wartości, może się zdarzyć, że rezystancja całej gałęzi będzie na tyle niska, iż mnóstwo energii z baterii po prostu się zmarnuje albo, co gorsza, zbyt duży prąd płynący w obwodzie uszkodzi niektóre elementy. Jeśli przykładowo R2 byłby przekręcony do końca w którąś stronę, dla pary fotorezystorów po tej stronie jego rezystancja wynosiłaby 0 Ω. Jeśli ta para byłaby maksymalnie oświetlona, dając swoją minimalną rezystancję (koło 100 Ω każdy z fotorezystorów), cała droga dla prądu miałaby rezystancję jedynie około 200 Ω (0 Ω + 100 Ω + 100 Ω). Natężenie płynącego prądu określamy za pomocą następującego wzoru: (V / Ω) × 1000 = mA Zatem: (9V / 200 Ω) × 1000 = 45 mA Dodając rezystor 470 Ω (R1), powodujemy, że w najgorszym przypadku rezystancja wyniesie 670 Ω (470 Ω + 0 Ω + 100 Ω + 100 Ω). Wtedy: (9V / 670 Ω) × 1000 = 13 mA Przez dodanie rezystora R1 ta część obwodu pobiera teraz w najgorszym przypadku cztery razy mniej energii, zachowując te same właściwości. R1 nie wpływa znacząco na obwód w typowym ustawieniu, gdyż R2 jest ustawiony zwykle na około 10 kΩ. W tym przypadku prąd pobierany przez obwód wynosi mniej niż 1 mA dla każdej z odnóg. Jeśli zachowasz ostrożność i nie przekręcisz potencjometru R2 do końca w żadną ze stron, wówczas — z punktu widzenia obwodu — rezystor R1 nie jest konieczny. Jednak miło wiedzieć, iż w obwodzie jest rezystor R1, zatem możesz ustawić potencjometr R2 na dowolną wartość bez ryzyka uszkodzenia elementów czy znacznego zużycia baterii. 190 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 14. „ REZYSTORY ZMIENNE

Projektując własne układy, pamiętaj, aby w każdej gałęzi zawierającej rezystory zmienne umieścić rezystor zabezpieczający o stałej, niewielkiej wartości.

Punkty testowe Schemat (patrz rysunek 14.15) zawiera punkty testowe (pomiarowe) oznaczone PT1 i PT2. W punktach tych nie występują rzeczywiste elementy; to po prostu dobre miejsca, aby podłączyć do nich miernik i wykonać pomiary napięcia. W rzeczywistości okazuje się, że te punkty testowe to doskonałe miejsca dla pomiaru napięcia.

Obliczanie napięcia Gdy podłączona jest bateria, energia przepływa poprzez rezystory R1 i R2, a następnie rozpływa się dwiema drogami. Chwilowo weźmy pod uwagę jedynie jedną drogę: energia płynie dalej poprzez rezystory R3 i R4, by ostatecznie powrócić do baterii. Wiemy, że napięcie na początku drogi wynosi około 9 V, a na końcu — wracając do baterii — spada do 0 V. Jak napięcie rozkłada się na poszczególnych elementach napotykanych na drodze? 1. Dodaj do siebie wszystkie wartości rezystancji na drodze. W tym przykładzie przyjmiemy, że fotorezystory są jasno oświetlone (ich rezystancja wynosi 100 Ω). R1 Ω + R2 Ω + R4 Ω + R3 Ω = całkowita ilość Ω na drodze prądu W tym przykładzie: 470 Ω + 10 000 Ω + 100 Ω + 100 Ω = 10 670 Ω 2. Aby dla danego rezystora określić, jaką część całego napięcia skonsumuje, podziel jego rezystancję przez całkowitą rezystancję tej drogi prądu. R1 Ω / całkowite Ω = udział R1 W tym przykładzie: 470 Ω / 10 670 Ω = 0,044 (4,4%) 3. Określ ilość napięcia konsumowanego przez tę drogę. V na początku drogi – V na końcu = całkowite V konsumowane przez tę drogę prądu W tym przykładzie: 9 V – 0V = 9 V 4. Pomnóż udział danego rezystora przez całkowite napięcie zużywane przez tę drogę, aby określić, ile napięcia on pochłania. udział R1 × całkowite V tej drogi = V zużywane przez (odłożone na) R1 W tym przykładzie: 0,044 × 9 V = 0,4 V Sprawdźmy teraz wartości dla R2: R2 Ω / całkowite Ω = udział R2 W tym przykładzie: 10 000 Ω / 10 670 Ω = 0,937 (93,7%) udział R2 × całkowite V tej drogi = V odłożone na R2 W tym przykładzie: 0,937 × 9 V = 8,43 V O co w tym wszystkim chodzi? Rezystor R2 ma największą rezystancję, zatem najwięcej napięcia (ciśnienia) zużywa się, aby przez niego przejść. Na razie R1 i R2 pochłonęły 8,83 V z 9 V. R4 Ω / całkowite Ω = udział R4 W tym przykładzie: 100 Ω / 10 670 Ω = 0,00937 (0,94%) udział R4 × całkowite V tej drogi = V odłożone na R4 W tym przykładzie: 0,00937 × 9 V = 0,08 V Oraz R3: R3 Ω / całkowite Ω = udział R3 W tym przykładzie: 100 Ω / 10 670 Ω = 0,00937 (0,94%) udział R3 × całkowite V tej drogi = V odłożone na R3 W tym przykładzie: 0,00937 × 9 V = 0,08 V 191 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Pomiary w 1. punkcie testowym Skoro wszystkie napięcia zużywane na drodze prądu zostały policzone, możemy teraz określić napięcie w 1. punkcie testowym (PT1). Z baterii wychodzi 9 V. Rezystory R1 i R2 zużywają razem 8,83 V. Zatem w momencie, gdy energia osiąga punkt PT1, powinno pozostać około 0,17 V do wykorzystania (patrz rysunek 14.16).

Rysunek 14.16. Napięcia zużywane przez każdy z rezystorów w jednej z gałęzi zrównoważonego układu odczytu jasności W miarę jak podłoże przed „oczyma” robota będzie stawało się ciemniejsze, rezystancja fotorezystorów będzie rosła. Jeśli przykładowo zamiast 100 Ω rezystancja każdego z nich osiągnie 6 000 Ω, zmieni się także podział napięć zużywanych przez każdy z elementów. 1. Dodaj do siebie wszystkie wartości rezystancji na drodze. W tym przykładzie przyjmiemy, że fotorezystory „obserwują” ciemniejsze podłoże (rezystancja każdego z nich wynosi 6 000 Ω). R1 Ω + R2 Ω + R4 Ω + R3 Ω = całkowita ilość Ω na drodze prądu W tym przykładzie: 470 Ω + 10 000 Ω + 6 000 Ω + 6 000 Ω = 22 470 Ω 2. Aby dla danego rezystora określić, jaką część całego napięcia skonsumuje, podziel jego rezystancję przez całkowitą rezystancję tej drogi prądu. R1 Ω / całkowite Ω = udział R1 W tym przykładzie: 470 Ω / 22 470 Ω = 0,021 (2,1%) 3. Określ ilość napięcia konsumowanego przez tę drogę. V na początku drogi – V na końcu = całkowite V konsumowane przez tę drogę prądu W tym przykładzie: 9 V – 0V = 9 V 4. Pomnóż udział danego rezystora przez całkowite napięcie zużywane przez tę drogę, aby określić, ile napięcia on pochłania. udział R1 × całkowite V tej drogi = V zużywane przez (odłożone na) R1 W tym przykładzie: 0,021 × 9 V = 0,19 V Podstawiając wartości dla pozostałych rezystorów, otrzymujemy: R2 V = 4,0 V R4 V = 2,4 V R3 V = 2,4 V Gdy czujniki (fotorezystory R3 i R4) otrzymują mniej światła — rośnie ich rezystancja. Gdy rośnie ich rezystancja, zużywają większą część całkowitego napięcia na tej drodze prądu. W efekcie napięcie w punkcie PT1 rośnie (patrz rysunek 14.17).

192 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 14. „ REZYSTORY ZMIENNE

Rysunek 14.17. Napięcie w punkcie PT1 zmienia się, gdy czujniki otrzymują mniej światła Napięcia w punktach testowych PT1 i PT2 zmieniają się w zależności od ilości światła odbieranego przez każdą z par fotorezystorów po odpowiednich stronach robota. Obwód ten nie tylko równoważy pracę dwóch zestawów fotorezystorów, ale także zamienia ich zmieniającą się rezystancję na zmieniające się napięcie.

Zamiana rezystancji na napięcie przy użyciu dzielnika napięcia Układ, w którym łączymy rezystor o zmiennej wartości (np. taki jak fotorezystor) z innymi rezystorami i odbieramy napięcie pomiędzy nimi, nosi nazwę dzielnika napięcia. Nasz zrównoważony układ odczytu jasności to właśnie dzielnik napięcia rozdzielający napięcie pomiędzy garść rezystorów. Dzielniki napięcia oraz rezystory ograniczające natężenie prądu należą do rozwiązań najważniejszych i najczęściej stosowanych w trakcie budowy różnych obwodów. Układy scalone dobrze radzą sobie z pomiarem napięcia. Następnym razem, gdy będziesz chciał podłączyć układ scalony do rezystora o zmiennej wartości, pomyśl o dzielnikach napięcia. A gdy pomyślisz o dzielniku napięcia, będziesz wiedział, że potrzebujesz dwóch lub więcej rezystorów i pomiaru napięcia pomiędzy nimi.

Budujemy zrównoważony układ odczytu jasności Na płytce stykowej zmontuj zrównoważony układ odczytu jasności (patrz rysunek 14.18). Zrób to przy prawym końcu płytki, aby pozostawić dość miejsca na inne układy robota, które dodamy w kolejnych rozdziałach. Trymer R2 prawdopodobnie będzie miał oznaczenie „203”, co oznacza 20 000 Ω. Zanim umieścisz go w obwodzie, ustaw jego pokrętło w połowie zakresu. (Podłącz miernik do pierwszego i drugiego wyprowadzenia trymera i obracaj pokrętłem tak długo, aż wskazywana przez miernik rezystancja wyniesie około 10 000 Ω).

Rysunek 14.18. Zrównoważony układ odczytu jasności zmontowany na płytce stykowej

193 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Gdy obwód będzie gotowy, przy włączonym zasilaniu zmierz napięcie w punkcie PT1. Przypomnij sobie, iż by zmierzyć napięcie w tym punkcie, musisz podłączyć czarny przewód pomiarowy do ujemnej szyny zasilającej, a końcówkę czerwonego przewodu do interesującego Cię punktu (w tym przypadku PT1). Jeśli zbliżysz R3 lub R4 do zapalonej żarówki, napięcie w punkcie PT1 zmaleje. Jeśli zakryjesz palcem R3 lub R4, napięcie w punkcie PT1 wzrośnie. W rzeczywistości możesz nawet spowodować zmianę napięcia, rzucając po prostu dłonią cień na czujniki. Po zakończeniu pomiarów w punkcie PT1 przejdź do punktu PT2. Czujniki R5 i R6 wywołują zmiany napięcia w punkcie PT2. Co więcej, możesz nawet zauważyć, że zakrycie R3 lub R4 skutkuje niewielkimi zmianami napięcia. Ponieważ R1 jest współdzielony przez obie pary fotorezystorów, zużycie napięcia przez ten rezystor jest uzależnione od rezystancji każdego z czterech czujników. Gdy ze względu na jedną z par czujników zużycie napięcia przez rezystor R1 maleje, druga para przejmuje powstały zapas, zatem zwiększa się napięcie w punkcie testowym dla tej pary. Nie ma to wpływu na zdolność robota do podążania wzdłuż linii, warto jednak zapamiętać, iż gdy dwa obwody zawierają wspólny element, wzajemnie na siebie oddziaływają.

Niemożność zbalansowania układu odczytu jasności Zgodnie z projektem obrót pokrętła trymera R2 ma wpływ na napięcia w punktach PT1 i PT2. Jeśli dysponujesz dwoma miernikami, możesz podłączyć je jednocześnie do obydwu punktów testowych i kręcić pokrętłem trymera tak długo, aż wskazywane napięcia będą równe. Możesz przełączać pojedynczy miernik pomiędzy punktami testowymi. Prawdopodobnie jednak w trakcie prób zdarzy Ci się rzucić trochę inny cień na czujniki lub trącić je i ustawić pod innym kątem do źródła światła. Zrównoważenie układu przy użyciu pojedynczego miernika nie jest łatwe. Czyż nie byłoby wspaniale dysponować czymś, co bez przerwy porównywałoby odczyty z obydwu par czujników i np. zapalało diodę świecącą, by wskazać, która para daje wyższe napięcie? Dokładnie takie „coś” dodasz do układu w kolejnym rozdziale.

194 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 15 „„„

Komparatory

Jesteś już w połowie budowy na płytce stykowej prototypu robota podążającego wzdłuż linii. Aktualnie płytka zawiera źródło napięcia (baterię lub akumulatorek 9 V), wyłącznik i wskaźnik zasilania (obwód z diodą świecącą), a także dwie pary czujników światła. Nadszedł czas, aby dodać jakieś układy sterujące. W tym rozdziale poznasz scalony układ komparatora. Po umieszczeniu go na naszej płytce będzie porównywał sygnały z czujników oświetlenia i zapalał odpowiednią diodę świecącą; wybór diody będzie zależał od tego, która z par czujników otrzyma więcej światła.

Komparator napięciowy Scalony, analogowy komparator napięciowy (patrz rysunek 15.1) to taki miniaturowy woltomierz z wbudowanymi włącznikami. Bada on napięcie w dwóch punktach i załącza włącznik, jeśli napięcie zmierzone w pierwszym punkcie jest wyższe niż zmierzone w drugim. Włącznik zostaje rozłączony, jeśli napięcie w pierwszym punkcie będzie niższe niż w punkcie drugim.

Rysunek 15.1. Układy 2903 oraz 393 — scalone komparatory analogowe Podobnie jak większość innych układów scalonych, także i komparatory dostępne są w wielu odmianach i obudowach. Aby niepotrzebnie się nie stresować, wybierz najpopularniejszy model komparatora o jak najmniejszej liczbie wyprowadzeń. Najtańszym modelem jest LM393. Układy LM293, LM2903 oraz LM193 są z nim całkowicie zgodne, lecz zostały rozszerzone o możliwość pracy w szerszym zakresie temperatur (poniżej 0º oraz powyżej 70ºC). Możesz wybrać dowolny układ o jednym z powyższych oznaczeń pochodzący od dowolnego producenta.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Analiza układu LM393 Pełna nazwa układu LM393 to „energooszczędny, wysokoczuły, jednonapięciowy, podwójny komparator różnicowy”. To dopiero łamigłówka. • „Energooszczędny” oznacza, iż układ nie zużywa zbyt wiele energii w czasie pracy. To cenne w robocie zasilanym bateryjnie. • „Wysokoczuły” oznacza, iż układ jest w stanie porównywać i wykrywać różnice pomiędzy napięciami, które są do siebie bardzo zbliżone. To może się przydać przy wyłapywaniu niewielkich różnic w jasności w trakcie poruszania się wzdłuż linii. • „Jednonapięciowy” oznacza, iż układ ten wymaga tylko pojedynczego źródła zasilania. Układy „dwunapięciowe” wymagają tzw. zasilania symetrycznego, gdzie połączone są dwa źródła czy obwody zasilania oferujące jednocześnie napięcie dodatnie i ujemne względem masy układu. Niektóre komparatory zaprojektowano w tak elastyczny sposób, iż zależnie od sposobu ich podłączenia mogą pracować z pojedynczym bądź podwójnym napięciem zasilającym. • „Podwójny” oznacza, iż w jednej obudowie układu scalonego znajdują się dwa całkowicie niezależne komparatory. Taka promocja! Istnieją także układy „poczwórne”, gdzie w jednej obudowie mieszczą się cztery komparatory. • „Różnicowy” oznacza, iż komparator zawiera mechanizmy zamieniające wyniki porównania dwóch napięć leżących w zakresie dopuszczalnych napięć wejściowych układu na pojedynczy sygnał cyfrowy zgodny z poziomem napięcia zasilającego. Przykładowo napięcie wyjściowe komparatora nie zmaleje, gdy napięcia wejściowe będą bardzo niskie, ale także nie wzrośnie, gdy napięcia te będą bardzo wysokie.

Rzut oka na notę katalogową Istotne informacje dotyczące określonego elementu czy układu scalonego zawarte są w nocie katalogowej (ang. datasheet). Noty katalogowe udostępniane są bez ograniczeń przez producenta danego elementu, często bezpośrednio na jego stronie WWW1. Nota katalogowa rozpoczyna się krótkim opisem danego elementu, zwykle podkreślającym te jego cechy, które zostały udoskonalone w stosunku do starszych wersji podzespołu. Jest to pomocne o tyle, iż podkreślone zostają te właściwości, które — dla danego rodzaju elementów — zawodowi projektanci uznali za szczególnie istotne (lub też dopiero zostały wprowadzone). Nota katalogowa zawiera także znamionowe i graniczne wartości wybranych parametrów elektrycznych elementu, np. takich jak pobór prądu (przekłada się na zużycie baterii), zakres dopuszczalnych napięć i temperatur pracy, itp. Zgodnie z informacjami zawartymi w nocie katalogowej układ LM393 może być zasilany napięciem z przedziału od 2 V do 36 V. Tak szeroki przedział z łatwością obejmuje możliwy zakres napięcia baterii lub akumulatorka 9 V (od 5 V do 10 V). Po przeczytaniu noty katalogowej układu LM393 odkrywamy kilka istotnych problemów. Pierwszy z nich polega na tym, iż układ LM393 nie jest w stanie porównywać napięć leżących w przedziale ostatnich 1,5 V względem napięcia zasilającego. Jeśli zatem napięcie w obydwu punktach testowych wynosiłoby około 8 V, to przy napięciu baterii wynoszącym 9 V komparator nie byłby w stanie wykonać dokładnego ich porównania. Drugi problem wynika z tego, iż komparator nie jest w stanie zapewnić poprawnego wysterowania obwodu, którego pobór prądu przekracza 6 mA. Nota określa wprawdzie, iż typowo układ jest w stanie dostarczyć prąd

1

Zdecydowana większość not katalogowych dostępna jest wyłącznie w języku angielskim. Mimo to, warto do nich zaglądać, gdyż znaczna część informacji prezentowana jest w formie graficznej (schemat wyprowadzeń układu, wykresy charakterystyk, przykładowe schematy aplikacyjne itp.) oraz w postaci prostych tabel i zestawień tabelarycznych (znamionowe i graniczne parametry pracy, rodzaje obudów i ich oznaczenia itp.), toteż powinny być zrozumiałe także dla osób niewładających biegle tym językiem — przyp. tłum.

196 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 15. „ KOMPARATORY

do 16 mA, ale równie dobrze możesz otrzymać całą partię układów, które zapewniają jedynie 6 mA i będzie to zgodne ze specyfikacją. Obydwa te problemy zostały rozwiązane przez odpowiedni projekt obwodów robota, co wyjaśnię później.

Rozkład wyprowadzeń układu W układach scalonych metalowe wyprowadzenia nazywane są potocznie „pinami” (zapożyczenie wprost z angielskiego określenia „pin”). Zdecydowanie najważniejszą informacją dotyczącą każdego układu scalonego jest to, jak należy połączyć jego poszczególne piny z resztą obwodu. Niewielka obudowa układu scalonego zapewnia zbyt małą powierzchnię, aby dało się na niej umieścić opis tekstowy czy też numery pinów. Dlatego też nota katalogowa zawiera rysunek wraz z objaśnieniami (rozkład wyprowadzeń układu), na którym pokazane są wszystkie piny i znajduje się opis pełnionych przez nie funkcji. Na rysunku 15.2 pokazany jest rozkład wyprowadzeń układu LM393. Na obudowie rzeczywistego układu znajduje się wycięcie i (lub) wytłoczona bądź nadrukowana kropka; takie same elementy znajdują się na rysunku przedstawiającym rozkład wyprowadzeń układu. Ponumeruj sobie w myślach wyprowadzenia, zaczynając od wycięcia lub kropki i przesuwając się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Technika ta pozwala w łatwy i uniwersalny sposób odnieść się do dowolnego wyprowadzenia układu scalonego.

Rysunek 15.2. Rozkład wyprowadzeń układu LM393 „ Wskazówka: Jeśli umieszczasz na płytce wiele układów, zaprojektuj ją w ten sposób, aby wszystkie wycięcia układów scalonych ułożone były w tym samym kierunku. W ten sposób jednym spojrzeniem będziesz mógł stwierdzić, czy któryś z układów nie został włożony odwrotnie.

Identyfikacja pinów zasilających Wszystkie układy scalone posiadają piny, którymi dostarcza się zasilanie potrzebne do pracy układu. Układ scalony można przyrównać do dowolnego urządzenia elektrycznego: musisz je podłączyć do gniazdka, aby zaczęło działać. Piny zasilające to pierwsze wyprowadzenia, które powinieneś zidentyfikować. W układzie LM393 za zasilanie odpowiadają piny nr 4 i 8. Pin nr 8 nosi oznaczenie „V+” co oznacza, iż należy go podłączyć do „plusa” zasilania. Pin nr 4, oznaczony „masa” („GND”), trzeba połączyć z masą układu („minus” zasilania). Na końcu tej książki znajduje się lista etykiet powszechnie stosowanych do oznaczania wyprowadzeń dodatniego i ujemnego odpowiedzialnych za zasilanie układów scalonych. Wiele układów scalonych ma piny zasilające rozmieszczone w tych samych narożnikach (po przekątnej), jak ma to miejsce w układzie LM393. Aby jednak mieć pewność, zawsze sprawdzaj rozkład wyprowadzeń konkretnego układu w jego nocie katalogowej.

197 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rozróżnianie komparatorów Na podstawie nazwy — „podwójny komparator” — wiemy, iż w układzie scalonym mieszczą się dwa komparatory. Wyprowadzenia nr 1, 2 i 3 należą do pierwszego komparatora („A”), zaś piny nr 7, 6 i 5 do drugiego („B”). Zauważ, iż z wyjątkiem tego, że jeden zestaw pinów dotyczy komparatora A, drugi zaś komparatora B, to analogiczne piny nazywają się tak samo: pin nr 1 (Wyjście A) nosi tę samą nazwę co pin nr 7 (Wyjście B), pin nr 2 (Wejście A–) nazywa się tak samo jak pin nr 6 (Wejście B–), a także pin 3 (Wejście A+) nazwany jest tak samo jak pin nr 5 (Wejście B+). Obydwa komparatory są całkowicie niezależne. Możesz wykorzystać każdy z nich do pomiarów w innym obwodzie czy pomiędzy innymi punktami testowymi. Funkcjonalnie natomiast obydwa komparatory zachowują się identycznie; gdy nauczysz się, jak używać komparatora A, te same zasady dotyczyć będą komparatora B. Pin 1. układu LM393 oznaczony jest „Wyjście A” (patrz rysunek 15.2). W środku układu scalonego znajduje się przełącznik półprzewodnikowy, który albo łączy wewnętrzną stronę tego pinu z „minusem” zasilania, albo ją rozłącza. Przypomnij sobie, iż w obwodzie prąd nie płynie, jeżeli którakolwiek jego strona odłączona jest od źródła zasilania. Jeśli zatem podłączysz ujemną stronę (masę) dowolnego obwodu do wyprowadzenia nr 1 układu LM393, obwód ten może być włączany i wyłączany przełącznikiem elektronicznym wewnątrz układu scalonego. Piny nr 2 i 3 układu LM393 oznaczone są odpowiednio „Wejście A–” oraz „Wejście A+”. Będą one podłączone do punktów testowych, w których chcesz porównywać napięcia. Jeśli do pinu 2. dostarczymy napięcie wyższe niż do pinu nr 3, wówczas pin nr 1 zostanie dołączony do „minusa” zasilania (patrz lewa strona rysunku 15.3). W przeciwnym przypadku pin nr 1 jest odłączony (patrz prawa strona rysunku 15.3).

Rysunek 15.3. Po lewej: gdy na pinie nr 2 występuje wyższe napięcie (np. 9 V) niż na pinie nr 3 (np. 0 V), pin nr 1 dołączony jest do „minusa” zasilania, pozwalając w ten sposób na przepływ prądu. Po prawej: gdy jednak napięcie na pinie nr 2 (np. 0 V) jest niższe niż na pinie nr 3 (np. 9 V), wtedy pin nr 1 jest odłączony i prąd przez niego nie płynie Nie przejmuj się, jeśli w tej chwili wydaje się to zawiłe. Możesz samodzielnie poeksperymentować z obwodem komparatora zaprezentowanym dalej w tym rozdziale.

198 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 15. „ KOMPARATORY

Zakup komparatorów Komparatory znajdą zastosowanie w wielu podsystemach robota, nie tylko w jego układzie sterującym. Często wykorzystywane są w celu uproszczenia sygnałów z czujników. Odczytany sygnał porównywany jest wtedy z danym poziomem napięcia. W tabeli 15.1 przedstawiam niektóre dostępne w sprzedaży wersje „zwykłego” układu LM393, jak również jego wysokotemperaturowej wersji LM2093. Każda z wersji będzie równie dobra dla naszego robota podążającego wzdłuż linii. Tabela 15.1. Podwójne komparatory Sprzedawca

Rodzaj układu

Numer katalogowy

Cena

TME

LM393N

LM393N

0,68 zł

TME

LM2903N

LM2903N

0,84 zł

ELFA

LM393N

73-292-04

3,44 zł

ELFA

LM2903N

73-271-34

3,73 zł

Conrad

LM393N

174858

1,09 zł

Conrad

LM2903N

152444

1,72 zł

Ostatnim znakiem symbolu każdego z układów wymienionych w tabeli 15.1 jest litera „N”. Ostatnia litera w symbolu elementu oznacza zazwyczaj rozmiar i materiał, z jakiego wykonana jest obudowa, a także dopuszczalny zakres temperatur pracy. W układach produkowanych przez firmę National Semiconductor (a także przez wielu innych producentów) litera „N” na końcu symbolu układu scalonego oznacza układ w obudowie DIP. Jeśli przez pomyłkę zakupiłeś układ LM393M („M” zamiast „N”), zobaczysz, iż zamknięty jest w obudowie innego typu. Obudowa SO-8 lub SOIC przeznaczona jest do montażu powierzchniowego na płytkach drukowanych i nie będzie pasować do płytki stykowej (patrz rysunek 15.4).

Rysunek 15.4. Układ LM393N w obudowie DIP (po lewej) oraz LM393M w obudowie SOIC (po prawej)

Obwód porównywania jasności z komparatorem Obwód porównywania jasności z komparatorem łączy się ze zrównoważonym układem odczytu jasności opisywanym w poprzednim rozdziale. Jest to właściwy układ sterujący robota, który odczytuje dane z czujników (fotorezystorów) i odpowiednio steruje pracą silników.

Porównanie schematu elektrycznego z diagramem połączeń Obwód porównywania jasności oparty na komparatorze przedstawiony jest w postaci diagramu połączeń, a nie jako standardowy schemat elektryczny (patrz rysunek 15.5).

199 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 15.5. Diagram połączeń obwodu porównywania jasności z komparatorem Na „prawdziwym” schemacie podwójny komparator nie byłby narysowany jako obudowa układu scalonego. Każdy z dwóch komparatorów byłby narysowany jako oddzielny symbol w pobliżu źródeł sygnałów, które porównuje. Technika pomijania obudów układów na schematach pozwala ograniczyć liczbę linii przecinających się na rysunku. Zazwyczaj na schemacie nie są także pokazywane numery wyprowadzeń układów, co sprawia, że taki schemat jest niezależny od użytego rodzaju obudowy. Diagramy połączeń, w przeciwieństwie do schematów, pokazują układ tak, jak będzie wyglądał w rzeczywistości. Przedstawione są obudowy łączące elementy w grupy, a także konkretne numery użytych wyprowadzeń. (Przygotowując diagram, zamieniłem symbole rezystorów na ich bardziej realistyczne piktogramy. Wszystkich konserwatywnych projektantów elektroniki proszę o wybaczenie). Schemat elektryczny jest wygodniejszy, kiedy zajmujesz się projektowaniem funkcjonalności danego obwodu, bez zwracania uwagi na jego fizyczną formę. Gdy już budujesz dany układ, wygodniej śledzić diagram połączeń.

Oznaczenia elementów Zasady oznaczania elementów są dość elastyczne. Ponieważ obwód z rysunku 15.5 łączy się z innym obwodem zawierającym rezystory, ich numerację kontynuowałem (przykładowo R7). By uzyskać większą wygodę czytania, dla diod świecących zacząłem stosować oznaczenie „LED” zamiast wcześniejszego „D”. Diody te ponumerowałem dodatkowo w taki sposób, aby ich numery odpowiadały numerom rezystorów, z którymi się łączą (np. LED7 i R7). Układ LM393 został oznaczony jako US1, co oznacza „Układ Scalony 1”. Nazwa „układ scalony” bierze się stąd, iż komparator to właśnie obwód złożony z diod, tranzystorów, rezystorów i przewodów skomasowany do pojedynczej części. Rozumiecie? To cały układ (obwód) elektroniczny scalony (połączony) w jednej obudowie. Przy okazji: aby mieć pewność, że wszystko dobrze połączyłeś, pamiętaj o zwróceniu uwagi na położenie wycięcia na obudowie układu scalonego.

Rysowanie połączonych i niepołączonych przewodów Obwód przedstawiony na rysunku 15.5 jest pierwszym w tej książce, który jest na tyle skomplikowany, że niektóre linie krzyżują się ze sobą. W niektórych przypadkach przewody te łączą się ze sobą, w niektórych zaś jedynie się mijają. Na przewodzie w pobliżu strzałki prowadzącej do punktu TP2 pojawia się wypełnione kółko (punkt). Kółko to oznacza, że przecinające przewody łączą się ze sobą. Na przewodzie tuż ponad pinem nr 5 pojawia się łuk. Łuk ten oznacza, iż te dwa przewody nie łączą się.

200 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 15. „ KOMPARATORY

Na niektórych schematach czy diagramach połączeń nie rysuje się nawet łuków. Po prostu przyjmuje się, że przewody nie są połączone, jeśli w miejscu ich przecięcia nie narysowano kółeczka. Będziesz potrzebował chwili, aby oswoić się z konwencją rysowania połączeń przewodów przyjętą dla konkretnego schematu.

Zasada działania obwodu porównywania jasności z komparatorem Zadaniem obwodu porównywania jasności z komparatorem jest wskazanie, która z par czujników otrzymuje więcej światła. Komparator realizuje to poprzez porównanie napięcia w punkcie testowym 1. (PT1) z napięciem w punkcie testowym 2. (PT2). Więcej światła otrzymuje ten obwód, którego napięcie w punkcie testowym jest niższe. Wykorzystane są obydwa komparatory z układu LM393. Komparator A porównuje napięcie w punkcie PT2 (podłączone do wejścia A–) z napięciem w punkcie PT1 (podłączonym do wejścia A+) i zapala diodę LED7 w momencie, gdy w punkcie PT1 jest niższe napięcie (więcej światła otrzymują fotorezystory po lewej stronie). Komparator B porównuje napięcie w punkcie PT1 (podłączone do wejścia B–) z napięciem w punkcie PT2 (podłączonym do wejścia B+) i zapala diodę LED8 w momencie, gdy w punkcie PT2 jest niższe napięcie (więcej światła otrzymują fotorezystory po prawej stronie). Ponieważ układ komparatora musi być zasilany, aby mógł działać, wyprowadzenie nr 8 (V+) podłączone jest do „plusa” zasilania, a wyprowadzenie nr 4 do „minusa” zasilania (masy). Rezystor R7 chroni diodę świecącą LED7 przed pełną mocą baterii, zaś R8 chroni analogicznie LED8 dokładnie tak samo, jak miało to miejsce w obwodzie diodowego wskaźnika zasilania.

Lista elementów obwodu porównywania jasności z komparatorem • Źródło napięcia stałego 9 V, • R7, R8 — rezystor 2,2 kΩ (paski: czerwony, czerwony, czerwony), • LED7 — żółta dioda świecąca, • LED8 — zielona dioda świecąca, • US1 — podwójny komparator analogowy — układ LM393 lub odpowiednik.

Budowa obwodu porównywania jasności opartego na komparatorze W poprzednim rozdziale po prawej stronie płytki stykowej zbudowałeś zrównoważony układ odczytu jasności. Obwód porównywania jasności z komparatorem powinieneś zbudować pośrodku tej samej płytki (patrz rysunek 15.6). Do podłączenia US1 do punktów testowych czujnika jasności lepiej użyć wzmocnionych przewodów mostkujących niż zwykłych zwór (jeśli trzeba, patrz rysunek 15.7 w dalszej części rozdziału). Przewody te bez problemów sięgną do punktów testowych i przebiegać będą nad innymi elementami na płytce. Co więcej, końcówki przewodów od strony punktów testowych mogą być łatwo wyciągnięte z płytki i dołączone w innych miejscach obwodu w celu rozmaitych testów. Punkt testowy PT1 podłączony jest do wejścia B– układu US1, które jest również połączone z wejściem A+ tego samego układu. Podobnie punkt testowy PT2 podłączony jest do wejścia B+ układu US1, które jest również połączone z wejściem A– tego samego układu. Zatem obydwa komparatory podłączone są do obu punktów testowych z tą różnicą, że połączenia jednego z nich są zamienione. Elementy R7 i LED7 tworzą wskaźnik diodowy. Jak wcześniej wspomniałem, rolą rezystora R7 jest ochrona diody LED7 przed pełną mocą baterii. To taki sam układ diodowego wskaźnika, jaki był wykorzystany w obwodzie wskaźnika zasilania. Główna różnica polega na tym, iż obwód wskaźnika podłączony jest do wyjścia A1 układu US1 zamiast do „minusa” zasilania.

201 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 15.6. Obwód porównywania jasności z komparatorem zbudowany na płytce stykowej Jeśli komparator zdecyduje o podłączeniu wyjścia A do „minusa” zasilania, energia będzie mogła przepłynąć od dodatniego bieguna baterii, poprzez rezystor R7, diodę LED7 i dalej przez wyjście A układu US1 do ujemnego bieguna baterii. Płynący prąd spowoduje zaświecenie diody. Gdy komparator odłączy wyjście A, wówczas prąd w obwodzie wskaźnika nie popłynie i dioda zgaśnie.

Zabawa wskaźnikami diodowymi i czujnikami światła Gdy włączysz zasilanie, zaświecą się diody zielona lub żółta. Zakryj po kolei palcem każdy z fotorezystorów. Spróbuj też machać ręką przed czujnikami w lewo i w prawo (patrz rysunek 15.7). Diody świecące powinny błyskać naprzemiennie, gdy każda ze stron (par czujników) otrzymuje więcej światła niż druga.

Rysunek 15.7. Zabawa z czujnikami jasności, czyli jak sprawić, aby diody błyskały

202 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 15. „ KOMPARATORY

Masz już wszystko, co jest potrzebne, aby za pomocą trymera R2 zrównoważyć odczyty z obydwu par czujników światła. Obracając pokrętło trymera w jedną stronę, powinieneś sprawić, iż zaświeci się jedna dioda, gdy przekręcisz je w drugą stronę, spowodujesz zaświecenie się drugiej diody. W pewnym punkcie w pobliżu środka skali powinny się zaświecić obydwie diody bądź też powinny się one zapalać naprzemiennie przy jedynie minimalnym ruchu pokrętła. To właśnie jest pozycja zrównoważona. Choć nie jest to niemożliwe, jest jednak mało prawdopodobne, aby udało Ci się uzyskać jednoczesne świecenie obydwu diod. Przy zrównoważeniu sygnałów z czujników diody powinny się zapalać naprzemiennie przy choćby najmniejszym cieniu padającym na któryś z fotorezystorów. Zauważyłem, iż światło odbijające się od mojej koszuli było wystarczające, aby uruchomić odpowiednią diodę w zależności od tego, w którą stronę się wychyliłem.

Wykrywanie problemów w obwodzie porównywania jasności A co zrobić, jeśli Twój obwód nie zachowuje się tak, jak napisałem? Istnieje cała seria prób, które możesz przeprowadzić, aby wykryć przyczynę problemu, kiedy Twój obwód nie funkcjonuje poprawnie.

Sprawdzanie obecności napięcia w różnych miejscach płytki Upewnij się, że zasilanie jest włączone. Dioda obwodu wskaźnika napięcia zmontowanego wcześniej na płytce powinna się świecić. Jeśli tak nie jest — odłącz baterię i sprawdź jej napięcie poza obwodem. Jeśli napięcie jest niższe niż 6 V, użyj nowej baterii bądź doładuj akumulatorek. Jeśli po odłączeniu od płytki wydaje się, że bateria dysponuje odpowiednim zapasem energii, lecz mierzone napięcie spada znacząco, gdy podłączasz ją z powrotem, może to oznaczać, iż gdzieś w obwodzie jest zwarcie. Dzieje się tak, gdy przez pomyłkę „plus” zasilania jest gdzieś na płytce połączony z „minusem”. W tej sytuacji prąd płynie najkrótszą drogą wprost przez to połączenie, omijając na inne ścieżki zawierające pozostałe elementy elektroniczne. Dokładnie porównaj wszystkie Twoje połączenia ze schematami i zdjęciami poglądowymi. Jeśli bateria jest w porządku, a w obwodzie nie występuje zwarcie, upewnij się, że energia jest faktycznie dostarczana do magistral zasilających. Zrób to, podłączając przewody pomiarowe czerwony i czarny do każdej ćwiartki płytki stykowej, aby zyskać pewność, że wszystkie segmenty są właściwie zasilone. Upewnij się, iż energia z „plusa” zasilania dociera do górnych wyprowadzeń rezystorów R1, R7 i R8 oraz wyprowadzenia nr 8 (V+) układu US1. Możesz to sprawdzić, podłączając czarny przewód pomiarowy do dowolnej ujemnej magistrali zasilającej, a następnie dotykając (pojedynczo) końcówką czerwonego przewodu pomiarowego górnego wyprowadzenia każdego z wymienionych rezystorów oraz pinu nr 8 układu scalonego (patrz rysunek 15.8). Kiedy bezpośrednio dotykasz wyprowadzeń elementów, na których spodziewasz się odczytać napięcie, omijasz sytuację, w której obluzowane wyprowadzenie elementu nie łączy się pewnie z płytką stykową.

Rysunek 15.8. Sprawdzanie miernikiem występowania dodatniego napięcia zasilania na wyprowadzeniu V+ komparatora

203 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Sprawdź także, czy „minus” zasilania dociera do dolnych wyprowadzeń rezystorów R3 i R6 oraz masy układu US1 (pin nr 4). Zweryfikujesz to, podłączając czerwony przewód pomiarowy do dowolnej dodatniej magistrali zasilającej, a następnie dotykając po kolei końcówką czarnego przewodu pomiarowego dolnych wyprowadzeń obydwu najniższych fotorezystorów oraz wyprowadzenia nr 4 układu US1. Jest to próba trochę „na odwrót”, gdyż na stałe podłączony pozostaje czerwony przewód pomiarowy, a czarnym dotykamy poszczególnych badanych punktów. Zauważ więc, iż przy prawidłowym połączeniu miernik wskazuje wartość około 9 V, a nie 0 V.

Zamiana sygnałów wejściowych komparatora Na potrzeby testów końcówki przewodów mostkujących łączących wejścia komparatorów z punktami testowymi można na chwilę przełączyć do idealnych, pozbawionych zakłóceń źródeł sygnału. Jeden z przewodów mostkujących podłącz do dodatniej szyny zasilającej, a drugi do ujemnej. W ten sposób zapewnisz idealne sygnały sterujące pracą komparatora (patrz rysunek 15.9). Jedna z diod powinna się zaświecić. Następnie zamień przewody miejscami — powinna się zaświecić druga dioda.

Rysunek 15.9. Przełączenie przewodów mostkujących na wejściu komparatora z punktów testowych przy czujnikach (po lewej) do magistral zasilających (po prawej) Mając przewody mostkujące wciąż podłączone do magistral zasilających (nie zaś do punktów testowych), sprawdź za pomocą miernika, czy na wejściach jednego komparatora występują napięcia odwrotne niż na wejściach drugiego. Jeśli przewody prowadzące do wejścia drugiego komparatora nie są zamienione, obydwie diody będą się zapalały w tym samym momencie i w tym samym momencie gasły. Upewnij się też, że żadna z diod świecących nie jest podłączona odwrotnie.

Dodajemy reflektory Obecnie czujniki reagują na światło z otoczenia (z pokoju). Gdy czujniki zostaną zamontowane w robocie, będą skierowane w dół i umieszczone blisko podłogi, więc płytka drukowana robota będzie zasłaniać większość naturalnego oświetlenia. Dodając reflektory, sprawisz, że czujniki umieszczone na spodzie robota będą poprawnie funkcjonować zarówno w nocy, jak i w jasnym świetle dnia. Jest jeszcze jeden, istotny powód dodania źródła światła. Jak wspominałem wcześniej w tym rozdziale, komparator nie jest w stanie porównywać napięć w zakresie ostatniego 1,5 V względem swojego napięcia zasilania (a więc napięcia baterii). Gdy fotorezystor jest zacieniony, jego rezystancja staje się bardzo duża. Zaś duża rezystancja sprawia, iż napięcie w punkcie testowym wkracza w obszar ostatniego 1,5 V względem napięcia zasilania. Dzięki dodaniu reflektorów rezystancja czujników pozostaje poza krytycznym zakresem, co pozwala uniknąć problemów z działaniem komparatora przy zbyt wysokich badanych napięciach.

204 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 15. „ KOMPARATORY

Działanie obwodu reflektorów z dwiema diodami LED Obwód reflektorów jest niemal identyczny z wcześniejszymi obwodami z diodami świecącymi. Główna różnica polega na tym, iż tutaj mamy dwie diody świecące korzystające z tego samego prądu (patrz rysunek 15.10). To wysoce energooszczędne rozwiązanie, gdyż część napięcia, która wcześniej była tracona na rezystorze w postaci ciepła, teraz jest wykorzystywana do zaświecenia drugiej diody. Ponieważ przez diodę LED10 przepływa ten sam prąd, który płynie przez diodę LED9, nie skutkuje to dodatkowym obciążeniem baterii.

Rysunek 15.10. Schemat obwodu reflektorów Jedyny haczyk, o którym należy pamiętać, łącząc kolejno kilka diod, to fakt, iż przed dobraniem rezystora ograniczającego (R9) należy od całkowitego napięcia zasilania odjąć napięcie każdej z diod. Oto wzór z któregoś z wcześniejszych rozdziałów: (napięcie baterii – napięcie diody świecącej) / (maksymalny prąd diody świecącej w mA / 1000) = minimalna wartość rezystora Białe diody świecące wymagają znacznie wyższego napięcia niż czerwone. Typowo jest to około 3,1 V. Jeśli nie dysponujesz notą katalogową Twoich białych diod, pomiar miernikiem cyfrowym w trybie badania diod powinien dostarczyć wystarczająco przybliżoną wartość. (Niestety, niektóre starsze mierniki mogą nie poradzić sobie z pomiarem diod o spadku napięcia w kierunku przewodzenia na poziomie 3 V). Ponieważ miernik testuje diody bardzo małym prądem, faktyczne napięcie zużywane przez diodę w rzeczywistym obwodzie może być wyższe od odczytanego. Przykładowo badanie białej diody może dać wynik 2,6 V, podczas gdy w rzeczywistości zużywa ona 3,1 V. To jest w porządku. Wzór na wyliczenie rezystora ograniczającego prąd zapewnia zwiększony margines bezpieczeństwa, jeśli użyjemy w nim niższej wartości pokazanej przez miernik. Oczywiście, jeśli możesz je określić, podaj diodzie takie napięcie, jakie wynika z jej noty katalogowej lub pomiarów w rzeczywistym obwodzie. Oto wzór dla obwodu reflektorów z dwiema białymi diodami LED: (napięcie baterii 9 V – napięcie białej diody 3,1 V – napięcie białej diody 3,1 V) / (maksymalny prąd 30 mA / 1000) = rezystor ograniczający 93 Ω Dla pewności rozpocząłem testy tego obwodu z rezystorem o większej wartości — 150 Ω. Nawet wtedy diody świeciły oślepiająco jasno! Dlatego zwiększałem dalej rezystancję do momentu, gdy uznałem jasność za odpowiednią, przy okazji ograniczając pobór prądu. Często reguluję jasność potencjometrem, a następnie sprawdzam miernikiem jego rezystancję, aby dobrać ostateczną wartość rezystora do zamontowania. Nie widzę przeszkód, abyś nawet zamontował na stałe trymer 20 kΩ (tak jak w układzie diody świecącej o regulowanej jasności) i zmieniał jasność świecenia reflektorów w gotowym robocie. 205 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Na potrzeby testów na płytce stykowej ustaliłem wartość rezystora ograniczającego na 470 Ω. Jeśli wolisz jaśniejsze reflektory, wybierz 330 Ω, 220 Ω czy nawet 150 Ω. Pamiętaj, że rezystor 93 Ω oznacza maksymalny dopuszczalny prąd (30 mA), nie zaś prąd zalecany. Zwykle diody świecące sterowane są prądem z przedziału od 2 do 20 mA. Nie używaj w reflektorach diod innych niż białe. Gdybyś użył np. diod czerwonych, robot nie byłby w stanie podążać wzdłuż trasy oznaczonej niebieską taśmą. Niebieska taśma odbija kolor czerwony w znikomym zakresie, więc fotorezystory nie wykryłyby żadnego odbitego światła. Białe reflektory zapewniają najbardziej uniwersalne warunki oświetleniowe.

Budowa obwodu reflektorów Reflektory powinny być umieszczone w pobliżu zestawu fotorezystorów. Akurat miałem trzy wolne kolumny pośrodku mojej płytki stykowej. Jeśli u Ciebie brakuje miejsca, po prostu przesuń nieco w bok jakieś elementy. Łatwość modyfikacji połączeń to jedna z najważniejszych cech płytek stykowych. Aby nie prowadzić przewodu z górnej szyny zasilającej ponad trymerem, zdecydowałem się dostarczyć do nich napięcie z dolnej, dodatniej magistrali zasilającej. Na rysunku 15.11 przedstawiam połączenie rezystora ograniczającego R9 do dolnej, dodatniej szyny zasilającej, następnie biegnące w górę do anody diody LED9. Jest to takie samo rozwiązanie, jakie zostało zastosowane w diodowym wskaźniku zasilania.

Rysunek 15.11. Obwód reflektorów zmontowany na płytce stykowej Po zamontowaniu reflektorów fotorezystory nie są już tak wrażliwe na otaczające je cienie. Tego właśnie oczekujesz od robota podążającego wzdłuż linii, gdyż dzięki temu będzie trzymał się trasy, zamiast podążać za cieniem na podłodze. Z drugiej strony, brak reakcji na cień zmniejsza trochę frajdę w czasie testów. Najprawdopodobniej czujniki będą musiały zostać ponownie zrównoważone. Dzieje się tak, ponieważ reflektory oświetlają fotorezystory od spodu. Jakaś część światła przedostaje się przez ich ceramiczną obudowę i zaburza odczyty. W robocie zbudowanym przeze mnie starałem się zachować wysokość diod świecących na tym samym poziomie, co fotorezystorów. Aby zapobiec prześwitywaniu obudowy, pomalowałem również na czarno tylne części fotorezystorów. Skoro Twój układ nie potrzebuje już światła z otoczenia, zabierz płytkę w ciemne miejsce i wykonaj testy z machaniem ręką przed czujnikami. Teraz umiesz już docenić, że Twoja płytka ma bateryjne zasilanie i możesz ją łatwo przenosić?

Powtarzamy sztuczkę z połączeniem kilku diod Właśnie dowiedziałeś się, że możesz dołożyć dodatkowe diody świecące, nie zwiększając poboru prądu z baterii. Hmmm… Pojedyncza żółta dioda (LED7) i pojedyncza zielona dioda (LED8) wyglądają tak samotnie.

206 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 15. „ KOMPARATORY

Określanie ilości diod, jakie bateria o określonym napięciu może wysterować Żółte i zielone diody wymagają zwykle napięcia z przedziału od 2 do 2,2 V. Na potrzeby wzoru przyjmijmy średnią wartość 2,1 V. Zobaczmy, ile diod możemy połączyć w szeregu, dysponując baterią 9 V. Czy taki obwód jest w stanie wysterować osiem diod? napięcie diody 2,1 V × 8 = 16,8 V Zdecydowanie nie! Bateria 9V ma za niskie napięcie, aby wysterować osiem diod. A co z czterema? napięcie diody 2,1 V × 4 = 8,4 V Na razie wygląda nieźle. Ale czekaj! A co będzie, jeśli napięcie baterii spadnie do7 V? No dobrze, wtedy napięcie to nie wystarczy dla czterech diod. Spróbujmy zatem z trzema. napięcie diody 2,1 V × 3 = 6,3 V W przypadku żółtych i zielonych diod świecących, które potrzebują napięcia około 2,1 V, trzy sztuki to odpowiednia ilość przy zasilaniu obwodu baterią 9 V. Przypomnij sobie, iż w reflektorach użyliśmy tylko dwóch białych diod, gdyż każda z nich wymaga napięcia 3,1 V, czyli 6,2 V w sumie.

Obliczanie maksymalnego poboru prądu Wskaźniki złożone z żółtych i zielonych diod powinny być dobrze widoczne z większej odległości w normalnie oświetlonym pokoju. Zatem powinny świecić z niemal maksymalną możliwą jasnością. To wymaga wyższego prądu, który uzyskamy, stosując małą rezystancję. (napięcie baterii 9 V – (napięcie diody 2,1 V × 3)) / (maksymalny prąd 30 mA / 1000) = rezystor ograniczający 90 Ω Najbardziej typową wartością rezystora powyżej 90 Ω jest 100 Ω. Zamierzam jednak użyć rezystora 150 Ω na wypadek, gdyby napięcie nowej baterii czy naładowanego akumulatorka wyniosło na początku więcej niż 9 V. Większy rezystor zapewni trochę większy margines bezpieczeństwa. Aby jeszcze raz sprawdzić, że nie popełniłeś żadnego błędu w obliczeniach, wstaw wartości do wzoru na natężenie prądu poznanego kilka rozdziałów wcześniej. (V / Ω) × 1000 = mA (napięcie baterii 9 V – (napięcie diody 2,1 V × 3)) = pozostałe napięcie do odłożenia na rezystorze 2,7 V (2,7 V / rezystor ograniczający 150 Ω) × 1000 = prąd 18 mA To mniej niż maksymalny dopuszczalny dla diody świecącej prąd 30 mA. Jednak jest jeszcze ukryte ograniczenie wynikające z budowy komparatora. Zgodnie z notą katalogową typowo może on dostarczyć prąd o wartości 16 mA. Minimalny gwarantowany prąd to zaledwie 6 mA. Dodatkowe diody (a tym bardziej silniki) nie mogą zostać dołączone, dopóki nie uporamy się z tym ograniczeniem, co nastąpi w kolejnym rozdziale.

Doceniamy prostotę Układ podążania wzdłuż linii powoli nabiera kształtu. Komparator doskonale sprawdza się w roli układu sterującego tym prostym robotem. Jest przy tym niedrogi, szybki i dokładny, a jednocześnie łatwy w stosowaniu. Posiada jednak pewne ograniczenia, o których należy pamiętać, projektując i testując robota. Reflektory zapewniają równomierne oświetlenie trasy dla fotorezystorów pełniących rolę czujników jasności. Dzięki nim robot może poruszać się w ciemności oraz unikamy problemów z komparatorem nieradzącym sobie z wysokimi poziomami sygnałów. Szczerze mówiąc, reflektory przyciągają także uwagę, a robot zbiera za nie pochwały.

207 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Wskaźniki lewej i prawej strony już działają, co pozwala dostroić pracę czujników. Kiedy umieścisz po trzy diody po każdej stronie, „myśli” robota będą doskonale widoczne z każdego miejsca. W następnym rozdziale dowiesz się, jak możesz podłączyć do komparatora cały komplet trzech diod świecących.

208 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 16 „„„

Przełączniki tranzystorowe

Gdy wyprowadzenie układu scalonego dostarcza prąd tak samo jak dodatni biegun baterii, mówimy, że jest „źródłem” (prądu). Gdy wyprowadzenie odbiera płynący prąd, podobnie jak ujemny biegun baterii, mówimy, że stanowi „odpływ”1. Te pojęcia nawiązują do wcześniejszej analogii z wodą, która wypływa ze źródła, a na końcu swej drogi trafia do odpływu. Często mówimy też po prostu, iż wyprowadzenie dostarcza lub odbiera (maksymalnie) określoną ilość (wartość) prądu. Wiele układów scalonych cechuje ograniczenie podobne do układu komparatora LM393 — nie są w stanie dostarczyć ani odebrać większych prądów. Oprócz ograniczonego natężenia przepływającego prądu, kolejnym problemem występującym w starszych układach jest ich niesymetryczność polegająca na tym, iż nie są one w stanie dostarczyć taki prąd, jaki mogą odebrać. Dlatego też projektanci podłączają do nich diody świecące i inne układy w sposób „odwrotny” (czyli taki, że niskie napięcie na wyjściu aktywuje podłączony układ), aby wykorzystać większe możliwości odbioru prądu przez te układy. (Niesymetryczność ta została zniwelowana w nowszych układach, które zostały wyposażone w dodatkowe rozwiązania sprzętowe pozwalające im zarówno dostarczać, jak i odbierać prądy o wyższym natężeniu). Zwykle niewielka wydolność prądowa układów scalonych nie stanowi istotnego problemu, gdyż w większości przypadków wyjścia tych układów połączone są jedynie z wejściami dalszych układów, do których przekazują sygnały. Gdy trzeba sobie poradzić ze zwiększonym obciążeniem, stosuje się osobny tranzystor, który dobrze sprawdza się w tej roli. Istnieją setki odmian tranzystorów. Ich rozmiary i parametry dobrane są tak, aby zapewnić oczekiwane wzmocnienie, szybkość przełączania, cenę, poziom zakłóceń, zużycie energii, zakres dopuszczalnych napięć i (lub) prądów. W bardziej zaawansowanych konstrukcjach robotów stosuje się jednocześnie wiele różnych typów tranzystorów, jednak w projektach amatorskich spotyka się przeważnie jedynie kilka typów tranzystorów uniwersalnych. W tym rozdziale poznasz tranzystory, a konkretnie 2907A PNP. Podłączysz tranzystory do swojego komparatora (LM393) tak, iż Twój robot będzie rzęsiście oświetlony przez trzy diody po każdej stronie.

1

Ebookpoint.pl

W użyciu jest jeszcze para podobnych terminów: „źródło” i „dren”. W takim połączeniu używa się ich jednak głównie w kontekście wyprowadzeń tranzystorów polowych — przyp. tłum.

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Czym jest „plus” i „minus” zasilania Wyprowadzenia większości baterii i akumulatorków oznaczone są jako „+” (”plus”) i „–” („minus”). Jeśli poprawnie podłączysz miernik ustawiony w tryb pomiaru napięcia do wyprowadzeń baterii, na wyświetlaczu zobaczysz pewną wartość. Jeśli podłączysz miernik odwrotnie (zamienisz przewody), zobaczysz tę samą wartość, ale ze znakiem „–” (minus). W baterii nic się nie zmieniło; zmienił się punkt widzenia. Stosowany w tym rozdziale i w całej książce nieco wątpliwy technicznie termin „minus zasilania” ma za zadanie przypominać Ci o połączeniu z ujemnym biegunem baterii. Jednakże każde napięcie niższe od drugiego jest względem niego ujemne. Powiedzmy, że masz dwa punkty testowe. Napięcie w pierwszym z nich wynosi 9 V, zaś w drugim 4 V. Jeśli podłączasz cokolwiek do punktu o napięciu 9 V, drugi punkt (o napięciu 4 V) ma w porównaniu do niego napięcie –5 V. Można by powiedzieć, że drugi punkt ma napięcie ujemne względem pierwszego. To tak, jak z pomiarem napięcia baterii. Jeśli podłączysz przewody odwrotnie, otrzymasz odwrotne napięcie. Energia elektryczna to coś więcej niż tylko różnica napięć. Mówiąc o przepływie energii, myślimy zarówno o różnicy napięć pomiędzy dwoma punktami, która wyzwala ten przepływ, jak i o natężeniu płynącego prądu. (Ścisły związek pomiędzy tymi dwiema wartościami definiuje parametr nazywany mocą.) Gdy więc w tej książce mówię o „plusie zasilania”, mam na myśli punkt o najwyższym napięciu w układzie, który jest w stanie dostarczyć prąd o natężeniu wymaganym przez ten układ. Gdy zaś wspominam o „minusie zasilania”, mam na myśli punkt o ujemnym (najniższym względem reszty układu) napięciu i zdolności do przyjęcia takiej ilości (natężenia) prądu, jaka przepływa przez cały układ. Takie właśnie cechy mają np. bieguny baterii zasilającej układ: biegun dodatni to „plus zasilania”, czyli punkt o najwyższym napięciu, z którego wypływa energia (prąd) o określonym natężeniu, a „minus zasilania” to punkt przeciwny, o najniższym napięciu, do którego energia powraca po przejściu przez cały układ.

Poznajemy tranzystor 2907A Bipolarny tranzystor PNP 2907A (patrz rysunek 16.1), bardziej formalnie oznaczany symbolem 2N2907A, to wzmacniacz ogólnego przeznaczenia.

Rysunek 16.1. Tranzystor 2907A w obudowie TO-92 produkcji firmy Fairchild • Pojęcie „bipolarny” określa rodzaj wykorzystanej technologii półprzewodnikowej. Półprzewodniki bipolarne są popularne z racji swojej szybkości działania, odporności na elektryczność statyczną oraz zdolności do dostarczania prądu o dużym natężeniu. Zużywają jednak więcej energii (a zatem generują więcej ciepła) niż półprzewodniki polowe.

210 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 16. „ PRZEŁĄCZNIKI TRANZYSTOROWE

• „PNP” oznacza, iż tranzystor załączany jest ujemnym sygnałem. Analogicznie, tranzystory NPN załączane są dodatnim sygnałem. • „Ogólnego zastosowania” oznacza, iż charakterystyka pracy tranzystora jest zbliżona do charakterystyk większości innych tranzystorów. Inne możliwości to tranzystory mocy, wysokich częstotliwości czy niskoszumowe, które posiadają specjalne zdolności potrzebne podczas pracy w określonych zastosowaniach. • Pojęcie „wzmacniacz” wskazuje, iż tranzystor ten potrafi wzmacniać sygnały. Inne zastosowania tranzystorów to przełączanie czy separacja sygnałów lub też dopasowywanie różnych poziomów napięć. Tak jak wszystkie tranzystory bipolarne, także 2907A posiada trzy wyprowadzenia nazywane emiterem, bazą i kolektorem (nie zawsze w tej kolejności). Spece od tranzystorów są w stanie podłączać je na szereg dziwacznych sposobów, aby uzyskać różne nietypowe efekty. My jednak w tej książce skoncentrujemy się na prozaicznych, lecz popularnych konfiguracjach. W naszym robocie podążającym wzdłuż linii tranzystor 2907A będzie pełnił rolę przełącznika sterowanego z wyjścia komparatora.

Naciskamy „guzik” tranzystora 2907A Większość tranzystorów można wykorzystać w charakterze elektronicznie sterowanych przycisków. „Naciskając” bazę tranzystora typu PNP ujemnym napięciem względem emitera, załączamy obwód pomiędzy emiterem a kolektorem. Odłączając bazę lub wysterowując ją napięciem dodatnim, rozłączamy obwód. (Przykładowy obwód prezentujący szczegółowo to zagadnienie znajduje się dalej w tym rozdziale). Wydaje się, że to wszystko „stoi na głowie”. Zazwyczaj włączamy coś, przykładając dodatnie napięcie; tak działają też tranzystory NPN. Skoro jednak układ komparatora LM393 może jedynie podłączyć swoje wyjście do masy (czyli „minusa” zasilania), wybrałem taki tranzystor, który załącza się, gdy jest podłączony właśnie do „minusa”. Zatem komparator LM393 zleca tranzystorowi 2907A włączenie diod świecących i silnika, dołączając jego bazę do „minusa” zasilania. Komparator to „mózg”; tranzystor to „mięsień”.

Sprawdzamy notę katalogową Pewnie pamiętasz, że noty katalogowe zawierające istotne informacje o danym elemencie dostępne są u jego producenta. Nota tranzystora 2907A zawiera informacje, iż może on dostarczać w sposób ciągły (w odróżnieniu od pracy impulsowej) prąd o natężeniu 500 mA. Super! To zdecydowany postęp w stosunku do 6 mA zapewnianych przez komparator. Zatem tranzystor 2907A może zapewnić z zapasem energię niezbędną do świecenia grupy diod czy pracy silnika. Nie jest zaskoczeniem, iż — podobnie jak układy scalone — tranzystor także zużywa nieco energii na swoje potrzeby. Nota katalogowa ujawnia, iż utrzymanie załączonego tranzystora wymaga niewielkiego, stałego poboru prądu. W załączanym obwodzie występuje także niewielki (0,2 V) spadek napięcia na tranzystorze. W naszym robocie te niewielkie koszta są jednak nieistotne.

Zakup tranzystorów 2907A W tabeli 16.1 wymieniam przykładowych sprzedawców tranzystorów 2907A w obudowie TO-92, która pasuje do naszej płytki stykowej. Ponieważ tranzystory bipolarne są bardzo tanie, możesz pozwolić sobie na obniżenie ceny jednostkowej, kupując jednorazowo większą ilość.

211 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Tabela 16.1. Przykładowe tranzystory 2907A i BC327 w obudowach TO-92 i TO-182 Sprzedawca

Typ tranzystora / obudowa

Numer katalogowy

Cena za 1 szt.

Opis

TME

2N2907A / TO-92

2N2907A-PL

3,31 zł

przy zakupie min. 10 szt.

2,82 zł

przy zakupie min. 25 szt.

6,03 zł

przy zakupie min. 10 szt.

TME

2N2907A / TO-18

2N2907A

ELFA

2N2907A / TO-18

71-014-55

TME ELFA

BC237-25 / TO-92 BC237-40 / TO-92

BC327-25 71-014-57

3,55 zł

przy zakupie mniej niż 50 szt.

2,98 zł

przy zakupie min. 50 szt.

0,48 zł

przy zakupie min. 10 szt.

0,32 zł

przy zakupie min. 25 szt.

0,39 zł

przy zakupie mniej niż 50 szt.

0,27 zł

przy zakupie min. 50 szt.

Badanie miernikiem tranzystora bipolarnego Istnieje kilka metod badania tranzystora; są zależne od możliwości Twojego miernika. Dająca więcej informacji metoda wymaga miernika wyposażonego w złącze do badania tranzystorów. Inne metody przeznaczone są dla mierników wyposażonych jedynie w tryb badania diod. Dalej w tym rozdziale zaprezentowany zostanie przykładowy obwód, który pozwala na przetestowanie tranzystora nawet wtedy, jeśli Twój miernik nie dysponuje zarówno funkcją badania tranzystorów, jak i badania diod. Poniższa instrukcja powinna być odpowiednia dla zdecydowanej większości mierników. Jednakże zawsze, gdy to możliwe, warto trzymać się instrukcji dostarczonej wraz z miernikiem.

Badanie miernikiem wyposażonym w gniazdo pomiaru tranzystorów Używając miernika z gniazdem pomiaru tranzystorów, musisz zastosować inną metodę pomiarów, zależną od tego, czy dysponujesz notą katalogową danego tranzystora, czy nie.

Badanie tranzystora, gdy dysponujesz notą katalogową Mając dostęp do noty katalogowej, już na starcie wiesz bardzo dużo o danym tranzystorze. Przede wszystkim wiesz, czy jest to tranzystor NPN, czy PNP. Wiesz także, które wyprowadzenie to emiter, które kolektor, a które to baza. Znasz także przybliżone wzmocnienie tranzystora. Skoro znasz już typ i rozkład wyprowadzeń tranzystora, testy będą miały na celu potwierdzenie, iż jest sprawny, a także porównanie jego współczynnika wzmocnienia do innych tranzystorów z tej samej serii. 1. Ustaw pokrętło wyboru trybu pracy miernika na „hFE” (patrz rysunek 16.2), czy też odpowiedni tryb w Twoim mierniku, jeśli oznaczony jest inaczej.

2

W Polsce tranzystory 2907A w obudowie TO-92 występują stosunkowo rzadko i są relatywnie drogie. Nieco łatwiej znaleźć te same tranzystory w obudowie TO-18 (okrągła, metalowa), jednak ich wyprowadzenia należałoby lekko wygiąć do pracy w płytce stykowej, a ich cena jest jeszcze wyższa. Zamiast tego warto polecić tanie i popularne tranzystory serii BC327 (dostępne powszechnie w obudowach TO-92), które funkcjonalnie odpowiadają tranzystorowi 2907A — informacje o nich także zawarto w tabeli. Dostępne są trzy wersje tranzystorów BC327 różniące się współczynnikiem wzmocnienia zakodowanym jako ostatnia część symbolu (16/25/40), jednak przy pracy tranzystora jako przełącznika wybór wersji nie ma znaczenia i każda z nich sprawdzi się równie dobrze — przyp. tłum.

212 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 16. „ PRZEŁĄCZNIKI TRANZYSTOROWE

Rysunek 16.2. Pokrętło wyboru trybu pracy miernika ustawione w tryb pomiaru wzmocnienia tranzystora (hFE) 2. Na rysunku 16.3 przedstawiam właściwy sposób umieszczenia tranzystora 2907A (oraz BC237) w gnieździe pomiarowym. Wszystkie wyprowadzenia tranzystora umieszczone są w złączach po stronie oznaczonej „PNP”. Emiter umieszczony jest w złączu „E”, baza w „B”, zaś kolektor w „C” (od ang. collector).

Rysunek 16.3. Umieszczenie badanego tranzystora 2907A w gnieździe pomiarowym (przykłady dwóch różnych gniazd napotkanych w różnych modelach mierników) Zapoznając się z notą katalogową, zwróć szczególną uwagę na położenie wyprowadzeń tranzystora względem płaskiej i zaokrąglonej części obudowy. Jeśli tego nie zrobisz, możesz pomylić wyprowadzenia i podłączyć tranzystor odwrotnie. (Na szczęście, błędne umieszczenie tranzystora w gnieździe miernika nie grozi żadnymi uszkodzeniami). 3. Dla tranzystora 2907A miernik powinien wskazać wartość z przedziału od 75 hFE do 300 hFE. (Dla BC327 od 100 hFE do 630 hFE zależnie od wersji i egzemplarza.) Jest to wartość wzmocnienia charakteryzująca ten jeden, konkretny egzemplarz tranzystora.

Znaczenia współczynnika wzmocnienia tranzystora Prąd przyłożony do bazy tranzystora przemnażany jest przez współczynnik wzmocnienia hFE, aby określić maksymalne natężenie prądu, jaki może przepłynąć przez kolektor. Przykładowo tranzystor o współczynniku wzmocnienia 30 hFE i prądzie 2 mA płynącym przez obwód bazy pozwala na przepływ prądu o natężeniu 60 mA pomiędzy emiterem a kolektorem. 2 mA × 30 hFE = 60 mA Nie oznacza to, że w obwodzie kolektora musi płynąć prąd o takim natężeniu, ale jest to maksymalna wartość, jaką można uzyskać (tutaj 60 mA). Zmieniając natężenie prądu płynącego w obwodzie bazy tranzystora, możesz regulować natężenie prądu płynące w obwodzie kolektora. Technika ta wykorzystywana jest np. w niektórych ładowarkach akumulatorów do ograniczenia maksymalnego prądu ładowania ogniwa, co zapobiega jego przegrzaniu czy eksplozji. Tranzystor to element sterowany natężeniem prądu. Podobnie jak w diodzie świecącej, jego odpowiedź zależy w dużej mierze od ilości dostarczonego prądu.

213 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Tranzystory różnią się wzmocnieniem Wartość współczynnika hFE jest inna dla różnych modeli tranzystorów. Różni się nawet dla tranzystorów z tej samej serii produkcyjnej. W zbiorze dziesięciu tranzystorów 2907A uzyskałem wyniki od 151 hFE do 173 hFE. Ponieważ wg noty katalogowej minimalna gwarantowana wartość to 75 hFE, więc były to bardzo przyzwoite wyniki. Rozbieżności dotyczące współczynnika wzmocnienia przyprawiają o ból głowy producentów sprzętu stereofonicznego, gdyż skutkują różnicami w głośności dźwięku dobiegającego z głośników. Jednak w naszym przypadku, ponieważ komparator LM393 dostarczy do bazy tranzystora prąd co najmniej 6 mA, nawet przy najmniejszym wzmocnieniu równym 75 hFE możemy uzyskać w dołączonym obwodzie prąd o natężeniu 450 mA.

Przełączanie zamiast wzmacniania Gdy tranzystor PNP używany jest jako przełącznik, baza albo nie jest w ogóle zasilana, aby całkowicie wyłączyć tranzystor, albo otrzymuje tak wiele energii, że tranzystor zostaje w pełni załączony3. Pełne wysterowanie tranzystora nazywamy nasyceniem. Jest to całkowicie poprawna i często stosowana technika. Gdy używamy tranzystora w roli wzmacniacza, np. w sprzęcie audio, ilość prądu dostarczanego do bazy tranzystora ograniczana jest potencjometrem dostępnym dla użytkownika w celu regulacji. W ten sposób możliwa jest regulacja głośności dźwięku.

Badanie tranzystora, gdy nie posiadasz noty katalogowej Jeśli nie dysponujesz notą katalogową tranzystora, musisz spróbować kilku różnych sposobów jego umieszczenia w gnieździe pomiarowym miernika. 1. Ustaw pokrętło wyboru trybu pracy miernika na „hFE” (patrz rysunek 16.2), czy też odpowiedni tryb w Twoim mierniku, jeśli oznaczony jest inaczej. 2. Wypróbuj wszystkie kombinacje złączy po stronie NPN. W moim mierniku tranzystor mogę umieścić w gnieździe w kolejności EBC lub BCE („E” — emiter, „B” — baza, „C” — kolektor). Później mogę odwrócić tranzystor o 180º i uzyskać kolejność CBE lub ECB. To pozwala sprawdzić wszystkie kombinacje z bazą lub kolektorem pośrodku. 3. Jeśli natrafiłeś na właściwą kombinację (położenie), miernik powinien wyświetlić wartość z przedziału od 10 hFE do 600 hFE, przy czym skrajne wartości są raczej nietypowe. Wartości poniżej 10 hFE lub też powyżej zakresu pomiarowego miernika wskazują zazwyczaj, iż tranzystor jest umieszczony w gnieździe nieprawidłowo. 4. Po wypróbowaniu wszystkich kombinacji po stronie NPN zrób to samo po stronie PNP. 5. Któreś z położeń, czy to po stronie NPN, czy też po stronie PNP, powinno skutkować wyświetleniem wartości wzmocnienia z przedziału od 10 hFE do 600 hFE. Możesz wtedy określić, czy tranzystor jest typu NPN, czy PNP, oraz które jego wyprowadzenie jest bazą, które emiterem, a które kolektorem. Jeśli nawet dysponujesz notą katalogową dla badanego tranzystora, wypróbowanie innych położeń w gnieździe pomiarowym może wykazać uszkodzenie tranzystora; wtedy — mimo złego położenia — miernik będzie wskazywał zbyt duże wzmocnienie. Często też uszkodzony tranzystor nie zapewnia odpowiedniego wzmocnienia, mimo poprawnego umieszczenia w gnieździe pomiarowym. Jeśli w żadnym położeniu tranzystora w gnieździe odczytana wartość wzmocnienia nie wydaje się sensowna, może to oznaczać, iż: • tranzystor nie został włożony do końca w gniazdo pomiarowe, • to nie jest tranzystor bipolarny (a zapewne polowy),

3

O załączonym tranzystorze mówi się często, że jest „zwarty” lub ”zamknięty”; o tranzystorze wyłączonym mówi się, że jest „otwarty” — przyp. tłum.

214 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 16. „ PRZEŁĄCZNIKI TRANZYSTOROWE

• tranzystor jest uszkodzony, • jest to specjalny typ tranzystora o bardzo dużym wzmocnieniu, • jest to specjalny typ tranzystora o bardzo małym wzmocnieniu.

Badanie tranzystora miernikiem wyposażonym jedynie w tryb badania diod Jeśli Twój miernik nie jest wyposażony w gniazdo pomiaru tranzystorów, nadal jesteś w stanie określić, czy jest to tranzystor NPN, czy PNP, oraz które z jego wyprowadzeń to baza. Do tej próby możesz wybrać zarówno tranzystor PNP (taki jak 2907A), jak i NPN. Przygotowałem wyniki pomiarów dla obydwu typów, możesz zatem porównać swoje wyniki z moimi przykładami. 1. Ustaw miernik w tryb badania diod i przygotuj końcówki pomiarowe z zaciskami haczykowymi, podobnie jak to robiłeś, gdy badaliśmy diodę świecącą (patrz rysunek 16.4).

Rysunek 16.4. Przygotowanie miernika do testowania tranzystora za pomocą funkcji badania diod 2. Biorąc w danym momencie pod uwagę dwa wyprowadzenia tranzystora, podłącz każde z nich do zacisków pomiarowych miernika i zapisz zmierzoną wartość. Przykładowo podłącz pierwsze wyprowadzenie tranzystora do czerwonego przewodu pomiarowego, a drugie wyprowadzenie do przewodu czarnego i zapisz odczytaną wartość. 3. Powtarzaj tę czynność dla wszystkich kombinacji wyprowadzeń tranzystora i zacisków pomiarowych, co możesz zobaczyć w pierwszej kolumnie tabeli 16.2. Spośród wszystkich kombinacji jedynie dwie powinny wskazywać spadek napięcia w granicach od 0,5 do 0,7. Wszystkie pozostałe kombinacje powinny wskazywać nieskończoność. Przykładowe wyniki pomiarów podaję w tabeli 16.2.

215 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Tabela 16.2. Przykładowe wyniki badania dwóch różnych typów tranzystorów bipolarnych w trybie badania diod Wyprowadzenia

Wyniki dla PNP

Wyniki dla NPN

1 — czerwony, 2 — czarny

0,623 V

nieskończoność

1 — czerwony, 3 — czarny

nieskończoność

nieskończoność

2 — czerwony, 3 — czarny

nieskończoność

0,606 V

2 — czerwony, 1 — czarny

nieskończoność

0,601 V

3 — czerwony, 1 — czarny

nieskończoność

nieskończoność

3 — czerwony, 2 — czarny

0,619 V

nieskończoność

Wyprowadzenie tranzystora, które pojawia się w obydwu kombinacjach, gdzie miernik wskazał przewodzenie, to baza. Zgodnie z tabelą 16.2, dla przykładowego tranzystora PNP baza to wyprowadzenie nr 2 (środkowe), ponieważ pojawia się ono w badanych kombinacjach 1 i 2 oraz 3 i 2. Dla przykładowego tranzystora NPN bazą jest także wyprowadzenie nr 2 (środkowe), gdyż pojawia się w kombinacjach 2 i 3 oraz 2 i 1. Choć w obydwu podanych przykładach bazą tranzystora jest jego środkowe wyprowadzenie, nie musi to być prawdą dla wszystkich tranzystorów. Idąc dalej, jeśli baza przewodziła, gdy była podłączona do czerwonego przewodu pomiarowego, mamy do czynienia z tranzystorem NPN. W przeciwnym przypadku jest to PNP. Dla przykładowego tranzystora PNP baza wykazała przewodzenie, gdy była podłączona do czarnego przewodu, co potwierdza, iż jest to PNP. Dla przykładowego tranzystora PNP baza wykazała przewodzenie, gdy była podłączona do czerwonego przewodu, co potwierdza, iż jest to tranzystor NPN. Jeśli chciałbyś uzyskać wyniki takie jak moje, przykładowym tranzystorem PNP musi być (bez zaskoczenia) 2907A, a przykładowym tranzystorem NPN — 2222A. Tranzystor 2222A ma cechy bardzo zbliżone do 2907A i jest często używany jako zamiennik 2907A w układach, gdzie załączanie następuje dodatnim napięciem4. Użycie trybu pomiaru diody pozwala jedynie ustalić, które wyprowadzenie jest bazą. Aby określić, które z pozostałych to emiter, a które — kolektor, musimy zbudować obwód pomiarowy na płytce stykowej.

Obwody pomiarowe dla tranzystorów bipolarnych Kilka obwodów pomiarowych może dopomóc w zrozumieniu, w jaki sposób tranzystor zachowuje się w roli przełącznika. Pierwszy prezentowany przykład przeznaczony jest dla tranzystorów typu NPN, które załączane są napięciem ujemnym. Drugi przykład przeznaczony jest dla tranzystorów typu NPN aktywowanych napięciem dodatnim. Po umieszczeniu tranzystora w tych obwodach możesz określić: • czy jest to tranzystor typu NPN, czy PNP, • które wyprowadzenie jest emiterem, które bazą, a które kolektorem, • jaki jest współczynnik wzmocnienia tranzystora (hFE).

Schemat obwodu do badania tranzystorów PNP Na rysunku 16.5 przedstawiam schemat obwodu do badania tranzystorów PNP. Dioda LED1 zapala się, jeśli w miejsce T1 zostanie prawidłowo włożony tranzystor typu PNP. Tranzystor typu NPN albo niepoprawnie włożony tranzystor typu PNP nie zadziałają, lecz nie spowoduje to żadnych szkód.

4

Analogicznym odpowiednikiem tranzystora BC327 typu PNP jest tranzystor BC337 typu NPN — przyp. tłum.

216 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 16. „ PRZEŁĄCZNIKI TRANZYSTOROWE

Rysunek 16.5. Schemat obwodu do badania tranzystorów PNP Z położenia strzałki w symbolu tranzystora przedstawionym na schemacie wynika wprost, iż jest to tranzystor PNP. Grot strzałki umieszczony w pobliżu środka symbolu skierowany jest w stronę wyprowadzenia bazy (oznaczonego „B”). Strzałka wskazuje kierunek przepływu prądu. Dlatego też emiter (oznaczony „E”) musi być podłączony do dodatniego źródła energii. Energia płynie wtedy z emitera, przez bazę i kolektor, i ewentualnie wraca do „minusa” zasilania. Połączenie rezystora R1 z diodą LED1 powinno już być znane. Elementy te tworzą razem prosty wskaźnik diodowy. Nieważne, jak duży prąd może być dostarczony przez tranzystor T1; rezystor R1 ogranicza natężenie prądu otrzymywanego przez diodę świecącą. Rezystor R2 także pełni rolę ogranicznika prądu. Chroni tranzystor T1 przed przepływem zbyt dużego prądu. Rezystor ten nie tylko chroni emiter tranzystora, lecz ogranicza także maksymalny prąd przepływający przez diodę świecącą.

Wygaszanie diody dla połączeń odwrotnych Większość tranzystorów cechuje się niewielkim wzmocnieniem (3 do 5 hFE) nawet wtedy, kiedy są podłączone odwrotnie. My zaś potrzebujemy obwodu, w którym dioda świeci wyraźnie jedynie w momencie, gdy tranzystor jest prawidłowo podłączony (wzmocnienie powyżej 75 hFE). Aby uzyskać takie zachowanie, R2 musi być rezystorem o bardzo dużej wartości, a dioda świecąca — zwykłą diodą (nie wysokowydajną ani superjasną). Dzięki wysokiej rezystancji (470 kΩ) rezystor R2 nie pozwala na przepływ dużego prądu w obwodzie bazy. Prąd przepływający przez bazę jest przemnażany przez współczynnik wzmocnienia tranzystora, aby określić maksymalną wartość natężenia prądu, jaki może popłynąć przez kolektor. Niewielkie wzmocnienie (w przypadku odwrotnego podłączenia tranzystora) przemnożone przez niewielki prąd bazy oznacza, iż maksymalny prąd płynący przez diodę LED1 także będzie niewielki. Niestety, wysokowydajna dioda mogłaby świecić nawet przy tym niewielkim prądzie. Dlatego właśnie powinieneś zastosować zwyczajną diodę świecącą. „ Uwaga: Zazwyczaj będziesz wolał używać superjasnych czy wysokowydajnych diod świecących, ponieważ ich niskie zapotrzebowanie na prąd oszczędza energię baterii. Diody takie znakomicie współpracują z tranzystorami. Akurat w obwodzie do badania tranzystorów potrzebujemy jednak prądożernej diody.

217 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Budowa obwodu do badania tranzystorów PNP Możesz zbudować obwód do badania tranzystorów PNP wyglądający prawie tak, jak na schemacie. Na rysunku 16.6 możesz zobaczyć zdjęcie gotowego obwodu.

Rysunek 16.6. Obwód do badania tranzystorów PNP zbudowany na płytce stykowej

Rozwiązywanie problemów w obwodzie do badania tranzystorów PNP Jeśli dioda LED1 nie świeci się, tymczasowo możesz usunąć tranzystor T1, a w jego miejsce podłączyć zworę pomiędzy dodatnią magistralą zasilającą a górnym wyprowadzeniem rezystora R1. Jest to bezpieczne, gdyż rezystor R1 i dioda LED1 tworzą samodzielny wskaźnik diodowy. Jeśli nie świeci się, mimo bezpośredniego podłączenia do magistrali zasilającej, prawdopodobnie podłączyłeś diodę odwrotnie. Gdy już upewnisz się, że fragment obwodu ze wskaźnikiem diodowym działa poprawnie, powinieneś sprawdzić, czy dolne wyprowadzenie rezystora R2 jest podłączone do ujemnej magistrali zasilającej. Jeśli jest, spróbuj odwrócić tranzystor T1, zwracając uwagę na położenie płaskiej strony jego obudowy. Jeśli włożyłeś tranzystor odwrotnie albo rezystor R2 nie jest podłączony do „minusa” zasilania, dioda LED1 nie zaświeci się.

Eksperymenty z obwodem do badania tranzystorów PNP Cokolwiek robisz, nie usuwaj ani nie zwieraj rezystorów R1 ani R2. Bez tych rezystorów natężenie prądu przepływającego przez tranzystor T1 czy diodę LED1 przekroczy ich dopuszczalne wartości i szybko ulegną zniszczeniu. W działającym obwodzie spróbuje obrócić tranzystor T1 o 180º, aby przekonać się, że dioda zgaśnie. Zamiast używać zwykłej, płaskiej zwory, podłącz rezystor R2 do masy przy użyciu przewodu mostkującego. Gdy już zobaczysz, jak dioda świeci, możesz odłączyć przewód od masy, aby przekonać się, że dioda zgaśnie. Podłącz teraz wolny koniec przewodu do dodatniej magistrali zasilającej. Dioda wciąż nie świeci. Baza tranzystora PNP musi być podłączona do ujemnego napięcia, aby załączyć obwód podłączony do jego kolektora.

Zbieranie danych o tranzystorze PNP Gdy prawidłowo umieścisz na płytce tranzystor bipolarny, dioda zaświeci się. Przy założeniu, że jest to faktycznie tranzystor bipolarny, działanie obwodu wskazuje, że jest to tranzystor PNP. Wiesz już także, które wyprowadzenie jest bazą, które emiterem, a które kolektorem, gdyż dioda świeci się jedynie w przypadku zgodności położenia wyprowadzeń tranzystora ze schematem.

218 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 16. „ PRZEŁĄCZNIKI TRANZYSTOROWE

Przy zasilonym i działającym układzie spróbuj zmierzyć natężenie prądu przepływającego przez rezystor R2. Jeśli użyłeś wzmocnionego przewodu mostkującego przy dolnym wyprowadzeniu rezystora R2, odłącz po prostu jego koniec od ujemnej magistrali zasilającej, a zamiast tego podłącz go do czerwonego przewodu pomiarowego miernika. Czarny przewód pomiarowy podłącz do „minusa” zasilania. Mój miernik wskazał, iż przez R2 płynie prąd o natężeniu jedynie 0,0164 mA (16,4 μA). Spróbuj teraz zmierzyć prąd przepływający przez rezystor R1. Mój miernik wskazał 3,1 mA. Te dwie liczby pozwalają na obliczenie współczynnika wzmocnienia tranzystora: prąd kolektora 3,1 mA / prąd bazy 0,0164 mA = wzmocnienie tranzystora 189 hFE To nieco więcej niż 171 hFE wskazane prze miernik przy badaniu tranzystora. Wzmocnienie zależy jednak po trosze od natężenia płynącego prądu. Zaprezentowany tu obwód testowy tranzystora PNP zostanie użyty we właściwym robocie podążającym wzdłuż linii. Otrzyma on prąd o natężeniu 6 mA z wyjścia komparatora LM393 i dostarczy setki miliamperów do wskaźnika złożonego z trzech diod świecących i do silnika.

Schemat obwodu do badania tranzystorów NPN Obwód dla tranzystorów NPN jest odwróceniem „do góry nogami” obwodu dla tranzystorów PNP. Porównaj rysunek 16.7 z rysunkiem 16.5. Wszystkie elementy i ich wartości (poza T1) pozostają takie same.

Rysunek 16.7. Schemat obwodu do badania tranzystorów NPN Kolektor tranzystora T1 znalazł się teraz po jego drugiej stronie, ale wskaźnik diodowy (LED1 i R1) cały czas podpięty jest do kolektora. Strzałka w symbolu tranzystora wciąż pozostaje na emiterze, lecz nie jest już skierowana w kierunku bazy. Strzałka wskazuje kierunek przepływu energii. Rezystor R2 jest podłączony do „plusa” zasilania, podobnie jak dioda LED1. To jest największa różnica pomiędzy tranzystorami PNP i NPN. Tranzystory NPN załącza się napięciem dodatnim, a wtedy dołączają one obwód kolektora do masy układu. Tranzystory PNP załącza się napięciem ujemnym, a wtedy dołączają one sterowany obwód do „plusa” zasilania.

219 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Budowa obwodu do badania tranzystorów NPN Jeśli zbudowałeś obwód do badania tranzystorów PNP (patrz rysunek 16.6), obróć teraz płytkę o 180º i przytrzymaj w pobliżu rysunku 16.8. Wygląda niemal identycznie! Wszystkie elementy umieszczone są w tym samym miejscu i tak samo skierowane, poza wycięciem w diodzie LED.

Rysunek 16.8. Obwód do badania tranzystorów NPN zbudowany na płytce stykowej Nie potrafię wymyślić przykładu bardziej dobitnie dowodzącego, iż tranzystory PNP i NPN działają w zasadzie identycznie, z wyjątkiem tego, iż zamienione mają „plusy” i „minusy”. Zwróć uwagę na położenie płaskiej strony tranzystora T1. Uważaj, by nie umieścić go błędnie etykietą w Twoim kierunku. Dalej — podobnie jak w układzie z tranzystorem PNP — możesz powtórzyć te same kroki, aby określić położenie wyprowadzeń tranzystora i jego wzmocnienie.

Obwód porównywania jasności z tranzystorami Przypomnij sobie obwód porównywania jasności z komparatorem prezentowany w poprzednim rozdziale. Diagram połączeń prezentowany na rysunku 16.9 jest bardzo podobny do wcześniejszego obwodu, z tą różnicą, iż teraz to tranzystory włączają diody świecące.

Obliczanie wartości rezystorów ograniczających R17 i R18 to rezystory ograniczające prąd. Chronią one tranzystory T7 i T8 przed nadmiernym prądem przez nie przepływającym. Rezystory ograniczające o wartości 1 kΩ to znacznie mniej niż użyte wcześniej na rysunku 16.5 rezystory 470 kΩ. Oto równanie, które pozwoli określić, jak duży prąd będzie przepływał przez bazę tranzystora: ((napięcie baterii V – użyte przez tranzystor bipolarny 0,6 V) / rezystor ograniczający prąd bazy Ω) × 1000, aby przekonwertować wynik na mA = maksymalny prąd bazy Zatem: ((9 V – 0,6 V) / 1000 Ω) × 1000 = 8,4 mA Opierając się na tych wyliczeniach, możemy stwierdzić, że rezystor 1 kΩ pozwala na przepływ przez bazę prądu do maksymalnie 8,6 mA. Zauważ też, że tranzystor „skonsumował” 0,6 V na swoje potrzeby. Znając ilość prądu płynącego przez bazę, możesz teraz policzyć, jaki maksymalny prąd może być dostarczony do dołączonego obwodu: prąd bazy 8,4 mA × minimalne wzmocnienie tranzystora 75 hFE = 630 mA

220 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 16. „ PRZEŁĄCZNIKI TRANZYSTOROWE

Rysunek 16.9. Diagram połączeń obwodu porównywania jasności z komparatorem i tranzystorami

Identyfikacja obciążeń przekraczających oficjalną specyfikację Z wyborem wartości 1 kΩ dla rezystorów ograniczających R17 i R18 wiąże się kilka potencjalnych problemów.

Uwzględnienie najgorszego przypadku wydajności układu LM393 Zgodnie ze specyfikacją komparator LM393 gwarantuje wydajność prądową wyjścia jedynie do wartości 6 mA. Jest to mniej niż 8,4 mA dopuszczane przez rezystory ograniczające. Wartości rezystorów R17 i R18 można by trochę zwiększyć, aby uniknąć przeciążania wyjść komparatora. „ Uwaga: Gdy projekt obwodu przekracza minimalne lub maksymalne wartości parametrów podanych w notach katalogowych elementów, może to potencjalnie dać kilka różnych efektów. Pierwszy (i najbardziej prawdopodobny) scenariusz: element będzie dalej działał poprawnie, pomimo wyraźnego przekroczenia oficjalnych wartości granicznych. Dzieje się tak, ponieważ producenci w oficjalnych specyfikacjach zazwyczaj zaniżają zakres dopuszczalnych parametrów pracy układu, aby z dużą pewnością gwarantować poprawną pracę danego elementu w tych granicach. Drugi scenariusz jest taki, iż dany element nie dostarczy wartości większej niż przewiduje specyfikacja, ale też nie zostanie uszkodzony. Przykładowo komparator mógłby po prostu dostarczyć prąd 6 mA, mimo iż rezystory dopuszczają prąd w obwodzie o wartości do 8,4 mA. Oto trzeci scenariusz: element nie będzie w ogóle funkcjonował bądź też będzie funkcjonował z bardzo ograniczoną wydajnością, choć wciąż nie zostanie uszkodzony. Przykładowo układ scalony zasilany napięciem niższym niż oficjalnie dopuszczalne minimum może pracować wolniej, dostarczać na wyjściu nieprawidłowe sygnały bądź też tymczasowo odmawiać współpracy. Czwarty scenariusz jest taki, iż element będzie się zużywał i starzał znacznie szybciej niż normalnie. Przykładowo silnik obracający się szybciej i nagrzewający bardziej, niż to dopuszcza specyfikacja, może powoli stawać się coraz mniej skuteczny i wcześniej ulec uszkodzeniu. Wreszcie ostatni scenariusz: element ulegnie całkowitemu zniszczeniu. Dla przykładu dioda świecąca o dopuszczalnym prądzie 30 mA ulegnie natychmiast spaleniu, gdy przepuścimy przez nią prąd 300 mA. Haczyk jest w tym, aby wiedzieć, jak dany element zachowa się po przekroczeniu jego wartości granicznych. I choć możesz założyć, co się stanie, na bazie swojej wiedzy i doświadczenia, jednak nigdy nie masz pewności, co się wydarzy następnym razem.

221 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

((napięcie baterii V – spadek na tranzystorze bipolarnym 0,6 V) / oczekiwany prąd bazy w mA) × 1000, aby przeliczyć na mA = wymagana wartość rezystora ograniczającego w Ω ((9 V – 0,6 V) / 6 mA) × 1000 = 1400 Ω Ups! Nie uwzględniliśmy tego, że „świeża” bateria może mieć napięcie nawet 10 V. ((10 V – 0,6 V) / 6 mA) × 1000 = 1566 Ω Jeśli zdarzy Ci się znaleźć rezystor o wartości 1566 Ω lub trochę większej, możesz zaprojektować obwód do poprawnej pracy nawet w najgorszym możliwym przypadku. Jednak zgodnie z notą katalogową komparator typowo może dostarczyć prąd o natężeniu 16 mA. Zatem rezystor 1 kΩ ograniczający prąd do wartości 8,4 mA jest zupełnie w porządku. Co więcej, w miarę jak napięcie baterii będzie spadało, prąd będzie również malał.

Duże prądy płynące w dołączonym obwodzie Kolejnym problemem z prądem bazy na poziomie 8,4 mA jest to, że niektórzy producenci gwarantują jedynie, iż tranzystor 2907A może dostarczyć prąd 500 mA w obwodzie dołączonym do jego kolektora. Wcześniej policzyliśmy, iż prąd bazy o wartości 8,4 mA jest w stanie wysterować prąd o wartości 630 mA na kolektorze. Jest nawet gorzej. Nota katalogowa tranzystora wspomina, iż jego wzmocnienie może być nawet tak wysokie, jak 300 hFE. prąd bazy 8,4 mA × wzmocnienie tranzystora 300 hFE = prąd kolektora 2520 mA 2520 mA?! Tranzystor bipolarny w obudowie TO-92 przewodzący prąd o takiej wartości po prostu roztopi się! Ponieważ współczynnik wzmocnienia jest inny dla każdego tranzystora (nawet w jednej serii produkcyjnej), nie można zaprojektować wiarygodnego obwodu, bazując na konkretnej wartości wzmocnienia. Zamiast tego upewnij się, że obwód dołączony do tranzystora posiada własne ograniczenie natężenia przepływającego prądu do wartości niższej niż maksymalne dopuszczalne obciążenie tranzystora podane w jego nocie katalogowej. W naszym obwodzie rezystory R7 i R8 zabezpieczają zarówno tranzystory, jak i diody świecące.

Budowa obwodu porównywania jasności z komparatorem i tranzystorami Budując obwód na płytce stykowej, pozostaw trochę miejsca między lewym a prawym wskaźnikiem (sterowanym przez tranzystory T7 i T8), co pokazano na rysunku 16.10. W kolejnym rozdziale do tranzystorów dołączone zostaną silniki.

Rysunek 16.10. Obwód porównywania jasności z komparatorem i tranzystorami zmontowany na płytce stykowej

222 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 16. „ PRZEŁĄCZNIKI TRANZYSTOROWE

Gotowy obwód powinien zachowywać się identycznie z pierwotnym układem porównywania jasności z komparatorem z tą różnicą, że dodano więcej diod świecących. Pomachaj ręką przed czujnikami światła, aby sprawdzić działanie układu. Jeśli którakolwiek z diod świecących włożona jest odwrotnie, żadna z diod w tym ciągu nie zaświeci się. Co ciekawe, poprawnie umieszczone diody powinny się świecić nawet wtedy, kiedy tranzystor włożony będzie odwrotnie. Dzieje się tak, ponieważ w tej chwili nie jest jeszcze wymagane duże wzmocnienie tranzystora. Gdy jednak dołączymy silniki, odwrotnie zamontowany tranzystor nie będzie w stanie dostarczyć dość prądu, aby zaświecić diody i uruchomić silniki.

Podsumowanie informacji o tranzystorach PNP i NPN Gdy Twój robot musi dostarczyć do jakiegoś obwodu prąd o natężeniu wyższym, niż jest w stanie zapewnić pojedynczy układ scalony, dołącz do niego tranzystor. Gdy układ scalony dostarcza napięcia dodatnie, użyj tranzystora NPN włączonego od strony „minusa” zasilania. W przeciwnym przypadku użyj tranzystora PNP dołączonego od strony „plusa” zasilania. Tranzystory mogą włączać i wyłączać dowolne obwody. W przykładach w tym rozdziale wykorzystywaliśmy jedynie diody świecące, nie ma jednak żadnych przeciwwskazań, aby do kolektora tranzystora nie dołączyć jakichkolwiek innych obwodów. W rzeczywistości wiele energooszczędnych urządzeń zbudowanych jest w ten sposób. Gdy układ sterujący uzna, że upłynął wystarczający czas bezczynności, przestaje wysterowywać bazę tranzystora, odłączając w ten sposób nieużywane obwody. Układy robota podążającego wzdłuż linii są już niemal gotowe. Po dołączeniu tranzystorów do wyjść komparatora możesz zamontować po trzy diody świecące na każdej ze stron robota. W rzeczywistości tranzystory — pod kontrolą komparatora — mogą dostarczyć taki prąd, że obwód jest już gotowy na dołączenie silników.

223 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

224 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17 „„„

Silniki prądu stałego Ruch jest jedną z podstawowych różnic pomiędzy robotem a komputerem. W zdecydowanej większości robotów wykorzystywane są silniki prądu stałego (patrz rysunek 17.1).

Rysunek 17.1. Typowy silnik prądu stałego W tym rozdziale opisuję szczegółowo rożne odmiany silników prądu stałego oraz ich charakterystyki. Jeśli ten temat Cię nie interesuje, możesz szybko przejrzeć zawartość rozdziału i przejść od razu do następnego. W tym rozdziale nie wybierzemy i nie dołączymy silników do robota.

Zasada działania silnika prądu stałego W silniku elektrycznym przepływ prądu zamieniany jest na ruch przewodnika w polu magnetycznym. Wielu z nas bawiło się zapewne parą magnesów. Umieszczając magnesy naprzeciw siebie, powodujemy, iż zaczynają się nawzajem przyciągać. Gdy odwrócimy jeden z nich o 180º, zaczną się odpychać. Jeden magnes może przyciągać drugi na tyle mocno, że spowoduje jego przesunięcie. Technikę tę można jeszcze ulepszyć, dokładając trzeci magnes. Pierwszy magnes przyciąga drugi, podczas gdy jednocześnie trzeci odpycha go z drugiej strony. Gdy zamontuje się magnesy wokół osi, połączony efekt przyciągania i odpychania może spowodować ruch obrotowy. Magnes zamontowany na wale jest przyciągany przez inny magnes zamontowany nieruchomo w pobliżu i jednocześnie odpychany przez kolejny magnes zamontowany po drugiej stronie. Gdy tylko wał obróci się w kierunku przyciągającego go nieruchomego magnesu, zamocowany na nim magnes obróci się i zmieni biegunowość, przez co obydwa magnesy zaczną się natychmiast odpychać.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Opisany mechanizm działa, bo przepływ prądu może wytworzyć pole magnetyczne. Zamiast fizycznie odwracać magnes, aby przejść od przyciągania do odpychania, można zmieniać tam i z powrotem kierunek przepływu prądu.

Rzut oka do wnętrza komutatorowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi i żelaznym rdzeniem Komutatorowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi (patrz rysunek 17.2) składa się z dwóch głównych fragmentów: części nieruchomej (stojan) oraz części ruchomej (wirnik). Pokrywa (obudowa) silnika jest połączona ze stojanem i nie porusza się.

Rysunek 17.2. Elementy składowe typowego silnika prądu stałego (od lewej do prawej): stojan z magnesami trwałymi zamontowanymi w pobliżu zewnętrznych ścianek silnika, wirnik z wałem, twornikiem, uzwojeniami i komutatorem oraz pokrywa silnika ze szczotkami zasilającymi

Stojan Typowy stojan (nieruchoma część silnika) składa się z dwóch magnesów trwałych zamontowanych naprzeciw siebie wewnątrz metalowej tulei (patrz rysunek 17.3). Termin „magnesy trwałe” wskazuje, że magnesy te wytwarzają pole magnetyczne nawet po wyłączeniu zasilania. Pole magnetyczne wytworzone przez przepływający prąd (czyli pole elektromagnetyczne) będzie oddziaływać (przyciągać i odpychać się) z tymi właśnie dwoma magnesami trwałymi.

Rysunek 17.3. Para magnesów trwałych wymontowana z metalowej tulei. Zatrzask widoczny na pierwszym planie zapobiega zachodzeniu magnesów na siebie

226 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

W odpowiednio wysokiej temperaturze (temperatura Curie) magnesy trwałe tracą swoje właściwości magnetyczne, co skutkuje spadkiem wydajności albo całkowitym zatrzymaniem silnika. Dlatego też niezwykle istotne jest, aby nie przeciążać silnika i nie pozwalać mu zbytnio nagrzewać się w czasie pracy. Zapewnij odpowiednią wentylację, a także, jeśli to możliwe, przytwierdź korpus silnika do innych metalowych elementów, aby zapewnić jak największą ścieżkę termiczną w celu odprowadzenia nadmiaru ciepła. Co ciekawe, metalowa osłona stanowiąca obudowę silnika pełni też rolę drogi powrotnej dla pola magnetycznego. Dzięki temu mniejsza ilość pola magnetycznego „wycieka” na inne elementy w pobliżu silnika.

Wirnik Wirnik (obracająca się część silnika) zamocowany jest na wale. Wał ten wystaje poza obudowę silnika, a to umożliwia przyłączenie do niego kół, łopatek wentylatora czy przekładni zębatych i pasowych. Aby ograniczyć tarcie, jedynie niewielka powierzchnia wirnika styka się z obudową silnika. Wysokiej klasy mikrosilniki oraz wszystkie duże silniki wyposażone są często w łożyska kulkowe, aby zwiększyć siłę nośną i zredukować tarcie.

Uzwojenia wirnika Na środku wału znajduje się twornik złożony z wielu zwojów cienkiego drutu (tzw. nawojowego) owiniętych na żelaznym rdzeniu wirnika (patrz rysunek 17.4). Przepływający zwojami prąd zwiększa energię pola magnetycznego, które odpycha wirnik od magnesów trwałych na stojanie i przyciąga go do nich.

Rysunek 17.4. Wał silnika z twornikiem utworzonym przez zwoje drutu owinięte na stalowym rdzeniu wirnika Żelazny rdzeń, oprócz wytwarzania i emisji pola magnetycznego, rozprasza także emitowane przez silnik ciepło, pozwalając na długotrwałą pracę w pełnym obciążeniu. Stosunkowo ciężki, żelazny rdzeń wirnika sprawia jednak, iż z racji bezwładności rozkręcenie i zatrzymanie wału jest nieco trudniejsze. „ Uwaga: Niemal wszystkie silniki wyposażone są w trzy uzwojenia lub więcej. Silnik wyposażony jedynie w dwa uzwojenia mógłby przy każdym włączeniu obracać się w innym kierunku lub też nie obracać się do końca. Przykładowo w pierwszej chwili wał obróciłby się w kierunku pierwszego magnesu, lecz później — wraz z zamianą uzwojeń — mógłby obrócić się z powrotem do początku. Na szczęście, bezwładność pomaga utrzymać ruch wirnika w kierunku, w którym się rozpoczął.

227 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Sekcje wirnika Zależnie od konstrukcji wirnika uzwojenia nawinięte są na wypustki rdzenia lub umieszczone w jego wyżłobieniach (przeważnie w dużych silnikach). Każda grupa uzwojeń nosi nazwę sekcji. Silniki z małą liczbą sekcji wirnika mają tendencję do nierównomiernego rozruchu oraz zatrzymywania się w dziwnych pozycjach. Nieregularność obrotów nosi nazwę pracy skokowej. Łatwo wyczuć pracę skokową silnika, obracając wał palcami przy odłączonym zasilaniu. Rozkręć wał i obserwuj go, gdy zwalnia. Lepszej jakości silniki pracują bardziej równomiernie, dzięki zwiększeniu liczby sekcji wirnika oraz ustawieniu ich lekko skośnie wzdłuż wału w taki sposób, aby ich końce nakładały się względem osi magnetycznej.

Komutator Przy końcu wału znajduje się komutator (patrz rysunek 17.5). Składa się z dwóch lub więcej styków, do których podłączone są uzwojenia wirnika. Ponieważ styki te mają za zadanie dostarczać prąd do wirnika, ważne jest, aby nie zostały zanieczyszczone czy też pokryte jakąkolwiek nieprzewodzącą substancją.

Rysunek 17.5. Komutator na wale silnika Komutator jest potrzebny, bo trzeba w jakiś sposób przyłączyć zasilanie do uzwojeń wirnika. Nie można tego zrobić przez bezpośrednie podłączenie przewodów, gdyż uległyby splątaniu, gdy tylko wirnik zacznie się obracać. Zamiast tego energia dostarczana jest do nieruchomych, metalowych szczotek zamontowanych pod pokrywą silnika. Po nich ślizgają się styki komutatora i zapewniają połączenie elektryczne (patrz rysunek 17.6).

Rysunek 17.6. Wał osadzony w pokrywie silnika oraz szczotki przewodzące dociśnięte do styków komutatora

228 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Wraz z obrotem komutatora początek każdego uzwojenia raz podłączony jest do dodatniego, a raz do ujemnego bieguna zasilania. Zatem kierunek przepływu prądu w uzwojeniu zmienia się. Pole magnetyczne wytwarzane w uzwojeniu na przemian to przyciąga, to odpycha sekcję wirnika od magnesu na stojanie. Najwspanialsze w komutatorze jest to, że prędkość przełączania uzwojeń zmienia się automatycznie wraz ze zmianą szybkości obrotów silnika!

Szczotki zasilające Nazwa „silnik komutatorowy” informuje, iż taki silnik wyposażony jest w komutator i współpracujące z nim szczotki zasilające, do których podłącza się baterię czy też inne źródło zasilania. Jak wspomniałem wcześniej, szczotki, dotykając powierzchni komutatora, tworzą z nim połączenie elektryczne i przekazują energię do uzwojeń wirnika. Jeśli szczotki nie są solidnie dociśnięte (patrz rysunek 17.7), połączenie może zostać przerwane i prąd przestanie przepływać przez silnik.

Rysunek 17.7. Po usunięciu wału szczotki stykają się na skutek mocnego docisku Stosowanie szczotek ma kilka wad. Po pierwsze, docisk szczotek do komutatora zwiększa tarcie, a co za tym idzie, spowalnia obroty silnika i zwiększa wydzielanie ciepła. Po drugie, ciągłe łączenie i rozłączanie obwodu (z uzwojeniami wirnika) powoduje generację zakłóceń elektrycznych (takich jak zakłócenia widoczne na telewizorze analogowym po włączeniu odkurzacza) oraz iskrzenie. I wreszcie, co nie mniej ważne, szczotki stopniowo się zużywają. Nawet w najsolidniej wykonanym i konserwowanym silniku szczotki w końcu ulegną uszkodzeniu. Ich zużywanie się powodowane jest w głównej mierze iskrzeniem styków, mniej zaś tarciem. Lepszej klasy silniki komutatorowe wyposażone są w kondensatory (tzw. „gaszące”), które ograniczają zjawisko iskrzenia. Silniki projektowane są także w taki sposób, aby szczotki można było wymieniać.

Zaglądamy do wnętrza silnika bezszczotkowego Przypomnij sobie, iż szczotki są potrzebne, aby zapewnić (poprzez komutator) połączenie elektryczne z uzwojeniami wirnika, który jest obracającą się częścią silnika. Gdyby jednak można było umieścić uzwojenia na nieruchomej części silnika (na stojanie), zasilanie mogłoby być do nich podłączone bezpośrednio i na stałe, zatem stosowanie szczotek byłoby zbędne.

229 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

W takim przypadku mamy do czynienia z silnikiem bezkomutatorowym i bezszczotkowym (patrz rysunek 17.8). Magnes trwały umieszczony jest na wirniku, natomiast twornik z uzwojeniami na stojanie. Nie trzeba stosować szczotek.

Rysunek 17.8. Elementy bezszczotkowego silnika wentylatorka: (od lewej) wirnik z magnesem trwałym, stojan z twornikiem, para łożysk kulkowych, sprężynka dociskowa, podkładka zabezpieczająca

Dłuższe życie bez szczotek Zazwyczaj szczotki są pierwszym elementem, który w silniku komutatorowym ulega zużyciu. Rezygnacja z nich w silniku bezszczotkowym znacząco wydłuża czas jego życia i redukuje emisję zakłóceń elektromagnetycznych. Rezygnacja ze szczotek eliminuje także iskrzenie silnika, co może być istotne w warunkach laboratoryjnych czy w niebezpiecznym otoczeniu. Z tego powodu silniki bezszczotkowe wykorzystuje się bardzo często w wentylatorach montowanych w komputerze. Taki wentylator oparty na silniku bezszczotkowym może — pomimo ciągłej pracy — „przeżyć” dłużej niż cały komputer. Nie powoduje zakłóceń elektromagnetycznych, które mogłyby zaburzyć funkcjonowanie delikatnych układów komputera.

Elektroniczna komutacja w silniku bezszczotkowym Ponieważ silnik bezszczotkowy nie ma komutatora, niemożliwe jest mechaniczne przełączanie kierunku prądu płynącego w uzwojeniach wraz z obrotami wirnika. Zamiast tego wykorzystuje się dość skomplikowany obwód elektroniczny (patrz rysunek 17.9), który monitoruje natężenie płynącego prądu albo położenie magnesu trwałego na wirniku i odpowiednio przełącza kierunek płynącego prądu.

Rysunek 17.9. Obwód sterujący dołączony do silnika bezszczotkowego

230 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Ograniczenia silników bezszczotkowych Ponieważ układy scalone i inne elementy tworzące obwód sterujący silnika bezszczotkowego wymagają napięcia zasilania o ustalonej wartości, rozrzut pomiędzy faktycznym napięciem zasilającym silnik a napięciem znamionowym nie powinien przekraczać ±15%. Silniki komutatorowe zawierają natomiast jedynie przewody (uzwojenia) i magnesy, które bezproblemowo funkcjonują w szerokim zakresie napięć dostarczanych przez zwykłe baterie czy akumulatorki. Oprócz bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących napięcia zasilającego, kolejnym problemem przy użyciu do napędzania robota silników bezszczotkowych jest ich mniejsza dostępność, wyższa cena, a także mniejsza siła, jaką dysponują (moment obrotowy). Z tych powodów w robocie prezentowanym w tej książce wykorzystałem silniki komutatorowe.

Budowa silnika komutatorowego z magnesem trwałym, ale bez rdzenia Pierwszym rodzajem silnika omawianym w tym rozdziale był silnik komutatorowy zawierający żelazny rdzeń, na którym nawinięte były uzwojenia wirnika. Istnieje także, podobna we wszelkich innych aspektach, jego odmiana pozbawiona rdzenia. Pamiętaj, że mówimy o silniku komutatorowym. Silnik bezrdzeniowy (nazywany czasem także silnikiem bez żelaza; patrz rysunek 17.10) składa się ogólnie z tych samych elementów, które zawiera silnik z rdzeniem. Także tutaj magnesy trwałe przymocowane są do stojana, choć tym razem w pobliżu jego środka zamiast przy bocznych ściankach.

Rysunek 17.10. Elementy komutatorowego silnika prądu stałego bez rdzenia magnetycznego: (od lewej do prawej) stojan z zamontowanymi w pobliżu środka magnesami trwałymi, wirnik złożony z wału, twornika, uzwojeń i komutatora oraz pokrywa silnika ze szczotkami Największa różnica dotyczy twornika. Zamiast rozdzielonych sekcji wirnika z nawiniętymi uzwojeniami tutaj twornik tworzą uzwojenia wzajemnie nakładające się na siebie. Pomiędzy wałem a uzwojeniami pozostawiono wolną przestrzeń, w której mieszczą się magnesy trwałe przytwierdzone do stojana.

Różnice między silnikiem z rdzeniem a bezrdzeniowym Po pozbyciu się ciężkiego rdzenia wirnik silnika bezrdzeniowego porusza się zwinniej. Dynamika zmian obrotów silnika jest polepszona. Brak wyraźnego podziału na sekcje wirnika zapobiega pracy skokowej; wirnik obraca się bardzo płynnie. Jednocześnie z powodu braku rdzenia w silniku nie można dobrze rozproszyć wydzielanego ciepła. Wystarczająco wysoka temperatura może zniszczyć silnik, bo ulegną stopieniu plastikowe podpory utrzymujące właściwy kształt uzwojeń. (W normalnych warunkach przegrzanie nie powinno nastąpić, o ile robot zapewnia wentylację i poziom energii zgodne ze specyfikacją podaną przez producenta silnika).

231 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Kształt uzwojeń stosowanych w silniku bezrdzeniowym zapewnia większą sprawność. W silniku z rdzeniem zakończenia zwojów znajdują się w położeniu, które powoduje, iż nie generują pola magnetycznego przydatnego do obrotu wirnika. Cienkie krawędzie uzwojeń w silniku bezrdzeniowym sprawiają, że ich „nieproduktywna” część jest bardzo mała.

Prosty obwód z silnikiem prądu stałego Komutatorowe silniki prądu stałego są niezwykle proste w użyciu. Do eksperymentów potrzebujesz jedynie silnika, baterii oraz przewodów czerwonego i czarnego z krokodylkami bądź zaciskami haczykowymi. Nie są potrzebne rezystory ani żadne inne dodatkowe elementy.

Wybór silnika Silnik powinien mieć jedynie dwa przewody czy styki w złączu. Jeśli ma ich więcej, zapewne nie jest to zwykły, komutatorowy silnik prądu stałego i nie nadaje się do naszych prób. Nieodpowiedni będzie silnik bezszczotkowy, krokowy czy serwomechanizm; zwykle można je rozpoznać, bo mają zintegrowaną płytkę z elektroniką czy więcej niż dwa przyłącza. Małe, komutatorowe silniki prądu stałego nie różnią się znacząco (patrz rysunek 17.11). Niektóre wyposażono w dłuższe przewody zasilające, inne zaś jedynie w metalowe przyłącza. Niektóre mają od razu dołączoną przekładnię czy rolkę. Pomijając jednak te kosmetyczne różnice, wszystkie te silniki nadają się do naszych testów.

Rysunek 17.11. Różne komutatorowe silniki prądu stałego Łatwo rozpoznać silnik komutatorowy prądu stałego, gdyż na etykiecie ma oznaczenie w rodzaju „DC Motor” (raczej nie należy oczekiwać oznaczeń w języku polskim), „DC 3V” czy „DC 12V”. Raczej niespotykane jest umieszczanie na etykiecie informacji, iż jest to silnik komutatorowy czy silnik z magnesami trwałymi, gdyż przyjmuje się, że tak właśnie jest, o ile etykieta nie stwierdza wyraźnie, że jest inaczej. W każdym razie silniki oznaczone „brushless” (bezszczotkowy), „servo” (serwomechanizm) czy „stepper” (silnik krokowy) nie nadają się do naszych eksperymentów. Oczywiście — dla całkowitej pewności — warto mieć notę katalogową danego silnika, choć nie jest to niezbędne.

232 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Zwykły silnik prądu stałego kupisz już za około 5 zł1, choć — oczywiście — im wyższe parametry, tym wyższa cena. Silniki takie możesz zakupić w większości sklepów z podzespołami elektronicznymi, a także w sklepach modelarskich oraz w dedykowanych sklepach dla robotyków. Możesz je wreszcie wymontować ze starych zabawek czy nieużywanego już sprzętu elektronicznego (np. silnik odpowiedzialny za przesuw taśmy w starym magnetofonie kasetowym).

Wybór baterii Musisz wykazać się odrobiną uwagi, dokonując wyboru baterii. Większość silników używanych w zabawkach projektowanych jest do pracy przy napięciu 3 V. Choć możesz podłączyć na kilkanaście sekund 3-woltowy silnik do baterii 9 V, jednak zacznie się nagrzewać (poczujesz to wyraźnie). Daj mu wtedy odpocząć minutkę pomiędzy kolejnymi uruchomieniami. Dostępnych jest także wiele mocniejszych silników przygotowanych do pracy ciągłej przy napięciu 6 V, 12 V czy 24 V i wyższym. Jeśli dysponujesz jedynie baterią 9 V, możesz jej użyć do tej próby. Jeśli masz taką możliwość, zmierz miernikiem napięcie kilku baterii 9V i wybierz taką, która jest już trochę zużyta (jej napięcie będzie niższe). Jeszcze lepiej zdobądź dwie baterie typu AA wraz z odpowiednim uchwytem (patrz rysunek 17.12); zapewnią one wymagane napięcie 3 V.

Rysunek 17.12. Dwie baterie typu AA wraz z uchwytem

Budowa prostego obwodu z silnikiem prądu stałego Schemat tego obwodu jest niezwykle prosty (patrz rysunek 17.13). B1 to zbudowane z dwóch baterii 3-woltowe źródło zasilania, a M1 to silnik komutatorowy prądu stałego. Zwróć uwagę na schemacie, iż symbol silnika prądu stałego to podkreślona litera „M” (od ang. motor) umieszczona w środku okręgu. Podłącz jeden koniec czerwonego przewodu do dodatniego wyprowadzenia baterii, a drugi jego koniec do dodatniego wyprowadzenia silnika (patrz rysunek 17.14). Jeżeli przyłącza silnika nie są oznaczone „+” i „–” (lub w inny jednoznaczny sposób), wybierz czerwony przewód wychodzący z silnika. Jeśli nie wychodzą z niego przewody (silnik ma jedynie przyłącza na pokrywie) lub żaden z nich nie jest czerwony, wybierz którykolwiek przewód czy złącze. Jeśli podłączysz silnik odwrotnie, nic wielkiego się nie wydarzy — po prostu będzie się obracał w przeciwnym kierunku.

1

Wszystkie silniki, o których tutaj mówimy, to w rzeczywistości mikrosilniki (i tak należy szukać w katalogach) o mocy nieprzekraczającej z reguły kilku watów. Tymczasem za „prawdziwe” silniki (nie „mikro”) uważa się silniki o mocy powyżej 750 W — przyp. tłum.

233 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 17.13. Schemat najprostszego obwodu z komutatorowym silnikiem prądu stałego

Rysunek 17.14. Prosty obwód z silnikiem zbudowany przy użyciu przewodów z zaciskami haczykowymi Podłącz jeden koniec czarnego przewodu do ujemnego wyprowadzenia baterii, a drugi jego koniec do ujemnego wyprowadzenia silnika. Silnik powinien zacząć się obracać! Jeśli zamienisz ze sobą przewody czarny i czerwony przy złączach baterii, silnik będzie się obracał w przeciwnym kierunku.

Podstawowe parametry silników prądu stałego Silniki prądu stałego posiadają szereg parametrów, które warto poznać. To, który z nich jest najważniejszy, zależy od tego, w jaki sposób zamierzasz wykorzystywać dany silnik. Niektóre bardziej zaawansowane dane techniczne będą mieć znaczenie dopiero wtedy, kiedy przejdziesz na wyższy stopień zaawansowania w swoim hobby.

Prędkość obrotowa silników prądu stałego Popularną jednostką pomiaru szybkości silnika jest RPM (obroty na minutę; od ang. revolutions per minute). Parametr ten określa, ile razy w ciągu minuty wał silnika (i ewentualnie wszystko, co zostanie do niego przyłączone) wykona pełen obrót.

234 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Przykładowo wskazówka sekundowa w zegarze analogowym wykonuje pełen obrót raz na minutę (patrz rysunek 17.15), czyli z prędkością 1 RPM. Jeśli chcesz „poczuć”, ile to jest 1 RPM — obserwuj zegar. Tak, to aż tak wolno!

Rysunek 17.15. Wskazówka sekundowa zegara obraca się z szybkością 1 RPM Większość silników prądu stałego obraca się z prędkościami pomiędzy 3000 RPM a 8000 RPM. W górnym zakresie oznacza to, iż wirnik silnika obróci się 8000 razy, zanim wskazówka sekundowa zegara zatoczy jedno pełne koło. To jest szybkość! Z początku może wydawać się, iż im szybciej silnik wiruje, tym lepiej, ale to nie do końca prawda. W naszym robocie podążającym wzdłuż linii, wyposażonym w stosunkowo powolnie reagujące czujniki, nadmierna prędkość może spowodować wyprowadzenie poza trasę, nim układy sterujące zdążą zareagować. Z drugiej strony, zbyt mała szybkość może uśpić Twoją widownię. Silniki w „Kanapce” pracują z szybkością około 137 RPM. Choć silniki prądu stałego wirują nominalnie z prędkościami liczonymi w tysiącach obrotów na minutę, jednak istnieją wygodne techniki służące zmianie prędkości wyjściowej. W rzeczywistych warunkach projektanci rzadko zmuszeni są, aby dostosować się do bazowej prędkości silnika. Informacje o skutecznej metodzie modyfikacji szybkości obrotowej silnika, czyli o przekładniach redukcyjnych, znajdują się na końcu tego rozdziału. Koła napędowe w robotach pracują zwykle z szybkościami z zakresu od 40 RPM (precyzyjny ruch) do 250 RPM (bardzo szybka jazda). Wentylatory wirują z prędkościami pomiędzy 3000 RPM a 6500 RPM. Ręce robota czy czujniki kierunkowe obracają się zazwyczaj z prędkościami znacznie mniejszymi niż 60 RPM.

Pomiar prędkości obrotowej silnika Mocując do wirnika kawałek taśmy czy tarczę z zamalowaną jedną połową (patrz rysunek 17.16), możesz policzyć, ile obrotów wykonuje wał w ciągu minuty. W zależności od koordynacji między Twym mózgiem a okiem oraz Twojej zdolności koncentracji prawdopodobnie będziesz w stanie policzyć gołym okiem prędkości nie większe niż 120 RPM. Nawet silnik z zabawki zasilany napięciem 3 V szybko sprawi, że obraz się rozmaże. Za pomocą urządzenia zwanego tachometrem (obrotomierzem) możesz z dużą dokładnością zmierzyć prędkości dochodzące nawet do dziesiątek tysięcy RPM. Większość samochodów wyposażono w obrotomierz wbudowany w tablicę wskaźników. Wskaźnik posiada zwykle skalę od 0 do 8, przy czym część tarczy pomiędzy 6 a 8 zaznaczona jest na czerwono. Pomnóż wskazywaną wartość przez 1000, aby otrzymać obroty w RPM. Wskaźnik obrotów pokazuje zatem wartości w przedziale od 0 RPM do 8000 RPM.

235 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 17.16. Czarno-białe tarcze i pasek taśmy mogą pomóc w obliczeniu prędkości obrotowej silnika „Dotykowe” obrotomierze połączone są fizycznie z wałem silnika, co może zmniejszać prędkość obrotów i zaburzać wyniki pomiarów. Obrotomierze „bezkontaktowe” do wykrywania obrotów wykorzystują zwykle czujniki optyczne. Niektóre tachometry bezkontaktowe, takie jak umieszczane na masce samochodu w czasie pomiarów głośności silnika, wykorzystują do pomiaru spodziewaną częstotliwość drgań. Na rysunku 17.17 pokazuję silnik prądu stałego wirujący z prędkością 4038 RPM, co zmierzono przy użyciu obrotomierza własnej roboty. Silnik obraca w połowie czarną, w połowie białą tarczę zamocowaną na wale. Wygląd nieruchomej tarczy przedstawiam na prawej części rysunku 17.16.

Rysunek 17.17. Własnej roboty tachometr wykorzystany do pomiaru prędkości obrotowej silnika prądu stałego Tachometr oświetla wirującą tarczę za pomocą diody świecącej. Odnotowuje przejście od jasnej do ciemnej jej części, obserwując przy użyciu czujnika optycznego zmianę ilości światła od niej odbitego. Odpowiedni układ zlicza czas potrzebny do wykonania pełnego obrotu tarczy (przejście od jasnego do ciemnego i z powrotem). Następnie w oparciu o ten wynik można matematycznie wyliczyć obroty silnika. Prosty ręczny tachometr z wejściem optycznym można dziś nabyć za około 100 zł. Bardziej profesjonalne konstrukcje kosztują od ok. 500 zł do nawet kilku tysięcy zł.

Masa mocująca pomaga w zabawach z silnikiem Masa mocująca to substancja na bazie gumy podobna do plasteliny (patrz rysunek 17.18). Ta wielokrotnego użytku masa ma dobrą przyczepność, jednak nie wysycha i rzadko pozostawia resztki na klejonych przedmiotach i powierzchniach. Jej podstawowe zastosowanie to przyklejanie plakatów, zdjęć czy drobnych przedmiotów do gładkich powierzchni, takich jak np. ściany.

236 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Rysunek 17.18. Masa mocująca wykorzystywana przeze mnie do mocowania tarczy tachometru do wału silnika Odkryłem, że masa ta doskonale nadaje się do mocowania silników w trakcie prób. Pozwala także szybko przymocować tarczę testową do wału dowolnego silnika. Jeśli się przyjrzysz, zauważysz, iż użyłem jej w obydwu tych zastosowaniach na górnej i dolnej części silnika na rysunku 17.17. Oczywiście, masa mocująca jest zbyt miękka, aby za jej pomocą mocować silniki na stałe. Masę mocującą można zakupić w większości sklepów i stoisk z artykułami biurowymi. Najczęściej spotykane kolory to biały i żółty.

Przeliczanie obrotów na minutę na jednostki metryczne W układzie metrycznym jednostką prędkości kątowej jest radian na sekundę (rad/s). Choć jednostka ta raczej nie pojawia się w broszurach czy reklamach, jednak czasem podawana jest w notach katalogowych. W silnikach zarówno obroty na minutę, jak i radiany na sekundę mierzą ten sam parametr, jednak to ta druga wartość jest jednostką ogólnie przyjętą w systemie metrycznym. Aby zamienić wartość wyrażoną w RPM na wartość wyrażoną w rad/s, należy pomnożyć ją przez 0,10472 (co stanowi w przybliżeniu wartość π/30). RPM × 0,10472 = rad/s 137 RPM (silniki „Kanapki”) × 0,10472 = 14,34664 rad/s Aby zamienić wartość wyrażoną w rad/s na wartość wyrażoną w RPM, należy pomnożyć ją przez 9,54929 (co stanowi w przybliżeniu wartość 30/π). rad/s × 9,54929 = RPM 14,34664 rad/s (silniki „Kanapki”) × 9,54929 = 137 RPM

Moment obrotowy silników Moment obrotowy określa siłę, z jaką silnik jest może się obracać. Oznacza to, jak duże obciążenie (opór) silnik może pokonać. Moment obrotowy to bardzo istotny parametr, gdyż determinuje, jak ciężki może być robot, jak stromą pochyłość jest w stanie pokonać, czy też jak wiele robot może uciągnąć lub popchnąć. Szybkość i moment obrotowy to nie to samo. Elektryczny śrubokręt posiada bardzo duży moment obrotowy, aby wkręcić czy wykręcić wkręt z twardego materiału. Jednak prędkość obrotów jest raczej niewielka, gdyż końcówka wkrętaka mogłaby wyślizgnąć się z otworu w główce wkręta.

237 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Porównaj teraz elektryczny śrubokręt z komputerowym wentylatorkiem. Wentylatorek obraca się bardzo szybko, ale jego łopatki można bardzo łatwo przyblokować czy zatrzymać (mały moment obrotowy). A teraz pomyśl o pile tarczowej; dysponuje ona zarówno dużą prędkością, jak i znacznym momentem obrotowym.

Znaczenie odległości w momencie obrotowym Łatwiej utrzymać przedmiot przy ciele niż utrzymać przedmiot rozłożonymi rękoma. Dlatego też, mierząc moment obrotowy, należy uwzględnić zarówno to, jak duży ciężar będzie obracamy, ale także to, jak daleko się znajduje. Moment obrotowy (moment siły) wyrażamy w niutonometrach (N · m). Kropkę pomiędzy „N” a „m” często się pomija. Moment obrotowy wyrażany jest także w wielu innych jednostkach pochodnych, jednak w rzeczywistości mierzą one ten sam parametr. Zamiast niutonów (N) mogą pojawiać się miliniutony (mN), a zamiast metrów (m) centymetry (cm) lub milimetry (mm). W katalogach spotyka się także (choć rzadko) jednostkę kilogram-siła razy metr oznaczaną kgf-m (w Polsce poprawne oznaczenie to kG × m). W tabeli 17.1 zebrałem najczęściej spotykane jednostki opisujące moment obrotowy oraz sposób ich przeliczenia na niutonometry. Aby przykładowo porównać moment obrotowy silnika oznaczonego 0,5 kgf-m oraz moment silnika 4 Nm, należy tę pierwszą wartość pomnożyć przez 9,806650029: otrzymamy wartość 4,9033250145 Nm. Z obliczeń tych wynika, iż silnik 0,5 kgf-m dysponuje większym maksymalnym momentem obrotowym niż silnik 4 Nm. Tabela 17.1. Przeliczanie momentów obrotowych wyrażonych w innych jednostkach na standardowe niutonometry (Nm) Jednostka wejściowa

Mnożnik

Jednostka wyjściowa

kgf-m

× 9,806650029

= N·m

kgf-cm

× 0,098066500

= N·m

gf-cm

× 0,0000980665

= N·m

N·cm

× 0,01

= N·m

mN·m

× 0,001

= N·m

W tabeli 17.2 przedstawiam konwersję odwrotną: z momentu obrotowego wyrażonego w niutonometrach na inne, najczęściej spotykane jednostki. Przykładowo porównując moment obrotowy silnika o wartości 2,5 Nm z momentem innego silnika o wartości 20 kgf-cm, możemy pomnożyć 2,5 Nm przez 10,1971621: otrzymamy 25,49290525 kgf-cm. Zatem to pierwszy z tych silników dysponuje większym maksymalnym momentem obrotowym. Tabela 17.2. Przeliczanie momentów obrotowych wyrażonych w niutonometrach (Nm) na inne, najczęściej spotykane jednostki Jednostka wejściowa

Mnożnik

Jednostka wyjściowa

N·m

× 0,101971621

= kgf-m

N·m

× 10,1971621

= kgf-cm

N·m

× 10197,1621

= gf-cm

N·m

× 100

= N·cm

N·m

× 1000

= mN·cm

238 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Uważam jednostkę gf-cm (gram-siła razy centymetr) jako najwygodniejszą do stosowania przy małych robotach. W tabeli 17.3 zamieściłem przeliczniki z innych, popularnych jednostek wyrażania momentu obrotowego na gf-cm. (Te same wyniki możesz uzyskać, zamieniając najpierw przy użyciu tabeli 17.1 wartość w danej jednostce na niutonometry, a następnie za pomocą tabeli 17.2 zamienić Nm na gf-cm). Tabela 17.3. Przeliczanie momentów obrotowych wyrażonych w innych jednostkach na gf-cm Jednostka wejściowa

Dzielnik

Jednostka wyjściowa

kgf-m

/ 100 000

= gf-cm

N·m

/ 10 197

= gf-cm

kgf-cm

/ 1000

= gf-cm

N·cm

/ 102

= gf-cm

mN·m

/ 10,2

= gf-cm

Ramię siły Pełna puszka napoju gazowanego waży około 380 gramów. Silnik o momencie obrotowym 380 gf-cm jest w stanie obrócić przedmiot o masie 380 g zamocowany do wału na ramieniu o długości 1 cm (380 gf × 1 cm = 380 gf-cm). Oczywiście, działanie momentu obrotowego nie jest ograniczone do ramienia o długości 1 cm. Typowa bateria 9 V waży nieco ponad 38 g. Ten sam silnik może obrócić przedmiot o masie 38 g zamocowany na ramieniu o długości 10 cm (38 gf × 10 cm = 380 gf-cm). Zatem możliwe jest użycie większej masy przy krótszym ramieniu bądź mniejszej masy przy dłuższym ramieniu. Trzeba jednak mieć na uwadze, by iloczyn tych dwóch wartości nie przekraczał maksymalnego momentu obrotowego dla danego silnika. Ma to całkowicie praktyczne znaczenie. Jeśli wyposażysz robota w ramię, którego nie będzie w stanie poruszyć, możesz albo zastosować silnik o wyższym maksymalnym momencie obrotowym, albo skrócić długość ramienia, albo zredukować masę. Przykład z puszką napoju nie jest do końca precyzyjny, gdyż puszka sama w sobie ma wymiary znacznie przekraczające 1 cm w dowolnym kierunku. W warunkach rzeczywistych musisz zwrócić uwagę, aby prawidłowo określić siłę dla przedmiotów o znaczących wymiarach czy nieregularnym kształcie. I wreszcie, przy obliczaniu momentu obrotowego należy przyjmować odległość od środka ciężkości danego przedmiotu.

Wyliczanie momentu obrotowego wymaganego przez robota Prawidłowe wyliczenie minimalnego momentu obrotowego potrzebnego do poruszania robota to zadanie dość złożone. Należy uwzględnić położenie masy, to, czy się ona przemieszcza (względem źródła momentu, czyli tutaj wału silnika), nachylenie pochyłości, na jakie robot ma się wspiąć, czy wreszcie inne działające przeciw niemu siły (np. atakujący przeciwnik dla robotów sumo). Na szczęście, moment obrotowy nie jest istotnym ograniczeniem przy silnikach napędzających koła małych robotów pokroju „Kanapki”. Jeśli ich prędkość obrotowa (RPM) i inne parametry (cena, dostępność, wymiary, waga, napięcie zasilania) będą odpowiednie, najprawdopodobniej moment obrotowy także będzie wystarczający. Zawsze możesz rozpocząć testy z jednym modelem silnika, a później wymieniać go na inne o większym lub mniejszym maksymalnym momencie obrotowym tak długo, aż będziesz całkowicie zadowolony z efektów. Porównaj deklarowane wartości momentu obrotowego, używając w razie potrzeby tabel zamieszczonych w tym rozdziale. Większa niż wymagana wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika nie jest problemem, o ile inne jego parametry odpowiadają Twoim potrzebom. Lepiej nawet pozostawić sobie pewien margines bezpieczeństwa, stosując silnik o nieco wyższym momencie. Jeśli silnik jest w stanie zapewnić w ciągłej pracy moment obrotowy trzy- czy czterokrotnie przewyższający Twoje potrzeby, to nie tylko będzie mniej się nagrzewał i pracował bardziej skutecznie, ale również zapewni Ci zapas mocy, jeśli zdecydujesz się dodać do robota nowe elementy czy dodatkowe obciążenie.

239 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Miej na uwadze, iż inne elementy robota (koła, przekładnie, pasy transmisyjne, rama) mogą ulec uszkodzeniu, jeśli nie będą mieć wystarczającej wytrzymałości, aby znieść siły działające w robocie. Zatem nawet przy dobrze dobranym silniku wytworzoną siłę trzeba odpowiednio przenieść przez koła, pasy transmisyjne czy nogi robota.

Charakterystyka napięciowa silnika prądu stałego W ulotkach i notach katalogowych parametry silników podawane są „przy napięciu nominalnym”. Jest to napięcie, jakim według producenta silnik powinien być zasilany. Typowe napięcia pracy silników prądu stałego to 3 V, 6 V, 12 V, 18 V i 24 V. Większe silniki (nie mikro-) pracują często przy jeszcze większych napięciach. Większość komutatorowych silników prądu stałego może pracować przy napięciu wahającym się w granicach od 50% do 125% napięcia nominalnego. Przykładowo silnik 12 V powinien poradzić sobie przy napięciach od 6 V do 15 V. Poniżej 50% napięcia nominalnego silnik może się nie obracać. Powyżej pewnego napięcia może się przegrzać, a nawet uszkodzić. Wiele laboratoryjnych czy wysoce precyzyjnych silników może pracować już przy 10% napięcia nominalnego. Z drugiej strony, wiele silników używanych w robotach przeznaczonych do walk zasilanych jest napięciem sięgającym 200% ich napięcia nominalnego. Postaraj się wybrać silnik, którego napięcie pracy jak najlepiej odpowiada napięciu Twojej baterii. Jeśli nie jesteś wyjątkowo sprawnym konstruktorem, nie projektuj robota zasilanego baterią 9 V, a napędzanego silnikiem o nominalnym napięciu 3 V. Tak samo zresztą nie ma sensu budowa robota z baterią 3 V i silnikami na 24 V.

Zależność pomiędzy napięciem a prędkością silnika Im większe napięcie, tym większa szybkość obrotów silnika, aż do granicy jego możliwości. Jeśli przykładowo Twój silnik zasilany napięciem 12 V obraca się trochę zbyt wolno, spróbuj go zasilić napięciem 14 V. Jeśli jest zbyt szybki, spróbuj 9 V. Szybkość obrotów zmienia się wprost proporcjonalnie do napięcia zasilania. Na rysunku 17.19 zamieściłem wykres przedstawiający wyniki testów silnika marki escap (produkcji firmy Portescap). Wzrost napięcia zasilania o 1,5 V przekłada się na wzrost prędkości obrotowej o około 530 RPM. Naturalnie dla innych silników przyrost prędkości będzie inny.

Rysunek 17.19. Wykres obrazujący liniową zmianę prędkości obrotowej 26 mm silnika escap wraz ze wzrostem napięcia zasilania

240 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Silnik ten zdobyłem z drugiej ręki, nie wiem więc, jakie jest jego napięcie nominalne. Przy założeniu, że jest to 12 V, oznacza to, iż ten wysokiej klasy silnik pracował poprawnie w zakresie od 12,5% do 150% swojego napięcia znamionowego. Chciałem przeprowadzić test aż do granicy 200% napięcia nominalnego, lecz wspominana przeze mnie wcześniej masa mocująca przytrzymująca silnik zaczęła fruwać po całym pokoju, gdy osiągnął 6000 RPM. Niestety, sterowanie szybkością obrotów poprzez zmianę napięcia może się udać w tak prostym obwodzie jedynie w przypadku, gdy masz możliwość wymiany i dołączania różnych baterii. Co więcej, aby zapewnić obroty na poziomie 137 RPM wymagane przez „Kanapkę”, mój silnik escap musiałby być zasilany napięciem około 0,39 V. Istnieją zdecydowanie lepsze metody zmiany prędkości silnika (przekładnie, sterowanie impulsami o zmiennym wypełnieniu) niż proste sterowanie poziomem dostarczanego do niego napięcia.

Trzeba uważać na zależność pomiędzy napięciem a prędkością Gdy robot się przemieszcza, baterie się wyczerpują. Spada wtedy także ich napięcie. Zgodnie z tym, czego się właśnie dowiedziałeś, wraz ze spadkiem napięcia maleje szybkość obrotów silnika. Dla wielu robotów spadek prędkości nie będzie miał istotnego wpływu na działanie. Robot podążający wzdłuż linii będzie dalej działał. Co więcej, być może będzie nawet lepiej pokonywać ostrzejsze zakręty i trudniejsze trasy, dlatego że jego układy sterujące będą miały nieco więcej czasu na reakcję. Dla innych robotów spadek prędkości może jednak okazać się katastrofą. Robot odtwarzający zaprogramowaną trasę, wykonując skręty w zadanych odstępach czasu, nie będzie dłużej funkcjonował poprawnie, gdyż wolniejszy ruch sprawi, że w danym odcinku czasu nie będzie już w stanie przejechać takiej odległości jak wcześniej. Zaawansowane układy sterujące mogą przeciwdziałać spadkowi prędkości, np. poprzez uwzględnienie informacji zwrotnej, gdy koło faktycznie obróci się.

Charakterystyka prądowa silnika prądu stałego Przypomnij sobie, iż natężenie prądu płynącego w obwodzie ma bezpośredni wpływ na szybkość wyczerpywania się baterii. Uważaj! Silniki elektryczne to prawdziwe pijawki! Możesz godzinami dobierać rezystory ograniczające w swoich obwodach z diodami świecącymi. Będziesz dumny, że zaoszczędziłeś po kilka mA tu i tam. A wtedy odkryjesz, że pojedynczy silnik zużywa więcej energii niż cała reszta robota razem wzięta. Większe silniki prądu stałego wymagają prądu liczonego w amperach, powiedzmy od 0,5 do setek amperów. Silniki małych robotów (pokroju „Kanapki”) potrzebują ułamka tych wartości. Typowo od 4 mA do 250 mA na jeden silnik. Istotną różnicę stanowi jakość silnika. Przykład z życia: silnik wymontowany z zabawki, zasilany napięciem 3 V (patrz rysunek 17.20) pobierał 125 mA, podczas gdy mój silnik escap pobierał jedynie 4,5 mA. Przy 12 V silnik escap zapewniał znakomitą prędkość i moment obrotowy, choć pobierał jedynie 7 mA. Żeby być do końca uczciwym, trzeba przyznać, że silnik escap kosztuje 10 razy więcej, waży 2,5 krotnie więcej, przy 3 V oferuje 4 razy mniejsze obroty, a także jest dłuższy o 25% od silnika wymontowanego z zabawki. Mimo to, tak niski pobór prądu (od 4 mA do 7 mA) jest niezwykle atrakcyjny.

Poznajemy fazy pracy o znacząco różnym poborze prądu Natężenie pobieranego przez silnik prądu zmienia się znacząco w trakcie jego pracy. Jak się wkrótce przekonasz, natężenie prądu przepływającego w czasie rozruchu czy zablokowania silnika jest wyraźnie inne niż w momencie pracy bez obciążenia czy też pod normalnym obciążeniem.

241 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 17.20. Mój silnik escap (po lewej) oraz silnik wymontowany z zabawki (po prawej)

Prąd rozruchowy Z przedstawionego wcześniej w tym rozdziale rysunku pokazującego elementy składowe silnika wynika, iż silnik komutatorowy nie zawiera żadnych rezystorów czy innych elementów tego typu. Gdybyś podłączył do wyprowadzeń nieruchomego silnika (wirnik się nie obraca) miernik ustawiony w tryb pomiaru rezystancji (tak jak mierzyłeś wcześniej rezystory), przekonałbyś się, że silnik ma jakąś rezystancję. „ Uwaga: Nie zawsze da się dokładnie zmierzyć miernikiem rezystancję uzwojeń złożonego silnika. Jeśli szczotki są zanieczyszczone, nie zapewniają dobrego kontaktu z komutatorem lub też silnik jest mechanicznie obciążony, wyniki pomiarów mogą się znacząco różnić.

Choć przewody zazwyczaj można traktować tak, jakby nie miały rezystancji, jednak w silnikach długość przewodów tworzących uzwojenia jest na tyle duża, że zaczynają się zachowywać jak rezystor. Duże silniki mają zazwyczaj uzwojenia wykonane z grubego drutu, więc ich rezystancja jest wtedy niewielka, zwykle poniżej 1 Ω. Jednakże uzwojenia w małych silnikach wykonane są z bardzo cienkiego drutu, który ma nieco większą rezystancję. Rezystancja takich silników zawiera się zwykle w przedziale od 6 Ω do 150 Ω. Gdy do szczotek nieruchomego silnika zostanie przyłożone napięcie, jedyny opór przepływowi prądu stawiają uzwojenia wirnika. Oto wzór na najgorszy przypadek: (napięcie baterii V / rezystancja uzwojeń wirnika Ω) × 1000 = maksymalny prąd mA przykład dla silnika escap: (bateria 12 V / rezystancja uzwojeń 16,4 Ω) × 1000 = 732 mA Na szczęście, nie jest aż tak źle. Uzwojenia wirnika cechuje parametr znany jako indukcyjność, która nie dopuszcza do gwałtownej zmiany prądu w obwodzie. Zatem choć w czasie rozruchu następuje gwałtowny skok natężenia prądu (patrz rysunek 17.21), nie jest aż tak źle, jakby to wynikało z przytoczonego prostego wzoru. Skokowa zmiana obciążenia baterii może stanowić problem dla pozostałych układów elektronicznych do niej dołączonych. Gdy bateria zasila startujące silniki, diody świecące czy układy scalone mogą przez chwilę cierpieć na niedobór mocy. Istnieją proste rozwiązania, takie jak np. dodawanie kondensatorów, które zapewniają lokalne magazynowanie energii na wypadek chwilowego jej niedoboru. W zależności od konkretnego silnika natężenie prądu rozruchowego opada do poziomu prądu jałowego w czasie około 1/10 sekundy.

242 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Rysunek 17.21. Zarejestrowany oscyloskopem obraz przepływu prądu przez silnik escap

Prąd biegu jałowego (bez obciążenia) Gdy obroty silnika zbliżają się do właściwej wartości wynikającej z napięcia zasilania, natężenie pobieranego prądu maleje. Dlaczego? Ponieważ łatwiej jedynie podtrzymywać obroty silnika, niż ruszyć go z miejsca za pierwszym razem. Weźmy jako przykład mój silnik escap. Na początku zużywa się wiele prądu, aby rozkręcić go od 0 do 4000 RPM. Jednak później wirnik obraca się już z oczekiwaną prędkością, a jednocześnie nabiera pewnej bezwładności. W tym momencie jedyne stałe zapotrzebowanie na energię wynika z konieczności zniwelowania strat związanych z tarciem, drganiami, szumami czy iskrzeniem. Powiedzmy, że po wyłączeniu napięcia obroty silnika w ciągu 1/10 sekundy spadłyby do 3900 RPM. Zatem w tej 1/10 sekundy ten sam silnik, cały czas zasilany, potrzebuje jedynie tyle energii, aby zwiększyć obroty z 3900 RPM do 4000 RPM, nie zaś od 0 do 4000 RPM. Z pewnością mniej energii potrzeba, aby przyspieszyć o 100 RPM niż o 4000 RPM; dlatego właśnie obracający się silnik zużywa mniej energii niż silnik, który dopiero startuje. Gdy silnik nabierze prędkości wynikającej z przyłożonego napięcia zasilania, a jego wał nie jest do niczego podłączony, mamy do czynienia z biegiem jałowym (bez obciążenia). Natężenie prądu płynącego przez silnik nazywamy prądem biegu jałowego (lub niekiedy skrótowo prądem jałowym). Jest to najmniejsza ilość prądu, jaką może pobierać silnik. Prąd biegu jałowego łatwo zmierzyć. Ustaw swój miernik w tryb pomiaru natężenia prądu stałego (tak jak to robiłeś przy pomiarach prądu w obwodzie z diodą świecącą) i podłącz go pomiędzy silnikiem a baterią. Gdy po sekundzie czy dwóch wartość na wyświetlaczu się ustabilizuje, będzie to właśnie prąd jałowy. Silnik escap ma przy napięciu 12 V prąd jałowy na poziomie znikomych 7 mA. To tak, jakby rezystancja uzwojeń zmieniła się z 16,4 Ω przy wyłączonym silniku do 1714 Ω przy biegu jałowym. Odpowiedzialna za to jest niemal magiczna moc nazywana fachowo indukowaną siłą elektromotoryczną (która powstaje w wyniku ruchu uzwojeń wirnika w polu magnetycznym wytworzonym przez magnesy stałe), ograniczającą przepływ prądu do poziomu niezbędnego, aby utrzymać pracę silnika. Istotny do zapamiętania jest fakt, iż już rozpędzony silnik pobiera mniej energii (pobiera prąd o niższym natężeniu), niż potrzeba jej, aby silnik dopiero rozkręcić. Prąd płynący w już rozpędzonym, nieobciążonym niczym silniku to właśnie prąd jałowy.

Prąd obciążenia (znamionowy) W miarę zwiększania obciążenia przykładanego do wału silnika, np. przez dołączenie kół czy zmuszenie robota do jazdy pod górę, rośnie również płynący przez niego prąd. Nawet dołączenie tarczy do pomiaru prędkości obrotowej wnosi dodatkowe obciążenie na tyle, iż silnik zaczyna pobierać nieco więcej prądu. Zwiększone natężenie płynącego prądu utrzymuje się tak długo, jak długo silnik jest obciążony. Gdy usuniemy obciążenie, natężenie płynącego prądu z powrotem maleje.

243 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Prąd blokowania Wraz ze wzrostem momentu obrotowego, wymaganego aby obrócić coraz większą czy stawiającą coraz większy opór masę, rośnie też prąd pobierany przez silnik. W końcu nadchodzi moment, gdy silnik nie jest już w stanie sprostać obciążeniu i przestaje się obracać. Przepływający wówczas przez niego prąd nazywa się prądem blokowania. Ponieważ silnik jest mechanicznie zablokowany i nie obraca się, nie jest w nim indukowana siła elektromotoryczna powstająca w momencie ruchu uzwojeń względem magnesów trwałych, która mogłaby ograniczać natężenie płynącego prądu. Silnik nie osiąga obrotów wynikających z poziomu przyłożonego napięcia i jednocześnie pobiera znaczny prąd, gdyż różnica pomiędzy obrotami oczekiwanymi a faktycznymi (0 — brak obrotów) jest znaczna. Zablokowanie to najgorszy stan silnika! Przy zablokowaniu jedynym czynnikiem ograniczającym przepływ prądu jest rezystancja uzwojeń. W moim silniku escap po zablokowaniu wirnika natężenie prądu poszybowało od 7 mA do poziomu 600 mA. Nie wpływa to dobrze na żywotność baterii, lecz jeszcze gorzej działa na silnik. Dostarczona do silnika energia elektryczna w żadnej części nie jest zamieniana na energię mechaniczną (obrót wirnika), lecz w całości przemienia się w ciepło. Jeśli stan zablokowania będzie trwał zbyt długo, silnik może ulec uszkodzeniu na skutek przegrzania. To tłumaczy, dlaczego ludzie budujący roboty pędzą, by ratować swoje dzieła, gdy te utkną na nodze od krzesła czy ścianie. Jeśli koła się nie obracają, choć silnik otrzymuje napięcie, mamy do czynienia z jego zablokowaniem. Robota można zaprojektować tak, aby kontrolował obroty swych kół i w razie zablokowania dozował, odwracał albo całkowicie odcinał zasilanie silników, gdy koła się nie obracają. Bezpieczniki topikowe albo samozerujące mogą odcinać zasilanie po wykryciu przepływu nadmiernie dużego prądu spowodowanego przedłużającym się zablokowaniem. Odpowiednie chłodzenie może pomóc silnikom w trakcie krótkotrwałego zablokowania. Przy wyborze odpowiednio mocnego silnika uzyskany margines bezpieczeństwa w zakresie maksymalnego momentu obrotowego powinien być wystarczający, aby zapobiec blokowaniu silnika w przypadku spodziewanych w czasie jego pracy obciążeń.

Analiza poboru prądu przez silniki Oto kilka przemyśleń dotyczących przygotowania się na obciążenia wnoszone przez silniki. Układy scalone zastosowane w robocie powinny funkcjonować poprawnie nawet w momencie odpływu energii spowodowanego rozruchem silnika. Zazwyczaj oznacza dodanie kondensatorów. W „Kanapce” jednak użyłem jedynie pojedynczego układu komparatora, który — wg noty katalogowej — takiego kondensatora nie wymaga. Jeśli silniki robota są często włączane i wyłączane (tak jak to ma miejsce w robocie podążającym wzdłuż linii), możesz założyć, iż baterie będą szybciej się wyczerpywać w związku z częstym występowaniem prądu rozruchowego. Cóż, tak bywa. Jeśli natomiast silniki pozostają włączone przez długie okresy, wpływ prądów rozruchowych jest mało istotny. Prąd jałowy wskazuje, jaki jest najmniejszy możliwy prąd pobierany przez silnik. Jest to jeden z wielu parametrów służących porównywaniu silników, jednak bieg jałowy jest stanem mało przydatnym przy obliczaniu żywotności baterii. Parametrem znacznie bardziej wartościowym dla określania żywotności baterii i emisji ciepła jest prąd pod obciążeniem. Oczywiście, nim będziesz w stanie go zmierzyć, Twój robot będzie niemal gotowy z zamontowanymi już silnikami i kołami. Będziesz wyglądał też nieco dziwnie, ganiając po domu za robotem z włączonym miernikiem. Solidne roboty powinny być zaprojektowane w taki sposób, aby w sposób ciągły dostarczyć prąd o natężeniu większym niż suma prądów rozruchowych czy prądów zablokowania wszystkich silników. W ten sposób uwzględnia się najgorszy możliwy scenariusz. Wpływ tych wymagań na projekt jest nieznaczny; po prostu baterie i elektronika muszą być nieco mocniejsze, a silnikom należy zapewnić odpowiednią wentylację. Robot, nad którego konstrukcją spędzasz dziesiątki, jeśli nie setki godzin, będzie w ten sposób konstrukcją bezpieczną i wytrzymałą.

244 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Sprawność silnika prądu stałego Niezależnie od tego, jak efektywnie robot wykorzystuje swoje silniki, sam silnik cechuje się parametrem nazywanym sprawnością, który określa jego zdolność do zamiany energii elektrycznej w mechaniczną. Dobrze zaprojektowane silniki mogą mieć sprawność rzędu 90%. To oznacza, iż niemal cała dostarczona energia zamieniana jest w możliwy do wykorzystania ruch, a jedynie 10% jest tracone. Stracone 10% energii może przybierać różne formy, takie jak zakłócenia, drgania, iskrzenia (światło, dźwięk, ciepło, fizyczne uszkodzenia) czy pole magnetyczne. Zdecydowanie najwięcej energii ucieka w postaci ciepła. Dlatego też silniki o większej sprawności nie tylko zapewniają dłuższą pracę robota na jednej baterii, ale także nie grzeją się nadmiernie. Ponieważ właśnie silniki pochłaniają największą część energii zasilającej robota, sprawniejsze silniki mogą okazać się warte dodatkowych pieniędzy. Dzięki nim robot będzie mógł funkcjonować dłużej, nim trzeba będzie wymienić baterię czy doładować akumulator. Sprawność silników w zabawkach utrzymuje się zwykle na poziomie rzędu 30% lub nawet mniej. Dobrej klasy, precyzyjne silniki, takie jak escap czy Maxon, mogą osiągać sprawność 75% i więcej. Nota katalogowa danego silnika zawiera odpowiednią wartość wraz z wykresem sprawności przy różnych prędkościach i obciążeniach. Zwykle silniki zapewniają największą sprawność, gdy obciążone są około połową maksymalnego momentu obrotowego.

Głośność silnika Piszczenie silnika może być bardzo denerwujące. Być może wystarczy zwykłe smarowanie łożysk. Może też okazać się, że silnik jest uszkodzony albo jego elementy uległy zużyciu. W każdym wypadku zgrzytanie czy piski silników mogą popsuć dobre wrażenie, jakie Twój robot sprawia. Zanim zamówisz większą ilość silników danego typu, warto wypróbować kilka sztuk, aby się upewnić, że nie mają niewymienionych w reklamie wad, takich jak np. właśnie dziwne odgłosy pracy.

Smarowanie wirnika Piszczenie silnika można często ograniczyć (przy okazji zyskać na osiągach), wpuszczając odrobinkę oliwy w miejsca, gdzie wał opiera się o obudowę silnika. Zwykle są to miejsca z przodu i z tyłu obudowy, w których wał przez nią przechodzi. Nie stosuj oliwy czy innych smarów, kiedy silnik działa poprawnie, gdyż jego fabryczne smarowanie może mieć specjalny skład chemiczny lub nie komponować się dobrze z środkiem wybranym przez Ciebie.

Zakłócenia (szumy) elektryczne wnoszone przez silnik prądu stałego Szum elektryczny to nie to samo, co słyszalne szumy i trzaski. Szumy elektryczne (stanowiące rodzaj zakłóceń sygnału) przejawiają się jako gwałtowne wahania napięcia w dołączonym obwodzie czy też elementach położonych w pobliżu źródła zakłóceń. Najczęściej dostrzeganym przez ludzi przejawem szumów elektrycznych są paski pojawiające się na ekranie telewizora analogowego, gdy ktoś w pobliżu włączy odkurzacz. Szumy mogą stanowić poważny problem w konstrukcji robota. Zakłócenia mogą zniekształcić informacje przesyłane pomiędzy elementami na płytce drukowanej. Układy scalone mogą wyzerować swój stan, tak jakby zostały odłączone i ponownie dołączone do zasilania. Płytka dotknięta problemem zakłóceń nie musi wcale znajdować się w bezpośredniej bliskości wprowadzającego szumy silnika. Gdy układy elektroniczne i silniki wykorzystują wspólne źródło zasilania (baterię), zakłócenia mogą się przenosić przez linie zasilające do wszystkich dołączonych układów i płytek drukowanych. Silniki o większej skuteczności wytwarzają zwykle mniej zakłóceń. (Podobnie jak silniki wyposażone we wbudowany kondensator). Na rysunku 17.22 przedstawiam (na przykładzie silnika wyjętego z zabawki) wiele impulsów generowanych poprzez dołączanie i odłączanie szczotek od segmentów komutatora.

245 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 17.22. Zarejestrowany oscyloskopem przebieg natężenia prądu płynącego w silniku wyjętym z zabawki Niewielkie odchylenia (szumy) występują nawet przy wyłączonym zasilaniu, ale warto porównać ich wielkość z tymi przy biegu jałowym. Wróć raz jeszcze do rysunku 17.21 i zaobserwuj, jak niewielkie są szumy przy biegu jałowym silnika escap — szczególnie wtedy, gdy porównasz je do szumów przy wyłączonym silniku (na tym samym rysunku). Kondensatory chroniące układy scalone w trakcie rozruchu silnika mogą także tłumić zakłócenia elektryczne generowane w trakcie normalnej jego pracy. Niektórzy projektanci robotów idą o krok dalej i zapewniają osobne baterie do zasilania silników i układów elektronicznych. W celu pełnego rozdzielenia obwodów i uniknięcia jakichkolwiek połączeń elektrycznych pomiędzy nimi (czyli zapewnienia tzw. izolacji galwanicznej) sygnały sterujące przekazywane są za pomocą specjalnych łączników optycznych (np. tzw. transoptorów). Do niedawna żaden z moich robotów nie miał problemów spowodowanych zakłóceniami generowanymi przez silniki. Na moich płytkach drukowanych pojawia się zwykle wiele kondensatorów, mam także zwyczaj wybierać silniki lepszej jakości, jeśli to tylko możliwe. Może to także być efektem tego, iż moje roboty są całkiem małe, więc ilość zmarnowanej energii zamieniana w zakłócenia jest na tyle niewielka, że nie jest w stanie zakłócić pracy nowoczesnych układów scalonych. Pojedynczy problem, jaki dotychczas napotkałem, udało mi się rozwiązać, zastępując układ niskonapięciowy jego „normalnym” (nie tak efektywnym) odpowiednikiem. Pomimo moich największych wysiłków, nie byłem w stanie ograniczyć szumów powodowanych przez tani silnik, więc po prostu sięgnąłem po bardziej wytrzymałe elementy elektroniczne.

Ciężar silników elektrycznych Silniki sporo ważą. Nie byłoby zaskoczeniem, gdyby okazało się, że silniki stanowią jedną trzecią całej masy robota. W „Kanapce” silniki stanowią 37% jego masy. Przygotowując robota do zawodów czy innych zastosowań, w których ciężar jest limitowany, unikaj stosowania silników, których łączna masa przekracza 40% całego ciężaru robota. Inaczej nie pozostanie dość zapasu na baterie lub akumulatorki i odpowiednio wytrzymałą konstrukcję korpusu.

Wymiary silników Silniki komutatorowe prądu stałego dostępne są w bardzo wielu kształtach i rozmiarach. Dopóki pozostałe parametry silnika nie są całkowicie dyskwalifikujące, właśnie wymiary są prawdopodobnie najistotniejszym kryterium.

246 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Zazwyczaj to rozmiar silnika narzuca rozmiar całego robota, nie odwrotnie. Konstruktorzy często kupują lepszej klasy silniki, gdy pojawią się na wyprzedażach. W efekcie mają często własny zapas silników, spośród których dokonują wyboru, rozpoczynając nowy projekt. Wówczas to dostępne silniki narzucają minimalny rozmiar całego korpusu robota, a maksymalny moment obrotowy tych silników determinuje największą dopuszczalną wagę robota.

Podsumowanie właściwości silników prądu stałego Oto parametry, na które należy zwrócić uwagę, przeglądając ulotkę czy notę katalogową danego silnika. • Prędkość — czy prędkość obrotowa przy danym napięciu odpowiada potrzebom konkretnej konstrukcji robota? • Moment obrotowy — jest raczej wątpliwe, abyś wiedział dokładnie, jakiego maksymalnego momentu wymaga Twój robot. Mimo to, znajomość maksymalnego momentu obrotowego pomaga dokonać wyboru silnika, gdy pozostałe parametry są zbliżone do siebie. Jednym ze sposobów, aby wyrobić sobie opinię o możliwościach danego silnika, jest porównanie jego momentu ze znanym Ci już silnikiem, który sprawdził się (bądź nie) w przeszłości. • Napięcie — czy napięcie baterii lub akumulatorków, które będą zasilać robota, mieści się w przedziale od 50% do 125% napięcia nominalnego danego silnika? Weź pod uwagę zarówno napięcie nowej, jak i niemal rozładowanej baterii. • Prąd — czy elektronika robota jest w stanie wytrzymać prąd rozruchu lub blokowania silnika? Na jak długo wystarczy bateria przy minimalnym (jałowym) prądzie silników? • Sprawność — jeśli zarówno prędkość, jak i maksymalny moment obrotowy silnika odpowiadają potrzebom danego robota, wówczas z definicji silnik o największej sprawności będzie pobierał najmniejszy prąd przy danym napięciu. Wysoka sprawność oznacza wyższą jakość całego silnika, co może znaleźć odzwierciedlenie także w pozostałych jego parametrach. • Głośność — choć można się spodziewać, iż każdy silnik będzie słyszalny w trakcie pracy, jednak nadmierna głośność może oznaczać jakieś problemy czy być po prostu uciążliwa. • Zakłócenia elektryczne — każdy silnik komutatorowy generuje pewne zakłócenia, jednak nie powinny one być na tyle duże, aby wpływać na pracę elektroniki. Mniej szumieć powinny silniki o wyższej sprawności czy większej liczbie uzwojeń i sekcji komutatora. Użycie większej liczby kondensatorów na płytce drukowanej może znacząco pomóc. • Ciężar — wybierz silnik, którego ciężar wytrzyma rama robota wykonana z materiałów, do których stosowania jesteś przyzwyczajony. Gdy narzucane są ograniczenia całkowitej masy robota, uważaj, aby nadmierny ciężar silników nie zmusił Cię do nadmiernego oszczędzania w innych miejscach konstrukcji. • Wymiary — silniki muszą zmieścić się w wybranym korpusie robota, chyba że dobierzesz korpus do posiadanych silników. Jeśli nie używasz przekładni czy zaawansowanych mechanizmów przeniesienia napędu, silniki umieszczane są zwykle obok siebie, co determinuje najmniejszą możliwą szerokość robota.

Silniki z przekładnią Silniki ze zintegrowaną przekładnią (nazywane niekiedy przekładniowymi) składają się zwykle z komutatorowego silnika prądu stałego (z rdzeniem lub bez) oraz dołączonej do wału przekładni. Taki silnik możesz łatwo rozpoznać po dwóch odrębnych częściach połączonych razem (patrz rysunek 17.23).

247 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 17.23. Silnik z przekładnią Przekładnie w takich silnikach niemal zawsze służą zmniejszeniu prędkości obrotowej przy jednoczesnym zwiększeniu momentu obrotowego. Przypomnij sobie, iż przy optymalnym napięciu silnik obraca się o wiele za szybko, by można było go zastosować w większości robotów. Po zastosowaniu przekładni robot może przenosić większe ciężary, poruszając się z wymaganą prędkością. Silników z przekładnią używa się tak samo łatwo jak „zwykłych” silników. Także mają dwa wyprowadzenia służące do przyłączenia napięcia zasilającego.

Budowa silnika z przekładnią zębatą Jedną część silnika przekładniowego (patrz rysunek 17.24) stanowi „zwykły” silnik prądu stałego. Drugą jest przekładnia zbudowana z zespołu kół zębatych umieszczonych w sztywnej ramie. Koła zębate pokryte są zazwyczaj smarem i zamknięte w szczelnej obudowie, aby zapobiec ich zabrudzeniu oraz wkręceniu w mechanizm przypadkowych elementów (np. przewodów). Obudowa z przekładnią jest następnie na sztywno przykręcona do obudowy silnika, którego wał ją napędza.

Poznajemy pary małych i dużych kół zębatych Koło zębate (jak sama nazwa wskazuje) to zazwyczaj cienki dysk z wystającymi na obwodzie spiczastymi zębami. W czasie obrotu zęby jednego koła wywierają nacisk na zęby innego koła, aby przekazać mu ruch (patrz rysunek 17.25).

Rysunek 17.24. Zespół silnika z przekładnią zębatą składa się z (od lewej do prawej): komutatorowego silnika prądu stałego, przekładni zębatej, osłony przekładni i wkrętów mocujących

248 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Rysunek 17.25. Mniejsze koło zębate o 12 zębach w czasie pełnego obrotu przesuwa jedynie 12 spośród 40 zębów większego koła W silniku z przekładnią zębatą małe koło na wale silnika komutatorowego napędza pierwsze, duże koło zębate przekładni. Ponieważ małe koło ma mniej zębów, zatem za każdym jego obrotem duże koło obraca się jedynie o część obrotu. Jeśli przykładowo mniejsze koło ma 12 zębów, zaś większe ma ich 40, mniejsze koło musi obrócić się ponad 3 razy (40/12), zanim duże koło wykona jeden pełny obrót. W tym przykładzie gdyby małe koło połączone było z wałem silnika o prędkości 6000 RPM, duże koło obracałoby się z prędkością jedynie 1800 RPM. obroty mniejszego koła × ilość zębów mniejszego koła / ilość zębów większego koła = obroty większego koła 6000 RPM × 12 zębów / 40 zębów = 1800 RPM Teraz trzy zęby i jedna trzecia zęba czwartego wykonują tę samą pracę, którą wcześniej wykonywałby jeden ząb. Jeśli każda część obrotu pochodzi teraz z pracy trzech i jednej trzeciej zęba, zatem moment obrotowy dużego koła wzrósł ponad 3-krotnie (dokładnie 3⅓). Wydaje się to mieć sens. Jeśli silnik przy tym samym napięciu i prądzie wykonuje jedynie 1800 zamiast 4000 obrotów, coś musi się dziać z pozostałą energią. W tym przypadku przekłada się ona na zwiększenie momentu obrotowego. Umieszczając w przekładni całą serię małych i dużych kół zębatych, można coraz bardziej redukować prędkość silnika, a jednocześnie tak samo zwiększać jego moment obrotowy.

Wał przekładni Wał przekładni połączony jest z ostatnim kołem zębatym. Koniec tego wału wychodzi poza obudowę przekładni, aby możliwe było dołączenie do niego kół i innych elementów. Wał wychodzący z przekładni zastępuje wał wychodzący bezpośrednio z silnika. Jeśli, przyglądając się silnikowi, zauważymy, że wał nie wychodzi z niego centralnie, lecz jest przesunięty w stronę krawędzi, najprawdopodobniej mamy do czynienia z silnikiem z przekładnią zębatą (patrz rysunek 17.26). W zwykłych silnikach wał umieszczony jest centralnie pomiędzy magnesami trwałymi. Natomiast w silnikach z przekładnią zębatą wał umieszczony jest w miejscu, gdzie zamocowane jest ostatnie koło zębate. Miej jednak na uwadze, iż ostatnie koło zębate może być również umieszczone po środku, zatem centralne położenie wału nie gwarantuje, że silnik nie jest wyposażony w przekładnię.

249 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 17.26. Umieszczony centralnie wał zwykłego silnika (po lewej) oraz przesunięty ku krawędzi wał silnika z przekładnią (po prawej)

Współczynnik przełożenia przekładni Po pomnożeniu liczby zębów odpowiednio na wszystkich dużych i małych kołach zębatych proporcja pomiędzy tymi liczbami oznacza przełożenie przekładni. Ponieważ zazwyczaj zębów na dużych kołach jest więcej niż na małych, więc liczbę tę można także nazywać redukcją przekładni, gdyż prędkość ulega zmniejszeniu.

Przełożenie bezwzględne Powiedzmy, iż w przekładni znajduje się 1535 zębów na dużych kołach zębatych oraz 65 na małych. Zatem bezwzględne przełożenie takiej przekładni to 1535/65. Silnik o prędkości 6000 RPM połączony z taką przekładnią zapewniałby obroty na poziomie 254 RPM przy znacznie zwiększonym momencie obrotowym. 6000 RPM × 65 zębów / 1535 zębów = około 254 RPM Bezwzględne współczynniki przełożenia mogą osiągać dziwaczne wartości. Przykładowo dla bardzo dużego przełożenia współczynnik taki mógłby mieć wartość 63950067/21125.

Uproszczony współczynnik przełożenia Aby łatwiej operować współczynnikami przełożenia, ułamki zazwyczaj upraszcza się matematycznie. Przykładowo 4000 /100 może być zapisane jako 40/1. Łatwiej wtedy powiedzieć: „Obroty tego silnika zredukowano 40 razy, więc moment obrotowy także wzrósł 40 razy”. Uproszczone wartości przełożeń niemal zawsze sprowadza się do najniższych podstaw, nawet jeśli oznacza to niewielką utratę dokładności. Zatem 1535/65 mogłoby być zredukowane do 307/13, lecz zwykle podaje się po prostu 24/1. To nie jest do końca prawdą, ale jest bardziej czytelne. „ Wskazówka: Możesz być pewien, iż masz do czynienia z uproszczonym współczynnikiem, jeśli jedna z wartości wynosi 1 (jeden), gdyż nie istnieją koła zębate o jednym zębie.

Nietypowe przełożenia Faktyczne przełożenia rzadko da się sprowadzić do minimalnej, wspólnej podstawy. To nie przypadek, lecz świadome działanie.

250 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Gdyby współpracowały ze sobą koła o 40 i 10 zębach, wówczas za każdym razem ta sama para zębów stykałaby się ze sobą. Gdyby któryś z zębów na którymkolwiek z kół był choć trochę uszkodzony, odpowiadające mu zęby na drugim kole byłyby szybciej niszczone, bo stale współpracowałyby z tym uszkodzonym zębem. Z drugiej strony, koło o 40 zębach współpracujące z kołem o 11 zębach zapewnia, iż przy każdym obrocie będą się stykały inne pary zębów. W ten sposób wszystkie zęby będą się zużywały równomiernie, a całe koło zębate wytrzyma dłużej. Ząb nr 1 na kole o 11 zębach „spotka się” na kole 40-zębnym kolejno z zębami: 1., 12., 23., 34., 5., 16., 27., 38., 9., 20., 31., 2., 13., 24., 35., 6., 17., 28., 39., 10., 21., 32., 3., 14., 25., 36., 7., 18., 29., 40., 11., 22., 33., 4., 15., 26., 37., 8., 19., 30. i wreszcie ponownie z nr 1.

Znaczenie absolutnego i uproszczonego współczynnika przełożenia Uproszczone wartości przełożenia łatwiej przeczytać i zrozumieć, lecz absolutne wartości ujawniają, ile faktycznie zębów przekładni składa się na tę wartość. To daje pojęcie o tym, ile tarcia może zachodzić w przekładni, jak ciężka może być oraz jakie jest prawdopodobieństwo jej uszkodzenia. Im więcej zębów wykorzystane jest do redukcji obrotów, tym więcej tarcia zachodzi pomiędzy nimi. Ponieważ jednak każdy z zębów z osobna przenosi mniej siły, powinien wytrzymać dłużej, nim się zużyje.

Użycie średnika Aby łatwiej było zapisywać i odczytywać przełożenia, często stosuje się średnik pomiędzy wartościami. W ten sposób zazwyczaj zamiast 40/1 współczynnik ten zapisuje się jako 40:1.

Rzut oka na rzeczywistą przekładnię Wcześniej posłużyłem się przykładem przełożenia o wartości 1536/65. Sądzę, iż możliwa jest przekładnia o takiej właśnie liczbie zębów, lecz to raczej niespotykane. Przyjrzyjmy się liczbie zębów w rzeczywistej przekładni (patrz rysunek 17.27).

Rysunek 17.27. Ilości zębów kół zębatych w przykładowej przekładni dołączonej do silnika Koło zębate dołączone do wału silnika wyposażone jest w 12 zębów i zazębia się z kołem o 28 zębach. To drugie koło połączone jest na sztywno z kolejnym kołem o 10 zębach, które z kolei zazębia się z kołem o 28 zębach. To ostatnie połączone jest sztywno z kołem o 10 zębach, które zazębia się z ostatnim kołem (prawa strona rysunku) o 40 zębach. Przełożenia każdej sekcji to zatem: /12 × 28/10 × 40/10 = 31360/1200

28

251 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Bezwzględne przełożenie można by opisać jako 31360:1200 choć w rzeczywistości przekładnia nie ma aż tylu zębów. Ułamek ten można uprościć do postaci 392:15. Uproszczone przełożenie można obliczyć następująco: /1200 = 26,13333

31360

Zatem uproszczone przełożenie można określić jako 26:1. Nota katalogowa tego silnika stwierdza, iż przełożenie wynosi 30:1, co wg moich obliczeń nie jest prawdą.

Niedoskonałość zamiany prędkości na moment obrotowy Wszystkie koła zębate przekazujące sobie ruch powodują mnóstwo tarcia. Z tej racji sprawność przekładni wynosi typowo od 40% do 90%. Sprawność mniejsza od 100% oznacza, iż przekładnia nie jest w stanie zamienić całej redukcji obrotów na odpowiednio zwiększony moment obrotowy. Wcześniej dowiedziałeś się, że przekładnia o redukcji 2:1 zamienia obroty o wartości 4000 RPM na 2000 RPM, jednocześnie zwiększając maksymalny moment 2 razy. Ponieważ jednak sprawność przekładni wynosi powiedzmy 90%, zatem rzeczywisty maksymalny moment obrotowy wzrośnie około 2-krotnie (dokładnie 1,8). Jak powiedziałem, przekładnie zmniejszają obroty silnika skuteczniej niż obniżanie napięcia przy jednoczesnym znacznym zwiększeniu maksymalnego momentu obrotowego.

Wady stosowania przekładni Oto niektóre z wad stosowania przekładni mechanicznych. • zwiększenie całkowitej głośności silnika z przekładnią, • zwiększenie całkowitej masy silnika z przekładnią, • zwiększenie całkowitej długości silnika z przekładnią, • zwiększenie natężenia prądu biegu jałowego. Jednak żadna z tych wad nie powinna zniechęcić do czerpania z zalet stosowania silników z przekładnią.

Porównanie przekładni planetarnych i zębatych Dostępne są dwa główne rodzaje silników z przekładnią. Najpopularniejsze są przekładnie zębate, jednak dostępne są także przekładnie planetarne. Przekładnie planetarne również zawierają koła zębate, jednak tutaj mniejsze koła obracają się wewnątrz większych kół (patrz rysunek 17.28). Połączenie kolejno kilku zestawów kół tworzy pełną przekładnię planetarną (patrz rysunek 17.29). Podobnie jak przekładnia zębata, przekładnia planetarna jest później montowana do obudowy silnika. Silnikiem z przekładnią planetarną steruje się tak samo prosto jak „zwykłym” silnikiem bez przekładni. Ponieważ w przekładni planetarnej kilka małych kół zębatych współpracuje jednocześnie z jednym dużym kołem, zatem przekładnia taka może przenosić znacznie większy moment obrotowy, który uszkodziłby pojedyncze małe koło w przekładni zębatej. Niestety, wraz ze zwiększeniem maksymalnego momentu obrotowego obniża się sprawność przekładni na skutek większego tarcia.

252 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 17. „ SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Rysunek 17.28. Przekładnia planetarna

Rysunek 17.29. Wyeksponowane poszczególne sekcje przykładowej przekładni planetarnej Wał wyjściowy przekładni planetarnej wychodzi z samego środka, nie zaś nieco z boku, jak w przekładni zębatej. Czasem jest to wygodne, czasem nie; zależnie od miejsca, w którym chcesz umieścić koła robota. Wał wychodzący centralnie ze środka przekładni zazwyczaj wskazuje, iż jest to przekładnia planetarna.

Dobór silnika z przekładnią Przy wyborze silnika z przekładnią należy wziąć pod uwagę te same kryteria, które stosuje się przy wyborze „zwykłego” silnika. Sprawdź napięcie znamionowe, wymiary, wagę i wyjściową prędkość obrotową. Do zastosowań, gdzie występują znaczne i długotrwałe obciążenia, szukaj przekładni planetarnych z metalowymi kołami zębatymi i ramą. Jednak dla zastosowań, gdzie ważniejsza jest dynamika niż duży moment obrotowy, preferowane są raczej przekładnie z plastikowymi elementami, z racji ich znacznie mniejszej wagi. Przyjrzyj się dokładnie przekładni, aby się upewnić, że wał wyjściowy umieszczony jest w dogodnym dla Ciebie miejscu obudowy. Niektóre przekładnie mają nietypowe kształty (np. prostokątne), co zwiększa całkowitą wysokość silnika. Zależnie od wymagań Twojego robota zwróć uwagę na słówko „zwrotne” (ang. reversible). Większość przekładni projektowanych jest w taki sposób, iż pozwalają na pracę silnika w obydwu kierunkach. Niektóre jednak pozwalają na ruch jedynie w jednym kierunku. Takie „jednokierunkowe” przekładnie będą praktyczne, jeśli będziesz chciał, aby koła robota nie dawały obrócić się do tyłu.

253 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Co dalej? Szczęśliwie otrzymałeś wystarczającą dawkę wiedzy o silnikach prądu stałego, aby zrozumieć ich najważniejsze parametry. Istnieją także inne rodzaje silników stosowane w robotach, takie jak np. silniki krokowe czy serwomechanizmy. Jakkolwiek na swój sposób przydatne, jednak nie zostały uwzględnione w tym omówieniu z racji tego, iż w robocie przedstawionym w tej książce nie są wymagane. W kolejnym rozdziale dokończysz naukę o silnikach prądu stałego, dołączając je do zbudowanego wcześniej układu śledzenia linii.

254 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 18 „„„

Dodajemy silniki z przekładnią

W tym rozdziale dokonamy wyboru silników z przekładnią i dołączymy je do naszego obwodu robota podążającego wzdłuż linii. Tu dowiesz się także co nieco o diodach.

Wybór silnika z przekładnią Wybierając silniki dla Twojego robota podążającego wzdłuż linii, weź pod uwagę następujące kryteria. • Silniki powinny działać przy zakresie napięć oferowanym przez baterię 9 V, czyli od nieco mniej niż 10 V do około 7 V. • Silniki powinny być wystarczająco małe, aby zmieściły się obok siebie w pojemniku na kanapki. To oznacza, że każdy z nich powinien mieć długość nie większą niż 6 cm i średnicę nie większą niż 4 cm. Silniki o mniejszej średnicy będą lepsze, gdyż pozostanie miejsce na ich osłony czy inne ozdoby. • Prędkość obciążonego silnika powinna być na tyle duża, aby nie zanudzić widowni, lecz jednocześnie na tyle mała, by robot nie wypadał z trasy. Sensowne prędkości w zależności od rozmiaru kół to w przybliżeniu od 50 RPM do 125 RPM. Tak małe prędkości przy zasilaniu 9 V oznaczają konieczność zastosowania przekładni. • W żadnym momencie silnik nie powinien pobierać prądu większego niż 500 mA, gdyż jest to maksymalne natężenie dopuszczalne dla tranzystora 2N2907A. Wziąłem pod uwagę jeszcze kilka dodatkowych kryteriów. • Ponieważ silniki są integralną częścią projektu, który samodzielnie wykonujesz, wybrałem więc takie, które dostępne są w sprzedaży detalicznej. • Ponieważ silniki wymienione są w książce, która dostępna będzie przez kolejne lata, wybrałem silniki, które są obecnie produkowane i dostępne w ofercie najważniejszych sprzedawców. (To wyklucza — niestety — wyprzedaże).

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Zakup silników z przekładnią Wybrałem 12-woltowe silniki z przekładnią firmy Hsiang Neng zapewniające prędkość 225 RPM (patrz rysunek 18.1)1. Silniki przeznaczone są do pracy z napięciami z przedziału od 4,5 V do 12 V, co pasuje doskonale do naszej baterii 9 V.

Rysunek 18.1. Para silników z przekładnią firmy Hsiang Neng Ponieważ prędkość maleje liniowo wraz ze spadkiem napięcia, liczbę obrotów przy napięciu 9 V można oszacować jako: (obroty nominalne RPM / napięcie nominalne V) × napięcie oczekiwane = obroty przy napięciu oczekiwanym w RPM (225 RPM / 12 V) × 9 V = 168 RPM To nieco więcej niż prędkość, której szukaliśmy, ale jednocześnie są to obroty biegu jałowego. Obciążenie wnoszone przez robota spowoduje spadek prędkości obrotowej. Wciąż jednak odrobinę wolniejszy silnik byłby tu jeszcze lepszy. Silniki te odnalazłem w kilku sklepach w cenie około 18 dolarów (około 58 zł) za sztukę. Były to najtańsze silniki z przekładnią spełniające przyjęte przeze mnie kryteria. Pomimo to, koszt pary takich silników przewyższa koszt razem wziętych wszystkich pozostałych elementów robota. Z tym faktem będziesz się mierzył za każdym razem. Koszty silników stanowią ogólnie największą część kosztów całego robota. Jeśli zdecydujesz się na zakup innych silników lub też zastosujesz już posiadane, upewnij się, że spełniają one pierwsze cztery kryteria przedstawione na początku tego rozdziału. Firma Solarbotics oferuje szeroki wybór tanich silników2. W oferowanym zestawie do budowy robota podążającego wzdłuż linii zastosowała także przez siebie oferowany silnik typu GM2. Silniki te są nieco wolniejsze (co poprawia jakość podążania wzdłuż linii), ważą dwukrotnie mniej i kosztują mniej niż 1/3 ceny mojego silnika (jedynie 5,75 dolara tj. około 18,5 zł za sztukę przy zakupie dwóch jednocześnie).

1

W Polsce silniki zastosowane przez autora są trudno dostępne. Jako przykładową alternatywę można zaproponować silnik marki Igarashi dostępny w sklepie Conrada (produkt nr 244163). Silnik ten ma parametry zbliżone do prezentowanych przez autora. Jego prędkość obrotowa przy napięciu 9 V wynosi około 150 RPM bez obciążenia i około 130 RPM przy obciążeniu znamionowym, a więc zgodna jest z podanymi na początku rozdziału kryteriami. Także maksymalny prąd z zapasem mieści się w zakresie pracy zarówno tranzystora 2N2907N, jak również jego wcześniej proponowanego zamiennika, BC327. Nieznacznie różnią się gabaryty: silnik ten jest o około 4 mm dłuższy od wzorcowego, a jednocześnie jego średnica jest o około 8 mm mniejsza, co należy uwzględnić przy mocowaniu silnika w obudowie. Gdy pisałem ten przypis, silnik kosztował w sklepie Conrada niecałe 63 zł brutto — przyp. tłum.

2

Choć Solarbotics realizuje zamówienia z całego świata, należy liczyć się ze znacznymi kosztami przesyłki do Polski. W najtańszej wersji jest to około 20 dolarów (prawie 65 zł) — przyp. tłum.

256 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 18. „ DODAJEMY SILNIKI Z PRZEKŁADNIĄ

Co więcej, Solarbotics oferuje także kolorowe koła (o numerze katalogowym #GMPW) pasujące do tych silników (patrz rysunek 18.2) w cenie jedynie 2,25 dolara (czyli nieco ponad 7 zł) przy zakupie jednocześnie z silnikiem. Jeśli się na to zdecydujesz, możesz pominąć rozdziały 19. (wybór kół) oraz 20. (dołączanie kół do robota) tej książki.

Rysunek 18.2. Oferowany przez Solarbotics silnik GM2 wraz dopasowanym do niego kołem Silniki oferowane przez Solarbotics mają inny kształt niż moje Hsiang Neng. Dlatego też będziesz musiał sam wykazać się kreatywnością, aby zamontować je (czy też każdy silnik o innym kształcie czy wymiarach) w Twoim robocie. Silniki GM2 mają też kilka wad: pobierają nieco więcej energii, są trochę głośniejsze, powodują więcej zakłóceń elektrycznych i teoretycznie cechują się mniejszą żywotnością, co mogłoby mieć znaczenie, jeśli będziesz intensywnie użytkował swojego robota każdego dnia. Jednak uważam, że w tym zastosowaniu warto przymknąć oko na te niedoskonałości w zamian za znaczne obniżenie kosztów konstrukcji.

Badamy silnik z przekładnią Zaglądając do wnętrza silnika Hsiang Neng, znajdujemy elementy, których można było oczekiwać w tanim silniku. Części przedstawione na rysunku 18.3 to (kolejno od lewej do prawej): stojan z magnesem trwałym, wirnik z rdzeniem stalowym o trzech sekcjach, pokrywa silnika z miło zaskakującymi grubością szczotkami, przekładnia zębata, metalowa osłona przekładni oraz śruby łączące całość.

Rysunek 18.3. Widok silnika Hsiang Neng rozłożonego na części Szkoda, że osłona przekładni nie jest plastikowa. Silnik ten nie zapewnia zbyt dużego momentu obrotowego, zatem metalowa osłona nie jest raczej potrzebna. Zastąpienie jej plastikiem zmniejszyłoby wyraźnie masę silnika i poprawiło jego dynamikę. Przekładnia ma sprawność 73%, co jest dość przyzwoitą wartością. Sekcję przekładni można łatwo rozebrać, jednak nie próbuj rozbierać sekcji silnika. Aby wykonać zdjęcie prezentowane w tej książce, musiałem ukruszyć kilka fragmentów obudowy silnika. Oznacza to, iż nie przewidziano możliwości wymiany szczotek przez użytkownika. Gdy silnik zużyje się, będziesz musiał go wyrzucić. Silnik ten ma długość 3,8 cm i średnicę 2,6 cm. To poręczne wymiary. Wał wychodzący z przekładni nie jest umieszczony centralnie, lecz przesunięty w kierunku krawędzi obudowy. W naszej sytuacji przesunięcie

257 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

wału jest korzystne, gdyż obracając odpowiednio silnik, jesteśmy w stanie ustawić wał blisko spodu robota, co pozwala zamontować koła bliżej podłoża. Długość wału to 1,5 cm, co zapewnia dość przestrzeni na wygodny montaż kół.

Pobór prądu przez silnik z przekładnią W trakcie badania silnika powinieneś zmierzyć pobierany przez niego prąd. Dołączając miernik uniwersalny pomiędzy baterię 9 V a silnik (patrz rysunek 18.4), możesz zmierzyć prąd jałowy (bez obciążenia) oraz prąd zablokowania. Upewnij się, że miernik ustawiony jest na największy dostępny zakres pomiaru prądu, aby nie spalić bezpiecznika w chwili nagłego skoku natężenia płynącego prądu.

Rysunek 18.4. Pomiar prądu silnika przy użyciu miernika uniwersalnego i kombinerek

Określenie najmniejszego prądu (najlepszy przypadek) Prąd jałowy mojego silnika (po jego rozpędzeniu) wynosił 31 mA. Aby zbadać ten przypadek, po prostu podłącz silnik do baterii (z włączonym po drodze miernikiem). Akumulatorek 9 V o pojemności 150 mAh byłby w stanie napędzać ten silnik (gdyby nie był niczym obciążony) przez niemal 5 godzin. pojemność akumulatorka 150 mAh / prąd jałowy silnika 31 mA = 4,8 godz.

Określenie największego prądu (najgorszy przypadek) Używając kombinerek, aby na chwilę zatrzymać obroty wału, zmierzyłem prąd blokowania, który przy napięciu 9 V wyniósł 380 mA. Bardziej subtelne podejście polega na zmierzeniu rezystancji uzwojeń silnika i wyliczeniu prądu blokowania. Przy prądzie blokowania wynoszącym 380 mA para takich silników, gdyby nie mogły się obracać (bo np. robot utknął przy ścianie), wyczerpałaby akumulatorek w przeciągu niespełna 12 minut. pojemność akumulatorka 150 mAh / (prąd blokowania silnika 380 mA × 2 silniki) = 0,2 godz. 0,2 godz. × 60 minut w godzinie = 12 minut Oczywiście, robot wyposażony jest także w lampki i inne układy pobierające energię, zatem akumulatorek wyczerpie się w czasie krótszym niż 12 min. Pojemność 150 mAh deklarowana jest dla w miarę niewielkiego poboru prądu; akumulatorek wyczerpie się bardzo szybko, gdy pobór prądu osiągnie wartość przeszło 800 mA.

258 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 18. „ DODAJEMY SILNIKI Z PRZEKŁADNIĄ

„ Ostrzeżenie: Producenci ogniw ostrzegają, abyś nie obciążał ich takim prądem, że ich pojemność wystarcza na mniej niż godzinę pracy. Przykładowo akumulatorek o pojemności 150 mAh nie powinien być obciążany prądem większym niż 150 mA. Większe prądy mogą uszkodzić ogniwo. W rzeczywistości w projektach wielu robotów i zdalnie sterowanych modeli zalecenia te są często ignorowane. Nowe baterie czy akumulatorki potrafią zostać całkowicie wyczerpane w czasie tak krótkim jak 15 min.

Na szczęście, zastosowane silniki mają na tyle wysoki moment obrotowy, iż w „Kanapce” nigdy nie dojdzie do ich zablokowania, nawet jeśli robot utknie przed ścianą, koła będą kręcić się w miejscu.

Określenie rzeczywistego poboru prądu (przypadek uśredniony) Średni pobór prądu przez ten silnik będzie mieścił się w przedziale od 31 mA (najlepszy przypadek) do 380 mA (najgorszy przypadek). Gdy podłączyłem do działającego robota miernik i mierzyłem pobór prądu w trakcie jego pracy, zmierzona wartość prądu wahała się w przedziale od 40 mA do 120 mA. Doliczając pobór energii przez pozostałe elementy i przyjmując, iż w danej chwili pracuje tylko jeden silnik, można oszacować, iż bateria w robocie wystarczy na troszkę mniej niż godzinę pracy.

Dodajemy silniki do naszego obwodu porównywania jasności z komparatorem Schemat przedstawiony na rysunku 18.5 to fragment prezentowanego wcześniej schematu obwodu porównywania jasności z komparatorem i tranzystorami wzbogacony o silnik (M1) oraz diodę (D1). Aby niepotrzebnie nie komplikować rysunku, pokazana została jedynie jedna część obwodu podłączona do jednego z wyjść komparatora. Część obwodu z tranzystorem T8 niepokazana na rysunku także posiada dołączoną diodę i silnik. Musisz to sobie wyobrazić.

Rysunek 18.5. Schemat obrazujący dołączenie diody Schottky’ego i silnika do obwodu porównywania jasności Dodatnie wyprowadzenie silnika M1 dołączone jest do wyjścia (kolektora) tranzystora T7. Ujemne wyprowadzenie dołączone jest do „minusa” zasilania. Ponieważ tranzystor steruje dopływem energii do silnika, silnik załącza się, gdy tranzystor jest zasilony.

259 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Poznajemy diodę „Zwykła” dioda podobna jest do diody elektroluminescencyjnej (LED), z tą różnicą, iż nie została zaprojektowana po to, aby emitować światło. Podobnie jak dioda świecąca, także „zwykła” dioda pracuje jedynie w jednym kierunku przepływu prądu. Także tutaj symbol strzałki na schemacie ideowym (patrz element D1 na rysunku 18.5) wskazuje, w którą stronę przepływ prądu jest możliwy. Większość diod przypomina z wyglądu rezystory pozbawione kolorowych pasków oznaczeń (patrz rysunek 18.6). Na obudowie diody znajduje się tylko jeden pasek blisko jej krawędzi wskazujący, które z wyprowadzeń to katoda. Drugie wyprowadzenie (bez paska) to katoda. Prąd może przepływać jedynie od anody (dodatnie wyprowadzenie) do katody (ujemne wyprowadzenie). Możesz sobie wyobrażać pasek na obudowie jako ścianę blokującą przepływ energii rozpoczynający się od tej strony.

Rysunek 18.6. Dioda 1N5817; wygląda tak jak większość innych diod Podobnie jak to ma miejsce w diodach świecących, „zwykłe” diody także zatrzymują część napięcia przyłożonego do obwodu. Spadek napięcia na diodzie zawiera się zwykle w przedziale od 0,4 V do 1 V w porównaniu do wartości 1,2 V i większych spotykanych w diodach świecących. W zamian za ten spadek napięcia diody zachowują się jak jednokierunkowe zawory.

Ochrona tranzystora za pomocą diody gaszącej Hej, czekajcie! Dioda D1 na schemacie przedstawionym na rysunku 18.15 skierowana jest w złym kierunku! Strzałka skierowana jest ku górze w kierunku dodatnich wyprowadzeń, podczas gdy diody świecące na tym samym schemacie skierowane są ku ujemnemu złączu zasilania. Dioda D1 zainstalowana jest celowo w sposób, który uniemożliwia przepływ przez nią prądu w normalnych warunkach pracy układu. Gdy jednak napięcie zostaje odłączone od silnika, na skutek indukcji powstaje w nim nagle wysokie napięcie wsteczne (patrz kolejna uwaga). Dioda umożliwia wielokrotny przepływ napięcia wstecznego przez uzwojenia silnika, aż zostanie ono bezpiecznie zużyte. Gdyby w obwodzie nie było diody, napięcie wsteczne mogłoby uszkodzić tranzystor T7. Dioda wykorzystywana do przekierowania i rozładowania zaindukowanego napięcia wstecznego nosi miano diody gaszącej. Dioda ta celowo powoduje zwarcie dla energii pozostałej w silniku po jego odłączeniu. „ Uwaga: Zjawisko napięcia wstecznego nie ogranicza się jedynie do silników. Dotyczy także cewek, włączników i tych wszystkich elementów, gdzie następuje gwałtowne odłączenie napięcia. Jeśli przez silnik przed wyłączeniem przepływał wystarczająco duży prąd, napięcie wsteczne może potencjalnie uszkodzić układy elektroniczne połączone z silnikiem. Możesz myśleć o napięciu wstecznym jak o efekcie, gdy pralka czy zmywarka gwałtownie przestaje pobierać wodę i w rurach rozchodzi się głośny bulgot. Nagle pędząca woda nie ma się gdzie podziać, rośnie więc jej ciśnienie przy zamkniętym końcu, a następnie to ciśnienie odbijane jest z powrotem.

260 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 18. „ DODAJEMY SILNIKI Z PRZEKŁADNIĄ

Wybieramy diodę Schottky’ego Istotne są dwie cechy diody gaszącej. Po pierwsze, dioda gasząca powinna stanowić zaporę, a nie przejście, gdy prąd płynie we właściwym kierunku. Niektóre diody przepuszczają zbyt wiele energii w kierunku wstecznym (tzw. prąd upływu), aby stanowić dobrą zaporę. W naszym obwodzie dioda o dużej upływności przepuszczałaby niepotrzebnie część prądu, który w innym wypadku przepływałby przez silnik, wykonując pożyteczną pracę. Po drugie, gdy silnik wytworzy napięcie wsteczne, dioda gasząca powinna stanowić drogę o najmniejszej rezystancji (najmniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia). Wtedy prąd wybierze drogę poprzez diodę gaszącą, nie zaś przez inne układy połączone z silnikiem. Diody Schottky’ego mają obie pożądane cechy. Patrząc czysto technicznie, w naszym obwodzie nie jest konieczne zastosowanie diody Schottky’ego, gdyż napięcie wsteczne tranzystora T7 wynosi minimum 5 V. „Zwykłe” diody (nie Schottky’ego) mają napięcie wsteczne na poziomie około 1 V, więc wciąż zapewniają najlepszą ścieżkę dla napięcia wstecznego. Zastosowanie diody Schottky’ego (napięcie wsteczne około 0,4 V) zapewnia dodatkowy margines bezpieczeństwa w przypadku, jeśli używasz tranzystora innego typu niż 2907A, który może nie być tak wytrzymały. Na schemacie pofalowana linia przypominająca literę „S” na końcu strzałki oznacza diodę Schottky’ego. Prosta kreska oznacza „zwykłą” diodę (prostowniczą). Linia zbliżona kształtem do litery „Z” oznacza diodę Zenera.

Zakup diod Schottky’ego Popularne typy diod Schottky’ego to 1N5817, 1N5818 oraz 1N5819. Każda z nich sprawdzi się dobrze jako dioda gasząca. Dioda 1N5817 zapewnia najniższą rezystancję złącza i wytrzymuje napięcie wsteczne na poziomie 20 V (patrz tabela 18.1). Diody 1N5818 i 1N5819 (dostępne u tych samych sprzedawców) mają nieco większą rezystancję złącza, lecz wytrzymują odpowiednio 30 V lub 40 V w kierunku zaporowym. Wybierz jedną z diod o wyższym napięciu, jeśli planujesz w swoim robocie wykorzystywać silniki zasilane napięciem 24 V. Tabela 18.1. Diody Schottky’ego i ich sprzedawcy Sprzedawca

Typ diody

Numer katalogowy

Cena

TME

1N5817

1N5817

0,34 zł

TME

1N5818

1N5818

0,27 zł

TME

1N5819

1N5819

0,41 zł

Conrad

1N5817

168274

0,80 zł

Conrad

1N5819

155460

0,52 zł

Dołączenie silników do obwodu porównywania jasności Do naszego obwodu porównywania jasności zostaną dodane jedynie 4 elementy: po jednej diodzie i silniku dołączymy do każdego z tranzystorów T7 i T8. Przykład połączeń możesz zobaczyć na rysunku 18.7.

Podłączenie diody we właściwym kierunku Katodę diody (ta strona z paskiem na obudowie) musisz dołączyć do kolektora (wyjścia) tranzystora. Jeśli przez pomyłkę podłączysz diodę w odwrotnym kierunku, silnik ani diody świecące nie będą działać. Gdyby anoda diody została dołączona do emitera tranzystora, powstałaby ścieżka przewodząca duży prąd, co mogłoby uszkodzić diodę, tranzystor, baterię, a nawet samą płytkę.

261 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 18.7. Silnik i dioda dołączone do zbudowanego na płytce stykowej układu porównywania jasności Podłącz teraz anodę diody (ta strona bez paska) do ujemnej magistrali zasilającej. Dioda podłączona w ten sposób w normalnych warunkach nie przewodzi prądu.

Podłączanie silnika Użyj teraz pary przewodów z zaciskami haczykowymi lub krokodylkami, aby podłączyć obydwa wyprowadzenia silnika do obydwu wyprowadzeń diody Schottky’ego. Jedno z wyprowadzeń silnika powinno być oznaczone znakiem „+” (plus), czyli musi być dodatnim biegunem zasilania. To wyprowadzenie dołącz do katody diody Schottky’ego. Drugie wyprowadzenie silnika podłącz do anody diody. Choć nic złego się nie stanie, jeśli podłączysz silnik odwrotnie, jednak będzie się on obracał w odwrotnym kierunku. W gotowym robocie taka zamiana może spowodować, że będzie poruszał się do tyłu lub kręcił w kółko.

Powtórz to samo dla drugiego tranzystora Drugi silnik i diodę podłącz analogicznie do drugiego tranzystora. W ten sposób jeden silnik i dioda powinny być dołączone do tranzystora T7 wraz z żółtymi diodami świecącymi. Drugi silnik i dioda Schottky’ego powinny być razem z zielonymi diodami świecącymi dołączone do tranzystora T8.

Sprawdzamy silniki Po włączeniu zasilania jeden z silników powinien zacząć się obracać. Czy będzie to lewy, czy prawy, zależy od tego, który z czujników otrzymuje więcej światła. Gdy poruszasz ręką przed czujnikami, układ powinien się przełączać pomiędzy uruchamianiem jednego silnika i zapalaniem towarzyszących mu diod a analogicznym uruchamianiem drugiej strony. W jednym momencie powinien pracować tylko jeden z silników, chyba że układ jest doskonale zrównoważony albo Ty machasz szybko ręką przed czujnikami. Robot wykonuje ciasne skręty, napędzając tylko jedno koło i obracając się wokół nieruchomego drugiego koła.

262 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 18. „ DODAJEMY SILNIKI Z PRZEKŁADNIĄ

Zakończyliśmy część elektroniczną Gratuluję! Właśnie ukończyłeś budowę prototypu całego układu elektronicznego niezbędnego do stworzenia robota podążającego wzdłuż linii. Muszę przyznać, że brakuje jeszcze jednej części. Obecnie lewy silnik jest włączany, gdy lewy zestaw czujników otrzyma więcej światła niż zestaw prawy i odwrotnie: prawy silnik jest włączany, gdy prawe czujniki „zobaczą” więcej światła. Gdy będzie już budowana docelowa płytka z układami robota, dodany zostanie jeszcze przełącznik umożliwiający zamianę połączeń silników. Dzięki temu robot będzie w stanie zakręcać zarówno w kierunku jaśniejszych obszarów, jak również od obszarów jaśniejszych do ciemniejszych. W ten sposób będzie mógł podążać za ciemnymi liniami na jasnym tle albo za jasnymi liniami na ciemnym tle. Ten sam przełącznik będziesz mógł także przestawić w położenie środkowe i odłączyć obydwa silniki. W takim stanie będziesz mógł ustawić robota na początku trasy, nie martwiąc się, że zaraz odjedzie. Pozwoli Ci to także utrzymać robota aktywnego, ale nieruchomego w trakcie analizy problemów konstrukcyjnych. Niestety, nie znalazłem żadnego trójpozycyjnego przełącznika o dwóch sekcjach, który pasowałby do naszej płytki prototypowej. Jednak poza tym przełącznikiem nasza płytka zawiera wszystkie elementy podłączone tak, jak to będzie miało miejsce w docelowym robocie i gotowe do zlutowania. Teraz, skoro mamy już silniki, nadszedł czas na koła.

263 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

264 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 19 „„„

Koła

Masz już wspaniałe silniki, które kręcą się na próżno w powietrzu. W tym rozdziale przedstawię różne rodzaje kół, a także kryteria, które ułatwią wybór kół dla Twojego robota podążającego wzdłuż linii.

Budowa koła Większość kół składa się z dwóch części (patrz rysunek 19.1). Pierwszą stanowi opona, czyli gumowy element zapewniający kontakt z podłożem. Drugim elementem jest solidny rdzeń zwany felgą lub obręczą, który przenosi siłę napędową i utrzymuje kształt koła.

Rysunek 19.1. Typowe koło z częściowo wysuniętą felgą Część opony mająca bezpośredni kontakt z podłożem nazywana jest bieżnikiem. Bok opony ustawiony jest prostopadle do bieżnika i nadaje jej właściwy kształt. Bark to powierzchnia styku boku opony z krawędzią boczną bieżnika. Stopka to wzmocniona i usztywniona część opony stykająca się ściśle z felgą.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Opona opiera się na wykonanej z wytrzymałego materiału feldze. W niektórych kołach obręcz połączona jest z piastą przy użyciu niezależnych szprych. Piasta zapewnia mocowanie koła do wału silnika czy osi napędowej. Oczywiście, istnieje także wiele rodzajów opon, które nie do końca przystają do tego opisu. Jednak nawet wtedy podstawowe pojęcia zachowują to samo znaczenie.

Cechy kół robota Zadaniem koła jest przeniesienie siły napędowej silnika na podłoże. Przy wyborze najodpowiedniejszych kół należy uwzględnić przeznaczenie robota, spodziewane warunki (rodzaj podłoża), w jakich będzie się poruszał, i możliwości samego silnika.

Wypełnienie powietrzem Dostępne są opony od całkowicie wypełnionych powietrzem po jednolite (patrz rysunek 19.2).

Rysunek 19.2. Od lewej do prawej: szczelna opona pneumatyczna, opona półpneumatyczna, opona piankowa i opona jednolita Opony wypełnione powietrzem lub skompresowanym gazem nazywane są pneumatycznymi. Szczelne opony często posiadają warstwę powietrzną otoczoną gumą z każdej strony, tak jak balon w kształcie ciastka z dziurką. Gdy opony pneumatyczne stracą ciśnienie, pod obciążeniem ulegają spłaszczeniu. Opona półpneumatyczna zachowuje swój kształt zarówno dzięki ciśnieniu powietrza w jej wnętrzu, jak i sile jej ścian bocznych. Stopka opony ściśle przylega do felgi i zapobiega utracie powietrza, gdy opona odkształci się na wybojach. Jeśli nawet część powietrza „ucieknie”, opona nie ulegnie spłaszczeniu. Zwykle zaprojektowana jest w taki sposób, aby powietrze mogło powrócić do środka, gdy odkształcona część wróci do prawidłowego kształtu. Opony piankowe przypominają gąbkę. Zawierają maleńkie banieczki powietrza rozmieszczone blisko siebie w całej objętości opony. Przebicie pianki nie spowoduje spłaszczenia opony, gdyż tylko bardzo niewielka część wszystkich przestrzeni powietrznych zostanie uszkodzona. Opony jednolite nie zawierają w środku powietrza lub też zawierają go bardzo mało. Trudno je przebić, a gdy nawet to nastąpi, nie ma wpływu na kształt opony.

266 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 19. „ KOŁA

Działanie powietrza wypełniającego oponę Opony wypełnione powietrzem dopasowują się do podłoża i zapewniają najlepsze prowadzenie. Uginają się także przy zetknięciu z małymi obiektami czy nierównościami, czym różnią się od opon jednolitych, które w takiej sytuacji podskakują bądź unoszą się. Powietrze wypełniające oponę pochłania wstrząsy, co ogranicza zużywanie się silnika i łożysk. Ponieważ przy małych rozmiarach kół większość materiałów, z których wykonuje się opony, jest w stanie utrzymać swój kształt pomimo działania niewielkich w tym rozmiarze sił, nie trzeba utrzymywać w nich stałego ciśnienia i dlatego miniaturowe szczelne opony pneumatyczne są rzadko spotykane. Gdyby nawet dostępnych było więcej opon szczelnych, ich możliwości nie różniłyby się znacząco od opon półpneumatycznych, a jednocześnie narażone byłyby na ryzyko utraty ciśnienia w miarę starzenia się. Opony jednolite łatwo się nakłada, jednak nie zapewniają tak dobrej przyczepności i nie amortyzują wybojów tak dobrze, jak opony pneumatyczne. Jednocześnie, ponieważ się nie odkształcają, pozwalają na bardziej precyzyjne ruchy.

Kształty opon Kształt opony ma znaczący wpływ na precyzję prowadzenia i opory toczenia. Przyjrzyj się ukształtowaniu górnej powierzchni opon na rysunku 19.3. Niektóre z nich mają szerokie, spadziste barki; inne mają barki wąskie i kanciaste.

Rysunek 19.3. Kształty opon od lewej do prawej: zaokrąglona, baloniasta, hybrydowa i płaska W zaokrąglonej oponie z zachodzącymi na siebie rowkami, podobnej do opony rowerowej, jedynie drobny fragment dotyka ziemi w danym momencie. Ponieważ kontakt z podłożem jest niewielki, opona taka łatwo skręca i ma niewielkie opory toczenia. Opór toczenia określa ilość tarcia, jakie zachodzi pomiędzy oponą a podłożem, co przekłada się na łatwość toczenia się opony tam i z powrotem. Ze względu na niewielki kontakt z podłożem opony okrągłe są bardziej efektywne energetycznie, więc stanowią dobry wybór przy długich przebiegach. Opony baloniaste wystają nieco na boki poza obramowania felgi. Dobrze pochłaniają wstrząsy i radzą sobie z nierównym podłożem. Dlatego też zalecane są na bezdroża i nieutwardzone nawierzchnie. Istnieją także pośrednie kształty opon, gdzie środkowa część jest nieco spłaszczona, lecz obniża się na barkach. Opony takie oferują wyważone parametry, zajmując miejsca w środku stawki dla każdej z kategorii. Opony o płaskiej powierzchni czołowej zapewniają najlepsze prowadzenie na płaskich powierzchniach. Pozwala im to najlepiej przekazywać moc silnika na podłoże, jednak za cenę największych oporów toczenia. Wybierz płaskie opony, aby uzyskać największą siłę pchania czy ciągnięcia i największe przyspieszenie na gładkich powierzchniach.

267 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Szerokość opon Szersza opona zapewnia zazwyczaj większą stabilność i lepsze prowadzenie niezależnie od jej kształtu (patrz rysunek 19.4). Szerokie opony zmniejszają także prawdopodobieństwo utknięcia w równoległych bruzdach na drodze ruchu robota.

Rysunek 19.4. Porównanie czterech opon o coraz mniejszych szerokościach Z drugiej jednak strony, węższe opony zapewniają mniejsze opory toczenia i łatwiej skręcają, a także ważą mniej i zajmują mniej miejsca na gotowym robocie.

Kształt bieżnika Rodzaj bieżnika (patrz rysunek 19.5) należy dobrać pod kątem rodzaju powierzchni i warunków pogodowych, przy jakich robot ma się poruszać. Gładkie opony zapewniają najlepszy kontakt na suchych, gładkich powierzchniach. Takich opon używa się na profesjonalnych wyścigach. Niestety, na mokrej, piaszczystej czy nierównej nawierzchni opony takie mają tendencję do unoszenia się i utraty przyczepności. Dlatego właśnie większość poważnych zawodów jest natychmiast przerywana (lub zarządzany jest czas na wymianę opon), gdy tylko spadnie deszcz.

268 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 19. „ KOŁA

Rysunek 19.5. Rodzaje bieżnika (od lewej do prawej): gładki, rowkowy i klockowy Opony rowkowe zbliżone są do gładkich, lecz w powierzchni bieżnika mają wycięte rowki o różnych kształtach. Na piaszczystych lub mokrych powierzchniach rowki odprowadzają cząstki wody lub piasku poza miejsce styku opony z podłożem, a także pozwalają oponie nieco bardziej się uginać. Z racji porównywalnie zadowalających wyników osiąganych na suchej i mokrej nawierzchni opon tego typu używa się w niemal wszystkich pojazdach drogowych. Opony klockowe mają wydatne wybrzuszenia („klocki”) rozmieszczone na całej powierzchni. Sprawdzają się doskonale na nierównej czy sypkiej nawierzchni. Opony te zaskakująco dobrze sprawdzają się w domu, gdzie podłogi nie są raczej projektowane z myślą o niewielkich robotach. Niestety, klocki bieżnika zwiększają też głośność opony i powodują jej „pływanie” na boki na płaskich, gładkich powierzchniach. Opony klockowe nie sprawdzą się tam, gdzie potrzebny jest dokładny, powtarzalny ruch albo przesuwanie przedmiotów na gładkich powierzchniach.

Średnica opony Możesz mi wierzyć lub nie, lecz średnica opony (możesz o niej myśleć jak o wysokości — patrz rysunek 19.6) to prawdopodobnie jej najważniejszy parametr w przypadku kół dla robota. Oczywistą zależnością będzie to, jaką wysokość będzie miał cały robot. Poza tym zachodzą jeszcze inne, znacznie ważniejsze zależności.

Rysunek 19.6. Opony o różnych średnicach

269 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Średnica opony drastycznie wpływa na prędkość i moment obrotowy. Im jest większa, tym większa jest ostateczna prędkość pojazdu. Natomiast im mniejsza średnica, tym większa jest siła (pchania, ciągnięcia) przenoszona przez koła. Jeśli Twój robot porusza się zbyt szybko, zmień opony na mniejsze (o mniejszej średnicy). Podobnie, jeśli robot nie jest w stanie się przemieszczać z racji swojego ciężaru czy niewystarczającej mocy silnika, pomóc może zmniejszenie kół. I odwrotnie: jeśli Twój robot porusza się zbyt wolno lub buksuje kołami w miejscu, gdy próbuje ruszyć, wówczas zmień opony na większe.

Obliczanie prędkości liniowej Oto wzór na prędkość liniową: (prędkość obrotowa obciążonego silnika w RPM / 60 sekund w minucie) × obwód koła w metrach = prędkość liniowa w metrach na sekundę Weźmy jako przykład „Kanapkę”. Nie znam faktycznej prędkości obrotowej obciążonych silników, przyjmijmy więc prędkość obrotową biegu jałowego wynoszącą 137 RPM. Tę wartość zmierzyłem obrotomierzem, gdy silnik wirował swobodnie. Ponieważ silnik będzie musiał poradzić sobie ze znacznym obciążeniem, przesuwając robota po ziemi, zatem jego prędkość z pewnością nie będzie większa od wyliczonej, lecz raczej — co niemal pewne — będzie trochę mniejsza. Obwód koła najłatwiej zmierzyć miarką krawiecką (patrz rysunek 19.7). Jeśli nią nie dysponujesz, owiń koło paskiem papieru i zaznacz miejsce, w którym papier zaczyna się nakładać na poprzednią warstwę. Następnie rozwiń papier i zmierz zaznaczony odcinek za pomocą linijki. Średnica kół „Kanapki” wynosi około 16 cm, czyli 0,16 m.

Rysunek 19.7. Pomiar obwodu koła przy użyciu miarki krawieckiej Po podstawieniu wartości do wzoru na prędkość liniową otrzymujemy: dla robota „Kanapki”: (137 RPM / 60) × 0,16 m = 0,365 m/s Robot powinien pokonać 4-metrowy, prosty odcinek w czasie… długość odcinka trasy w metrach / prędkość liniowa = ilość sekund na pokonanie odcinka dla robota „Kanapki”: 4 m / 0,365 m/s = 11 s Wartość wynikająca z obliczeń to 11 sekund. W rzeczywistości zadanie to zajęło robotowi 15 sekund. Różnica pomiędzy wartością wyliczoną a zmierzoną w praktyce to właśnie efekt różnicy w prędkości obrotowej biegu jałowego i prędkości silnika obciążonego. Możesz przeliczyć wzory od końca, podstawiając zmierzony czas, aby obliczyć przybliżoną prędkość obrotową silnika pod obciążeniem. ((długość odcinka trasy w metrach / ilość sekund na pokonanie odcinka) / obwód koła w metrach) × 60 sekund w minucie = prędkość obrotowa obciążonego silnika w RPM dla robota „Kanapki”: ((4 m / 15 s) / 0,16 m) × 60 = 100 RPM

270 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 19. „ KOŁA

Oznacza to, iż prędkość obrotowa silnika pod obciążeniem wynosi około 100 RPM. Oczywiście, robot trochę kluczy, zamiast poruszać się idealnie prosto, więc rzeczywista prędkość obrotowa pod obciążeniem będzie nieco większa, jednak wartość 100 RPM jest wystarczająco dokładna dla szacunkowych obliczeń. Skoro znamy już prędkość obciążonego silnika, podstawmy ją do oryginalnego wzoru, aby sprawdzić, czy prawidłowo oszacujemy czas przejazdu na 15 sekund. dla robota „Kanapki”: (100 RPM / 60) × 0,16 m = 0,267 m/s dla robota „Kanapki”: 4 m / 0,267 m/s = 15 s A co by się stało, gdybyśmy zastosowali większe koła o obwodzie 22 cm? dla robota „Kanapki”: (100 RPM / 60) × 0,22 m = 0,363 m/s dla robota „Kanapki”: 4 m / 0,363 m/s = 11 s W obydwu wyliczeniach użyliśmy tych samych wartości, z wyjątkiem obwodu kół. Czas pokonania trasy zmniejszył się z 15 do 11 sekund, czyli — zmieniając średnicę kół — proporcjonalnie zmieniamy prędkość robota.

Wybieramy koła dla robota Wybór najlepszego rodzaju kół zależy od konkretnego terenu, tu jednak zamieszczam parę sugestii. • Robot poruszający się wewnątrz pomieszczeń potrzebuje wyrównanych możliwości w różnych warunkach. Użyj opon pneumatycznych lub piankowych o dużej średnicy i średniej szerokości, z bieżnikiem rowkowym. • Robot poruszający się w terenie wymaga odporności na wstrząsy i dobrej przyczepności do nierównej powierzchni. Użyj szerokich, baloniastych opon pneumatycznych o dużej średnicy wyposażonych w bieżnik klockowy. • Robot pchający, poruszający się na gładkich powierzchniach potrzebuje przyczepności i dobrego momentu obrotowego. Użyj szerokich, płaskich opon pneumatycznych o gładkim bieżniku i małej średnicy. (Jeśli idzie o ilość kół w takim pchającym robocie, to im więcej, tym lepiej — patrz rysunek 19.8).

Rysunek 19.8. Robot przeznaczony do zawodów minisumo wyposażony w 8 kół w celu uzyskania dużej siły pchania • Robot podążający wzdłuż linii powinien zgrabnie zakręcać. Użyj jednolitych, wąskich opon o zaokrąglonym profilu i gładkim bieżniku oraz umiarkowanej średnicy.

271 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Powody wyboru kół z LEGO Klocki LEGO są wielce przydatne dla amatorów robotyki. Klocki tej marki są znakomitej jakości, tak samo zresztą jak i koła. Gumowe półpneumatyczne i solidne jednolite opony LEGO dostępne są w licznych kształtach i rozmiarach (patrz rysunek 19.9).

Rysunek 19.9. Rozmaite koła LEGO Oto niektóre zalety zastosowania kół LEGO w Twoim robocie: • wysoka jakość wykonania, • szeroki wybór, • klasyczne i nowoczesne wykończenia, • dostępne w sklepie on-line oraz u lokalnych sprzedawców (zwykle jako elementy zestawu), • dokładne, powtarzalne rozmiary kół pozwalają łatwo łączyć koła w pary czy większe zestawy, • wymienialne (niemal wszystkie używają osi w tym samym rozmiarze). Gdy spojrzysz na te zalety, dojdziesz do wniosku, że robienie kół samodzielnie nie ma sensu. Bardzo trudno wykonać idealnie okrągłe koło z precyzyjnie umieszczoną piastą. Jeszcze trudniej wykonać parę takich kół. Chyboczące się koła powodują niedokładności prowadzenia i wyglądają nieprofesjonalnie. Drewniane koła są ciężkie i nie oferują dobrej przyczepności. Plastikowe koła ślizgają się tak samo jak drewniane, gdyż materiały, z których są wykonane, nie zapewniają takiego współczynnika tarcia jak gumowe opony. Co więcej, zarówno drewniane, jak i plastikowe koła nie dopasowują się do podłoża i jeszcze bardziej zmniejszają tarcie z powodu ograniczonej powierzchni styku. Silikonowe nakładki na koła nie zapewnią tak dobrego kontaktu z podłożem i takiego wyglądu, jak opony odlane z gumy. Samodzielne wykonanie porządnych kół wymaga wiele trudu i może być wysoce frustrujące. A co się stanie, gdy jedno z kół się uszkodzi? Kiedy używasz kół LEGO, zawsze możesz je dokupić u producenta czy kolekcjonerów.

Wybór kół dla „Kanapki” Na wybór właściwych kół dla robota podążającego wzdłuż linii składa się szereg istotnych czynników. Na początek należy określić minimalną i maksymalną dopuszczalną średnicę.

272 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 19. „ KOŁA

Określenie minimalnej i maksymalnej średnicy kół Wał silnika (a w zasadzie występującej za nim przekładni) użytego w „Kanapce” może zostać umieszczony nie niżej niż około 1,75 cm od spodu robota (patrz rysunek 19.10).

Rysunek 19.10. Zmierzona linijką odległość pomiędzy podłożem a środkiem wału silnika Aby zatem z bezpiecznym zapasem unieść robota ponad ziemią, koła powinny mieć promień co najmniej 2 cm. promień × 2 = średnica 2 cm × 2 = 4 cm Minimalna średnica koła to 4 cm. Odległość pomiędzy przodem robota a środkiem wału silnika wynosi odrobinę mniej niż 10 cm (patrz rysunek 19.11). Koło o średnicy 20 cm uniosłoby całego robota ponad ziemię. Po wystartowaniu robot prawdopodobnie zacząłby wirować pomiędzy kołami, miotając się w przód i w tył. Wydawałoby się, że 19 cm to maksymalna średnica koła, jakiej możesz użyć, aby jakiś fragment robota dotykał jeszcze podłoża. Choć techniczne jest to poprawne rozumowanie, takie podejście prowadzi jednak do pewnych problemów. Robot nie tylko „stawałby dęba” przy ruszaniu z miejsca, lecz również czujniki musiałyby być wygięte pod bardzo dziwnym kątem, aby były zwrócone w kierunku podłoża.

Określanie maksymalnej średnicy w zależności od prędkości Skoro większa średnica kół prowadzi do większej prędkości poruszania się robota, więc średnica ta jest zapewne ograniczona w głównej mierze poprzez czasy reakcji silników, czujników i układów sterujących. Robot wyjedzie w końcu poza trasę, jeśli będzie poruszał się za szybko w stosunku do możliwości reakcji elektroniki i silników. Podstawowe czynniki wpływające na prędkość robota, jakie określiliśmy do tej pory to: bazowa prędkość obrotowa silnika, jego napięcie zasilania, współczynnik redukcji przekładni, ciężar robota (obciążenie) i średnica kół. (Bardziej zaawansowane elektroniczne układy sterujące mogą kontrolować pracę silników i szybkość ich obrotów poprzez odpowiednio dobrane — w zależności od wymienionych przed chwilą czynników — impulsy zasilające o różnej długości).

273 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 19.11. Zmierzona linijką odległość pomiędzy przodem robota a środkiem wału silnika Silniki z przekładnią dla „Kanapki” wybierałem w oparciu o ich rozmiary, koszt i dostępność oraz wyjściową prędkość obrotów wału. Choć pożądany byłby nieco wolniejszy silnik, ograniczony byłem przez niewielki wybór silników spełniających założone kryteria. Najczęstszą sytuacją, gdy zmienia się ciężar robota, jest jego „odchudzanie”, aby poprawić osiągi. Zmiany w drugą stronę, gdy dodaje się dodatkowy balast, by spowolnić robota, są nieefektywne energetycznie. Napięcie zasilania silnika i średnica kół pozostają zatem najlepszymi parametrami, za pomocą których możemy wpływać na prędkość robota. Cały ten przydługi wstęp miał wyjaśnić, iż największa użyteczna średnica kół będzie zależeć od prędkości, przy której robot zacznie zbaczać z trasy. Aby określić tę średnicę, trzeba wykonać kilka prób.

Mój wybór kół dla robota „Kanapki” Odnosząc się do tego, co wcześniej napisałem, dla „Kanapki” to średnica kół jest najistotniejszym parametrem. Dla robota podążającego wzdłuż linii najlepszy wybór to jednolite, wąskie opony o zaokrąglonym profilu i gładkim bieżniku.

274 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 19. „ KOŁA

Przeprowadziłem wiele prób z kołami o różnych średnicach, aby zobaczyć, w którym momencie „Kanapka” zaczyna zbaczać z wyznaczonej trasy. Koła o średnicy około 4,5 cm wydają się zapewniać najlepsze połączenie prędkości i zwrotności. „Kanapka” wykorzystuję parę kół LEGO oznaczonych „49,6 × 28 VR” (patrz rysunek 19.12). Mają one około 5 cm średnicy. Pomimo braku pozostałych cech pożądanych w robocie podążającym wzdłuż linii, pozostałem przy wyborze płaskich i szerokich opon półpneumatycznych z rowkowanym bieżnikiem z racji ich odpowiedniej średnicy (i w efekcie prędkości robota).

Rysunek 19.12. Koła LEGO wybrane do „Kanapki”. 49,6 × 28 VR: nr felgi — 6595; nr opony — 6594 Jeśli uda Ci się takowe namierzyć, śmiało możesz wybrać dowolne jednolite, wąskie koła o zaokrąglonym profilu z gładkim bieżnikiem i średnicą około 4,5 cm. Kiedy pisałem tę książkę, nowe koła „49,6 × 28 VR” nie są sprzedawane przez LEGO pojedynczo, zaś wszystkie zestawy, w których występowały, nie są już produkowane. W tabeli 19.1 znajdziesz listę zestawów, w których te koła występowały1. (Nazwy zestawów podaję w oryginale, gdyż sprzedawcy niezależni rzadko zadają sobie trud ich przetłumaczenia). Pomimo iż LEGO nie oferuje już tych konkretnych kół, możesz je zdobyć z wielu innych źródeł. Jeśli nie masz ich akurat w swoich własnych zbiorach, możesz je znaleźć w internecie na wielu serwisach aukcyjnych. Anglojęzyczny serwis BrickLink.com to wspaniałe źródło pojedynczych klocków LEGO. Przykładowo w czasie pisania tego tekstu oponę i felgę do „Kanapki” można było znaleźć u ponad 500 sprzedawców w cenie poniżej 1 dolara. Części możesz wyszukiwać po numerze lub po opisie. (Zwróć uwagę, iż w serwisie BrickLink do określenia opony używa się terminu „tyre” zamiast „tire”, a numer 6594 skojarzony jest także z zestawem o nazwie „Gas Transit”). Sprzedawcy ogłaszający się na stronach BrickLink pochodzą z całego świata i w żaden sposób nie podlegają temu serwisowi. Musisz więc zwracać uwagę na lokalizację sprzedawcy i jego reputację. Powinieneś starać się kupić jak najwięcej części od tego samego sprzedawcy, aby zminimalizować koszty przesyłki.

Wybór innych kół dla „Kanapki” Przypomnij sobie, iż — poza średnicą — innym sposobem regulacji prędkości robota jest zmiana napięcia zasilania silnika. W „Kanapce” można zamontować koła o większej średnicy, o ile wybierze się napięcie baterii mniejsze niż 9 V.

1

Choć zestawy te przestały być produkowane, dostępne są jeszcze czasem w niektórych sklepach (zapasy magazynowe) i na aukcjach internetowych. Dobrym punktem wyjścia jest strona Polskiego Klubu Dorosłych Fanów Lego (www.lugpol.pl), gdzie użytkownicy zamieszczają recenzje zakupionych przez siebie zestawów, z których przy okazji można się dowiedzieć, gdzie i za jaką cenę taki zakup nastąpił — przyp. tłum.

275 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Tabela 19.1. Zestawy LEGO zawierające koła 49,6 × 28 VR Nr zestawu

Nazwa zestawu (angielska)

2556

Shell Promotional Set / F1 Ferrari

3804

Robotics Invention System 2.0

3808

Shadowstrike S70

8286

3 In 1 Car / Amphipower

8440

Formula Flash / Formula Indy Racer

8445

Indy Storm

8456

Fiber Optic Multi Set / Multi Racer Set

8471

Nitro Burner

8472

Street ’n’ Mud Racer

8473

Nitro Race Team

8479

Barcode Multi-Set

8482

CyberMaster

8483

CyberMaster

8516

RoboRiders The Boss

8520

Millennium/Millennia Throwbot

9719

Robotics Invention System 1.0

9747

Robotics Invention System 1.5

9794

Team Challenge Set

Zrekompensowanie większej średnicy kół przez niższe napięcie zasilania Koła LEGO złożone z felgi o numerze 32057 oraz opony o numerze 32076 posiadają cechy pasujące doskonale do wymagań określonych dla robota podążającego wzdłuż linii poza tym, iż ich bieżnik jest nieco rowkowy (patrz rysunek 19.13).

Rysunek 19.13. Brat robota „Kanapki” z zamontowanymi kołami o większej średnicy i 6 V pakietem baterii

276 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 19. „ KOŁA

Koła te mają średnicę 7 cm. Ich obwód można zmierzyć bądź obliczyć za pomocą następującego wzoru: π × średnica = obwód 3,1416 × 7 cm = 22 cm Stosując koła o obwodzie 22 cm w miejsce kół o obwodzie równym 16 cm, powodujemy proporcjonalny wzrost prędkości liniowej. 22 cm / 16 cm = 137,5% Aby zniwelować 37,5% wzrost prędkości, 9-woltowy akumulatorek niklowo-magnezowy może zostać zastąpiony przez 6-woltowy pakiet 4 baterii rozmiaru AAA. (Konkretnie użyłem alkalicznych akumulatorków firmy Rayovac2). Obniżenie napięcia z 9 V do 6 V spowodowało proporcjonalny spadek prędkości. napięcie nominalne pakietu baterii 6 V / napięcie nominalne aktualnie używanego akumulatorka NiMH 8,4 V = 71,4% Ostateczna prędkość jest niemal taka sama: (22 cm / 16 cm) × (6 V / 8,4 V) = 98% Robot nie tylko otrzymał bardziej odpowiednie dla niego koła, lecz jeszcze pakiet baterii AAA wytrzymuje 7 razy dłużej! Różnica w ciężarze obydwu konfiguracji to tylko 5 gramów albo 2,5% więcej w przypadku baterii AAA. Jeśli na stałe zdecydujesz się na użycie w swoim robocie 6-woltowego pakietu baterii zamiast ogniwa 9-woltowego, pamiętaj, aby odpowiednio przeliczyć wartości rezystorów ograniczających w obwodzie. Inaczej diody LED będą świeciły bardzo słabo.

Nowa alternatywa dla wybranych modeli kół Aktualnie LEGO produkuje koła o innym rozmiarze, które stanowią doskonałą alternatywę do wcześniej prezentowanych (patrz rysunek 19.14). Felga ma oznaczenie „30,4 × 20” (element nr 56145), a opona „43,2 × 22 ZR” (element nr 44309). Mniejsza średnica zwiększa precyzję podążania wzdłuż linii, a mniejsza szerokość zmniejsza tarcie.

Rysunek 19.14. Nieprodukowane już koła „49,6 × 28 VR” (po lewej) w porównaniu z dostępnymi obecnie „43,2 × 22 ZR” (po prawej)

2

Należy pamiętać, że akumulatorki rozmiaru AA i AAA mają napięcie nominalne w wysokości 1,2 V, nie zaś 1,5 V jak w bateriach tych rozmiarów. Zatem autor tak naprawdę dysponował źródłem zasilania o napięciu nominalnym 4,8 V — przyp. tłum.

277 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

W tabeli 19.2 wymieniłem niektóre zestawy zawierające koła „43,2 × 22 ZR”3. Tabela 19.2. Niektóre zestawy LEGO zawierające koła „43,2 × 22 ZR” Nr zestawu

Nazwa zestawu (angielska)

4893

Revvin’ Riders

4895

Motion Power

4955

Big Rig

6752

Fire Truck

6753

Highway Transport

8140

Tow Trasher

8143

Ferrari 1:17 F430 Challenge

8156

Ferrari FXX 1:17

8166

Wing Jumper

8167

Jump Riders

8271

Wheel Loader

8292

Cherry Picker

8354

Exo Force Bike

8355

H.O.T. Blaster Bike

8365

Tuneable Racer

8547

Mindstorms NXT 2.0

8645

Muscle Slammer Bike

8652

Enzo Ferrari 1:17

8667

Action Wheelie

8671

Ferrari 430 Spider 1:17

8969

Wheeling Pursuit

9648

Education Resource Set

10196

Grand Carousel

Czyszczenie opon W stosunkowo krótkim czasie opony robota gromadzą kurz i pył. Zabrudzona guma nie zapewnia takiej przyczepności jak czysta. Jednym z sekretów zwyciężania w zawodach robotów sumo jest wycieranie powierzchni opon po każdej walce. Większe zabrudzenia możesz usunąć z opon za pomocą starej szczoteczki do zębów i wody. Pomoże także dodanie odrobiny płynu do mycia naczyń.

3

W internetowym sklepie LEGO (anglojęzycznym!) można także nabyć te koła pojedynczo. Należy użyć aplikacji „pick-a-brick” pozwalającej skompletować zestaw z pojedynczych części. Felgę (element nr 4297210) i oponę (element nr 4184286) należy zakupić osobno. Koszt dwóch kompletnych kół to w czasie pisania tego tekstu 6,32 zł, natomiast koszt wysyłki do Polski (12 dni roboczych) to 32 zł — przyp. tłum.

278 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 19. „ KOŁA

Aby usunąć głębsze zabrudzenia, umieść opony w myjce ultradźwiękowej (patrz rysunek 19.15). Myjkę przedstawioną na rysunku sprzedaje Micro-Mark (nr produktu 82413) w cenie niecałych 90 dolarów4. Ten konkretny model jest dość mały, jednak wystarczający do wszystkich kół LEGO i płytek drukowanych o rozmiarach do 7 cm na 11 cm.

Rysunek 19.15. Myjka ultradźwiękowa (pośrodku) oraz roztwór czyszczący (po lewej) i alkohol izopropylowy (po prawej) Myjki ultradźwiękowe generują drgania przy użyciu fal ultradźwiękowych (powyżej ludzkiego progu słyszalności). Na powierzchni przedmiotów zanurzonych w myjce tworzą się miliony drobniutkich pęcherzyków powietrza, które następnie wnikają nawet w najdrobniejsze szczeliny, a następnie odrywają się, unosząc przy okazji cząsteczki zabrudzeń. Używaj specjalnych roztworów czyszczących przeznaczonych dla Twojej myjki lub też skorzystaj ze zwykłej wody z paroma kroplami płynu do mycia naczyń. Myjki ultradźwiękowe czyszczą doskonale już z racji samej zasady swojego działania. Roztwory czyszczące pomagają jednakże o tyle, iż środki powierzchniowo czynne w nich zawarte wiążą cząsteczki brudu, zapobiegając ich ponownemu opadaniu na czyszczone powierzchnie. Alkohol izopropylowy (izopropanol) może stopniowo uszkadzać niektóre rodzaje gumy i plastiku. Dla pewności najlepiej w ogóle unikać jego używania do czyszczenia kół. Przy użyciu czystego (99%) alkoholu izopropylowego możesz także czyścić płytki drukowane. Można go nabyć w niektórych drogeriach, supermarketach i specjalistycznych sklepach dla elektroników. Nie używaj alkoholu „do nacierania” ani żadnych innych substancji zawierających mniej niż 99% czystego alkoholu, gdyż mogą być do nich dodane olejki, perfumy czy inne szkodliwe środki chemiczne.

Na kołach do przodu Istnieją także inne mechanizmy umożliwiające wprawienie Twojego robota w ruch, takie jak gąsienice czy nogi. Gdy jednak dopiero zaczynasz przygodę z nowym hobby, koła dają największą szansę na sukces projektu. Przez lata zdołasz zapewne zgromadzić całą kolekcję kół, tak samo jak zgromadzisz kolekcję silników i innych elementów. Gdy pojawi się pomysł na robota, po prostu położysz przed sobą najważniejsze elementy i będziesz zamieniał części tak długo, aż robot nabierze realnego kształtu, który wcześniej zaświtał Ci w głowie. 4

Podobną myjkę sprzedaje aktualnie Conrad w cenie 139 zł (nr produktu 825187) — przyp. tłum.

279 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Jeśli zdecydowałeś się na użycie kół LEGO lub też dowolnych innych kół ze standardową piastą, nawet w gotowym robocie będziesz mógł łatwo zmieniać koła na podobne o innym rozmiarze czy profilu. Pozwala to na szybkie i łatwe eksperymenty oraz próby. W kolejnym rozdziale dowiesz się, jak wykonać specjalny łącznik, który pozwoli na dołączenie do wału silnika dowolnego, standardowego koła LEGO.

280 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 20 „„„

Łączniki

Łącznik, jak sama nazwa wskazuje, służy do łączenia ze sobą dwóch przedmiotów. W tym rozdziale znajduje się opis wykonania elementu przeznaczonego do łączenia wału silnika z osią krzyżakową z klocków LEGO. Łącznik, który tu opisuję, jest na tyle uniwersalny, że można go użyć do połączenia dowolnego silnika z dowolnym kołem. Zastosowanie łącznika jest niezbędne, ponieważ kształt i rozmiar wału silnika nie pozwalają na zamontowanie bezpośrednio na nim koła z klocków LEGO. Oczywiście, zawsze można elementy skleić albo zlutować, ale wówczas nie ma możliwości ich łatwego rozłączenia, żeby rozebrać albo zmodyfikować robota. Dlatego lepiej wykorzystać specjalny łącznik, którego opis znajduje się w tym rozdziale. Robot podążający wzdłuż linii ma dwa koła, a więc potrzebne będą dwa łączniki.

Inne rozwiązania Wykonanie opisywanego tu elementu wymaga użycia narzędzi do obróbki skrawaniem, co dla początkującego adepta sztuki konstrukcji robotów może być trudne. Mnie też na początku nie było łatwo! A jednak to właśnie radość z własnoręcznego wykonania różnych części sprawia, że budowanie robotów jest tak fascynującym zajęciem. Szczerze zachęcam przynajmniej do spróbowania wykonania tego dość łatwego elementu. Od razu zaczniesz bardziej doceniać pracowników, którzy robią to na co dzień. Jeśli jednak nie chcesz wykonać łącznika własnoręcznie, możesz kupić silniki i koła, które są do siebie dopasowane. W rozdziale 18. proponowałem zakup silników i łączników Solarbotics GMPW Deal. Jeżeli polubiłeś silniki Hsiang Neng, w sklepie ServoCity.com możesz kupić dla nich różne rodzaje gotowych piast i kół (patrz rysunek 20.1). Średnica wału tego silnika wynosi 4 mm, a więc należy kupić 4-milimetrowe pierścienie z wkrętem dociskowym (3470H po 4,95 dol.) lub 4-milimetrowe pierścienie dociskowe (3120CH po 7,95 dol.). Lepszy jest pierścień dociskowy, ponieważ lepiej trzyma się wału i nie uszkadza go, ale — niestety — jest też trochę droższy. Pasujące koło przykręca się do pierścienia za pomocą wkrętów. Można kupić koła w różnych rozmiarach i kolorach. Do robota „Kanapki” najlepiej nadają się akrylowe koła o średnicy 5 cm (2.00ACR po 3,99 dol.) i 4-centymetrowe piankowe (2.00TMD po 16,95 dol.). Koła sprzedawane są po dwa. Za pierwszym razem, kiedy o tym jeszcze nie wiedziałem, kupiłem dwa zestawy i dostałem cztery koła.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 20.1. Pierścień z wkrętem dociskowym (pierwszy z lewej) i pierścień dociskowy (drugi z lewej) oraz gotowe przymocowane do wału silnika koło

Ręczne wykonanie łączników Jeśli masz możliwość skorzystania z tokarki lub frezarki, możesz wykonać łączniki w nieco inny sposób niż opisany dalej w tym rozdziale. Na stronie http://www.robotroom.com/LatheCoupler.html znajduje się opis wykonania łączników przy użyciu najbardziej precyzyjnego narzędzia, czyli tokarki. Osobom, które mają frezarkę, polecam rozdziały 3. i 4. książki Intermediate Robot Building Davida Cooka (Apress, 2010), gdzie znajdują się szczegółowe instrukcje użycia tego narzędzia.

Rurki Skoro czytasz ten tekst, zdecydowałeś się na własnoręczne wykonanie łączników. Pierwszą czynnością powinno być zgromadzenie potrzebnych materiałów. Głównym elementem budowy łącznika będzie metalowa rurka. Z jednej strony jej średnica wewnętrzna będzie dopasowana do średnicy osi z klocków LEGO, a z drugiej — do średnicy wału silnika. Oś LEGO będzie przyklejona do łącznika na stałe, natomiast wał silnika zostanie przykręcony, aby dało się go wyjąć, jeśli będzie trzeba.

Wybór materiału na rurkę Łączniki można wykonać z mosiądzu albo aluminium (patrz rysunek 20.2), przy czym warto pamiętać, że mosiądz jest około trzy razy cięższy, a więc jeden łącznik z tego metalu będzie ważył około sześciu gramów. Mosiądz jest od aluminium twardszy, a więc łatwiej zachować jego pierwotny kształt podczas obróbki. Co więcej, metal ten ogólnie łatwiej poddaje się obróbce i dlatego polecam wykonanie swoich pierwszych łączników właśnie z mosiądzu. Niewielka masa aluminium jest niewątpliwą zaletą, jeśli robot ma brać udział w zawodach. Nie należy się raczej obawiać, że pęknie, gdyż siły działające na elementy w tak małych konstrukcjach są bardzo niewielkie.

282 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 20. „ ŁĄCZNIKI

Rysunek 20.2. Dwa łączniki z mosiądzu (po lewej) i dwa łączniki z aluminium (środek) wykonane z rurek. Po prawej pokazane są łączniki plastikowe wykonane przy użyciu tokarki lub frezarki z jednolitego pręta

Zakup rurek o odpowiednich rozmiarach Rurki z mosiądzu i aluminium można kupić w większości sklepów modelarskich (patrz rysunek 20.3). Tym razem potrzebne są cztery rurki o średnicach 3/16 cala (ok. 4,76 mm), 7/32 cala (ok. 5,55 mm), 1/4 cala (ok. 6,35 mm) oraz 9/32 cala (ok. 7,14 mm).

Rysunek 20.3. Zestaw mosiężnych, aluminiowych i miedzianych elementów, takich jak rurki, kątowniki, kanały, paski i arkusze Grubość ścianki powinna wynosić 0,014 cala (ok. 0,35 mm). Dokładnie takie rurki, jakich potrzebujesz do tego projektu, można kupić w sklepie K&S Engineering; podaję numery produktów: 129, 130, 131 i 132. Cena rurek wynosi około 2 dol. za sztukę. Podobne rurki można kupić w sklepach McMaster-Carr, Online Metals oraz MSC Industrial Supply. Na jedną parę łączników potrzeba tylko 5 cm rurki, ale w powyższych sklepach kupuje się odcinki 12-calowe (ok. 30 cm). Dzięki temu z jednej rurki można zrobić łączniki do kilku robotów. Jeśli nie masz możliwości nabycia dokładnie takich rurek, jak opisane, wkrótce dowiesz się, skąd się te wartości wzięły, dzięki czemu będziesz mógł dobrać odpowiednie rurki z tych, które masz do dyspozycji.

283 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Teleskopowe łączenie rurek Jeśli kupisz rurki o podanych wymiarach, rurka każdego rozmiaru powinna idealnie pasować do rurki o jeden rozmiar większej (patrz rysunek 20.4), jak w teleskopie. Kupując rurki w sklepie, zwróć uwagę, czy poszczególne rozmiary są do siebie dobrze dopasowane.

Rysunek 20.4. Cztery kawałki rurek włożone jeden w drugi

Mocowanie osi w rurce Z jednej strony łącznika musi zostać zamocowana oś krzyżakowa LEGO. Po kilku próbach udało mi się ustalić, że najlepsza jest do tego celu rurka o średnicy około 5,5 mm (patrz rysunek 20.5).

Rysunek 20.5. Oś krzyżakowa LEGO wetknięta w rurkę o średnicy 5,5 mm

Mocowanie wału silnika w rurce Z drugiej strony rurki powinien zostać zamocowany wał silnika. Drogą prób i błędów ustaliłem, że najlepiej do tego celu nadaje się rurka o średnicy 4,7 mm (3/16 cala) — patrz rysunek 20.6.

Rysunek 20.6. Wał silnika z nałożoną rurką o średnicy 3/16 cala

284 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 20. „ ŁĄCZNIKI

Jako że z każdej strony średnica rurki musi być inna, nie da się połączyć osi z silnikiem za pomocą tylko jednej rurki. Na szczęście, rurka o średnicy 3/16 cala i grubości ścianki 0,014 cala doskonale wpasowuje się do rurki o średnicy 7/32 cala i tej samej grubości ścianki. Przyciąłem zatem kawałek rurki o średnicy 3/16 cala i długości równej połowie długości łącznika i włożyłem go do rurki o średnicy 7/32 cala. Dzięki temu jedna połowa łącznika pasuje do wału silnika, a druga do osi LEGO. Teraz już wiesz, skąd się wzięły wymienione na początku liczby. Pozostałe dwie rurki mają większe średnice. Nasuniemy je na mniejsze rurki, aby wzmocnić konstrukcję i ułatwić wkręcenie wkrętu dociskowego.

Mierzenie i cięcie rurek Sprzedawane rurki mają większą długość niż trzeba, dlatego musisz je przycinać.

Określanie i oznaczanie długości rurek Wystająca część wału silnika ma długość 15 mm. Rurka od strony wału powinna być trochę krótsza, np. 13 mm, aby nie ocierała o pokrywę silnika, kiedy wał będzie się obracał. Odmierz dwa 14-milimetrowe kawałki rurki 3/16 cala i oznacz miejsca cięcia cienkim markerem (patrz rysunek 20.7). Dlaczego 14 mm, skoro wcześniej pisałem 13? Ponieważ jeden milimetr zostanie utracony w wyniku cięcia i szlifowania.

Rysunek 20.7. Rurka o średnicy 3/16 cala przystawiona do wału silnika, aby odmierzyć długość do ucięcia Odmierz 23-milimetrowe kawałki każdej z pozostałych rurek, które będą obejmowały łącznik na całej długości (około 22 mm). Możesz — oczywiście — uciąć dłuższe rurki, ale wówczas Twój robot będzie odpowiednio szerszy.

Cięcie rurek Do cięcia rurek można użyć różnych narzędzi, np. piłki do metalu z drobnymi ząbkami. Jeśli podczas cięcia ścianki się wyginają, możesz włożyć do środka drewniany klocek albo użyć lepszego narzędzia niż zwykła piłka do metalu.

Przyrząd do cięcia rurek Istnieje specjalne narzędzie służące do cięcia rur o nazwie obcinak do rur (patrz rysunek 20.8). Rurkę wkłada się między obracające się ostrze a dwie obracające się rolki, a następnie kręci pokrętłem, aby docisnąć rurkę do ostrza, powodując tym samym jej przecięcie.

285 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 20.8. Mały obcinak do rur Mimo iż narzędzie to pozwala wykonać bardzo proste cięcia, po wewnętrznej stronie uciętej krawędzi pozostają zwinięte opiłki, które mogą uniemożliwić włożenie do środka dopasowanego elementu. Oczywiście, opiłki można zeszlifować albo po prostu wydłubać, ale nie warto tak się męczyć.

Narzędzie elektryczne z regulacją prędkości obrotowej Pokazane na rysunku 20.9 narzędzie przypomina wiertarkę z dużą prędkością obrotową, która zamiast do wiercenia otworów jest używana do szlifowania, rzeźbienia, żłobienia i cięcia za pomocą specjalnych tarcz.

Rysunek 20.9. Narzędzie z regulacją prędkości obrotowej firmy Dremel z założoną tarczą tnącą „ Ostrzeżenie: Zawsze kiedy używasz narzędzia obrotowego, miej na sobie maskę przeciwpyłową i okulary ochronne.

Narzędzia obrotowe z regulacją prędkości obrotowej można kupić w większości sklepów z narzędziami, a ich ceny oscylują w przedziale od około 250 do około 600 złotych, w zależności od wyposażenia i dołączonych akcesoriów. Najpopularniejszą firmą produkującą te narzędzia jest Dremel. Zapewne nic się nie stanie, jeśli kupisz najtańszy model, ale lepszą inwestycją jest sięgnięcie po coś ze średniego przedziału cenowego. W robotyce narzędzie obrotowe jest tak niezbędne jak miernik uniwersalny w elektronice. Warto je kupić i trochę poćwiczyć obsługę.

Mocowanie rurki w imadle Imadło składa się z dwóch ciężkich metalowych bloków, zwanych szczękami, połączonych śrubą (patrz rysunek 20.10). Kręcenie tą śrubą w jednym kierunku powoduje zbliżanie się szczęk, dzięki czemu można między nimi bezpiecznie unieruchomić dowolny przedmiot.

286 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 20. „ ŁĄCZNIKI

Rysunek 20.10. Małe imadło przymocowane do stołu Małe imadła mocowane do stołu są niedrogie, a bez nich trudno się obejść podczas budowy robota.

Cięcie rurki narzędziem obrotowym Aby uciąć rurkę za pomocą narzędzia obrotowego, należy ją zamocować w imadle (patrz rysunek 20.11) i lekko zacisnąć szczęki, tak żeby nie wypadła, ale trzeba też uważać, by jej nie zgnieść.

Rysunek 20.11. Narzędzie obrotowe z tarczą tnącą (na dole po lewej) gotowe do ucięcia rurki w miejscach oznaczonych markerem. Rurka jest unieruchomiona w imadle (po prawej) Zamontuj w narzędziu wytrzymałą tarczę tnącą, np. wzmacnianą włóknem szklanym. Włącz narzędzie w dolnym zakresie jego prędkości obrotowej i przyłóż lekko do rurki w oznaczonym miejscu, aby ją przeciąć. Rysunek 20.11 to tylko ilustracja poglądowa. W rzeczywistości cięcie należy zacząć od pierwszego znaku z brzegu, tak aby pozostała do pocięcia część nadal tkwiła unieruchomiona w imadle. Jeśli z imadła wysuniesz zbyt długi kawałek rurki, będzie wibrować i cięcie stanie się nieprecyzyjne. Jeżeli najpierw utniesz w miejscu środkowego oznaczenia, połowa rurki spadnie na podłogę. Czasami w wykonaniu prostego cięcia przeszkadza gruba końcówka narzędzia obrotowego, a co gorsza, tarcza tnąca z czasem się zużywa i robi coraz mniejsza. Rozwiązaniem problemu jest wymiana tarczy na nową lub zastosowanie elastycznej przedłużki. Mimo wszystko, nie przejmuj się zbytnio tym, czy cięcie jest proste, ponieważ zawsze można je doszlifować, a poza tym i tak nie spowoduje ono żadnych problemów.

287 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Szlifowanie uciętej krawędzi Na krawędziach uciętej rurki zazwyczaj znajdują się zwinięte opiłki, które można usunąć za pomocą papieru ściernego (patrz rysunek 20.12). Można także użyć drobnego pilnika, ale papier ścierny jest delikatniejszy.

Rysunek 20.12. Ucięta rurka z opiłkami (po lewej) i rurka po oszlifowaniu oraz oczyszczeniu Papier ścierny najczęściej sprzedawany jest w zestawach zawierających arkusze o różnej ziarnistości. Należy kupić zestaw papierów przeznaczonych do szlifowania metalu, np. korundowych, o ziarnistości od 100 do 225. Aby uzyskać doskonały efekt wykończenia, możesz też użyć bardzo drobnego papieru karborundowego o numerze 400. „ Ostrzeżenie: Do szlifowania zawsze zakładaj maskę przeciwpyłową i okulary ochronne.

Papiery o niższych numerach szybciej ścierają materiał, ale pozostawiają zadrapania. Dlatego najpierw użyj grubszego papieru o numerze 100, aby tylko z grubsza wyrównać krawędź, a następnie weź drobniejszy (np. 225) i za jego pomocą dokończ pracę. Nie musisz szlifować rurki na lusterko papierem o numerze 400, chyba że masz wysoko rozwinięty zmysł estetyczny. Wystarczy, że usuniesz zadziory i opiłki.

Testowanie uciętych kawałków Powinieneś już mieć trzy rurki o długości 22 mm i średnicach 7/32 cala, 1/4 cala i 9/32 cala. Ponadto powinieneś mieć jedną rurkę o średnicy 3/16 cala i długości 13 mm. Połącz dłuższe rurki, wkładając jedną w drugą tak, aby otrzymać jedną grubszą rurkę o długości 22 mm (patrz rysunek 20.13 po prawej). Gdyby któraś rurka nie chciała wejść w drugą, ostrożnie przeszlifuj ją albo wymień na nową, bo może jest uszkodzona. Jeżeli rurki nie są idealnie tej samej długości, możesz się tym w ogóle nie przejmować albo zeszlifować je do równej długości.

Rysunek 20.13. Trzy 22-milimetrowe rurki włożone jedna w drugą (po lewej), 13-milimetrowa rurka (po środku) i 13-milimetrowa rurka włożona częściowo do rurek 22-milimetrowych, aby sprawdzić, czy pasuje

288 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 20. „ ŁĄCZNIKI

Włóż 13-milimetrową rurkę do potrójnej rurki 22-milimetrowej i sprawdź, czy jest dobrze dopasowana. Jeśli tak, wyjmij ją z powrotem (możesz sobie pomóc małym śrubokrętem albo pociągnąć za wystającą część).

Osie krzyżakowe LEGO Oś krzyżakowa LEGO to podłużny prostokątny pręt, który w przekroju poprzecznym przypomina literę „x” albo znak „+”. Osie te są specjalnie zaprojektowane do montażu w kołach zębatych i piastach kół klocków LEGO. Mimo iż trzymają się tylko dzięki sile tarcia, nie wypadają i nie luzują się w czasie używania.

Wybór osi o odpowiedniej długości Wymiary klocków LEGO zazwyczaj podaje się w liczbie znajdujących się na powierzchni standardowego klocka słupków. Przykładowo pokazane na rysunku 20.14 osie mają długości 4, 5 i 6 jednostek (czyli 31,8 mm, 39,7 mm oraz 47,6 mm). Osie krzyżakowe LEGO można nabyć w długościach 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 i 12 jednostek.

Rysunek 20.14. Trzy przykładowe osie krzyżakowe LEGO o różnych długościach i zwykły klocek o długości 4 jednostek dla porównania W łączniku można zamontować oś o długości nie mniejszej niż 2,5 jednostki (oś o długości pięciu jednostek przecięta na pół). Za krótka oś albo nie sięgnie do koła, albo nie będzie miała wystarczającego oparcia w łączniku. Jeśli jest dobre podparcie, do łącznika można przymocować nawet oś o długości 12 jednostek LEGO. W „Kanapce” została użyta oś o długości trzech jednostek LEGO, którą otrzymałem, tnąc na pół oś o długości 6 jednostek, bo taką łatwiej zdobyć. Jeśli zdecydujesz się na przecięcie dłuższej osi, uciętą końcówkę włóż do łącznika, a na zewnątrz wystaw stronę nienaruszoną. Wtedy łatwiej będzie założyć koło. Osie dłuższe niż 3 czy 4 jednostki wystają poza koło i należy ich raczej używać do montażu kół znajdujących się w ramie (patrz rysunek 20.15). Jeśli umieścisz koło na końcu długiej osi, ryzykujesz jej wygięcie, a nawet złamanie.

Zakup osi krzyżakowych z klocków LEGO Ponieważ osie te są bardzo przydatne, można je znaleźć w większości zestawów klocków LEGO. Jeśli nie masz ich pod ręką, szukaj na aukcjach internetowych.

289 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 20.15. Oś o długości 6 jednostek LEGO zamontowana w łączniku i przeznaczona do montażu koła w ramie

Klejenie części łącznika Ponieważ klej najlepiej przywiera do powierzchni wolnych od kurzu i tłuszczu, przed klejeniem dokładnie wyczyść wszystkie elementy. Kiedy skończysz, poczekaj jeszcze trochę, aż wszystkie części wyschną.

Rozklejanie się elementów Do niedawna nie zaprzątałem sobie głowy takimi czynnościami jak czyszczenie i suszenie klejonych elementów. Wszystko się zmieniło, kiedy zacząłem używać osi, których klej się nie ima. Osie klocków LEGO są wykonane z polipropylenu (tego samego materiału, co obudowa „Kanapki”). A polipropylen i polietylen to ulubione materiały do produkcji pojemników spożywczych, ponieważ są niezwykle odporne na działanie substancji chemicznych. Z tego samego powodu nie przywiera do nich klej. Ciekawe, czy wiesz z czego robi się pojemniki na klej? Polipropylen ma bardzo niską energię powierzchniową. Jeśli na jego powierzchni pozostanie olej lub jakiś inny rodzaj zabrudzenia, dla kleju pozostaje jeszcze mniej miejsc, do których może przywrzeć. Jeśli dokładnie wyczyścisz oś, masz większą szansę, że klejenie się uda. Najlepszy efekt uzyskasz, kiedy zanurzysz element w alkoholu izopropylowym i potem wytrzesz bawełnianą ściereczką. W sklepach można też kupić specjalne zestawy klejowe z buteleczką heksanu, który przyspiesza proces klejenia. Klej cyjanoakrylowy na powierzchniach posmarowanych heksanem zasycha niesamowicie szybko. Dzięki temu zasychający klej tworzy ostre struktury, które chwytają powierzchnię, zamiast rozciągać się jak kropelki wody na świeżo nawoskowanym samochodzie. Heksan należy jednak traktować jak ostatnią deskę ratunku, najpierw spróbuj po prostu dokładnie oczyścić klejone powierzchnie.

Robienie nacięć na osi Przed czyszczeniem osi możesz wykonać na jednym z jej końców niewielkie nacięcia (patrz rysunek 20.16). Nałożony klej je wypełni i po zaschnięciu uniemożliwi wypadnięcie osi z łącznika, nawet jeśli nie przywrze do klejonej powierzchni.

290 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 20. „ ŁĄCZNIKI

Rysunek 20.16. Nacięcia wykonaj pilnikiem po stronie wkładanej do łącznika. Nie niszcz stożkowatej końcówki, która będzie wetknięta w koło

Żywica epoksydowa Do sklejenia całego łącznika dobrze nadaje się dwuskładnikowa żywica epoksydowa, ponieważ jest to gęsta i dobrze wiążąca substancja, która znakomicie wypełnia wszelkie zagłębienia. W sklepach można kupić wiele różnych rodzajów żywic. Poszukaj takiej, która po zaschnięciu jest przezroczysta (patrz rysunek 20.17).

Rysunek 20.17. Żywica epoksydowa Devcon „ Ostrzeżenie: Do klejenia załóż rękawiczki winylowe albo nitrylowe (nie lateksowe). Kontakt żywicy ze skórą może spowodować reakcję alergiczną.

291 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Postępuj zgodnie ze wskazówkami wydrukowanymi na opakowaniu. Wymieszaj trochę żywicy na kawałku papieru, nanieś odrobinę na zewnętrzną stronę uciętej rurki, a następnie rurkę tę włóż do większej rurki. Na koniec zakręć lekko włożoną rurką, aby dokładnie rozprowadzić żywicę. Po złożeniu rurek umocz końcówkę osi LEGO w żywicy, tak aby pozostał na niej spory bąbel kleju dokładnie wypełniający rowki osi. Włóż oś do rurki, a następnie pokręć nią trochę i poruszaj, aby dobrze rozprowadzić żywicę po wewnętrznej powierzchni. Chodzi o to, aby dokładnie wypełnić przestrzeń między osią w kształcie „x” a rurką kształtem przypominającą „o”. Poczekaj do całkowitego wyschnięcia żywicy. Ta, której używam, potrzebuje na to godziny.

Usuwanie nadmiaru żywicy Gdy żywica wyschnie, jej nadmiar zeskrob albo usuń za pomocą papieru ściernego. Zauważyłeś, jak łatwo odstaje od osi? Nie przejmuj się tym! Jeśli dobrze oczyściłeś element i wykonałeś nacięcia, oś powinna trzymać się wystarczająco mocno. Jeśli oś z jakiegoś powodu wypadnie, w rurce pozostanie coś w rodzaju żywicowego odlewu litery „x”. Wówczas możesz spróbować z powrotem wkleić oś w ten odlew przy użyciu heksanu albo kleju cyjanoakrylowego. Na szczęście, oś podczas jazdy nie będzie poddawana dużym obciążeniom. A ponieważ moment obrotowy z silnika jest przekazywany na oś właśnie poprzez ten odlew w kształcie litery „x”, w istocie ważniejszy jest właśnie sam kształt tego odlewu niż stopień przyczepności kleju. Kiedy nałożysz zbyt dużo żywicy, jakaś jej ilość może dostać się dalej, aż do części zawierającej wał silnika. Jeśli tak się stanie, usuń jej nadmiar za pomocą wiertarki i wiertła o odpowiedniej grubości. Kiedy kolor wypadających w wyniku wiercenia drobin zmieni się z białego na inny, znaczy to, że wiertło dotarło już do osi z drugiej strony. Ponieważ oś jest znacznie twardsza od żywicy, zetknięcie się z nią wiertła odczujesz jakby uderzenie w ścianę, po czym na wylocie rurki zaczną pokazywać się czarne opiłki. W tym momencie należy przerwać wiercenie i, jeśli trzeba, w inny sposób usunąć ewentualne pozostałości żywicy ze ścianek rurki.

Montaż wkrętu dociskowego Łącznik jest prawie gotowy. Trzeba tylko dodać coś, co pozwoli go przymocować do wału silnika i łatwo zdemontować, kiedy będzie trzeba. Do tego celu użyjemy tzw. wkrętu dociskowego, czyli zwykłego wkrętu, który po dokręceniu będzie wywierał nacisk na płaską część wału. Wkręt będzie pełnił dwa zadania. Po pierwsze, będzie uniemożliwiał wyślizgnięcie się wału z łącznika, a po drugie, będzie sprzęgał wał z łącznikiem tak, aby obracały się razem.

Oznaczanie miejsca do wywiercenia otworu na wkręt dociskowy Aby znaleźć najlepsze miejsce do wywiercenia otworu na wkręt dociskowy, połóż łącznik obok wału silnika. Otwór ten powinien pokrywać się z początkiem spłaszczenia na wale, od strony silnika, a więc musi znajdować się mniej więcej 6 mm od końca łącznika. Zaznacz punkt cienkim markerem (patrz rysunek 20.18).

Stojak do wiertarki Stojak do wiertarki to urządzenie pozwalające zamontować wiertarkę pionowo, pod kątem prostym do obrabianego przedmiotu (patrz rysunek 20.19). Z boku znajduje się dźwignia, za pomocą której dociska się wiertarkę do materiału. Można precyzyjnie ustawić głębokość wiercenia przy użyciu specjalnych rowków znajdujących się na prowadnicy dźwigni.

292 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 20. „ ŁĄCZNIKI

Rysunek 20.18. Oznaczenie miejsca na wkręt dociskowy wykonane za pomocą cienkiego markera

Rysunek 20.19. Narzędzie obrotowe firmy Dremel zamontowane w stojaku tej samej firmy. Na rysunku widać także pojemnik z olejem i imadło Kiedy wiertarka jest wyłączona, możesz precyzyjnie ułożyć obrabiany przedmiot pod wiertłem i obniżyć całą wiertarkę za pomocą dźwigni, aby przymierzyć, czy otwór zostanie wywiercony we właściwym miejscu. A zatem stojak pozwala wywiercić prosty otwór w dokładnie tym miejscu, co trzeba, i o dokładnie takiej, jak trzeba, głębokości. Może się powtarzam, ale to jest trzecie narzędzie, obok narzędzia obrotowego i imadła, bez którego nie byłbym w stanie zbudować ani jednego porządnego robota. Wiertarki i stojaki dla nich można kupić w wielu sklepach z narzędziami, także internetowych.

293 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Imadło pod stojak na wiertarkę Do stojaka firmy Dremel dołączona jest instrukcja, jak wykonać specjalny ścisk do przytrzymywania przedmiotu, w którym wierci się otwór. Jednak w przypadku małych obiektów lepsze jest specjalne imadło. Imadło Wolfcraft ma specjalne wcięcie w kształcie litery V, w którym można umieszczać okrągłe przedmioty, takie jak np. nasz łącznik (patrz rysunek 20.20). Imadło takie można kupić w sklepie www.elektronarzedzia24.pl za około 113 złotych (numer katalogowy WF3423000).

Rysunek 20.20. Imadło firmy Wolfcraft z nacięciem w prawej szczęce

Wiercenie otworu na wkręt dociskowy Wywierć otwór w miejscu oznaczonym wcześniej markerem. Użyj do tego celu wiertła o grubości około 2 mm, które w zupełności wystarczy do wywiercenia takiego płytkiego otworu. Przewierć tylko jedną ściankę rurki, tak żeby wiertło nie wyszło z drugiej strony na zewnętrz. W aluminium sprzętem firmy Dremel wywiercisz otwór bez problemu. Jeśli natomiast użyłeś mosiądzu, to może być konieczne dodanie kropli oleju, aby ułatwić skrawanie materiału i odprowadzanie opiłków. Kiedy wiercę w mosiądzu, za pomocą narzędzia obrotowego nawiercam sobie tylko punkt początkowy, a później biorę zwykłą wiertarkę, aby dokończyć pracę.

Gwintowanie otworu Gwintownik to narzędzie służące do nacinania gwintów wewnętrznych, w które można wkręcić wkręt lub śrubę. Do wykonania gwintu w naszym otworze potrzebny jest gwintownik 4-40 (rozmiar 4, 40 rowków na cal). Zestawy narzynek i gwintowników można kupić w większości sklepów z narzędziami. Robiąc zakupy, sprawdź tylko, czy w kupowanym przez Ciebie zestawie znajduje się m.in. gwintownik stożkowy o oznaczeniu 4-40. Jeśli nie, kup go oddzielnie. Ostrożnie włóż gwintownik do otworu w łączniku (patrz rysunek 20.21) i staraj się trzymać go pod kątem prostym do łącznika. Następnie wolno obracaj w otworze gwintownik, który powinien powoli się w nim zagłębiać. Trzymaj narzędzie mocno, ale nie wciskaj go na siłę. Należy je wkręcić, a nie wepchnąć.

294 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 20. „ ŁĄCZNIKI

Rysunek 20.21. Gwintownik wkręcany w otwór w celu nacięcia gwintu Co półtora obrotu wycofaj gwintownik o pół obrotu, aby z miejsca obróbki usunąć opiłki metalu. Gdy obracanie gwintownikiem stanie się trudne, wykręć go całkowicie, aby usunąć opiłki z otworu i końcówki gwintownika (tylko nie palcami). Pomóc może też odrobina oleju albo specjalnego płynu.

Wkładanie wkrętu dociskowego Kup kilka wkrętów do części metalowych 4-40 o długości 1/8 cala (ok. 3 mm) z łbem stożkowym (patrz rysunek 20.22). Wkręty takie mają płaski i szeroki łeb, który łatwo chwycić palcami. Możesz wybrać zarówno łeb z rowkiem, jak i z gniazdkiem krzyżakowym.

Rysunek 20.22. Łącznik z pięknie nagwintowanym otworem. Obok leży wkręt do części metalowych 4-40 o długości ok. 3 mm

295 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Wspaniały łącznik Dzięki wkrętowi dociskowemu łącznik można łatwo i szybko zamontować do robota oraz wymontować z niego. Natomiast użycie osi krzyżakowej LEGO powoduje, że do robota można założyć dowolne koła tej firmy (patrz rysunek 20.23). Na oś tę można zakładać także koła zębate i inne części LEGO, a więc łącznik może przydać się do wielu różnych celów.

Rysunek 20.23. Robot „Kanapka” z łącznikiem zamocowanym na wale silnika i koło, które zostanie nań nałożone Opisany projekt łącznika można zmodyfikować, aby dostosować go do innych rodzajów kół i silników. Dzięki teleskopowemu połączeniu kilku rurek koło i wał silnika są dobrze zestawione, zatem podczas jazdy nie występuje stukanie. Ponieważ konstrukcja łącznika wymaga użycia kilku narzędzi i poświęcenia czasu, zazwyczaj kiedy już się za to wezmę, robię od razu kilka tych elementów. Mając kilka łączników pod ręką, gdy tylko doznasz jakiegoś olśnienia, możesz natychmiast zacząć właściwą pracę nad robotem.

296 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 21 „„„

Sprzęt do lutowania

Lutowie to niewielkie kulki srebrzystego metalu, które można znaleźć praktycznie na wszystkich płytkach drukowanych (patrz rysunek 21.1). Lutowanie natomiast to czynność polegająca na stopieniu lutowia w miejscu styku dwóch elementów w celu połączenia ich zarówno fizycznie, jak i elektrycznie.

Rysunek 21.1. Płytka drukowana zawierająca liczne punkty lutownicze Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że lutowanie to zajęcie brudne, skomplikowane, a na dodatek niebezpieczne. Tak mogą myśleć nowicjusze, ale przy odrobinie praktyki szybko można się przekonać, że jest to nie tylko łatwe, lecz również bardzo efektywne. Do lutowania potrzebny jest drut do lutowania, topnik, lutownica, stojak na lutownicę, narzędzie do usuwania nadmiaru lutowia oraz jakiś chwytak, w którym można przytrzymać lutowany element. Najtańsze zestawy do lutowania można nabyć już za kilkadziesiąt złotych. W tym rozdziale opisuję potrzebne narzędzia.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Drut do lutowania Materiał, którym się lutuje, to cienki drut wykonany z łatwo topliwego metalu (patrz rysunek 21.2). Ponieważ lutowie wykazuje bardzo mały opór elektryczny, doskonale przewodzi prąd między połączonymi nim elementami. Lut, w odróżnieniu od płytek stykowych, łączy elementy na stałe.

Rysunek 21.2. Bezołowiowy drut lutowniczy Do łączenia elementów na płytkach drukowanych należy używać drutu o średnicy około 0,75 mm lub 0,032 cala. Ze względów zdrowotnych warto korzystać wyłącznie ze stopów niezawierających ołowiu. Najczęściej spotykane są stopy cyny, srebra i miedzi. Wyróżnia się druty pełne, które w całości składają się tylko z lutowia, i druty z kanałem wypełnionym topnikiem. Topnik to substancja chemiczna powodująca rozpuszczanie się tlenków na powierzchni metalu podczas lutowania. Usunięcie tych tlenków znacznie poprawia jakość połączenia. Wybieraj druty do lutowania zawierające topniki na bazie kalafonii średnio aktywnej lub niewymagającej czyszczenia po użyciu. „ Ostrzeżenie: Nigdy do lutowania elementów elektronicznych nie używaj lutowia z topnikiem kwasowym. Z topników organicznych i wysoce aktywnych topników na bazie kalafonii można korzystać tylko pod warunkiem, że po zakończeniu lutowania dokładnie oczyści się płytkę z wszystkich pozostałości, zgodnie z instrukcją dostarczoną przez producenta. Resztki takich topników są żrące i mogą uszkadzać elementy elektroniczne oraz ich połączenia.

W tabeli 21.1 znajduje się lista kilku przykładowych drutów do lutowania o średnicy 0,75 milimetra, które nie zawierają ołowiu, nie wymagają czyszczenia i mają kanał wypełniony topnikiem. Można także używać takiego samego drutu o nieco większej średnicy. Tabela 21.1. Przykładowe druty lutownicze nadające się do użytku na płytkach układów robotów Sprzedawca

Kod produktu

Cena

Ilość

Opis

AVT

CYNA 070/75 AG BEZOŁÓW

13 zł

70 g

bezołowiowy drut lutowniczy w szpuli

AVT

CYNA 070/250Cu

51 zł

250 g

bezołowiowy drut lutowniczy w szpuli

TME

SN99C-0.7/0.1

21,60 zł

100 g

bezołowiowy i niewymagający czyszczenia po lutowaniu drut lutowniczy

298 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 21. „ SPRZĘT DO LUTOWANIA

Topnik Jeśli topnik nie znajduje się wewnątrz drutu lutowniczego, można go kupić osobno w postaci płynnej lub pasty (patrz rysunek 21.3). Kiedy spoiwo nie chce przywierać, zastosowanie niewielkiej ilości topnika może zdziałać cuda. Zawsze wtedy, kiedy mam problem z przylutowaniem czegoś, daję odrobinę topnika i próbuję jeszcze raz.

Rysunek 21.3. Topnik w płynie (po lewej) i w formie pasty (po prawej) W tabeli 21.2 znajduje się lista kilku topników różnych producentów. Pasta nie spływa, ale płynny topnik pozostawia mniej nieczystości. Wolę topnik płynny. Tabela 21.2. Topniki Sprzedawca

Kod produktu

Cena

Opis

AVT

AG19

42 zł

niewymagająca czyszczenia pasta dozowana za pomocą strzykawki

AVT

AG98

7 zł

topnik w płynie 15 ml

AVT

CHEM23

76 zł

niewymagający czyszczenia topnik w płynie 1000 ml

Conrad

TOPNIK-A3

29,30 zł

topnik dozowany pisakiem, niewymagający czyszczenia, 12 ml

Conrad

TOPNIK-GEL

32,90 zł

niekorozyjny topnik kalafoniowy w żelu

Topnik usuwa tylko tlenki. Jeśli więc łączone powierzchnie są brudne, spoiwo nie przywrze nawet po zastosowaniu topnika. Brud nie pozwala gorącemu lutowiu na zetknięcie się z metalem, przez co spoiwo przerywa albo nie przewodzi prądu w ogóle. Dlatego przed rozpoczęciem lutowania należy oczyścić łączone powierzchnie szczotką lub drobnym papierem ściernym, a następnie dobrze je umyć, aby usunąć chemikalia, oleje i smar, które mogłyby utrudniać przywieranie lutowia do metalu.

Lutownica Działanie lutownicy polega na rozgrzaniu metalowego grota w celu nagrzania łączonych elementów. Najlepiej wybierać lutownice o niewysokiej mocy, od 25 do 40 W. Najtańsze modele bez podstawki i w kształcie ołówka można nabyć już za kilkadziesiąt złotych.

299 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Do lutowania elementów robotów nie należy używać dużych lutownic pistoletowych, ponieważ mają grubą końcówkę, z której rozchodzi się ciepło mogące zniszczyć pobliskie delikatne elementy elektroniczne. Tego typu lutownice są przeznaczone do lutowania rur wodociągowych, okien witrażowych i większych metalowych elementów. Większość lutownic nagrzewa się do temperatur w zakresie od około 315 do 480°C, chociaż do pracy zaleca się najczęściej temperatury z przedziału od 370 do 425°C. Droższe stacje lutownicze mają funkcję regulacji temperatury i wyświetlacz pokazujący aktualną temperaturę grota (patrz rysunek 21.4).

Rysunek 21.4. Lutownica z regulacją temperatury oraz gąbką i podstawką Niektóre lutownice mają groty zabezpieczone przed wyładowaniami elektrostatycznymi. W ich opisach można często znaleźć określenie „ESD safe” (odporne na ładunki elektrostatyczne). Iskra elektrostatyczna dla człowieka to tylko nieprzyjemne zdarzenie, ale dla delikatnych elementów elektronicznych jest bardzo niebezpieczna. Większość hobbystów uważa, że możliwość regulacji temperatury, zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi i wyświetlacz temperatury to podstawowe funkcje, bez których nie można się obyć. Jeśli to możliwe, wybierz lutownicę z cienkim grotem (patrz rysunek 21.5), chociaż do użytku nadaje się też wiele tańszych urządzeń z większym grotem dłutowym. Z czasem jednak, kiedy opanujesz sztukę konstrukcji układów elektronicznych dla robotów, i tak dojdziesz do wniosku, że cienką końcówką łatwiej wykonywać precyzyjne niewielkie połączenia i lutować bardzo małe wyprowadzenia różnych elementów.

Rysunek 21.5. Cienki grot lutownicy

300 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 21. „ SPRZĘT DO LUTOWANIA

Podstawka pod lutownicę Ponieważ lutownica nagrzewa się do wysokich temperatur, po użyciu należy ją odkładać na stojak ze zwoju drutu (patrz rysunek 21.6).

Rysunek 21.6. Podstawka pod lutownicę ze zwoju drutu do bezpiecznego przechowywania podczas pracy „ Ostrzeżenie: Nigdy nawet na chwilę nie odkładaj lutownicy w inne miejsce niż na przeznaczony do tego specjalny stojak. Temperatura lutownicy nawet po odłączeniu urządzenia od prądu jest wystarczająco wysoka, aby wywołać pożar.

Gąbka Podczas lutowania końcówka lutownicy pokrywa się tlenkami i innymi zanieczyszczeniami, które utrudniają przenoszenie ciepła z grota na łączone powierzchnie i lutowie. Do podstawki pod lutownicę zazwyczaj dołączona jest specjalna gąbka (patrz rysunek 21.7) służąca do czyszczenia końcówki. Należy używać wyłącznie gąbek przeznaczonych do czyszczenia grotów lutownic, gdyż inne gąbki w zetknięciu z gorącym metalem mogą się topić albo powodować powstawanie wyziewów.

Rysunek 21.7. Wilgotna gąbka do czyszczenia grota lutownicy Gąbkę należy dobrze zwilżyć destylowaną wodą, ale nie przemoczyć. Można też używać zwykłej wody z kranu, ale wówczas czyszczenie trzeba będzie powtarzać częściej, gdyż woda taka nie jest zupełnie czysta. Nie należy na gąbkę ani grot nanosić jakichkolwiek środków chemicznych ani mydeł, ponieważ spalą się i w spoiwie oraz na końcówce pozostaną ich resztki.

301 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Wiele osób woli używać niewymagających moczenia czyścików z mosiężnych wiórków oferowanych m.in. przez sklep AVT. Mosiądz to dość miękki metal, a więc nie ma możliwości uszkodzenia grota. Nie próbuj natomiast używać waty stalowej, która nie tylko może porysować lutownicę, lecz na dodatek może się zapalić (nie żartuję).

Uchwyt pomocniczy Lutowanie to zajęcie, do którego potrzeba dwóch rąk. W jednej trzyma się lutownicę, a w drugiej drut lutowniczy. Do przytrzymania płytki obwodu albo łączonych części używa się natomiast uchwytu pomocniczego, czyli tzw. trzeciej ręki (patrz rysunek 21.8).

Rysunek 21.8. Trzecia ręka z nastawnymi zaciskami szczękowymi (czyli krokodylkami) do przytrzymywania lutowanych elementów Oczywiście, można użyć zwykłego imadła, ale trzecia ręka ma przynajmniej dwa nastawne uchwyty, za pomocą których można przytrzymać płytkę w różnych pozycjach. Jeśli narzędzie się przewraca, można je zamocować w imadle, aby stało stabilnie. W tabeli 21.3 przedstawiam listę kilku produktów tego rodzaju. Niektóre modele są dodatkowo wyposażone w kilkucentymetrowe szkło powiększające, aczkolwiek — moim zdaniem — nie oferują one wystarczająco dobrego obrazu i odpowiednio silnego powiększenia. Tabela 21.3. Przykładowe modele trzeciej ręki Sprzedawca

Kod produktu

Cena

Wyposażenie

TME

D-HH2

10,80 zł

dwa zaciski szczękowe i szkło powiększające

AVT

TRZECIARĘKA 3.5

19 zł

dwa zaciski szczękowe i szkło powiększające

AVT

TRZECIARĘKA BEZ LUPY

7 zł

trzecia ręka bez lupy

Conrad

588225

39 zł

uchwyt pomocniczy do lutowania precyzyjnego i montażu z lupą x3 Toolcraft ZD-10H

302 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 21. „ SPRZĘT DO LUTOWANIA

Odsysacze do cyny Czasami zdarza się, że na połączenie spłynie zbyt duża ilość lutowia. Taka niewielka grudka może połączyć się nie z tym, co trzeba, drutem albo z drugim obwodem lub spowodować jakieś inne szkody i może się nagle okazać, że planowane połączenie działa odwrotnie niż zamierzono. Niezależnie od tego, co konkretnie Ci się przytrafi, wcześniej czy później znajdziesz się w sytuacji, że będziesz chciał usunąć nadmiar lutowia. Służą do tego tzw. odsysacze do cyny w postaci specjalnej pompki albo gruszki (patrz rysunek 21.9).

Rysunek 21.9. Odsysacze do cyny: pompka (u góry), gruszka (na dole). Służą do usuwania nadmiaru lutowia, zasysając je za pomocą podciśnienia 1. 2. 3. 4.

Ściśnij gruszkę odsysającą albo naciśnij tłok pompki. Za pomocą lutownicy rozgrzej spoiwo na połączeniu. Trzymając cały czas lutownicę przytkniętą do złącza, przyłóż dyszę odsysacza do roztopionego lutowia. Zwolnij nacisk na gruszkę albo naciśnij przycisk pompki, aby wywołać podciśnienie, które wessie stop do wnętrza narzędzia. 5. Powtórz czynności od 1. do 4. tyle razy, ile trzeba, aby usunąć odpowiednią ilość stopu lutowniczego. Zupełne oczyszczenie z lutowia może być niemożliwe, ale zazwyczaj da się go zebrać tyle, aby można było wyjąć wybraną część. Czasami w usunięciu spoiny pomaga dodanie do niej świeżego lutu. Jeśli jednak i to nie pomoże, spróbuj dodać trochę topnika. Po pewnym czasie dysza odsysacza może się zatkać i wymagać wyczyszczenia. Kiedyś też w końcu zużyje się całkowicie i trzeba będzie ją wymienić. W tabeli 21.4 przedstawiono dwa przykładowe odsysacze, jeden gruszkowy i jeden w postaci pompki. Pompki również są dobre, ale mnie wygodniej operować gruszką, kiedy mam tylko jedną wolną rękę. Tabela 21.4. Odsysacze do cyny Sprzedawca

Kod produktu

Cena

Nowy elektronik

29161

15,62 zł

Conrad

832324

24 zł

303 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Lutowanie krok po kroku Poniżej znajduje się opis w punktach typowych czynności, jakie należy wykonać podczas lutowania. 1. Ustaw sprzęt do lutowania w przewiewnym miejscu z dala od łatwopalnych materiałów. „ Wskazówka: Warto mieć w pobliżu małą gaśnicę. Może Ci ona uratować robota albo dom.

2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Połóż niepodłączoną jeszcze do prądu lutownicę na podstawce i nawilż gąbkę wodą destylowaną. Załóż okulary ochronne i fartuch lub inną odzież ochronną. Włóż wtyczkę lutownicy do gniazda sieciowego i włącz urządzenie. Poczekaj około pięciu minut na nagrzanie grota. Zdejmij lutownicę z podstawki, a następnie wyczyść ją namoczoną wcześniej gąbką, aby usunąć zabrudzenia. Jeśli trzeba, nałóż na grot nieco topnika, żeby pozbyć się nagromadzonych na nim tlenków. Dotknij grotem drutu lutowniczego, aby pokrył się cienką warstwą lutowia. Służy to nie tylko ochronie samego grota, lecz również ułatwia przewodzenie ciepła do połączenia. Czynność tę czasami nazywa się „pobielaniem”. Wykonaj lut (szczegóły w kolejnym rozdziale). Jeśli grot podczas lutowania ulegnie zanieczyszczeniu, powtórz czynności od 6. do 8. Po zakończeniu lutowania pobiel jeszcze raz końcówkę. Odłóż lutownicę na podstawkę oraz wyłącz urządzenie i wyjmij wtyczkę sieciową. Po wystygnięciu lutownicy weź gąbkę z podstawki i ją wypłucz. Odłóż lutownicę, podstawkę i pozostałe przybory do szafki zamykanej na klucz lub w inne miejsce niedostępne dla dzieci i innych nieuprawnionych do ich używania osób. Dokładnie umyj ręce wodą z mydłem.

Do biegu gotowi: lutujemy Do lutowania potrzeba więcej narzędzi niż do innych zadań związanych z budową robotów. Jeśli jednak porówna się to z innymi czynnościami wymagającymi obróbki metali, chociażby z tworzeniem łączników do kół, to można zauważyć, że liczba potrzebnych przyrządów jest podobna. O przydatności opisanych w tym rozdziale narzędzi przekonasz się w kolejnych rozdziałach, w których własnoręcznie wykonasz połączenia lutowane.

304 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22 „„„

Lutowanie i łączenie

W tym rozdziale znajdziesz szczegółowy opis technik lutowania z naciskiem na łączenie małych elementów, takich jak silniki i przełączniki trybu śledzenia linii. Dowiesz się także, kiedy lepiej zrezygnować z lutowania i zastosować złącze.

Montaż silników i przełączników Przed przystąpieniem do lutowania układu śledzenia linii (patrz następny rozdział) warto najpierw poćwiczyć na prostszych elementach. Przykładowo silnik wymaga przylutowania tylko dwóch przewodów. Przełączniki, silniki i niektóre inne elementy pokazane na rysunku 22.1 są niezależne od pozostałych części, a także od płytki obwodu, co sprawia, że stanowią doskonały i łatwy materiał do ćwiczeń.

Rysunek 22.1. Od lewej: silniki, przełączniki trybu śledzenia linii, zacisk baterii, włącznik, diody LED. Wszystkie te elementy mają przylutowane złącze Molex KK i izolację w postaci rurki termokurczliwej

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Najpierw do każdego z tych elementów przylutujesz przewody, a następnie zaizolujesz połączenia przy użyciu rurki termokurczliwej. Później podłączysz złącza i skręcisz przewody. Jeśli nie do końca rozumiesz, o co chodzi, spójrz na rysunek 22.1, na którym pokazano, jak to powinno wyglądać.

Montaż silników W tym punkcie pokazany jest sposób podłączania przewodów i złączy do silników prądu stałego. Kiedy złącza będą gotowe, silniki takie będzie można łatwo i bezproblemowo dołączać do układu i odłączać od niego.

Przygotowanie i lutowanie przewodów do silnika Do budowy układu na płytce prototypowej użyte zostały przewody z pojedynczego drutu, ponieważ się nie strzępią podczas wtykania w otwory płytki. Jednak do budowy układu na stałe za pomocą lutowania lepiej nadają się przewody plecione, ponieważ są bardziej elastyczne i łatwiej je owinąć wokół łączonego elementu. 1. Przygotuj kawałki plecionki w czarnej i białej izolacji o średnicy około 0,6 mm, które przylutujesz odpowiednio do ujemnego i dodatniego styku silnika. 2. Utnij po dwa kawałki o długości 15 cm każdego koloru przewodu (w sumie powinieneś mieć cztery kawałki przewodu o długości 15 cm każdy). 3. Za pomocą ściągacza zdejmij około 1,5 cm izolacji z jednej strony każdego przewodu i około 0,35 cm z drugiej (patrz rysunek 22.2).

Rysunek 22.2. Dwa czarne i dwa białe przewody przycięte do odpowiedniej długości i ze zdjętą izolacją na końcach 4. Przełóż dłuższy niezaizolowany koniec białego przewodu przez oczko w dodatnim styku silnika (patrz rysunek 22.3 po lewej). 5. Skręć przewód, aby dobrze się trzymał na styku (patrz rysunek 22.3 po prawej). Doskonale nadają się do tego podłużne ząbkowane szczypce. Pierwsza zasada lutowania: łączone elementy powinny w miarę możliwości same się trzymać jeden drugiego, a powierzchnia ich styku powinna być jak największa. Lut ma być tylko dodatkowym wzmocnieniem. Nie próbuj łączyć elementów, które się nie stykają, tworząc tylko mostek z cyny. Nie polegaj na połączeniu lutowanym, jeśli zlutowane elementy będą poddawane obciążeniom mechanicznym. 6. W taki sam sposób podłącz czarny przewód do ujemnego styku silnika.

306 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22. „ LUTOWANIE I ŁĄCZENIE

Rysunek 22.3. Plecionka przełożona przez oczko dodatniego styku silnika (po lewej) i skręcona w celu zwiększenia liczby punktów połączeń elektrycznych ze stykiem silnika (po prawej) Może się wydawać, że samo skręcenie drutu wystarczy, aby połączenie było trwałe, ale jednak bez dodatkowego zlutowania po pewnym czasie doszłoby do jego rozluźnienia.

Przytrzymanie silnika i przygotowanie lutownicy 7. Zamocuj silnik w uchwycie pomocniczym (patrz rysunek 22.4) lub imadle, aby się nie poruszył podczas lutowania.

Rysunek 22.4. Zaciski trzeciej ręki trzymające silnik i przewód przygotowane do lutowania 8. Wykonaj czynności opisane w poprzednim rozdziale, które dotyczyły przygotowania gąbki, rozgrzania lutownicy, czyszczenia grota oraz pobielania.

Lutowanie silnika 9. Przytknij grot lutownicy do jednego styku silnika i przewodu dokładnie w miejscu połączenia (patrz rysunek 22.5). Ważne jest, aby jak największa część powierzchni styku miała kontakt z grotem, bo wtedy grot przekaże stykowi najwięcej ciepła.

307 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 22.5. Z jednej strony lutowanego przewodu znajduje się grot lutownicy, a z drugiej — drut lutowniczy 10. Przytknij drut lutowniczy z drugiej strony do styku silnika i plecionki. Druga zasada lutowania: drut lutowniczy należy przytknąć do nagrzanego miejsca połączenia, a nie do grota lutownicy. Dzięki temu, że drut lutowniczy jest nagrzewany przez łączone elementy, a nie końcówkę lutownicy, znajdujący się w nim topnik oczyszcza rozgrzany metal, a następnie stopione lutowie spływa na połączenie i wokół niego. Czasami można też przytknąć drut lutowniczy w miejscu zetknięcia grota z łączonymi powierzchniami, aby poprzez nałożenie niewielkiej ilości lutowia zapewnić lepszą przewodność między grotem a lutowanymi elementami. Następnie należy przyłożyć drut lutowniczy z drugiej strony połączenia, aby lutowie opłynęło je z wszystkich stron. Nowicjusze często maczają grot lutownicy w lutowiu i potem próbują nałożyć je na połączenie. Mimo iż wydaje się, że ta metoda również się sprawdza, to w rzeczywistości topnik oczyszcza tylko końcówkę lutownicy i wygotowuje się, zanim dotrze do łączonych powierzchni. Ponadto powstaje tylko powierzchowna spoina, w której lutowie nie penetruje wszystkich zakamarków połączenia. Jeśli grot jest dobrze wyczyszczony i rozgrzany do odpowiedniej temperatury, roztopienie drutu lutowniczego przytkniętego z drugiej strony niewielkiego połączenia powinno zająć nie dłużej niż około 3 sekundy. Jeśli nic się nie dzieje, zabierz lutownicę i poczekaj aż połączenie ostygnie. Zanim spróbujesz jeszcze raz, sprawdź, czy grot jest czysty i wystarczająco dobrze styka się z lutowaną powierzchnią. Pomóc może nałożenie niewielkiej ilości lutowia między grotem a połączeniem. Im grubsze przewody i styki, tym dłużej trwa ich nagrzewanie. Jest to spowodowane tym, że metal absorbuje i rozprasza ciepło, zanim drut lutowniczy zdąży się roztopić. Jeśli tak się dzieje, przysuń drut lutowniczy bliżej grota lutownicy i połączenia. Uzbrój się w cierpliwość, przy grubszych elementach roztopienie drutu lutowniczego może nastąpić dopiero po około pięciu sekundach. 11. Kiedy lutowie zacznie się rozpływać po połączeniu, należy odczekać jeszcze tylko sekundę lub dwie, aby pozwolić mu spenetrować całe połączenie. Potem można zabrać drut lutowniczy. 12. Po zabraniu drutu lutowniczego można także zabrać lutownicę. Jeśli wykonasz te czynności w odwrotnej kolejności, drut ostygnie i przywrze do spoiny albo ją zdeformuje podczas zabierania. 13. Teraz powinieneś cieszyć oczy pięknym, lśniącym, mocnym i krągłym spoiwem (patrz rysunek 22.6). Jeśli nie podoba Ci się kształt lub połysk spoiny, nagrzej ją jeszcze raz lutownicą i pozostaw do ostygnięcia. Nie trzeba nakładać większej ilości lutowia. Wystarczy tylko przyłożyć sam grot lutownicy. To zazwyczaj wystarczy do poprawienia wszelkich usterek i sprawienia, że lutowie dokładnie się rozpłynie. Jeśli nałożyłeś za mało lutowia, ponownie rozgrzej spoinę i jeszcze raz przyłóż drut lutowniczy. Kiedy uważasz, że nałożyłeś za dużo lutowia, użyj odsysacza do cyny po uprzednim rozgrzaniu połączenia. Czasami lepiej całkiem usunąć lut i wykonać lutowanie jeszcze raz. 14. Powtórz czynności, aby przylutować czarny przewód do styku ujemnego. 15. Powtórz czynności, aby przylutować przewody do drugiego silnika. 16. Sprawdź, czy przewody są poprawnie przylutowane, podłączając je na krótko do baterii 9 V. Wał silnika powinien zacząć się obracać.

308 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22. „ LUTOWANIE I ŁĄCZENIE

Rysunek 22.6. Przewód przylutowany do styku

Praktyka czyni mistrza I jak poszło? Jeśli nie tak, jak oczekiwałeś, nie panikuj. Aby nauczyć się dobrze lutować, trzeba trochę poćwiczyć. Jedno z moich pierwszych doświadczeń z lutownicą odbyło się przy konstrukcji 32-bajtowego panelu pamięci tylko do odczytu składającego się z 256 diod (patrz rysunek 22.7). Do jego budowy trzeba było wykonać aż 816 lutowanych połączeń. Testując urządzenie, znalazłem kilka nieudanych i przerywających spoin. Po ponownym rozgrzaniu tych znalezionych i kilku innych, co do których miałem wątpliwości, płyta działała jak marzenie.

Rysunek 22.7. Matryca z 256 diod wymagająca 816 lutowanych połączeń Moje spoiny z każdym skonstruowanym robotem są coraz lepsze. Czasami jednak zdarza mi się, że party nadmierną pewnością siebie lub po prostu padając ze zmęczenia, coś źle zrobię, a to skutkuje tym, że potem muszę żmudnie szukać przyczyny problemów. Dlatego przede wszystkim bądź cierpliwy. Daj sobie trochę czasu i dużo ćwicz.

309 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Ochrona lutowanych połączeń za pomocą rurek termokurczliwych Rurki termokurczliwe to wspaniały wynalazek. Są elastyczne i można je bez trudu wsunąć nie tylko na lutowane połączenia. Po podgrzaniu rurka taka kurczy się i tworzy ochronną warstwę wokół elementów, co zabezpiecza je przed kontaktem z innymi elementami i obwodami. Ponadto stanowi zabezpieczenie przed nadmiernym obciążeniem, dzięki czemu plecionka nie pęka w miejscu połączenia, co mogłoby się zdarzyć, gdyby nie nałożono tej izolacji. Rurki termokurczliwe są tak praktyczne, że będziesz z nich korzystać podczas budowy wszystkich robotów. Najczęściej używam tych o średnicy 2,4 mm oraz 1,5 mm.

Zakup rurek termokurczliwych W tabeli 22.1 znajduje się lista kolorowych rurek termokurczliwych o średnicy 2,4 mm, które będą potrzebne do tego projektu. Jeśli chcesz mieć większy wybór, kup wymieniony na końcu zestaw, na który składa się szeroki asortyment rurek o różnych średnicach i kolorach. Produkty te mają w swojej ofercie różni producenci elementów elektronicznych. Tabela 22.1. Kolorowe rurki termokurczliwe Sprzedawca

Kod produktu

Cena

Długość

Średnica wewnętrzna

Kolor

AVT

RC2.5/1.25 BIAŁA

0,90 zł

1m

2,5 mm

biały

AVT

RC2.5/1.25 CZARNA

0,90 zł

1m

2,5 mm

czarny

AVT

RC2.5/1.25 CZERWONA

0,90 zł

1m

2,5 mm

czerwony

AVT

RC2.5/1.25 ŻÓŁTA

0,90 zł

1m

2,5 mm

żółty

AVT

RC2.5/1.25 ZIELONA

0,90 zł

1m

2,5 mm

zielony

Conrad

634000

196 zł

dużo rurek o różnych długościach

1,2 – 12,7 mm

czarny, niebieski, zielony, czerwony, biały, żółty

Ochrona styków silnika za pomocą rurek termokurczliwych Styki silników i ich lutowane połączenia należy zabezpieczyć za pomocą rurek termokurczliwych. Nie jest to absolutnie konieczne w „Kanapce”, ale warto wyrobić sobie nawyk ich używania. 1. Utnij dwa kawałki białej rurki o średnicy 2,5 mm o długości 2,5 cm (patrz rysunek 22.8) — po jednej dla każdego silnika. 2. Utnij dwa takie same kawałki czarnej rurki (patrz rysunek 22.8). 3. Wsuń białą rurkę na biały przewód przylutowany do dodatniego styku silnika (patrz rysunek 22.9). Powinna wejść bez oporu. Jeśli nie chce wejść, weź rurkę o większej średnicy. Ponieważ średnica rurki po podgrzaniu zmniejsza się mniej więcej o połowę, trzeba wybrać taką średnicę, aby po skurczeniu nie była zbyt luźna. 4. Wsuń czarną rurkę na czarny przewód przylutowany do ujemnego styku silnika. 5. Nałóż w taki sam sposób rurki na drugi silnik.

310 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22. „ LUTOWANIE I ŁĄCZENIE

Rysunek 22.8. 2,5-centymetrowe kawałki czarnej i białej rurki o średnicy 2,5 mm

Rysunek 22.9. Rurka termokurczliwa na połączeniu styku silnika z przewodem, gotowa do obkurczenia 6. Zanim obkurczysz rurki, upewnij się, że silniki działają. Skurczoną rurkę można zdjąć, przecinając ją wzdłuż, ale jest to kłopotliwe. 7. Weź do ręki suszarkę do włosów albo opalarkę (patrz rysunek 22.10).

Rysunek 22.10. Zwykła suszarka do włosów i opalarka do usuwania powłok malarskich Opalarki można kupić w sklepie z narzędziami jako narzędzie do usuwania powłok malarskich. Wydmuchują one bardzo gorący strumień powietrza i mogą wywołać pożar (podobnie jak suszarki do włosów). Mimo to, są lepsze, ponieważ szybciej się nagrzewają i umożliwiają lepsze skurczenie materiału. 8. Zabierz silniki i suszarkę (albo opalarkę) w miejsce oddalone od łatwopalnych materiałów. Ja w tym celu udaję się do piwnicy z betonową podłogą.

311 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

9. Włącz suszarkę i ustaw ją tak, aby wylot powietrza był skierowany na rurkę termokurczliwą na przewodzie silnika. Jeśli używasz opalarki, trzymaj silnik i ręce w nieco większej odległości od narzędzia. Musisz trochę popróbować, żeby znaleźć idealną odległość. 10. Przy użyciu opalarki rurka skurczy się w ciągu około pięciu sekund, a jeśli używasz suszarki do włosów, potrwa to trochę dłużej. Obracaj silnik w strumieniu gorącego powietrza tak, aby rurka obkurczyła się równomiernie z wszystkich stron. 11. Poczekaj, aż wszystko ostygnie. Rurka powinna dopasować się do kształtu styków i znajdującego się na nich spoiwa (patrz rysunek 22.11). Nie powinno być żadnego luzu, a jeśli jest, należy go zlikwidować, powtarzając podgrzewanie.

Rysunek 22.11. Rurka termokurczliwa po skurczeniu chroni i izoluje zlutowane styki 12. Powtórz te same czynności z drugim silnikiem. 13. Odłącz suszarkę lub opalarkę od sieci i połóż ją w bezpiecznym miejscu, aby wystygła. W wyniku podgrzania rurka może się nieco odsunąć od pokrywy silnika. To nie przeszkadza, ważne, aby osłaniała większą część widocznego metalu. Pamiętaj, że rurka kurczy się także wzdłuż i trzeba uciąć kawałek nieco dłuższy niż długość połączenia, które chce się zakryć. Rurki termokurczliwe nie tylko sprawiają, że wnętrze robota wygląda na profesjonalnie wykonane, lecz dodatkowo chronią przed zwarciem przewodów, kiedy coś się wyleje albo robot się przewróci lub z czymś zderzy.

Podłączanie złączy Silnik można by przylutować bezpośrednio do układu śledzenia linii, ale wówczas trudniej składałoby się i rozkładało robota. Ponadto gdyby trzeba było wymienić silnik albo pożyczyć go do innego robota (horror!), to konieczne byłoby wylutowanie go z płytki układu. Można to lepiej rozwiązać poprzez założenie na końcach przewodów złączy, które można podłączać do płytki i odłączać od niej bez użycia lutownicy.

Złącza Molex KK Wybór złączy jest ogromny. Lubię złącza typu Molex KK, które są niewielkich rozmiarów, pozwalają na podłączenie od 2 do 15 pinów i pasują do standardowych płytek o rozstawie otworów co 2,54 mm. Na rysunku 22.12 przedstawiam wtyczkę Molex KK wkładaną w odpowiednie gniazdo na płytce obwodu. Złącze Molex KK składa się z trzech części (patrz rysunek 22.13). Pierwsza to gniazdo (tzw. część żeńska), które przylutowuje się do płytki obwodu. Druga to metalowy zacisk, który zaciska się na pozbawionym izolacji przewodzie. Jest on wsuwany do trzeciej części, czyli wtyczki (tzw. część męska).

312 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22. „ LUTOWANIE I ŁĄCZENIE

Rysunek 22.12. Żeńska końcówka złącza Molex KK (u góry) podczas łączenia z męską końcówką (na dole) na płytce układu elektronicznego

Rysunek 22.13. 2-pinowe złącze Molex KK składające się z 2-pinowego gniazda, dwóch zacisków oraz wtyczki Istnieją różne rodzaje wtyczek. Należy używać takich, które mają specjalne wypustki uniemożliwiające nieprawidłowe podłączenie i blokadę przytrzymującą wtyczkę w gnieździe, co uniemożliwia jej wypadnięcie z powodu wibracji lub kiedy urządzenie zostanie przekręcone do góry nogami. Aby zacisnąć metalowy zacisk na przewodzie, trzeba zastosować sporą siłę. Można do tego celu użyć specjalnych szczypców do zacisków, które nadają się do pracy z różnymi typami wtyczek (patrz rysunek 22.14). Zwróć uwagę, że zacisku nie przylutowuje się do przewodu, tylko się go na nim zgniata. Ciekawe jest to, że duże silniki i inne elementy pobierające dużo mocy mogą się nagrzewać do takich temperatur, iż lutowie by się na nich rozpuściło. W takich przypadkach jedynym rozwiązaniem jest stosowanie właśnie połączeń zgniatanych. Niektórzy konstruktorzy dodatkowo przylutowują przewody do zacisków i nakładają rurki termokurczliwe, aby osłonić zacisk oraz sprawić, żeby trzymał się sztywno w otaczającej go obudowie. Nie jest to jednak konieczne.

313 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 22.14. Uniwersalne szczypce do zacisków złączy Molex (Molex 63811-1000)

Zakup złączy Molex KK Do budowy robota podążającego wzdłuż linii potrzebne są następujące elementy złączy i narzędzia: • pięć 2-pinowych gniazd, • pięć 2-pinowych wtyczek, • jedno 4-pinowe gniazdo, • jedna 4-pinowa wtyczka, • 14 zacisków (lepiej mieć kilka na zapas), • jedne szczypce do zacisków. Wszystkie wtyczki i gniazda powinny mieć rozstaw styków co 2,54 mm. Ponadto wtyczki muszą mieć blokady i wypustki uniemożliwiające nieprawidłowe wetknięcie. Złącza nie są drogie. W tabeli 22.2 znajduje się lista kilku sprzedawców złączy Molex KK i potrzebnego do ich montażu sprzętu. Tabela 22.2. Sprzedawcy elementów złączy Molex KK i sprzętu potrzebnego do ich montażu Sprzedawca

Kod produktu

Cena netto

Opis

TME

MX-4809C-P914

0,18 zł przy zakupie powyżej 1000 sztuk

styk

TME

MX-6410-02A

0,723 zł przy zakupie powyżej 3 sztuk

wtyk Molex KK 2-stykowy

TME

MX-6410-04A

0,836 zł za sztukę

wtyk Molex KK 4-stykowy

TME

MX-6471-021

0,675 zł przy zakupie powyżej 3 sztuk

gniazdo Molex KK 2-stykowe

TME

MX-6471-041

0,69 zł przy zakupie powyżej 3 sztuk

gniazdo Molex KK 4-stykowe

TME

MX-63811-1000

199 zł

zaciskarka

Podłączanie złączy Molex KK do silników Przewody przyłączeniowe silników powinny mieć zdjęte około 0,35 cm izolacji z wolnej strony. 1. Metalowy zacisk ma dwie pary „skrzydełek”. Przewód w zacisku należy ułożyć w taki sposób, aby część niezaizolowana leżała między skrzydełkami wewnętrznymi, natomiast między skrzydełkami końcowymi była część w izolacji (patrz rysunek 22.15). Jedne skrzydełka zostaną zaciśnięte na odsłoniętym metalu, aby utworzyć połączenie elektryczne, natomiast druga para zostanie zgnieciona na części zaizolowanej, aby uniemożliwić wyślizgnięcie się przewodu z zacisku.

314 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22. „ LUTOWANIE I ŁĄCZENIE

Rysunek 22.15. Przewód włożony w zacisk tak, aby zaizolowana część znajdowała się w skrzydełkach z jednej stronny, a niezaizolowana w skrzydełkach z drugiej strony 2. Włóż ostrożnie zacisk z przewodem do otworu o średnicy 1,6 mm w szczypcach do zacisków w taki sposób, aby zgnieść tylko część zawierającą część przewodu bez izolacji (patrz rysunek 22.16). Skrzydełka powinny być skierowane w kierunku cyfr wydrukowanych na narzędziu.

Rysunek 22.16. Zaciskanie wewnętrznych skrzydełek zacisku na pozbawionej izolacji części przewodu. Druga para pozostaje na razie niezgnieciona na zaizolowanym przewodzie 3. Delikatnie zaciśnij szczypce, aby zgnieść skrzydełka zacisku na przewodzie. 4. Wyjmuj zacisk ze szczypców. 5. Włóż zacisk do otworu o średnicy 1,8 mm w szczypcach w taki sposób, aby tym razem tylko skrzydełka na zaizolowanej części przewodu zostały zgniecione. Teraz również klapki powinny być skierowane w kierunku cyfr na narzędziu. W tym celu należy obrócić zacisk w szczypcach. 6. Delikatnie zaciśnij szczypce, aby zgnieść skrzydełka zacisku na przewodzie. 7. Gotowy zacisk na przewodzie powinien wyglądać tak, jak na rysunku 22.17. Użycie dwóch otworów szczypiec o różnych średnicach jest konieczne, ponieważ przewód w izolacji jest nieco grubszy od części niezaizolowanej.

315 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 22.17. Przewód zgnieciony w zacisku 8. Powtórz powyższe czynności, aby zgnieść w zaciskach pozostałe trzy przewody silników. 9. Włóż zaciski do obudowy pętlą w kierunku wypustek kierunkowych (patrz rysunek 22.18).

Rysunek 22.18. Wkładanie zacisku do obudowy wtyku KK 10. Na spodniej stronie zacisku znajduje się niewielki wygięty kawałek metalu (nie ta duża pętla, tylko mały bolec po drugiej stronie) zwany trzpieniem blokującym. Trzpień ten powinien wejść w otwór w dolnej części obudowy. Kiedy zacisk wejdzie na odpowiednie miejsce, usłyszysz charakterystyczne trzaśnięcie, po czym trzpień będzie widać w tym otworze. Jeśli trzpienia nie widać w całości, znaczy to, że zacisk nie jest prawidłowo umiejscowiony i można go łatwo wyjąć, ciągnąc za przewód. Jeśli trzpień nie trafi na swoje miejsce we wtyku, to podczas wkładania wtyku do gniazda na płytce zostanie wypchnięty na zewnątrz. Co zrobić, kiedy przypadkowo zaciski we wtyku zamontuje się niezgodnie ze sposobem połączenia gniazda z płytką? Dowolny zacisk można wyjąć, naciskając trzpień w otworze obudowy i jednocześnie ciągnąc za przewód, z którym jest połączony (patrz rysunek 22.19). Po wyjęciu zacisku musisz odgiąć trzpień, aby go następnie jeszcze raz zamontować w obudowie. 11. Włóż pozostałe zaciski do wtyków. Jeśli wtyk położysz otworami do góry, tak jak na rysunku 22.19, przewód ujemny podłącz z lewej, a dodatni z prawej strony. Sposób podłączenia nie ma jednak znaczenia, pod warunkiem że zawsze stosuje się tę samą metodę. 12. Weź silnik do jednej ręki, a wtyk złącza do drugiej. 13. Obróć wtyk kilka razy, aby skręcić przewody (patrz rysunek 22.20). Skręcenie to po pierwsze, zapobiega plątaniu się przewodów z innymi przewodami, a po drugie, zmniejsza trochę powodowany przez silniki szum elektryczny.

316 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22. „ LUTOWANIE I ŁĄCZENIE

Rysunek 22.19. Naciśnięcie trzpienia blokującego w celu wyjęcia zacisku z obudowy

Rysunek 22.20. Silnik ze stykami osłoniętymi za pomocą rurek termokurczliwych i skręconymi przewodami zakończonymi złączem typu KK Gratulacje! Silniki są już gotowe do użytku. Mają kolorowe przewody, których połączenie ze stykami jest osłonięte za pomocą rurek termokurczliwych, oraz łatwe w użyciu złącze do podłączania ich do układu.

Montaż przełącznika trybu śledzenia linii Przełącznik trybu śledzenia linii to jedyny element obwodu, który nie został podłączony na płytce prototypowej. Nie dało się tego zrobić, ponieważ dostępne przełączniki tego typu o odpowiednich tu właściwościach mają grube i szeroko rozstawione styki, które nie pasowały do otworów w płytce. Zadaniem tego przełącznika jest połączenie silników z tranzystorami. Zmiana ustawienia przełącznika będzie powodować zmianę tranzystorów, do których będą podłączone silniki, lub całkowite odłączenie silników. W pozycji środkowej przełącznika silniki będą wyłączone. Dzięki temu można poszukać ewentualnych usterek i ustawić robota na linii początkowej. Kiedy przełącznik będzie w pozycji lewej, silniki będą podłączone w normalny sposób, tzn. lewy z lewym, a prawy z prawym tranzystorem. Kiedy czujniki po lewej stronie wykryją trochę jaśniejsze światło, nastąpi włączenie lewego silnika.

317 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Natomiast w prawej pozycji przełącznika silniki będą podłączone odwrotnie, tzn. lewy z prawym tranzystorem, a prawy z lewym tranzystorem. Wtedy lewy silnik zostanie włączony, kiedy silniejsze światło padnie na czujniki po prawej stronie. W zależności od sposobu połączenia silników z tranzystorami robot będzie podążał za liniami ciemnymi lub jasnymi. W jednym z dalszych rozdziałów znajdziesz rysunek, na którym ilustruję to graficznie.

Zakup przełącznika trybu śledzenia linii Użyjemy przełącznika trójpozycyjnego typu DPDT (ang. double-pole double-throw — dwubiegunowy, z dwoma stykami). W opisach tego typu przełączników można czasami znaleźć oznaczenie „on-off-on”, które oznacza właśnie trzy pozycje: wł., wył. oraz wł. Nie kupuj przełącznika, w którego oznaczeniu znajdują się nawiasy, np. „(on)-off-on”, ponieważ oznaczają one pozycję chwilową, która jest automatycznie zmieniana za pomocą sprężyny na środkową po puszczeniu przycisku. W niektórych przypadkach jest to przydatne, ale w tym projekcie zależy nam na tym, aby przełącznik pozostał w ustawionej pozycji nawet po zdjęciu z niego palca. Stan wyłączenia przełącznika, którego użyjemy, będzie w pozycji środkowej. Określenie „dwubiegunowy” oznacza, że za pomocą tego przełącznika można sterować dwoma elementami na raz. Jest to ważne, ponieważ robot ma dwa silniki, które musimy kontrolować przy użyciu jednego przełącznika. Natomiast określenie „z dwoma stykami” znaczy, że każdy biegun można przełączyć w dwie różne pozycje. To również jest ważne, ponieważ musimy mieć możliwość podłączania każdego silnika albo do lewego, albo do prawego tranzystora. W tabeli 22.3 znajduje się lista sprzedawców przełączników omawianego typu. Czasami jednak lepiej produkt obejrzeć na własne oczy, ponieważ ich kształt, rozmiar i kolor w dużym stopniu wpływają na ogólną estetykę wyglądu robota. Wybierz przełącznik, który wyglądem będzie pasował do Twojego urządzenia. Tabela 22.3. Sprzedawcy miniaturowych trójpozycyjnych przełączników typu DPDT Sprzedawca

Kod produktu

Cena

Jameco

21952

1,55 dol.

Jameco

22841

1,49 dol.

Jameco

317421

2,49 dol.

Jameco

317490

2,49 dol.

AVT

MTS203

1,40 zł

Celiko

SWRLS103F1R

3,03 zł

Nowy elektronik

64924

3,94 zł

Słowo miniaturowy oznacza w przybliżeniu rozmiar przełącznika. Jeśli myślisz, że może być za mały, pewnie się zdziwisz, kiedy dostaniesz takie coś do ręki. Nie kupuj tanich ani zbyt małych przełączników, ponieważ podczas lutowania przewodów będzie się topić ich obudowa. W efekcie otrzymasz przełącznik przerywający albo niedziałający w ogóle.

Przygotowanie i podłączanie przewodów do przełączników Podobnie jak przy silnikach, do styków przełączników należy przylutować przewody plecione i zastosować osłonę połączeń w postaci rurki termokurczliwej (patrz rysunek 22.21). Jednak w odróżnieniu od silników, do których podłączone zostały 2-pinowe złącza Molex, do przełącznika potrzebne będzie złącze 4-pinowe. Sposób połączenia tych 4 pinów będzie następujący: prawy silnik, prawy tranzystor, lewy tranzystor, lewy silnik.

318 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22. „ LUTOWANIE I ŁĄCZENIE

Rysunek 22.21. Przełącznik trójpozycyjny typu DPDT (lewa strona), rurki termokurczliwe (środek) oraz przewody o różnych długościach (prawa strona) Żeby Ci się nie myliło, użyj przewodów o różnych kolorach. Do połączeń z tranzystorami wybrałem kolory żółty i zielony, które odpowiadają kolorom diod. Natomiast dla silników wybrałem kolory czerwony i biały, ponieważ oba będą podłączone do dodatniego źródła napięcia. Aby nie mieć problemu z przełożeniem przewodów przez niewielkie oczka w stykach przełącznika, użyj przewodów o mniejszej średnicy niż do silników. Zastosowałem przewód o średnicy 0,405 mm. 1. Utnij cztery kawałki przewodu (po jednym w kolorach zielonym, białym, żółtym i czerwonym) o długości 15 cm każdy. 2. Zdejmij 0,75 cm izolacji z jednego końca każdego kawałka. 3. Zdejmij 0,35 cm izolacji z drugiego końca każdego kawałka. 4. Utnij jeszcze po jednym 6-centymetrowym kawałku przewodu czerwonego i białego. 5. Z obu końców tych kawałków zdejmij po 0,75 cm izolacji. 6. Utnij kawałki rurek termokurczliwych: jeden kawałek żółtej, jeden kawałek zielonej, dwa kawałki czerwonej i dwa kawałki białej o długości 1,5 cm (w sumie sześć kawałków).

Lutowanie przełącznika trybu śledzenia linii Przełącznik DPDT ma sześć styków: po trzy dla każdego bieguna. W zależności od pozycji, środkowe styki mogą być połączone z dwoma pierwszymi stykami, dwoma ostatnimi stykami albo nie być połączone z żadnymi. 7. Przełóż zielony przewód przez oczko w środkowym styku, a następnie go skręć i zlutuj (patrz rysunek 22.22). Należy wykonać takie same czynności jak podczas łączenia przewodów z silnikami. 8. Przełóż żółty przewód przez oczko w drugim środkowym styku, a następnie go skręć i zlutuj. Przez środkowe styki będzie przechodzić sygnał elektryczny z tranzystorów do silników. Oczywiście, na razie zasilanie jeszcze do nich nie dociera, ponieważ nie są podłączone pozostałe styki. To samo będzie miało miejsce, kiedy przełącznik będzie w pozycji środkowej, ponieważ wówczas środkowe styki nie będą połączone ze stykami bocznymi przewodzącymi prąd z tranzystorów. 9. Przełóż końce czerwonych przewodów 6- i 15-centymetrowego przez oczko jednego dowolnego z pozostałych styków. Wybrałem styk w prawym dolnym rogu, co widać na rysunku 22.23. Skręć je i zlutuj. Masz już? Powinieneś mieć dwa czerwone przewody, dłuższy i krótszy, podłączone do tego samego styku.

319 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 22.22. Przewody lewego i prawego tranzystora przylutowane do środkowych styków przełącznika

Rysunek 22.23. Styki na przekątnej zakryte rurką termokurczliwą i połączone z lewym silnikiem 10. Wsuń po dwa kawałki czerwonej rurki termokurczliwej na przylutowane przewody. 11. Przełóż przez oczko, skręć i przylutuj drugi koniec 6-centymetrowego czerwonego przewodu do styku znajdującego się po przeciwnej stronie, po przekątnej. Jeśli zapomnisz założyć rurkę termokurczliwą zgodnie z opisem w punkcie 10., będziesz mieć problem, gdyż po przylutowaniu drugiego końca przewodów nie będzie można już tego zrobić. Na rysunku 22.23 pokazano, jak przełącznik powinien wyglądać po wykonaniu punktu 11. Do środkowych styków przylutowane są przewody żółty i zielony. Do styku w dolnym prawym rogu przylutowane są dwa czerwone przewody, a spoina jest osłonięta rurką termokurczliwą. Drugi koniec krótszego czerwonego przewodu jest przylutowany do naprzeciwległego styku po przekątnej. Ta spoina również jest osłonięta rurką termokurczliwą.

Objaśnienie połączenia na krzyż Przypuśćmy, że dłuższy, 15-centymetrowy przewód jest połączony z lewym silnikiem. Wówczas krótszy czerwony przewód musi być połączony ze stykiem po przekątnej (połączenie na krzyż). Oto wyjaśnienie, dlaczego tak ma być. Prąd płynie z lewego tranzystora do zielonego przewodu. Kiedy przełącznik zostanie ustawiony w którejś pozycji bocznej, następuje połączenie przewodów zielonego i czerwonego, dzięki czemu rozpoczyna się przepływ prądu z lewego tranzystora do lewego silnika. Kiedy przełącznik zostanie ustawiony w drugiej pozycji bocznej, następuje połączenie przewodów żółtego i czerwonego, a wtedy rozpoczyna się przepływ prądu z prawego tranzystora do lewego silnika. Gdyby oba czerwone przewody były podłączone do styków tego samego bieguna, to lewy silnik byłby zawsze połączony z lewym tranzystorem, niezależnie od pozycji przełącznika.

320 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22. „ LUTOWANIE I ŁĄCZENIE

Gdyby oba czerwone przewody były połączone ze stykami po tej samej stronie, to lewy silnik byłby łączony i rozłączany z lewym i prawym tranzystorem jednocześnie. Połączenie na krzyż sprawia, że każdy silnik może być połączony z tylko jednym tranzystorem na raz i połączenie to zmienia się na przeciwne wraz ze zmianą pozycji przełącznika. Jeśli nic nie rozumiesz, po prostu mi zaufaj i postępuj zgodnie ze wskazówkami.

Kończenie lutowania przełącznika trybu śledzenia linii Dokończ lutowanie białego przewodu i dwóch pozostałych styków. 1. Przełóż koniec białych przewodów 6- i 15-centymetrowego przez oczko dowolnego z pozostałych styków. Wybrałem górny prawy styk, patrząc na przełącznik tak, jak na rysunku 22.23. Skręć je i zlutuj. 2. Wsuń po dwa kawałki białej rurki termokurczliwej na przylutowane z jednej strony białe przewody. 3. Przełóż, skręć i przylutuj drugi koniec białego 6-centymetrowego przewodu do styku po przekątnej. Teraz wszystkie styki powinny już mieć przylutowane przewody, a cały przełącznik powinien wyglądać tak, jak na rysunku 22.24.

Rysunek 22.24. Gotowy przełącznik z przylutowanymi przewodami mającymi połączyć tranzystory z silnikami Aby przetestować połączenia, podłącz miernik do dowolnego ze środkowych przewodów, a następnie, przełączając pozycje przełącznika, sprawdź, czy jest ciągłość na białym i czerwonym przewodzie. Czy po przytknięciu jednego wyprowadzenia multimetru do zielonego przewodu i przełączaniu kolejnych pozycji przełącznika masz połączenie z czerwonym przewodem, brak połączenia i połączenie z białym? Czy jeśli podłączysz multimetr do żółtego przewodu, masz najpierw połączenie z czerwonym przewodem, brak połączenia i połączenie z białym przewodem? 4. Obkurcz rurki termokurczliwe za pomocą suszarki do włosów albo opalarki. 5. Zgnieć zaciski złącza Molex na wszystkich czterech przewodach przełącznika. 6. Włóż zaciski do 4-pinowej obudowy wtyku Molex.

321 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Gdy położysz obudowę wtyku otworami zacisków do dołu, kolejność podłączenia przewodów, jaką zastosowałem od lewej, jest następująca: biały (prawy silnik), żółty (prawy tranzystor), zielony (lewy tranzystor), czerwony (lewy silnik). Kolejność ta nie ma znaczenia, jeśli zastosuje się taką samą na płytce układu. Przełącznik jest gotowy do użycia.

Obwód diodowego oświetlenia „komory silników” Kiedy robot zostanie włączony, następuje zaświecenie diod reflektorów i diod natężenia światła z lewej i prawej strony. Nie trzeba zatem montować jeszcze dodatkowo wskaźnika zasilania. Aczkolwiek, kiedy patrzyłem na plastikową rurkę łączącą silniki, przyszedł mi do głowy pewien pomysł. W sklepie można kupić cukierki M&M w różnokolorowych rurkach. Do budowy „Kanapki” użyjemy np. żółtej. Gdyby włożyć do niej kilka diod, po włączeniu zasilania otrzymalibyśmy piękną czerwoną poświatę (patrz rysunek 22.25). Wygląda świetnie!

Rysunek 22.25. Żarząca się rurka

Schemat układu diod oświetlenia rurki Jeśli nie interesuje Cię ten czysto estetyczny efekt, możesz tę część rozdziału pominąć. Na rysunku 22.26 widać jednak, jak łatwo skonstruować ten układ. Na schemacie nie oznaczono kolorów diod, ponieważ najlepiej zastosować takie, które będą kontrastowały z kolorem rurki. Kupując diody, wybierz jak najjaśniejsze, ponieważ plastik pochłonie znaczną część światła. Najlepsze byłyby diody o szerokim kącie świecenia, które dadzą równomierne oświetlenie na całej szerokości, a nie utworzą tylko kilka osobnych jasnych punktów.

Budowa układu diod oświetlenia rurki Jako że rezystor i diody są połączone szeregowo oraz liczba elementów jest niewielka, cały układ można zbudować bez użycia płytki (patrz rysunek 22.27).

322 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 22. „ LUTOWANIE I ŁĄCZENIE

Rysunek 22.26. Schemat układu diod w rurce

Rysunek 22.27. Układ oświetlenia rurki zbudowany z trzech diod LED i rezystora 150 Ω przylutowany do złącza Molex KK Postaraj się tak przylutować diody, aby były skierowane w różnych kierunkach. Dzięki temu będą oświetlały różne części rurki. Ponieważ wewnątrz rurki jest mało miejsca, upchane tam elementy mogą się przypadkowo stykać. Dlatego należy wszystkie odsłonięte metalowe elementy zaizolować rurkami termokurczliwymi albo przynajmniej osłonić połączenie wyprowadzenia rezystora z dodatnim źródłem zasilania. Wtedy, jeśli nawet wystąpi zwarcie, będzie miało miejsce już za rezystorem.

Kończenie pracy Oprócz głównej płytki do budowy układu brakuje nam już tylko kilku elementów. Zacisk baterii nie wymaga lutowania, trzeba tylko na przewodach zgnieść zaciski złącza Molex.

323 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Zakup wyłącznika zasilania Przygotowanie wyłącznika zasilania jest tak samo łatwe jak silnika. Trzeba tylko przylutować dwa przewody, osłonić połączenia rurkami termokurczliwymi, podłączyć złącze Molex i skręcić przewody ze sobą. Ponieważ robot będzie pobierał prąd o niewielkim napięciu i natężeniu, do jego budowy można użyć prawie każdego typu wyłącznika. Większość wyłączników ma natężenie znamionowe rzędu kilku amperów (A) i napięcie 125 lub 250 V prądu zmiennego. To w zupełności wystarczy dla obciążeń w granicach 0,5 A przy 9 V prądu stałego. Jeśli chcesz użyć wyłącznika z lampką, sprawdź jej napięcie znamionowe. Jeśli będzie za wysokie, lampka zużyje całą otrzymaną moc i nie zapewni odpowiednio jasnego światła. Jeśli będzie zbyt niskie, spali się. Może lepiej darować sobie podświetlane wyłączniki. W celu zakupu wyłącznika lepiej udać się osobiście do sklepu, niż składać zamówienie z katalogu, ponieważ można go dokładnie obejrzeć i wybrać najatrakcyjniej wyglądający. W tabeli 22.4 znajduje się lista kilku wyłączników, które będą dobrze pasować do „Kanapki”. Tabela 22.4. Atrakcyjne wyłączniki dla robota Sprzedawca

Kod produktu

Cena netto

Opis

Conrad

1A11-NF1STSE

13 zł

przełącznik dwupozycyjny

Conrad

700337

15 zł

przełącznik dźwigniowy jednobiegunowy

Conrad

701364

7,51 zł

przełącznik jednobiegunowy

Conrad

701376

5,32 zł

przełącznik jednobiegunowy

Conrad

701475

2,91

przełącznik jednobiegunowy

Jeśli planujesz wyłącznik zamontować wewnątrz pudełka, a nie przylutowywać go do płytki, kup specjalny model z gwintem i nakrętką montażową.

Lutowanie Spójrz jeszcze raz na znajdujący się na początku rozdziału rysunek 22.1 i sprawdź, czy wszystko masz zrobione tak jak tam. Mam nadzieję, że podobało Ci się lutowanie. Dzięki tej umiejętności będziesz mógł zbudować wiele różnych robotów. Kiedy trochę poćwiczysz, to nie tylko będziesz umiał wykonać dobrej jakości spoiny, lecz również nauczysz się rozpoznawać połączenia, które wymagają naprawy. Zastosowanie złączy jest dobrym uzupełnieniem połączeń lutowanych, a czas poświęcony na zgniatanie zacisków na pewno nie został zmarnowany. Podczas rozbudowywania robota będziesz mógł dołączać i odłączać jego części jak moduły. W końcu zaczniesz projektować części, które będziesz mógł pożyczać innym konstruktorom. Następnym wyzwaniem będzie zlutowanie elementów na płytce drukowanej, bo wszystkie muszą być z czymś połączone.

324 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 23 „„„

Finalny montaż elementów na płytce W poprzednich rozdziałach opisałem budowę i testowanie układu śledzącego linie na płytce montażowej. Jest to dobre rozwiązanie, ponieważ lepiej wszystko dokładnie sprawdzić przed zlutowaniem, niż skonstruować coś, co później nie będzie działać. Niektórzy konstruktorzy nawet montują takie płytki w obudowach i twierdzą, że skończyli pracę. Niestety, zapominają, że w wyniku wibracji i ogólnie użytkowania przewody i elementy mogą się poluzować i albo całkiem wypaść z otworów, albo źle łączyć. Tak skonstruowany robot po pewnym czasie zaczyna niedomagać lub całkiem przestaje działać. W tym rozdziale zlutujesz cały układ na płytce drukowanej. Nie rób jednak tego, jeśli nie skończyłeś jeszcze lutowania wszystkich części opisanych w poprzednim rozdziale, ponieważ zdobyta przy tym praktyka teraz na pewno się przyda.

Układ śledzenia linii Na rysunku 23.1 przedstawiony jest schemat układu śledzenia linii, o którym tu mowa. Układ śledzenia linii w ostatecznej postaci będzie się składał z modułów zbudowanych w poprzednich rozdziałach. Oto one. • Moduł czujników to zrównoważony układ odczytu jasności. • Moduł reflektorów to układ reflektorów. • Moduły głównego układu scalonego i diod LED to obwód porównywania jasności z tranzystorami. • Moduł silników to obwody silników i diod Schottky’ego. Aby ułatwić budowę robota, zostały wprowadzone pewne modyfikacje. 1. Aby łatwiej było skompletować robota w postaci zestawu do samodzielnego montażu, rezystory R1 i R9 o wartościach 470 Ω zostały zastąpione rezystorami 150 Ω. Teraz w obwodzie znajdują się już tylko rezystory 1 kΩ i 150 Ω. Zmniejszenie rezystancji nie powinno sprawić problemu, ponieważ aktualne wartości nadal są wystarczająco wysokie, aby ograniczyć zbyt wysokie prądy.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 23.1. Schemat połączeń układu śledzenia linii

326 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 23. „ FINALNY MONTAŻ ELEMENTÓW NA PŁYTCE

„ Uwaga: Przypomnę, że wybór rezystorów o odpowiednich wartościach to prawdziwa sztuka. Wcześniej musiałeś np. dokonać wyboru między jaśniejszym świeceniem diody i krótszym czasem działania baterii lub mniej jaskrawym światłem i dłuższym czasem działania baterii. Zmiany wprowadzone na rysunku 23.1 podsuwają jeszcze jedną metodę doboru rezystorów: użycie elementów o takich samych wartościach, aby można było je kupować w hurtowych ilościach. Szkoły i firmy, które chcą złożyć więcej robotów, mogą w ten sposób zaoszczędzić pieniądze, ponieważ zamiast kupować po kilka różnych rezystorów, mogą kupić dużą ilość takich samych. Ponadto istnieje mniejsze ryzyko pomyłki podczas składania urządzenia, ponieważ jest mniej różnych elementów do wyboru.

2. Dodano do reflektorów potencjometr o wartości 20 kΩ (R10), za pomocą którego można będzie zmieniać natężenie światła. Wybór takiej, a nie innej wartości był podyktowany tym, że w obwodzie już jest jeden taki element (R2), a więc znowu jest to ułatwienie w kompletowaniu zestawu. Aczkolwiek w innej sytuacji lepiej byłoby zastosować potencjometr o wartości 2 kΩ, ponieważ podkręcenie aż do 20 kΩ spowodowałoby, że światło byłoby już zdecydowanie za ciemne. Sprawdź, jakie zmiany w działaniu obwodu spowodują te modyfikacje, zanim zlutujesz wszystko na stałe.

Optymalizacja wydajności działania robota Przed rozpoczęciem pracy warto jeszcze rozważyć inne strategie doboru wartości rezystorów R1 i R9. Jeśli nie interesuje Cię upraszczanie zestawu, to jakie byłyby najlepsze dla nich wartości? Można by np. poszukać takiej wartości rezystora R9, aby uzyskać maksymalną bezpieczną jasność świecenia diod reflektorów, i dobrać rezystor R1 tak, aby jego wartość korelowała z czujnikami. Zmiany te pomogłyby ograniczyć wartości napięcia czujników do przedziału możliwego do porównywania przez układ scalony IC1. Dzięki temu robot jeździłby szybciej i bardziej precyzyjnie śledził linie. W książce nie da się podać jedynej poprawnej wartości, ponieważ każdy typ diody LED ma inną wartość spadku napięcia i jasność, a czujniki siarczkowo-kadmowe mogą się znacznie różnić, nawet jeśli są z tej samej serii. A elementy w zestawie muszą przecież działać u każdego użytkownika. Aby znaleźć najlepszy rezystor dla białych diod, zbuduj na płytce prototypowej moduł reflektorów pokazany na rysunku 23.1 (pozostałe pokazane tam moduły możesz zignorować). Następnie wykonaj poniższe instrukcje. 1. Zastąp na chwilę rezystor R9 jakimś dużo mniejszym, np. 40 albo 50 Ω. 2. Ustaw rezystancję potencjometru R10 na wartość powyżej 200 Ω. 3. Podłącz miernik w trybie pomiaru natężenia prądu między potencjometr R10 a diodę LED9. Znaczy to, że elementy R10 i LED9 nie powinny być połączone. Czerwony przewód pomiarowy ma być podłączony do złącza mA i górnego wyprowadzenia potencjometru R10. Natomiast czarny przewód pomiarowy należy podłączyć do złącza COM i dolnego wyprowadzenia diody LED9. Prąd, nie mając innej drogi, popłynie przez potencjometr R10 do miernika, skąd po pomiarze natężenia trafi do diody LED9. 4. Podłącz zasilanie ze świeżej baterii (zazwyczaj napięcie takiej baterii wynosi około 9,6 V). Bateria musi być świeża, ponieważ szukasz wartości pozwalającej uzyskać maksymalną jasność. 5. Powoli kręć pokrętłem potencjometru R10, aż na mierniku pojawi się odczyt 30 mA. Istnieje ryzyko, że przypadkowo ustawisz potencjometr R10 na zero, a przy tak niskiej wartości rezystora R9 diody zostaną spalone. Dlatego kręć pokrętłem bardzo wolno. 6. Odłącz zasilanie od obwodu. 7. Odłącz miernik i podłącz dolne wyprowadzenie potencjometru R10 do górnego wyprowadzenia diody LED9. Teraz są podłączone zgodnie ze schematem. 8. Przestaw miernik na tryb pomiaru rezystancji. Czerwony przewód powinien być w gnieździe Ω, a czarny w gnieździe COM.

327 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

9. Podłącz czerwony przewód pomiarowy do górnego wyprowadzenia diody LED9, a czarny do dolnego wyprowadzenia potencjometru R10. W ten sposób zmierzysz sumę rezystancji tych dwóch elementów. Rezystor R9 powinien mieć właśnie taką wartość, jak otrzymana w wyniku tego pomiaru. Kiedy użyłem białych diod z zestawu Solarbotics i potencjometr R10 ustawiłem tak, żeby otrzymać na nich prąd o natężeniu 30 mA, w pomiarze rezystancji elementów R9 i R10 otrzymałem wartość 106 Ω. Mam rezystor o bardzo zbliżonej wartości (100 Ω) i użyję go w miejsce R9. Teraz kiedy robot będzie podążał wzdłuż linii, będę mógł ustawić znacznie jaśniejsze światło reflektorów niż wtedy, kiedy rezystancja wynosiła 150 Ω. Optymalizacja w drugim miejscu, czyli wybór rezystora R1, to już prawie czysta matematyka. 1. Zmierz w jakimś ciemnym miejscu, np. pod biurkiem, rezystancję wszystkich czujników po kolei. Nie zakrywaj ich całkowicie, ponieważ chcesz tylko dowiedzieć się, jaką mają maksymalną rezystancję, kiedy są skierowane na czarną linię lub powierzchnię. 2. Zakładając, że czujniki będą rozmieszczone równomiernie, oblicz rezystancję „w ciemności” każdej z par. Mnie w pomiarach wyszły wartości 150 kΩ, 500 kΩ, 400 kΩ oraz 550 kΩ. Zatem czujnik o największej rezystancji ma wartość 550 kΩ. Utworzyłem następujące pary: czujnik 150 kΩ z czujnikiem 550 kΩ (w sumie 700 kΩ) oraz czujnik 500 kΩ z czujnikiem 400 kΩ (w sumie 900 kΩ). 3. Teraz skorzystaj ze wzoru R1 = ((para1 * para2) / (para1 + para2) - (R2 / 2)) * 0,25. Po zastosowaniu pewnych uproszczeń pozwala on oszacować taką wartość rezystora R1, przy której napięcie dostarczane do komparatora będzie mieściło się w bezpiecznym przedziale leżącym 1,5 V poniżej napięcia zasilania. Pojawiający się we wzorze stały współczynnik (procentowy) został dobrany dla przypadku niemal wyczerpanej baterii (napięcie 7 V), gdzie margines bezpieczeństwa jest najmniejszy. W moim przypadku R1 = ((700 kΩ * 900 kΩ) / (700 kΩ + 900 kΩ) - (20 kΩ / 2)) * 0,25 = 96 kΩ. Uff! 96 000 Ω to o wiele więcej niż planowane początkowo 150 Ω. Przypomnę, że zmiana ta ma na celu przystosowanie robota do ekstremalnych warunków, w których wszystkie czujniki są skierowane na ciemną powierzchnię. Zazwyczaj przynajmniej jeden z nich jest nakierowany na jasną linię. Potencjometr ma w zupełności wystarczającą rezystancję, aby odpowiednio zmniejszyć napięcie podczas normalnego działania. Jeśli w ogóle interesuje Cię dokonanie tak dużej zmiany, zwłaszcza gdy weźmiesz pod uwagę, że może to spowodować spore zmiany w działaniu, masz kilka możliwości do wyboru. • Pozostaw rezystor R1 o wartości 150 Ω. Zawsze możesz zwiększyć jasność reflektorów. • Zamontuj rezystor o wartości 10 kΩ (chyba najlepszy wybór). • Zamontuj rezystor o wartości 100 kΩ, ale przygotuj się na dolutowanie nad nim mniejszego rezystora, o wartości 10 kΩ. Ta sztuczka wykorzystuje fakt, że prąd jest leniwy i popłynie tą ścieżką, na której będzie miał mniejszy opór (w tym przypadku rezystancja wyniesie około 9 kΩ). • Pozostaw rezystor 150 Ω i wymień komparator LM393 na komparator LMC6772BIN, który może porównywać napięcia w pełnym zakresie, a więc nie będzie mu przeszkadzać, jeśli wszystkie czujniki będą skierowane na ciemną powierzchnię.

Lutowanie punktowe a lutowanie na płytce drukowanej Zbudowałeś już i przetestowałeś cały układ na płytce montażowej z zamontowanymi standardowymi albo zmienionymi elementami. Istnieje kilka metod lutowania układów. Można wziąć płytkę z otworami (po lewej na rysunku 23.2), rozmieścić na niej elementy, a następnie połączyć je przewodami przylutowanymi do ich wyprowadzeń. Jest to tzw. lutowanie punktowe.

328 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 23. „ FINALNY MONTAŻ ELEMENTÓW NA PŁYTCE

Rysunek 23.2. Płytka uniwersalna (po lewej) i płytka układu drukowanego (po prawej) z nadrukowanym układem śledzenia linii Inna metoda polega na kupieniu (lub wykonaniu własnoręcznie) płytki drukowanej (PCB — po prawej na rysunku 23.2), na której przewody są zastąpione ścieżkami na powierzchni płytki. W tym przypadku elementy trzeba tylko włożyć na miejsca i przylutować. Technika lutowania punktowego jest szybsza i tańsza w przypadku pojedynczych niewielkich układów, ponieważ nie wymaga projektowania i trawienia. Ponadto dzięki temu, że elementy są połączone przewodami, łatwiej zmieniać ich rozmieszczenie, jeśli będzie trzeba. Oczywiście, najłatwiej i najszybciej byłoby kupić gotową płytkę z nadrukiem układu śledzenia linii. Wówczas jest znacznie mniej lutowania. Jeśli dodatkowo układ wcześniej został już sprawdzony i wiadomo, że poprawnie działa, to nie ma ryzyka pomyłki przy lutowaniu przewodów. Kiedy spojrzy się na ukończony produkt, łatwo zauważyć jeszcze inne zalety płytek drukowanych w porównaniu z uniwersalnymi. Na rysunku 23.3 widać, że układ zmontowany na płytce uniwersalnej (po lewej) jest znacznie bardziej „poplątany”, zajmuje więcej miejsca i jest o wiele bardziej awaryjny (ze względu na luźno zwisające przewody) niż układ na płytce drukowanej (po prawej).

Rysunek 23.3. Spodnia strona płytki uniwersalnej (lewa) i układu drukowanego (prawa) po zlutowaniu obwodu Zbudowałem robota, posługując się obiema opisanymi metodami. Jako że liczba połączeń nie jest zbyt duża i układ można podzielić na oddzielne moduły, z jego budową na płytce uniwersalnej powinien poradzić sobie każdy. Dalej w tym rozdziale znajdują się szczegółowe instrukcje, jak to zrobić. Zdecydowanie jednak zalecam zakup gotowej płytki z nadrukowanym układem w Solarbotics (SandPCB za 12 dolarów), choćby nawet bez pozostałych części zestawu. Będziesz mieć mniej lutowania, zaoszczędzisz nerwy i czas, który musiałbyś zapewne poświęcić na usuwanie usterek, a ponadto szybciej zaczniesz eksperymentować z robotem. Zakup gotowej płytki PCB to żadna ujma, ponieważ przecież już złożyłeś prototyp na płytce prototypowej. Potraktuj to raczej jako efektywne zarządzanie czasem.

329 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Instrukcje dotyczące montażu elementów na gotowej płytce drukowanej znajdują się pod adresem http://www.robotroom.com/SandwichPCB.html.

Lutowanie punktowe układu śledzenia linii Lutowanie układu na płytce to najbardziej żmudna część pracy, ale będziesz mieć okazję wykorzystać doświadczenie nabyte podczas lutowania silników i przełączników. Cierpliwości. Jeśli masz taką możliwość, postaraj się o nowy zestaw części, a oryginalne pozostaw na płytce prototypowej. Nowy zestaw elementów nie powinien kosztować więcej niż kilkadziesiąt złotych. 1. Jeśli nie planujesz używać gotowej płytki drukowanej, kup płytkę uniwersalną o rozmiarze około 7 cm na 10 cm (lub trochę mniejszą) z 700 otworami rozstawionymi co 2,54 mm. Wokół każdego otworu powinno znajdować się miedziane pole. Przykładowo możesz użyć płytki PC-11 ze sklepu TME, która kosztuje 5,90 zł przy zakupie jednej sztuki.

Rozmieszczenie elementów układu Prostokątna płytka perforowana jest bardziej uniwersalna od stykowej płytki montażowej. Elementy można rozmieścić w dowolnym miejscu, bo płytka taka nie jest podzielona na pięć sekcji. Ponieważ to, co zlutujesz, będzie musiało pozostać na długi czas, dobrze się przyłóż do projektowania układu elementów.

Pomocna dłoń w rozmieszczeniu elementów 2. Zamocuj płytkę w trzeciej ręce (patrz rysunek 23.4).

Rysunek 23.4. Narzędzie zwane trzecią ręką jest bardzo pomocne przy montażu elementów na płytce 3. Ważne zalecenie: zanim przylutujesz elementy do płytki, sprawdź miernikiem ich parametry, aby mieć pewność, że są odpowiednie. Jeśli nie chcesz tego robić, przynajmniej sprawdź potencjometry dostrojcze i ustaw je na środkowej wartości.

330 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 23. „ FINALNY MONTAŻ ELEMENTÓW NA PŁYTCE

„ Uwaga: Rezystancji niektórych elementów nie da się przetestować za pomocą miernika po przylutowaniu, ponieważ elementy, z którymi są połączone, mogą zawracać prąd do przeciwnego wyprowadzenia miernika i fałszować wyniki.

4. Rozmieść elementy na płytce (patrz rysunek 23.5). Postaraj się je tak ułożyć, aby elementy, które mają być połączone, znajdowały się jak najbliżej siebie. Dzięki temu będzie można użyć krótszych przewodów i będą one mniej poplątane.

Przykładowe rozmieszczenie Na rysunku 23.5 pokazane jest, jak przykładowo można rozmieścić elementy opisywanego układu. Zauważ, że diody, żeby były jak najlepiej widoczne, zostały rozmieszczone przy krawędziach. Komparator, który łączy się z największą liczbą różnych elementów, został umieszczony na środku i otoczony z dwóch stron tranzystorami. Potencjometry do równoważenia jasności i ustawiania światła reflektorów znajdują się z przodu, aby był do nich łatwy dostęp.

Rysunek 23.5. Płytka uniwersalna z zamontowanym układem śledzenia linii. Elementy R3, R4, R5, R6, LED9 oraz LED10 znajdują się z drugiej strony Wszystkie gniazda złączy Molex zostały umieszczone z tyłu płytki, ponieważ przełączniki, silniki i inne części będą umieszczone w tylnej części robota. Blokady gniazd są skierowane w kierunku przeciwnym do środka płytki, dzięki czemu działają jak elementy amortyzujące przewód i przy okazji nie pozwalają na wypadnięcie wtyku, kiedy ktoś pociągnie za kabel.

Podstawka dla układu scalonego Nie przylutowuj komparatora bezpośrednio do płytki, lecz zamontuj w specjalnej podstawce (patrz rysunek 23.6). Dzięki temu nie narazisz go na wysoką temperaturę i ryzyko uszkodzenia podczas lutowania. Ponadto, jeśli znajdziesz lepszy układ o takim samym rozmieszczeniu pinów (np. TLC393, TLC372, TLV3402 lub LMC6772), możesz go bez trudu wymienić. Zwróć uwagę, że na jednym z boków tej podstawki znajduje się niewielkie zagłębienie. Odpowiada ono zagłębieniu na obudowie układu scalonego i wskazuje kierunek, w którym układ powinien zostać zamontowany. W tabeli 23.1 znajduje się lista kilku sprzedawców tego rodzaju podstawek.

331 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 23.6. 8-pinowa podstawka dla układu scalonego w obudowie typu DIP Tabela 23.1. Sprzedawcy 8-pinowych podstawek pod układy typu DIP Sprzedawca

Kod produktu

Cena (netto)

Opis

TME

GOLD-8P

0,59 zł za sztukę

zakup od 10 sztuk

TME

ICVT-8P

0,11 zł za sztukę

zakup od 20 sztuk

ELFA

48-155-61

0,36 zł

Przytrzymanie elementów na płytce podczas lutowania Skoro włożyłeś tyle pracy w rozmieszczenie elementów na płytce, z pewnością nie chcesz, żeby wszystkie z niej powypadały, kiedy przekręcisz ją na drugą stronę i zaczniesz lutować. Oto kilka sposobów na uniknięcie takiej sytuacji.

Przyklejanie gniazd Molex do płytki Styki gniazd Molex KK w otworach standardowej płytki uniwersalnej są osadzone dość luźno. Kiedy przekręcisz płytkę, mogą się wysunąć i wypaść (nie ma tego problemu przy odpowiednio przygotowanych płytkach obwodów drukowanych). Jest jednak niezmiernie ważne, aby gniazda całkowicie przylegały do powierzchni płytki, do której są przylutowane, ponieważ w przeciwnym razie przy wkładaniu wtyków ich styki mogą się wyginać i w końcu zostać wyrwane. 5. Nałóż za pomocą wykałaczki trochę kleju po bokach gniazd (nie na metalowe styki) — patrz rysunek 23.7. To je uchroni przed wypadnięciem podczas lutowania.

Rysunek 23.7. Nakładanie kleju na gniazdo złącza Molex

332 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 23. „ FINALNY MONTAŻ ELEMENTÓW NA PŁYTCE

Do przyklejania elementów do płytek drukowanych najczęściej używam silikonu (patrz rysunek 23.8), ponieważ wiele innych klejów słabo przywiera do żywicowego podłoża. Silikon ma postać kleistego żelu, a zatem łatwo go nałożyć w dowolnym miejscu, nie odkleja się i dobrze trzyma element, nawet zanim wyschnie. Właśnie dlatego, że nie zasycha od razu, położenie elementów można jeszcze poprawiać po przytknięciu ich do powierzchni płytki.

Rysunek 23.8. Klej silikonowy i wykałaczka do jego nakładania Dodatkowo silikon znosi bardzo wysokie temperatury, co jest bardzo ważne w przypadku zastosowania do klejenia elementów, które mają być lutowane. Ponieważ klej ten po zaschnięciu robi się gumowaty, można go w łatwo oderwać. 6. Włóż gniazda z powrotem w wybrane miejsce. 7. Poczekaj pięć minut (albo odpowiednią ilość czasu zgodną z instrukcją użytkowania), aż klej zwiąże. Nie lutuj w pobliżu klejów łatwopalnych ani takich, które mogą powodować powstawanie wyziewów!

Zaginanie wyprowadzeń elementów Na szczęście, większość pozostałych elementów ma wyprowadzenia znacznie bardziej plastyczne niż styki złączy. Można je po prostu zagiąć i nie trzeba używać kleju, aby je tymczasowo przymocować. 8. Delikatnie przygnij wyprowadzenia pozostałych elementów w kierunku powierzchni płytki, aby zapobiec ich wypadnięciu podczas lutowania (patrz rysunek 23.9). Nie zaginaj ich jednak ciasno, a jedynie tylko tak, aby nie wypadły. Lutowie czasami wpływa pod takie zagięte styki i może powodować zwarcia z innymi elementami albo punktami lutowniczymi. Ponadto zbyt mocno dogięte wyprowadzenia trudniej później obciąć do odpowiedniej długości. Jeśli wyprowadzenia jakiegoś elementu są dostatecznie długie, można je zgiąć, aby sięgnąć do elementu, z którym ma być zlutowany. Oczywiście, wtedy jednak nie ma ochrony izolacji, która jest na zwykłych przewodach.

333 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 23.9. Widok z boku płytki z elementem o lekko wygiętych wyprowadzeniach, które utrzymują go na miejscu podczas lutowania

Tworzenie magistrali zasilającej Większość płytek stykowych ma przy górnej i dolnej krawędzi długie rzędy służące do doprowadzania dodatniego i ujemnego napięcia do miejsc w pobliżu wszystkich elementów elektronicznych. Niektóre płytki uniwersalne również mają takie szyny, lecz nie jest to regułą. jeśli trzeba, linię taką można utworzyć własnoręcznie, a zaletą tego rozwiązania jest to, że dowolnie wybieramy jej umiejscowienie, długość i kształt. 9. Weź trochę niezaizolowanego drutu o średnicy 0,64 mm. Jeśli nie masz takiego, możesz zdjąć izolację z przewodu, jednak zaoszczędzisz na czasie i sprzątaniu, jeśli kupisz sobie szpulę gołego drutu. Na rysunku 23.10 widać szpulę drutu miedzianego pokrytego cienką warstwą cyny, która ułatwia przywieranie do niego lutowia.

Rysunek 23.10. Szpula nieizolowanego miedzianego drutu o średnicy 0,64 mm pokrytego warstwą cyny 10. Zrób pętelkę z drutu przy dodatnim styku gniazda Molex, do którego doprowadzone jest zasilanie z wyłącznika (patrz rysunek 23.11). Będzie to początek szyny dodatniej.

Rysunek 23.11. Drut zagięty w sposób umożliwiający połączenie go ze stykiem złącza Molex

334 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 23. „ FINALNY MONTAŻ ELEMENTÓW NA PŁYTCE

11. Przeciągnij drut na drugą stronę i przełóż jego koniec przez drugi otwór (patrz rysunek 23.12 po lewej). Pętelka ta będzie pełniła dwie funkcje. Po pierwsze, będzie stanowiła solidny punkt początkowy szyny, a po drugie, będzie doskonałym miejscem do podłączenia miernika.

Rysunek 23.12. Pętle na powierzchni płytki pozwalające na podłączenie przewodów pomiarowych do napięcia dodatniego (lewa) i ujemnego (prawa) 12. Po spodniej części płytki rozciągnij dłuższy kawałek drutu (patrz rysunek 23.13) i przylutuj go.

Rysunek 23.13. Spodnia strona płytki, po której biegnie długi kawałek drutu stanowiący magistralę zasilającą, do której można podłączyć wiele przewodów 13. Teraz wszystkie elementy, które wymagają zasilania z dodatniego bieguna, możesz połączyć z tym drutem (patrz rysunek 23.14).

Rysunek 23.14. Dodatnia szyna zasilająca z przylutowanymi przewodami 14. W ten sam sposób wykonaj ujemną magistralę zasilającą.

335 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Lutowanie pozostałych elementów Wszystkie elementy są już rozmieszczone i przymocowane do płytki. Zbudowano magistrale zasilające podobne do spotykanych w płytkach stykowych. Pozostało więc tylko połączyć elementy ze sobą. Można użyć prototypu na płytce stykowej jako wzoru i w razie potrzeby skorzystać ze schematu. 15. Lutuj po kolei elementy poszczególnych modułów. Wybierz jeden komponent i sprawdź, jak powinny być podłączone jego wyprowadzenia. 16. Zmierz długość połączenia i utnij kawałek plecionki w izolacji o nieco większej długości, aby pozostawić trochę luzu. Można użyć przewodów o grubości od 0,64 do 0,4 mm, chociaż preferuję raczej te cieńsze. 17. Usuń po kawałku izolacji z obu końców przewodu. 18. Owiń jeden koniec przewodu wokół wyprowadzenia elementu. Możesz też włożyć przewód w ten sam otwór, w którym znajduje się wyprowadzenie, co zapewni stabilniejsze i lepsze połączenie elektryczne między tymi dwoma elementami. Niezależnie od tego, jakie rozwiązanie wybierzesz, spraw, aby powierzchnia kontaktu metalu z metalem była jak największa. 19. Zlutuj połączenie. 20. Powtórz czynności 18. i 19. na drugim końcu przewodu. 21. Zlutuj po kolei elementy wszystkich modułów. Jeśli potrzebujesz, od czasu do czasu zrób sobie przerwę.

Lutowanie czujników Przed przylutowaniem fotorezystorów warto pomalować je od spodu czarną farbą. Uniemożliwi to docieranie do czujnika światła z drugiej strony, a to mogłoby zniekształcać jego odczyty. Do tego celu znakomicie nada się farba Testors Flat Black Enamel (patrz rysunek 23.15 po lewej), chociaż z powodzeniem można by użyć czarnego markera olejowego, który jest bardziej precyzyjny niż pędzelek, a więc stwarza mniejsze ryzyko przypadkowego pomalowania przedniej strony urządzenia. Markery olejowe można kupić w wielu sklepach z materiałami biurowymi, może to być np. marker Paint PX-21 Uni za około 13 zł.

Rysunek 23.15. Czarna farba (po lewej) i fotorezystory odsunięte na odległość 12 mm od powierzchni płytki (na górze) Płytka obwodu po zamontowaniu w obudowie robota będzie się znajdowała około 20 mm nad dolną płytą, w związku z czym wyprowadzenia fotorezystorów i diod LED reflektorów trzeba uciąć krótko. Po przylutowaniu elementy te powinny znajdować się w odległości około 12 mm od powierzchni płytki (patrz rysunek 23.15 na górze). Postaraj się także, żeby wszystkie fotorezystory były w tej samej odległości od płytki.

336 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 23. „ FINALNY MONTAŻ ELEMENTÓW NA PŁYTCE

Obcinanie wyprowadzeń przy użyciu szczypców do cięcia drutu Po przylutowaniu elementów do płytki poobcinaj zbyt długie końcówki wyprowadzeń. Jeśli je pozostawisz, będą się plątać i stykać, powodując zwarcia. Pamiętaj, żeby do cięcia drutu założyć okulary ochronne.

Czyszczenie płytki Po zakończeniu lutowania może być konieczne usunięcie z płytki pozostałości topnika. Ponieważ wiele topników nie wymaga czyszczenia, sprawdź na etykiecie, czy musisz to robić. Istnieją specjalne środki przeznaczone do usuwania pozostałości topnika.

Testowanie układu robota Kiedy skończysz lutowanie, możesz odczuć pokusę, żeby od razu podłączyć baterie i sprawdzić, jak robot działa. Zanim jednak zaczniesz cieszyć się owocami swojej pracy, powinieneś najpierw przeprowadzić kilka prostych testów, które mogą uchronić Twoje baterie i płytkę przed uszkodzeniem.

Uwaga na niską rezystancję Jeśli przypadkowo przylutujesz przewód dodatni do ujemnego, prąd popłynie skróconą drogą z dodatniego bieguna baterii do ujemnego. Pozostała część obwodu pozostanie bez zasilania, ponieważ prąd zawsze wybiera najkrótszą drogę (jeśli jest stały, to płynie od dodatniego do ujemnego bieguna). W takim przypadku robot nie będzie działał. Możliwe też jest zamontowanie niewłaściwej części, zapomnienie o jakimś elemencie albo utworzenie częściowego zwarcia, przez co jedna ze ścieżek w obwodzie będzie miała bardzo niską rezystancję. Wówczas może dojść do uszkodzenia jednego z delikatnych elementów, np. diody LED albo układu scalonego, które nie będą odpowiednio chronione przez rezystor. Kiedy w obwodzie jest zwarcie albo bardzo niska rezystancja, następuje bardzo szybkie zużycie baterii i powstanie nadmiernej ilości ciepła, które może spowodować uszkodzenie elementów na płytce. A znalezienie, które są spalone, nie jest wcale łatwe.

Nieprzylutowane wyprowadzenia Obejrzyj dokładnie każdą część, aby sprawdzić, czy jest z czymś połączona. Jeśli jedno z dwóch wyprowadzeń jakiegoś elementu jest wolne, znaczy to, że coś jest nie tak. Każdy styk i każde wyprowadzenie robota „Kanapki” powinno być z czymś połączone.

Sprawdź wszystkie wyprowadzenia podłączone bezpośrednio do dodatniego źródła napięcia Żeby prąd płynął, między dodatnim a ujemnym biegunem baterii musi być połączenie. Sprawdzając wszystkie połączenia z biegunem dodatnim, dowiesz się, czy każda ze ścieżek przewodzenia zaczyna się w odpowiednim miejscu. Zacznij od baterii. Sprawdź, czy czerwony przewód zacisku jest połączony z dodatnim stykiem złącza Molex. Dodatni styk złącza powinien z kolei być połączony tylko ze złączem wyłącznika zasilania. To zaś oznacza, że prąd z baterii może przedostać się do obwodu tylko przez wyłącznik.

337 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

„ Uwaga: Kiedy wyłącznik jest w stanie wyłączonym, w obwodzie nie może być prądu, ponieważ do dodatniego bieguna baterii podłączony jest tylko on. Dzięki temu po ustawieniu wyłącznika na pozycję wyłączoną robot nie pobiera energii elektrycznej, to tak, jakby bateria nie była w ogóle podłączona. Jeśli jednak robot ma być nieużywany przez dłuższy czas, lepiej wyjąć z niego baterie, ponieważ ze starych baterii mogą wyciekać żrące substancje chemiczne.

Drugi styk złącza Molex wyłącznika zasilania powinien być podłączony do dodatniej szyny zasilającej. Dokładnie sprawdź wszystkie połączenia z tą szyną. Większość z nich powinna być z rezystorami. W obwodach „Kanapki” wyjątkami są tylko styki kolektorów w tranzystorach i pin nr 8 komparatora. Wszystkie pozostałe elementy są poprzedzone rezystorami.

Pomiar rezystancji całego obwodu Po przeprowadzeniu oględzin należy przy użyciu miernika wykonać kilka pomiarów, które pozwolą wykryć niektóre ewentualne usterki. Uwaga: między wyłącznikiem zasilania a układem warto zamontować diodę, która ochroni obwód przed zniszczeniem w przypadku odwrotnego podłączenia baterii. Ale testy, których opis znajduje się w tej części rozdziału, nie udadzą się, kiedy ta dioda będzie zamontowana. Jeśli więc zdecydujesz się użyć diody, musisz połączyć jej styki, aby prąd z miernika mógł ją swobodnie ominąć podczas przeprowadzania testów.

Pomiar rezystancji przy wyłączonym zasilaniu 1. Podłącz wszystkie części ze złączami Molex do układu na płytce (patrz rysunek 23.16). Do obwodu powinny być zatem już podłączone silniki, wyłącznik, zacisk baterii (bez baterii), przełącznik trybu śledzenia linii oraz diody w rurce (jeśli się na nie zdecydowałeś).

Rysunek 23.16. Testowanie rezystancji obwodu poprzez zacisk baterii 9 V

338 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 23. „ FINALNY MONTAŻ ELEMENTÓW NA PŁYTCE

2. Podłącz przewody pomiarowe do biegunów zacisku baterii (można sobie pomóc, korzystając z krokodylków albo zacisków haczykowych). Pamiętaj, że bateria nie jest podłączona, a w jej miejscu znajduje się teraz miernik. 3. Ustaw miernik na pomiar rezystancji. 4. Włącz miernik. 5. Zmień położenie wyłącznika tam i z powrotem. W jednej pozycji rezystancja powinna być nieskończona, co oznacza, że zasilanie jest odłączone. Jeśli w żadnym położeniu wyłącznika nie uzyskasz nieskończonego wyniku pomiaru rezystancji, znaczy to, że coś jest nie tak z wyłącznikiem lub jego podłączeniem. Przypomnę, że w stanie wyłączonym dodatni biegun zasilania jest odcięty, a więc rezystancja powinna być nieskończona.

Pomiar rezystancji po włączeniu zasilania 6. Przestaw wyłącznik na pozycję włączoną. 7. Miernik powinien wskazywać rezystancję w przedziale od 5 do 50 kΩ. Jeśli w pozycji włączonej wyłącznika rezystancja ma nieskończoną wartość, oznacza to, że gdzieś między baterią, wyłącznikiem a jedną z szyn zasilania brakuje jakiegoś przewodu albo wystąpiło przerwanie. Wartość poniżej 1 kΩ oznacza częściowe zwarcie albo uszkodzenie jednego z elementów. Przyczyną może też być ustawienie potencjometru na minimalną wartość. Wszelkie wartości poniżej 10 Ω wskazują już na poważne zwarcie! Jeśli coś takiego Ci się zdarzy, pod żadnym pozorem nie podłączaj do układu baterii. Przełącz miernik na pomiar ciągłości i poprzykładaj styki w różnych miejscach, aby poszukać przyczyny problemu.

Pomiar rezystancji czujników 8. Przykryj fotorezystory ręką. Powinno to spowodować powstanie wysokiej rezystancji w obwodzie, około 45 kΩ. 9. Wystaw fotorezystory na światło. Rezystancja obwodu powinna znacznie zmaleć. Przy świetle żarówki powinno to być około 5 kΩ. Jeśli zmiany oświetlenia fotorezystorów nie powodują żadnych zmian rezystancji, może to oznaczać nieprawidłowe podłączenie obwodu czujników do szyn zasilania albo uszkodzone połączenie lutowane.

Pomiar spadku napięcia W obwodzie zostały użyte półprzewodniki, które nie przepuszczą prądu o większym natężeniu, dopóki napięcie nie wyniesie przynajmniej 0,5 V. 10. Przełącz miernik na tryb pomiaru diod (przewody miernika powinny być podłączone do zacisku baterii). 11. Przy wyłączniku ustawionym w pozycji wyłączonej na wyświetlaczu miernika powinien pojawić się napis „open” (otwarty) albo „infinity” (nieskończoność). Jeśli miernik wskazuje jakikolwiek spadek napięcia przy wyłączniku ustawionym w pozycji wyłączonej, oznacza to, że wyłącznik nie odcina całkowicie zasilania od dodatniego bieguna. Lepiej nie podłączać baterii, kiedy nie masz pewności, czy wyłącznik działa poprawnie. 12. Kiedy wyłącznik robota zostanie ustawiony w pozycji włączonej, napięcie z miernika powinno być wystarczająco wysokie, aby spolaryzować przewodząco diody, układy scalone i tranzystory. W „Kanapce” miernik wyświetla „good” albo 0,742 V.

339 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

W Twoim przypadku może zostać wyświetlona nieco inna wartość, ale na pewno powinna być duża różnica między pomiarem w stanie wyłączenia i po włączeniu wyłącznika. W trybie pomiaru diod przy wyłączniku w pozycji włączonej wszystkie wartości pomiaru większe od 1,6 V i mniejsze od 0,4 V mogą sugerować, że coś jest nie tak.

Podgrzewanie spoin z lutowia Jeśli w czasie testowania odkryjesz, że któreś z połączeń lutowanych jest luźne i słabo łączy, warto podgrzać wszystkie połączenia w obwodzie, aby mieć pewność, że będą dobrze związane. Najprawdopodobniej nie trzeba będzie już dodawać lutowia, a jedynie podgrzać istniejące połączenia, aby lutowie lepiej przywarło do łączonych powierzchni. Ponowne podgrzewanie spoin trwa bardzo krótko, ponieważ nie wymaga zdejmowania izolacji z przewodów i ich skręcania. Chyba warto poświęcić pięć minut na poprawienie połączeń, żeby mieć pewność, że wszystko jest w porządku i nie będzie trzeba szukać trudnych do wykrycia i irytujących usterek. „ Ostrzeżenie: Nigdy nie lutuj ani nie podgrzewaj spoin w obwodzie pod zasilaniem. Ciepło spowodowane przez lutowanie w połączeniu z ciepłem wytworzonym przez prąd elektryczny może spowodować roztopienie i rozłączenie połączeń oraz wyprowadzeń wewnątrz obudów elementów półprzewodnikowych. Ponadto można spowodować zwarcia, jeśli kropla lutowia przypadkowo spadnie na płytkę i złączy różne ścieżki, przewody i elementy.

Wstrzymaj oddech Jeśli wskazania miernika mieszczą się w akceptowalnych granicach, można podłączyć baterię. Wyłącznik powinien być w pozycji wyłączonej. Włącz zasilanie i... „On żyje, żyje!”. Jeśli nie popełniłeś żadnego błędu, Twój zlutowany układ powinien spisywać się nie gorzej niż prototyp na płytce stykowej. Jeśli coś nie działa, poszukaj na ścieżkach, czy coś nie jest źle podłączone, np. czy jakiś element nie jest podłączony odwrotnie niż powinien albo czy jakaś spoina z lutowia nie rozlała się na sąsiednie elementy albo przewody. Porównaj, czy napięcia w różnych punktach każdego modułu w zlutowanym układzie są takie same jak napięcia w tych samych miejscach w prototypie. Zbliżamy się do zakończenia pracy. Potrzebujemy jeszcze tylko obudowy, w której zamkniemy wszystkie elektroniczne wnętrzności robota.

340 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24 „„„

Korpus, czyli obudowa

Korpus jest dla robota czymś w rodzaju szkieletu, na którym osadzone są różne elementy i układy, a jednym z jego najważniejszych zadań jest ochrona wewnętrznych podzespołów przed uszkodzeniami mechanicznymi. Ponadto robota zamkniętego w korpusie łatwiej transportować i przechowywać. Ten często lekceważony szczegół w bardzo dużym stopniu wpływa na postrzeganie robotów przez ludzi. W tym rozdziale opisuję kilka najpopularniejszych metod konstrukcji korpusów robotów. Dowiesz się w nim, jak zbudować dla swojego robota obudowę podobną do tej, którą ma robot „Kanapka”.

Wybór obudowy Czasami zdarza się, że przypadkiem znajdujesz jakieś pudełko lub coś w tym rodzaju i od razu wiesz, że będzie to doskonała obudowa dla Twojego robota. W takim przypadku problem wyboru obudowy masz rozwiązany. Częściej jednak sprawę będziesz musiał przemyśleć bardziej szczegółowo, bo przecież wygląd musi iść w parze z funkcjonalnością.

Bujanie w obłokach, czyli wymyślanie obudowy idealnej Rozpoczynając projekt, wiesz już mniej więcej, co planowany robot będzie robił. Od zakładanej funkcjonalności zależy wybór i liczba elementów, czujników, obwodów i silników. Pierwszy projekt obudowy zawsze powstaje w głowie. Wyobraź sobie, że masz nieskończenie plastyczny, mocny i tani materiał. Zastanów się, jaką obudowę dla swojego robota chciałbyś z niego zbudować. Po odrzuceniu wielu różnych możliwości w końcu skrystalizuje się w wyobraźni jakiś kształt o określonej szerokości i wysokości. Później musisz wybrać rodzaje materiałów, z jakich skorzystasz, np. plastik i metal. Także narysowanie prostego szkicu na kawałku papieru albo drugiej stronie programu jakiejś nudnej konferencji może być bardzo pomocne, ponieważ pozwala odkryć różne potencjalne trudności projektu koncepcyjnego.

Sprowadzenie na ziemię, czyli szukanie dostępnych części W pewnym momencie zostaniesz brutalnie sprowadzony na ziemię. Musisz przeszukać magazyn swojego laboratorium, czyli śmietnik w kącie, i przejrzeć katalogi, aby sprawdzić, które z potrzebnych części uda się zdobyć.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Największy wpływ na ostateczny kształt obudowy robota mają silniki, koła i baterie, które w danej chwili można dostać. Warto zebrać wszystkie najważniejsze elementy, takie jak brane pod uwagę płytki do budowy układów, i pobawić się nimi jak klockami, aby znaleźć ich optymalne zestawienie. Dużą rolę w kształtowaniu obudowy robota ma szerokość i ciężar silników, ponieważ od nich zależy, jak mocnej baterii trzeba będzie użyć. Po zsumowaniu masy silników i baterii można podjąć decyzję, czy jako materiału na obudowę użyć metalu, czy plastiku. Kiedy już określisz przybliżone wymiary i wagę robota, zaczynasz szukać materiałów odpowiednich do konstrukcji jego obudowy. Możesz ją zbudować własnoręcznie od podstaw, zgodnie ze swoją wizją, albo kupić jakąś w sklepie (niekoniecznie przeznaczoną do budowy robotów).

Projektowanie własnej obudowy Nadrzędną zasadą projektowania obudowy dla robota jest to, że to obudowa ma być dostosowana do potrzeb robota, a nie na odwrót. Jeśli masz zdolności plastyczne i odpowiednie narzędzia, możesz stworzyć coś naprawdę wyjątkowego.

Budowa plastikowego prototypu z klocków LEGO Klocki LEGO to dar od Boga dla konstruktorów robotów. Mówię poważnie, są one naprawdę bardzo dobrym narzędziem do budowy prototypów. Uważaj tylko, żeby dzieciaki nie wygryzły Cię z zabawy. Dzięki klockom LEGO możesz do woli projektować, przebudowywać, zmieniać, modyfikować i konstruować całkiem od nowa najrozmaitsze obudowy dla swojego robota. Konstrukcje z tych klocków wytrzymują średnie obciążenia, a w sklepach bez trudu można dostać różne kształty, kolory i rozmiary tych zabawek. Mimo iż są dość drogie, należy pamiętać, że można ich używać wiele razy i pozwalają zaoszczędzić wiele czasu. W pierwszym projekcie robota budowanego dla tej książki użyłem eleganckich silników firmy Maxon i dwóch własnoręcznie wykonanych aluminiowych łączników (takich jak opisane kilka rozdziałów wcześniej). Wziąłem pudełko klocków LEGO Technic i za pomocą znajdujących się w nim kół zębatych oraz opon skonstruowałem ramę robota (patrz rysunek 24.1).

Rysunek 24.1. Prototyp robota „Falki” wykonany z klocków LEGO

Zamiana klocków LEGO na materiał docelowy Mimo iż można posklejać ramę z klocków LEGO za pomocą kleju cyjanoakrylowego (Superglue), taniej będzie, jeśli użyjesz innych materiałów. Metal jest bardziej odporny na uszkodzenia mechaniczne i nadaje robotowi bardziej groźny wygląd.

342 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

Naniosłem za pomocą markera obrys ramy z klocków na kawałek aluminiowej blachy, a następnie wyciąłem ten kształt, wyszlifowałem papierem ściernym krawędzie, żeby były gładkie, i wywierciłem w nim kilka otworów montażowych (patrz rysunek 24.2). Z klocków LEGO musiałem użyć tylko dwóch belek po bokach, za pomocą których zamocowałem koła i tryby.

Rysunek 24.2. Przygotowywanie ramy z blachy aluminiowej, która zastąpi część klocków LEGO

Zabawa w origami, czyli papier może wszystko, a metal niekoniecznie Opiszę tu sztuczkę, która pomogła mi utworzyć wsporniki, osłony i inne części, jakie można wykonać z płaskich arkuszy materiału. Najpierw każdą część należy wyciąć i złożyć z papieru, który jest tani, łatwy w obróbce i nigdy się nie kończy. Silniki robota „Falki” musiały być solidnie przymocowane do ramy, żeby nie obracały się zamiast kół. Wyciąłem i złożyłem z papieru kilka wsporników na próbę, aż w końcu udało mi się uzyskać to, czego potrzebowałem (patrz rysunek 24.3).

Rysunek 24.3. Projekt z papieru wykonany na próbę przed wycięciem elementów z metalu Następnie rozprostowałem papierowy model i naniosłem jego szkic na cienki kawałek aluminiowej blachy. Jako że cięcie, wiercenie, szlifowanie i zginanie blachy to dość czasochłonne zajęcia, świadomość, że wiem, jak mniej więcej będzie wyglądał efekt końcowy moich działań, była dla mnie bardzo uspokajająca.

343 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Korzystanie z gotowych produktów Własnoręczna konstrukcja obudowy od podstaw wymaga bardzo dużo pracy, a Ty możesz nie mieć ochoty na takie inwestowanie w każdego budowanego przez siebie robota. Czasami fajniej skoncentrować się tylko na samej elektronice, oprogramowaniu, montażu czy dostrajaniu. Jeśli podzielasz ten pogląd, możesz skorzystać z wielu ciekawych gotowych rozwiązań.

Kupno gotowej obudowy W sprzedaży dostępny jest szeroki wybór rozmaitych obudów dla robotów zarówno metalowych, jak i plastikowych. Większość ma wywiercone otwory na śruby montażowe, wsporniki i kanały do przełożenia przewodów. Niektóre są wyposażone w silniki i koła albo mają przedziały i miejsca przeznaczone specjalnie do montażu tych części. Gotowe obudowy do robotów można znaleźć w większości sklepów oferujących części do robotów. Spory wybór gotowych platform można znaleźć w sklepie Lynxmotion (www.lynxmotion.com), a także w sklepach Botland.com.pl (http://botland.com.pl) oraz Mobot (http://www.mobot.pl).

Konstrukcja obudowy z przedmiotów codziennego użytku Inne miejsca, które warto odwiedzić w poszukiwaniu czegoś, co by się nadawało na obudowę dla robota, to sklep z zabawkami, sklep żelazny, zieleniak i śmietnik. Od tej pory już nigdy nie będziesz patrzeć na pudełka tak samo jak kiedyś. Kupiłem kilka zestawów niedrogich plastikowych pudełek (patrz rysunek 24.4), w których przechowuję części z dala od ciekawskich rączek małych skrzatów, które plączą się po okolicy (dobrze wiedzą, że to o nich chodzi). Kiedy przychodzi późna, nocna godzina, łatwiej wrzucić wszystko do jednego pojemnika, niż segregować po odpowiednich szufladkach.

Rysunek 24.4. Różne pojemniki wielokrotnego użytku W końcu silniki i czujniki robota „Falki” znalazły się w obudowie z plastiku, która — o dziwo — nadawała się do tego prawie idealnie. Uświadomiłem sobie wtedy, że pojemnik ten doskonale pełnił funkcje ochronne dla podzespołów, a ponadto był tańszy, dostępny i łatwiej poddawał się obróbce niż wykonana wcześniej przeze mnie obudowa z aluminium. I w ten właśnie sposób pojemnik firmy Ziploc został „Kanapką”, czyli robotem podążającym wzdłuż linii.

344 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

Obudowa z pojemnika na kanapki Do konstrukcji obudowy, którą tu opisuję, użyłem pojemnika firmy Ziploc o pojemności 591 ml z przykrywką, którego już się nie produkuje. Ale to żaden problem, ponieważ w sklepach można kupić wiele innych bardzo podobnych pojemników.

Wycinanie otworów na silniki Zaczniemy od wycięcia otworów na wkręty i wały silników.

Mierzenie przestrzeni potrzebnej dla płytki obwodu 1. Przyklej delikatnie płytkę uniwersalną lub drukowaną za pomocą taśmy do dna pojemnika. Postaraj się, aby jak najlepiej przylegała do dna i przedniej ściany pudełka (patrz rysunek 24.5).

Rysunek 24.5. Płytka uniwersalna przyklejona do dna pojemnika w celu zaznaczenia miejsc na otwory i sprawdzenia, ile potrzebuje miejsca „ Uwaga: Osoby, które zlutowały swój układ w poprzednim rozdziale, mogą teraz być nieco poirytowane, ponieważ trudno przykleić taśmą płytkę najeżoną różnego rodzaju elementami elektronicznymi. Jeśli masz z tym kłopot, możesz zmierzyć odległości otworów od krawędzi pojemnika za pomocą linijki i nanieść je bez wkładania płytki.

2. Zaznacz punkty do wywiercenia otworów na śruby montażowe po zewnętrznej stronie pojemnika. Zwróć uwagę, ile miejsca zajmuje płytka. Jako że silniki będą zamontowane w jej tylnej części, najpierw trzeba wyznaczyć położenie układu, a dopiero potem będzie można określić właściwe położenie silników.

Naklejki montażowe na otwory silników Wymiary i położenie otworów na śrubki i wał silnika można zmierzyć ręcznie za pomocą linijki albo sprawdzić w katalogu producenta. Na rysunku 24.6 pokazano wymiary pokrywy wału i otworów na śrubki silnika Hsiang Neng, którego opis znajduje się kilka rozdziałów wcześniej. Otwory na śrubki mają średnicę 2,6 mm, natomiast pokrywa — 7,6 mm. Odległość między środkami otworów na śrubki wynosi 22 mm i znajdują się one w odległości 4 mm od środka wału.

345 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 24.6. Wymiary silnika Hsiang Neng 3. Możesz wykonać szczegółowy profil silnika przy użyciu programu graficznego albo skorzystać z rysunków silnika Hsiang Neng, które można znaleźć pod adresem http://www.robotroom.com/SandwichStuff.html. 4. Nadrukuj dwa rysunki na naklejce. Sprawdź wydruk za pomocą linijki, aby się upewnić, że program ani drukarka nie spłatały Ci jakiegoś figla.

Przyklejanie naklejek po bokach pojemnika 5. Wytnij naklejki, tak żeby koło reprezentujące pokrywę wału silnika znajdowało się przy samej krawędzi (chodzi o bok znajdujący się pod największym kołem na rysunku 24.7).

Rysunek 24.7. Szablon przyklejony do pojemnika. Zaznacz miejsca do wywiercenia otworów, wbijając w środkowe małe kółka coś ostrego 6. Przyklej po jednej naklejce z każdej strony pojemnika. Koło reprezentujące pokrywę wału silnika powinno znajdować się na tyle blisko tylnej ścianki, aby z przodu bez trudu zmieściła się płytka układu. Ponadto uważaj, aby duże koło było przytknięte do wewnętrznej krawędzi brzegu pojemnika (tak jak na rysunku 24.7). W „Kanapce” wał silnika znalazł się około 4,5 cm od tylnego brzegu pojemnika. Umieść wał silnika przy wewnętrznej krawędzi pojemnika, tak aby znajdował się jak najniżej, ale żeby nie uszkadzał brzegu i nie przeszkadzał w nakładaniu pokrywki. Jest to ważne, ponieważ od tego zależy minimalna wielkość kół, jakie będzie można założyć. Gdyby wał został umieszczony wyżej, trzeba by było zamontować większe koła, przez co robot jeździłby trochę szybciej, a nawet mógłby poruszać się za szybko. Silniki muszą być tak umiejscowione, aby z przodu pozostało wystarczająco dużo miejsca na zamontowanie płytki układu śledzenia linii, a z tyłu — na przełączniki i baterię 9 V. 7. Po przyklejeniu naklejek włóż do pojemnika silniki, płytkę układu i baterię, aby upewnić się, że wszystko będzie pasować.

346 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

Robienie nacięć ułatwiających wiercenie otworów 8. Wbij w środek każdego małego koła szpilkę (patrz rysunek 24.7), aby zrobić niewielkie nacięcia, które naprowadzą wiertło na właściwe miejsce podczas wiercenia. „ Uwaga: Nacięcie otworów wstępnych jest konieczne, ponieważ wiertło może się ślizgać po plastiku i uszkodzić jego powierzchnię albo wbić się i wywiercić otwór nie w tym miejscu, co trzeba.

9. Wyjmij z pojemnika płytkę, silniki i wszystkie inne części, które tam włożyłeś. Naklejki pozostaw na miejscu. 10. Zamontuj wiertło o średnicy 2,6 mm w wiertarce z regulacją prędkości obrotowej. 11. Wywierć otwory na wkręty montażowe i środkową część wału silnika, korzystając z naciętych wcześniej otworów pomocniczych. Otwór na wał silnika musi być większy, ale lepiej wykonać go na raty. Naklejki podczas wiercenia mogą się odkleić, ale to nie problem, ponieważ miejsca wierceń i tak już są oznaczone za pomocą szpilek. Wiercenie w plastiku jest trudne, ponieważ ten elastyczny materiał wygina się, a na dodatek chwyta wiertło i skręca się, przez co powstają nieregularne otwory. Jeśli będzie trzeba, możesz z drugiej strony wierconego miejsca przyłożyć kawałek drewna, aby nieco usztywnić ściankę. 12. Wywierć otwory do montażu płytki, które zaznaczyłeś w punkcie 2. Ponieważ do przykręcenia płytki obwodu postanowiłem użyć śrub 4-40, musiałem zmienić wiertło na 3 mm. Rozmiar wiertła do śruby można dobrać „na oko”, porównując ich średnice. Jeśli chcesz, żeby śruba wchodziła ciasno i dobrze trzymała się plastiku, wybierz wiertło o nieco mniejszej średnicy (ja tak robię). Jeśli natomiast chcesz, aby śruba weszła w otwór bez oporu, użyj wiertła o średnicy takiej samej jak średnica śruby z gwintem.

Panie i panowie, oto kamień szlifierski Kiedy wierci się w plastiku niewielkie otwory, efekt jest zadowalający. Jeśli jednak chce się wywiercić większy otwór, wiertło „wędruje” i zakleszcza się w plastiku. Na szczęście, są prostsze sposoby. Potrzebujesz tzw. aluminiowo-tlenkowej ściernicy trzpieniowej o stożkowym kształcie z uchwytem pozwalającym na montaż w Twojej wiertarce (patrz rysunek 24.8). Można takie kupić w sklepach z narzędziami, hobbystycznych i wielu internetowych.

Rysunek 24.8. Ściernica trzpieniowa do montażu w wiertarce

347 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Nie będziesz mógł wyjść z podziwu, jak szybko i sprawnie można wiercić otwory w cienkim plastiku za pomocą tego narzędzia! Jest to tajemnica wyrobu średnich i dużych dziur w cienkich ściankach plastikowych pojemników (patrz rysunek 24.9).

Rysunek 24.9. Prawie idealne otwory wykonane przy użyciu wiertła i ściernicy 13. Wytnij za pomocą ściernicy otwory na wał silnika. Dzięki wcześniej wywierconej dziurze łatwiej Ci będzie odpowiednio umieścić kamień w odpowiednim miejscu. Złota zasada wiercenia i szlifowania: jeśli nie masz pewności, wywierć otwór o nieco mniejszej średnicy niż potrzebny. Powiększyć dziurę bardzo łatwo, ale zmniejszenie jest niemożliwe. Nie stosuj zbyt dużej prędkości obrotowej, ponieważ możesz doprowadzić do stopienia plastiku. Lepiej wierć ze średnią prędkością, niezbyt mocno dociskając narzędzie do skrawanej powierzchni. 14. Przymierz silnik, aby sprawdzić, czy otwory pasują i czy silnik dokładnie przylega do ścianki pojemnika. Wokół wału silnika na pokrywie przekładni znajduje się niewielkie wzniesienie. Jeśli po włożeniu silnika w otwory wzniesienie nie wystaje z pojemnika, reszta pokrywy nie da się przykręcić płasko do ścianki.

Montowanie silników Silniki można przymocować do robota na wiele różnych sposobów. Niektórzy np. używają do tego celu dwustronnie klejącej piankowej taśmy, chociaż wykorzystywane bywają także zapięcia na rzep, zaciskowe opaski mocujące, wzmocnione taśmy klejące i kleje nakładane na gorąco. Jednak zazwyczaj najlepszym sposobem montażu silników jest metoda zalecana przez producenta, czyli przy użyciu śrub montażowych.

Śruby do montażu silników W silniku Hsiang Neng znajdują się dwa otwory na śruby typu M2,6, które w Polsce można bez trudu kupić w wielu sklepach. Wielu producentów tego rodzaju sprzętu ma w swojej ofercie specjalne zestawy różnych rozmiarów śrub i śrubek w poręcznym pudełku (patrz rysunek 24.10). Będziesz potrzebować czterech śrub M2,6 × 6 mm, które można kupić np. w sklepie RC Wróblik (kod produktu 86069 h). Nie miałem dokładnie takich śrub, więc użyłem M2,5 × 8 mm, które również mogą być, jeśli użyje się podkładek (patrz rysunek 24.11).

348 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

Rysunek 24.10. Przybornik ze śrubami o różnych rozmiarach

Rysunek 24.11. Cztery śruby M2,6 x 8 z zestawem trzech nylonowych podkładek dla każdej

Po co podkładki Śruby można by dokręcić bezpośrednio do ścianki pojemnika, ale wówczas wszystkie siły działające na silnik poprzez koła byłyby przenoszone bezpośrednio na cienki kawałek plastiku. Po kilku zderzeniach robota ze ścianą albo nogą krzesła łeb takiej śruby może przejść przez obudową i kłopot gotowy. Podkładka to płaski okrągły kawałek jakiegoś materiału z dziurą w środku (patrz rysunek 24.11). Kiedy umieści się takie coś między łbem śruby a ścianką obudowy, oddziaływujące siły zostaną rozłożone na powierzchnię zajmowaną przez podkładkę. Krótko mówiąc, podkładki stanowią wzmocnienie newralgicznego miejsca. Ponieważ cała obudowa robota „Kanapki” jest zbudowana z cienkiego plastiku, podkładki nylonowe zastosowałem pod wszystkimi śrubami stykającymi się ze ścianką pojemnika. W sklepie ADSYS Elementy online można kupić 500 podkładek nylonowych o grubości 1,2 mm za 47,50 zł [kod produktu WS-M 2-1.2 (3.7)]. 15. Jeśli masz śruby o długości 6 mm, na każdą załóż po jednej podkładce. Jeśli masz śruby 8-milimetrowe, użyj po trzy podkładki na każdej (patrz rysunek 24.12), ponieważ otwory w silniku nie są dostatecznie głębokie, aby się w niej w całości schowały.

349 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 24.12. Próbne zamocowanie silnika przy użyciu śrub i podkładek 16. Sprawdź, czy oba silniki pasują do wywierconych otworów i czy śruby z podkładkami trzymają je sztywno na miejscu (nie zapomnij wyjąć silników, jeśli masz zamiar jeszcze coś wiercić w ścianach pojemnika).

Montaż rurki podtrzymującej silniki Ponieważ silniki są dość ciężkie, a ich jedynym mocowaniem są dwie śruby wkręcone w cienką plastikową ściankę, będą one opadać z tej strony, z której nie mają żadnego oparcia. To z kolei będzie powodować pochylenie kół na zewnątrz. Problemowi temu można zaradzić poprzez zamontowanie rurki, która będzie podtrzymywać w poziomie silniki na całej ich długości.

Wykonanie rurki do podtrzymywania silników Ta część rozdziału będzie wspaniałą ucztą. 1. Kup małą rurkę cukierków M&M w dużym opakowaniu 55 gram (u góry na rysunku 24.13).

Rysunek 24.13. Nowa rurka cukierków M&M (na górze) i po przeróbce (na dole) Do wyboru jest sporo kolorów, tj. czerwony, różowy, pomarańczowy, żółty, zielony i niebieski. Wybierz taki, jaki Ci najbardziej odpowiada.

350 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

2. Spałaszuj wszystkie cukierki. 3. Oderwij foliową etykietę.

Przycinanie rurki do podtrzymywania silników 4. Odetnij za pomocą piłki do metalu albo piły tarczowej górną część rurki, w której osadza się wieczko (patrz rysunek 24.14).

Rysunek 24.14. Rurka z obciętą górną częścią Przyjrzyj się dokładnie średnicy rurki. O nie! U góry jest nieco szersza niż na dole. Z tej szerszej strony nie będzie problemu, ale z węższej (a nawet środkowej) pokrywa przekładni silnika nie wejdzie. I co teraz? Ponieważ nie da się umieścić obu silników w całości w takiej rurce, utniemy ją tak, żeby znajdowały się w niej części silnika właściwego, tzn. bez części zawierającej przekładnię. Spójrz na rurkę na rysunku 24.13 — jest znacznie krótsza od nowej rurki i została wybrana szersza część. 5. Odmierz 9,5 cm od górnej krawędzi uciętej rurki i utnij ją na tej wysokości. Pozostaw sobie szerszą 9,5-centymetrową część, a węższą możesz wyrzucić. 6. W połowie długości rurki wywierć za pomocą ściernicy otwór o średnicy mniej więcej 1 cm (patrz rysunek 24.13 na dole). Przez otwór przełożysz złącza silników, które trzeba podłączyć do płytki układu. Jeśli będziesz mieć problem z przełożeniem przewodów, możesz powiększyć otwór.

Szlifowanie uciętych końcówek rurki Podczas cięcia na końcach rurki powstają niewielkie przypalenia, a ponadto trudno uciąć rurkę prosto. 7. Wyrównaj cięcie kolistymi ruchami za pomocą średnio- lub drobnoziarnistego papieru ściernego (patrz rysunek 24.15).

Rysunek 24.15. Usuwanie zadziorów i wyrównywanie końcówek uciętej rurki przy użyciu papieru ściernego

351 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

8. Dokończ szlifowanie końcówek rurki za pomocą bardzo drobnego papieru ściernego.

Usuwanie pozostałości po etykiecie Po oderwaniu etykiety na rurce pozostaje trochę kleju. 9. Nałóż na szmatkę kroplę acetonu (płynu do usuwania lakieru do paznokci) i potrzyj nim klej, aby go usunąć z powierzchni rurki (patrz rysunek 24.16).

Rysunek 24.16. Usuwanie pozostałości kleju po etykiecie przy użyciu acetonu Pamiętaj, że niektóre rodzaje plastiku są nieodporne na aceton, ale nie dotyczy to akurat rurek na cukierki M&M, ponieważ są wykonane z polipropylenu, o czym świadczy wytłoczony na denku kod recyklingu (patrz rysunek 24.17). Polipropylen jest bardzo odporny na działanie substancji chemicznych, zatem nic mu nie grozi ze strony tego środka.

Rysunek 24.17. Kod recyklingu oznaczający, że produkt jest wykonany z polipropylenu Z tego samego materiału wykonane są krzyżakowe osie LEGO, rurki na cukierki M&M i pojemnik firmy Ziploc. Jednak ceną odporności na chemikalia jest to, iż prawie nie można pomalować takiego elementu na stałe i przykleić do niego naklejki tak, żeby nie odstawała. Zwykłe klocki LEGO są wykonane z materiału o nazwie ABS (kopolimer akrylonitrylowo-butadienowo-styrenowy). Lepiej nie czyścić ich acetonem, ponieważ je zniszczysz (patrz rysunek 24.18). Ponadto w odróżnieniu od wyrobów polipropylenowych, klocków LEGO nie można myć w zmywarce do naczyń, bo się stopią.

352 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

Rysunek 24.18. Klocek LEGO zniszczony przez aceton

Powiększanie średnicy silnika Aby zminimalizować wibracje i prosto zamocować silniki w rurce, trzeba je owinąć taśmą maskującą (patrz rysunek 24.19). Wadą zastosowania taśmy jest to, że utrudnia rozpraszanie ciepła, przez co silniki będą się mocniej nagrzewać. Chociaż w tym przypadku to nie problem, ponieważ metalowe przekładnie pozostają odsłonięte, a poza tym silniki nie będą podłączane do wysokich źródeł napięcia ani zbyt mocno obciążane. Jednak pamiętaj o tym przy budowie innych robotów. 10. Zaopatrz się w rolkę taśmy maskującej o niskiej przyczepności i szerokości 2,5 cm, powinna się nadać np. taka: http://www.tape.pl/Tasma_maskujaca_papierowa-181_13/. 11. Nawiń około 68 cm taśmy na jeden z silników. 12. Spróbuj włożyć ten silnik z szerszej strony rurki, aby sprawdzić, czy pasuje. Silnik musi być dość ciasno dopasowany, ale powinno się dać go włożyć w całości do rurki (wraz z przekładnią). Jeśli trzeba, dodaj lub odwiń trochę taśmy. Nie używaj taśmy klejącej dwustronnie, ponieważ Twoim celem nie jest przyklejenie silnika do wewnętrznych ścianek rurki, lecz tylko wypełnienie pustej przestrzeni, aby silnik był bardziej stabilny.

Rysunek 24.19. Silniki oklejone taśmą maskującą zwiększającą ich średnicę i sprawiającą, że są dobrze dopasowane do rurki

353 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

13. Nawiń około 39 cm taśmy na drugi silnik. 14. Włóż go do węższego otworu rurki, aby sprawdzić, czy pasuje. Część silnikowa powinna wejść, natomiast przekładnia już nie. Jeśli trzeba, dodaj lub ujmij trochę taśmy.

Montaż silników i rurki 15. Włóż złącze Molex silnika z nawiniętą mniejszą ilością taśmy do wnętrza rurki od cieńszej strony i wystaw je przez otwór w jej środkowej części (patrz rysunek 24.20).

Rysunek 24.20. Złącze silnika przełożone przez otwór pośrodku rurki 16. Jeśli zdecydowałeś się na dodanie świecących diod, włóż je teraz z drugiej strony i wyprowadź ich złącze przez środkowy otwór. 17. Włóż złącze silnika z nawiniętą większą ilością taśmy od grubszej strony rurki i wystaw je przez otwór w jej środkowej części. Teraz po obu stronach rurki znajdują się silniki, a w środku — diody. Złącza tych trzech części powinny wystawać przez środkowy otwór w rurce. Włóż cały zespół do obudowy robota i sprawdź, czy wszystko pasuje. Możesz sobie ułatwić zadanie, chowając silnik z grubszej strony w rurce. Teraz możesz przykręcić silniki śrubami do ścianek pojemnika albo wyjąć wszystko z powrotem i najpierw wywiercić otwory dla pozostałych części.

Montaż przełączników i oprawki baterii Przy użyciu ściernicy wywierć w tylnej ściance pojemnika otwory na wyłącznik i przełącznik trybu śledzenia linii (patrz rysunek 24.21). Pozostaw między nimi wystarczająco miejsca na baterię 9 V i jej zacisk.

Rysunek 24.21. Duży otwór na wyłącznik (po lewej) i mały otwór na przełącznik trybu śledzenia linii (po prawej)

354 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

Średnice tych otworów zależą od tego, jakiej wielkości masz przełączniki. Aby przypadkiem nie wywiercić zbyt dużej dziury, najpierw zrób nieco mniejsze otwory, niż — Twoim zdaniem — są potrzebne, a następnie sprawdź, czy takie mogą być. Byłoby niedobrze, gdybyś musiał delikatnie naciskać przełączniki, bo inaczej wpadałyby do środka robota przez zbyt duże otwory.

Montaż wyłącznika Zamontuj wyłącznik zasilania w obudowie robota. Bardzo podoba mi się wygląd i kształt kołyskowego przełącznika, który wybrałem. Na zewnątrz obudowy wystaje kołnierz, który trzyma przełącznik na miejscu wraz z nakrętką przykręcaną od wewnątrz (patrz rysunek 24.22).

Rysunek 24.22. Przykręcanie nakrętki mocującej wyłącznik zasilania

Montaż przełącznika trybu śledzenia linii Do przełączników z gwintowaną tuleją zazwyczaj dołączone są cztery okrągłe części: dwie nakrętki, pierścień kontrujący oraz podkładka zabezpieczająca (patrz rysunek 24.23). Czasami elementy te są fabrycznie zamocowane na tulei przełącznika.

Rysunek 24.23. Wyłącznik zasilania z nakrętką na tulei (po lewej), pierścieniem kontrującym (drugi z lewej), podkładką zabezpieczającą z wewnętrznymi ząbkami (trzecia z lewej) i nakrętką Wkręć jedną nakrętkę na tuleję przełącznika na taką wysokość, aby odpowiednia część tulei wystawała z obudowy. Jeśli zostawisz za mało miejsca, nie zmieszczą Ci się pozostałe elementy. Natomiast zbyt długa tuleja wygląda nieestetycznie. Następnie bezpośrednio za nakrętką załóż pierścień kontrujący. Ma on dwie wypustki. Znajdująca się po wewnętrznej stronie pasuje do specjalnego nacięcia w tulei przełącznika. Natomiast większa, zewnętrzna będzie dociskana do ścianki pojemnika. Zadaniem pierścienia kontrującego jest unieruchomienie przełącznika podczas przełączania jego pozycji przez użytkownika.

355 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Na zewnątrz obudowy znajdą się podkładka zabezpieczająca i druga nakrętka (patrz rysunek 24.24). Podkładka zapobiega obluzowaniu i odkręceniu się nakrętki.

Rysunek 24.24. Zamontowany przełącznik trybu śledzenia linii. Wewnątrz obudowy znajdują się: korpus przełącznika, nakrętka oraz pierścień kontrujący, a na zewnątrz: podkładka zabezpieczająca, nakrętka i łopatka przełącznika Pamiętaj, że jednym z głównych powodów używania podkładek jest to, że rozkładają one obciążenia na większą powierzchnię. Poprawnie zamontowany przełącznik powinien mieć dwie podkładki: pierścień kontrujący po wewnętrznej stronie ścianki obudowy i podkładkę zabezpieczającą po zewnętrznej.

Montaż oprawki baterii W „Kanapce” bateria będzie umieszczona w specjalnym metalowym uchwycie (Mouser 534-080 lub 534-096). Żeby nie porysować baterii, krawędzie uchwytu owiń taśmą maskującą. Uchwyt zamontuj między wyłącznikiem zasilania a przełącznikiem trybu śledzenia linii. Oczywiście, wcześniej musisz wywiercić otwór wiertarką. Nie zapomnij także o użyciu podkładki po zewnętrznej stronie obudowy (patrz rysunek 24.25).

Rysunek 24.25. Uchwyt na baterię z krawędziami osłoniętymi taśmą maskującą

Montaż płytki układu Na płytce obwodu powinny znajdować się cztery otwory montażowe. Na początku rozdziału zaznaczyliśmy i wywierciliśmy otwory na śruby.

Sprzęt do montażu płytki obwodu Do zamocowania płytki układu elektronicznego wewnątrz robota potrzebne są następujące narzędzia: • cztery wkręty 4-40 do metalu o długości 3,8 cm (można kupić w sklepach metalowych),

356 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

• cztery nakrętki 4-40 z wbudowanymi podkładkami zabezpieczającymi (można kupić w sklepach metalowych); mogą też być zwykłe nakrętki 4-40 z osobnymi podkładkami zabezpieczającymi, • osiem płaskich podkładek nylonowych o odpowiednich do śrub wymiarach (takie same jak do montażu silników), • cztery dystanse o długości 25 mm. Wszystkie wymienione elementy pokazane są na rysunku 24.26.

Rysunek 24.26. Cztery wkręty 4-40 do metalu o długości 3,8 cm z parą podkładek nylonowych dla każdego (u góry), cztery dystanse (środek) oraz cztery nakrętki 4-40 z wbudowanymi podkładkami zabezpieczającymi

Wybór i zakup dystansów Dystanse mają za zadanie przytrzymywać płytkę układu nad dnem pojemnika, aby pod spodem zmieściły się złącza Molex. Muszą też zapewnić czujnikom dobry widok linii, wzdłuż której robot ma podążać. Podobnych, choć krótszych dystansów używa się np. do montażu płyt głównych w komputerach, sprzęcie audio i innych urządzeniach elektronicznych, w których chce się zapewnić przepływ powietrza mający ułatwić rozpraszanie ciepła. Pokazane na rysunku 24.26 sześciokątne dystanse mają nagwintowany wewnętrzny kanał do wkręcenia śruby 4-40. Zapobiega to klekotaniu i sprawia, że przy wyjmowaniu płytki śruby i dystanse się nie przewracają. Niestety, niektóre dłuższe dystanse nie są nagwintowane na całej długości, co trzeba naprawić przy użyciu gwintownika. Można także kupić okrągłe dystanse bez gwintu; są tańsze od gwintowanych sześciokątnych i łatwiej się je nakłada na śruby, bo nie trzeba ich wkręcać. Jednak mają wadę — wypadają przy wyjmowaniu płytki. Można zastosować rozwiązanie mieszane, tzn. użyć dwóch dystansów po 12 mm — jeden z gwintem i jeden bez. Przy dnie pojemnika ustaw dystanse bez gwintu, a na nich ustaw dystanse z gwintem. Wykorzystuje się dystanse z różnych materiałów, np. ceramicznych, mosiężnych z powłoką niklową czy aluminiowych — nylonowe są najtańsze i najlżejsze. W tabeli 24.1 znajduje się lista sprzedawców dystansów nylonowych o różnych długościach.

357 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Tabela 24.1. Sprzedawcy dystansów Sprzedawca

Kod produktu

Cena za szt.

Długość

Opis

AVT

FIX-3-12

0,15 zł

12 mm

tuleja dystansowa bez gwintu

AVT

FIX-3-15

0,15 zł

15 mm

tuleja dystansowa bez gwintu

AVT

FIX-3-18

0,20 zł

18 mm

tuleja dystansowa bez gwintu

AVT

HP-12A

0,60 zł

12 mm

dystans gwintowany sześciokątny

AVT

HP-15

0,60 zł

15 mm

dystans gwintowany sześciokątny

AVT

HP-18

0,70 zł

18 mm

dystans gwintowany sześciokątny

AVT

HP-20

0,70 zł

20 mm

dystans gwintowany sześciokątny

AVT

HP-25

1,30 zł

25 mm

dystans gwintowany sześciokątny

AVT

HP-30

0,90 zł

30 mm

dystans gwintowany sześciokątny

AVT

HP-40

0,81 zł

40 mm

dystans gwintowany sześciokątny

AVT

HP-45

0,90 zł

45 mm

dystans gwintowany sześciokątny

Kończenie montażu płytki układu Poprawnie zamontowany dystans pod płytkę powinien wyglądać tak, jak pokazano na rysunku 24.27. Oto procedura montażu płytki w punktach: 1. Załóż na śrubę nylonową podkładkę, aby uniemożliwić przebicie się łba śruby przez plastikową ścianę pojemnika. 2. Włóż śrubę w jeden z wywierconych wcześniej otworów do montażu płytki układu. 3. Załóż nylonową podkładkę na śrubę z drugiej strony, żeby ścianka pojemnika znajdowała się między dwiema podkładkami. 4. Nałóż dystans o długości 25 mm albo dwa dystanse o długości 12 mm. 5. Wykonaj czynności z punktów od 1. do 4. dla pozostałych trzech śrub.

Rysunek 24.27. Zamontowany dystans. Od góry: łeb śruby, podkładka, pojemnik, podkładka, dystans, płytka obwodu, podkładka zabezpieczająca, nakrętka, koniec śruby 6. Podłącz do układu przełączniki, silniki i inne części ze złączami Molex. 358 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

7. Włóż płytkę do obudowy robota i ustaw ją tak, żeby można było przełożyć wszystkie cztery śruby montażowe przez właściwe otwory. 8. Załóż na śruby nakrętki z wbudowanymi podkładkami zabezpieczającymi. Podkładki te powinny stykać się z powierzchnią płytki układu. 9. Nakrętki można docisnąć na kilka sposobów, np. przy użyciu szpiczastych szczypców, palcami, małym kluczem nastawnym albo za pomocą wkrętaka nasadowego (patrz rysunek 24.28).

Rysunek 24.28. Dokręcanie nakrętek za pomocą wkrętaka nasadowego Wkrętak nasadowy wygląda jak zwykły wkrętak, lecz zamiast płaskiej lub krzyżakowej końcówki ma otwór w kształcie odpowiadającym kształtowi nakrętki. Wystarczy tylko nałożyć go na nakrętkę i dokręcić (patrz rysunek 24.29). Wkrętaki nasadowe są niedrogie i można je bez problemu kupić w sklepach z narzędziami. Ze względu na umiejscowienie nakrętek w tym robocie do dokręcania użyłem wkrętaka nasadowego, a nie np. szczypców lub zwykłego klucza płaskiego.

Rysunek 24.29. Końcówka wkrętaka nasadowego

359 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Dobrze dociśnij wszystkie nakrętki. Kiedy postawisz robota w normalnej pozycji, będą one skierowane w kierunku podłogi, a więc jeśli któraś będzie luźna, w końcu odkręci się i wypadnie. Jeśli chcesz, możesz użyć nakrętek z tłumieniem wibracji, które mają w środku nylonową wkładkę. Możesz także na pierwszą nakrętkę nałożyć jeszcze jedną. Jest to tzw. przeciwnakrętka.

Wiercenie otworów na potencjometry Do budowy układu śledzenia linii użyte zostały dwa potencjometry: jeden do regulacji światła reflektorów, a drugi do równoważenia lewej i prawej pary czujników. Po zamontowaniu płytki układu wywierć otwory, przez które będziesz mógł zmieniać nastawienie potencjometrów (patrz rysunek 24.30).

Rysunek 24.30. Niewielkie otwory z przodu pojemnika do regulacji nastawy potencjometrów przy użyciu śrubokręta

Wycinanie okna w wieczku pojemnika Pojemnik firmy Ziploc, którego użyłem do budowy robota, ma niebieskie wieczko. Samemu robotowi nie jest ono potrzebne, ale ładnie wygląda. Ponadto stabilizuje strukturę obudowy, nieco unosi czujniki oraz nie pozwala wypaść elementom, które mogą się obluzować w czasie jazdy. W wieczku za pomocą ściernicy wywierć otwór na czujniki (patrz rysunek 24.31 — u góry). Robot działałby i bez tego, ale gorzej, ponieważ do czujników docierałoby tylko niebieskie światło.

Rysunek 24.31. Okno wycięte w wieczku pojemnika Warto zasłonić okienko jakimś przezroczystym materiałem, np. kawałkiem czystego przezrocza do rzutnika, żeby osłonić czujniki przed brudem, małymi przedmiotami i palcami. Niestety, niesamowita odporność polipropylenu na chemikalia i elastyczność wieczka sprawiają, że niełatwo cokolwiek do niego przykleić.

360 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 24. „ KORPUS, CZYLI OBUDOWA

Czynności końcowe Zamontuj pozostałe części, a więc koła i łączniki kół, włóż baterię 9 V i załóż wieczko. Teraz jest dobry moment na przyklejenie naklejek ozdobnych, tabliczki z nazwą robota, śmiesznych oczu itp. Na górze możesz przymocować żołnierzyka albo kierowcę rajdowego, żeby kierował pojazdem. W środku też jest trochę miejsca na różne drobiazgi.

Zwarty i gotowy W tym rozdziale opisałem tylko jedną z możliwości konstrukcji obudowy robota. Oczywiście, nie znaczy to, że nie możesz wymyślić czegoś całkiem innego. Mimo iż wydaje się, że to już koniec pracy, robot wymaga jeszcze przetestowania i dostrojenia. Tą krytyczną fazą budowy robota zajmiemy się w następnym rozdziale.

361 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

362 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 25 „„„

Uruchamianie robota

W tym rozdziale opisuję ostatnie poprawki przed uruchomieniem robota oraz premierową jazdę. Ponadto podpowiadam proste testy pozwalające wykryć i rozwiązać potencjalne problemy oraz podaję dane dotyczące mojego robota do porównania. Pod koniec rozdziału znajdziesz kilka pomysłów dotyczących konstrukcji trasy oraz sposobów ulepszenia urządzenia.

Poprawki i dostrajanie Nie oczekuj, że już przy pierwszym uruchomieniu robot będzie sprawnie jeździł. Na pewno znajdziesz w nim jeszcze sporo złych połączeń, luźnych nakrętek i innych usterek. Przykładowo robot „Falka” po zderzeniu z pewnym przedmiotem co kilka metrów tracił sterowność. Kilka dni zmarnowałem na poszukiwaniu problemu w elektronice, a w końcu okazało się, że po prostu odkleiła się jedna z osi. Przygotuj się, że na dostrajanie robota będziesz musiał poświęcić co najmniej tyle samo czasu, co na inne fazy jego budowy. To oczywiste, że dobrze dostrojony robot będzie działał lepiej niż niedostrojony, a czasami nawet niewielkie poprawki mogą mieć wielkie znaczenie.

Oględziny Przed uruchomieniem robota należy wykonać kilka podstawowych testów i dostosować pewne parametry. Ma to na celu przygotowanie go do poruszania się po drodze.

Sprawdzanie zasilania 1. Zanim podłączysz zasilanie, sprawdź płytkę układu za pomocą miernika. Lista czynności, jakie należy wykonać, znajduje się w rozdziale 23. 2. Przestaw przełącznik trybu podążania za linią na pozycję środkową (wyłączoną). 3. Włącz zasilanie. Jeśli reflektory, diody wskaźników jaśniejszej strony ani diody w rurce nie zaświecą się, znaczy to, że coś jest nie tak z modułem zasilania. Sprawdź napięcie na baterii i na jej złączu, na wyłączniku zasilania oraz na złączu wyłącznika zasilania. Zmierz napięcie w różnych miejscach układu, żeby znaleźć miejsce, w którym następuje jego spadek.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Mimo iż na płytce znajdują się cztery specjalne punkty testowe (PT+, PT–, PT1 i PT2) służące do sprawdzania napięcia baterii i czujników, do pomiaru można wykorzystać dowolne odkryte połączenie, niezaizolowany fragment przewodu czy styk złącza. Warto zmierzyć napięcia we wszystkich punktach pomiarowych. Czy na styku 4. układu IC1 (komparatora) występuje napięcie bliskie 0 V, a na styku 8. około 9 V? Jeśli nie zaświecą się tylko reflektory albo diody w rurce, może to oznaczać, że przynajmniej jedna z nich jest podłączona odwrotnie. Możliwe, że złącze diody w rurce poluzowało się albo jest źle podłączone. Niewykluczone też, że potencjometr reflektorów jest ustawiony na zbyt wysoką wartość. Jedną z największych zalet budowy robotów z osobnych modułów jest możliwość odłączenia wszystkiego, co nie jest niezbędne, i sprawdzenie każdego modułu niezależnie od reszty. Później można po kolei montować poszczególne moduły i obserwować, kiedy robot przestanie działać. Przykładowo podczas diagnostyki reflektorów można odłączyć silniki i diody w rurce. Istnieje też możliwość zamiany części miejscami. Jeśli lewy silnik nie działa, sprawdź, czy pomoże zamiana go na prawy. Jeśli zacznie działać, masz rozwiązanie problemu. Jeżeli żaden silnik nie działa np. po lewej stronie, ale oba działają po prawej, znaczy to, że przyczyna problemów tkwi po lewej stronie układu. Żadna z części nigdy nie powinna być gorąca. Jeśli zauważysz, że któryś z tranzystorów, komparator albo jakikolwiek inny element niebezpiecznie się nagrzewa, natychmiast odłącz zasilanie. Sprawdź, czy nie ma gdzieś zwarcia spowodowanego np. przez przypadkową kroplę lutowia albo niewłaściwie podłączony przewód.

Sprawdzanie czujników 4. Postaw robota na gładkiej, równomiernie oświetlonej i jednolitej powierzchni, np. na dużym arkuszu białego papieru. Chodzi o to, żeby sprawdzić, czy do obu czujników dociera tyle samo światła. 5. Kilkakrotnie wsuń i wyjmij spod czujników ciemny kawałek papieru. Diody wskazujące jasność umieszczone po bokach robota powinny zapalać się i gasnąć na przemian. Jeśli żadne z diod nie zaświecają się, porównaj połączenia na płytce prototypowej z połączeniami w zlutowanym układzie. Może komparator albo któraś z diod ma nieprawidłowe połączenie? A może komparator jest zepsuty? Jako że komparator jest osadzony na podstawce, można go wyjąć i zamontować na płytce stykowej, aby sprawdzić, czy działa. Jeśli diody, zamiast zaświecać się na przemian, zaświecają się i gasną wszystkie na raz, sprawdź połączenia między punktami pomiarowymi czujników a komparatorem. Jeżeli czujniki są doskonale zrównoważone, może się wydawać, że oba zestawy diod zapalają się jednocześnie. Można przerwać to połączenie, wkładając rękę pod jeden zestaw diod. Jeśli jeden zestaw diod włącza się i wyłącza zgodnie z oczekiwaniami, a drugi cały czas pozostaje wyłączony, może to oznaczać, że w obwodzie tego drugiego znajduje się jakieś wadliwe połączenie albo któraś z diod jest niepoprawnie podłączona. Jeśli jeden zestaw diod jest zawsze włączony, a drugi wyłączony, należy sprawdzić, czy rezystor równoważący czujniki (R2) jest ustawiony mniej więcej na wartość środkową. Potencjometr ten ustawiony przy którymś z końców swojego zakresu może powodować, że jeden zestaw czujników zawsze będzie wskazywał większą jasność niż drugi.

Równoważenie czujników 6. Wyjmij spod robota ciemny papier, ale pozostaw białą kartkę. Kręć potencjometrem, aż lewy i prawy wskaźnik jasności zaświecą się na raz. Czasami nie da się znaleźć takiego ustawienia, w którym oba zestawy diod świecą się jednocześnie. Wówczas należy znaleźć takie ustawienie, w którym delikatne szturchnięcie śrubokrętem w jedną stronę będzie powodować zaświecenie jednego zestawu diod, a w drugą stronę — drugiego zestawu. To wystarczy, żeby uznać, że czujniki są prawidłowo zrównoważone. 7. Połóż kawałek ciemnego papieru pod prawym zestawem czujników. Powinno to spowodować zaświecenie się wskaźników jasności po lewej stronie.

364 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 25. „ URUCHAMIANIE ROBOTA

8. Przenieś ciemny papier pod czujniki po lewej stronie. Teraz powinny zaświecić się wskaźniki po prawej. Jeśli wskaźniki jasności zaświecają się w odwrotnej kolejności, możesz po prostu zmienić ich nazwę na „wskaźniki ciemności” (tylko żartuję) albo zmienić podłączenie tranzystorów do komparatora.

Sprawdzanie silników 9. Połóż robota na czymś wyższym w taki sposób, żeby jego koła nie miały kontaktu z nawierzchnią, np. na jakimś pojemniku. 10. Ustaw przełącznik trybu podążania za linią raz w jednej pozycji, raz w drugiej, żeby włączyć silniki. Przesuń rękę pod czujnikami kilka razy, aby sprawdzić, czy oba silniki są sprawne. Jeśli żaden z silników nie działa, sprawdź ich złącza, podłączenie przewodów oraz podłączenie przełącznika trybu śledzenia linii. Kiedy oba silniki kręcą się i zatrzymują jednocześnie, należy sprawdzić połączenie z przełącznikiem trybu podążania za linią. Jeśli jeden silnik włącza się i wyłącza, a drugi nie rusza w ogóle, sprawdź jego złącze i przewody. Istnieje także możliwość, że bateria jest wyczerpana albo silniki, których używasz, wymagają napięcia większego niż 9 V. Możesz na próbę w miejsce silnika podłączyć do złącza Molex diodę LED i rezystor 1 kΩ. Jeśli dioda zaświeci się, znaczy to, że najprawdopodobniej wina leży po stronie baterii albo silnika. Trudno określić, przy jakim napięciu należy uznać baterię za wyczerpaną, ponieważ różne baterie są produkowane z różnego rodzaju substancji chemicznych. Najlepiej po prostu na próbę podłączyć nieużywaną baterię. 11. Naklej na każde z kół po kawałku taśmy klejącej, żeby widzieć, w jakim kierunku kręci się wał silnika. 12. Włóż rękę pod prawy lub lewy zestaw czujników, aby spowodować włączenie lewego silnika. Jego wał powinien obracać się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (patrz rysunek 25.1).

Rysunek 25.1. Wał lewego silnika kręci się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Robot na ilustracji jest umieszczony na pojemniku, dzięki czemu jego koła nie mają kontaktu z podłożem 13. Włóż rękę pod czujniki z drugiej strony, aby spowodować uruchomienie drugiego silnika. Wał prawego silnika powinien obracać się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara (patrz rysunek 25.2).

365 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 25.2. Prawy silnik robota kręci kołem zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara Odwrotne podłączenie silnika, tak że kręci się w niewłaściwą stronę, to jeden z najczęściej spotykanych błędów. Niektórzy mają z tym problem, ponieważ jeden silnik obraca się w kierunku przeciwnym do drugiego. Pomyśl sobie tak: żeby robot jechał do przodu, wały obu silników muszą obracać się w kierunku jego przodu. Jeśli oba silniki kręcą się w niewłaściwą stronę, podłącz je do złączy Molex po przeciwnych stronach płytki (lewy silnik do złącza po prawej stronie i prawy silnik do złącza po lewej stronie). Czasami to wystarczy, żeby pozbyć się problemu. A jeśli nie, wyjmij styki z obu wtyczek i podłącz je odwrotnie, niż były podłączone. Jeśli tylko jeden silnik kręci wałem w niewłaściwym kierunku, są dwie możliwości. Jeżeli styki we wtyku Molex „złego” silnika są podłączone odwrotnie niż „dobrego”, wyjmij wtyki „złego” silnika i zmień ich kolejność na odwrotną. Jeśli natomiast przewody obu silników są podłączone w taki sam sposób, tzn. że trzeba odlutować przewody gniazda Molex „złego” silnika na płytce i zamienić je miejscami.

Określanie jasnej i ciemnej pozycji przełącznika trybu podążania za linią 14. Ustaw przełącznik trybu podążania za linią na pozycję lewą. 15. Wsuń kawałek ciemnego papieru pod czujniki z prawej strony robota. Powinno to spowodować zaświecenie wskaźników jasności po lewej stronie. Jeśli włączył się silnik z lewej strony, znaczy ta, że przełącznik jest ustawiony na podążanie za ciemną linią. Jeśli natomiast silnik kręci się w prawo, przełącznik jest w pozycji trybu podążania za jasną linią. 16. Zmień pozycję przełącznika na prawą. Powinien włączyć się silnik z drugiej strony. Jeśli włączył się ten sam silnik, co po ustawieniu przełącznika w pozycji lewej, znaczy to, że przełącznik jest źle podłączony. Najprawdopodobniej przewody silników nie są podłączone na krzyż nad środkiem. 17. Podpisz, do czego służy każde z ustawień przełącznika. Do tego celu użyłem własnoręcznie wyciętego kwadratowego kawałka papieru o boku 2 cm (patrz rysunek 25.3). Pośrodku papierowego kwadratu wyciąłem przy użyciu dziurkacza okrągły otwór. Następnie przełożyłem tuleję przełącznika przez ten otwór, tak że papier znalazł się między podkładką zabezpieczającą a wewnętrzną ścianką obudowy. Gdybym etykietę tę przyczepił na zewnątrz, z czasem podarłaby się i zniszczyła. „ Wskazówka: W taki sam sposób możesz przyczepić do robota plakietkę z nazwą i inne dekoracje. Do tego celu możesz skorzystać z podkładek pod dystansami podtrzymującymi płytkę układu.

366 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 25. „ URUCHAMIANIE ROBOTA

Rysunek 25.3. Papierowa etykieta wewnątrz obudowy, z nadrukiem oznaczającym tryby podążania za linią

Próbne uruchomienie — jazda po prostej linii Pierwszą próbę działania robota należy przeprowadzić na prostej linii. 1. Znajdź w jakimś wnętrzu płaską, nieozdobioną żadnymi wzorami, równomiernie oświetloną i jasną podłogę, na której rozciągniesz około czterometrowej długości prostą ścieżkę z ciemnej taśmy o grubości 2,5 cm. Nie ma nic przyjemniejszego dla robota podążającego za linią od prostej linii. Wydaje się, że jest skazany na sukces i o to właśnie chodzi. To tak jak na zawodach w skoku wzwyż. Zawodnicy zaczynają konkurencję od małych wysokości, których przeskoczenie nie stanowi dla nich żadnego problemu. Kiedy nabierzesz pewności, że robot działa prawidłowo, możesz mu zwiększać poziom trudności tras. „ Uwaga: Dobrym pomysłem może być wypróbowanie robota na chodniku w słoneczny dzień. Jednak istnieje ryzyko, że jaskrawe światło słońca tak mocno oświetli czujniki, iż komparator będzie miał bardzo małe wartości do porównywania. W takim przypadku można przykryć pojemnik grubą, nieprzezroczystą taśmą, chociaż to i tak będą trudne warunki dla robota zaprojektowanego do poruszania się po domu.

2. Ustaw przełącznik trybu podążania za linią na pozycję środkową (wyłączony), włącz zasilanie i postaw robota na podłodze, tak żeby ciemna linia biegła pod jego środkiem. Żeby mieć pewność, że robot jest dobrze ustawiony na linii, można spojrzeć na wskaźniki jasności. Powinny świecić się oba albo zaświecać się na zmianę przy najmniejszym ruchu robotem. 3. Ustaw przełącznik na tryb podążania za ciemną linią i obserwuj, jak robot zmierza do celu! Czterometrową prostą trasę „Kanapka” powinien pokonać w czasie od 12 do 15 sekund — zależnie od napięcia baterii. Spadek napięcia spowodowany zużyciem baterii w każdej próbie powoduje zmniejszenie prędkości o około jedną czwartą procenta.

Rozwiązywanie typowych problemów Podczas testowania robota na prostych liniach może ujawnić się kilka problemów.

Ustawienie przełącznika trybu podążania za linią w niewłaściwej pozycji Jeśli robot nie będzie ustawiał się centralnie nad linią, znaczy to, że przełącznik trybu podążania za linią jest źle ustawiony. Wygląda to bardzo dziwnie i choćby dla zabawy warto to zobaczyć.

367 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Kiedy przełącznik trybu podążania za linią zostanie ustawiony na podążanie za jasną linią, a robot będzie znajdował się na jasnej powierzchni z ciemną linią, potraktuje tę białą powierzchnię jak bardzo szeroką linię, którą ma śledzić. Przejedzie w kierunku białego obszaru i ustawi się tak, żeby ilość światła docierającego do czujników była zrównoważona, i wówczas będzie „myślał”, że jest ustawiony na białej linii. Jednak choćby ustawienie potencjometru było najdoskonalsze, w pewnym momencie i tak któryś zestaw czujników będzie wykazywał niższą rezystancję od drugiego, co spowoduje, że jeden silnik będzie załączany nieco częściej niż drugi. Wówczas robot zacznie dryfować, aż dojedzie do ciemnej linii. Ponieważ zadaniem robota jest ustawić się centralnie nad białą linią, odwróci się w kierunku przeciwnym do ciemnej linii, gdyż „uzna”, że nie znajduje się centralnie nad białą linią. Dopóki robot swoją dryfującą stroną będzie zwrócony ku ciemnej linii, będzie jechał przy jej zewnętrznej krawędzi. Jeśli natomiast odwróci się, to albo odjedzie całkowicie w jakimś bliżej nieokreślonym kierunku, ustawiając się centralnie na tej białej „szerokiej” linii, albo będzie się kręcił w kółko, gdyż nie będzie miał czego śledzić. Naprawa jest bardzo prosta. Wystarczy zmienić ustawienie przełącznika trybu podążania za linią.

Zbyt wysokie lub niskie umiejscowienie czujników Reflektory muszą znajdować się wystarczająco wysoko, żeby rzucane przez nie światło oświetlało podłogę i, odbijając się od niej, trafiało do czujników (patrz rysunek 25.4).

Rysunek 25.4. Czujniki zamontowane na idealnej wysokości, aby docierało do nich światło odbite od podłogi Jeśli reflektory i czujniki będą zbyt blisko podłogi, tylko niewielka część światła odbitego od podłogi trafi do czujników. W efekcie robot nie odróżni jasnej powierzchni od ciemnej, ponieważ z powodu zbyt małej ilości światła wszystko będzie dla niego ciemne. Jeśli z kolei reflektory i czujniki zostaną umieszczone zbyt wysoko nad podłogą, do czujników będzie docierać światło z otoczenia, które może być nawet silniejsze od światła reflektorów. W efekcie robot może zacząć szukać jasnych i ciemnych miejsc w pomieszczeniu, co też jest dosyć zabawne. Problem ten można rozwiązać poprzez naklejenie z przodu robota nieprzezroczystej taśmy, ale to — niestety — nie wygląda zbyt atrakcyjnie. Jeśli stwierdzisz, że reflektory i czujniki są za wysoko lub za nisko, możesz zmodyfikować mocowanie płytki układu elektronicznego, np. zastosować nad nią dodatkowe podkładki, ażeby trochę obniżyć czujniki. Aby natomiast podnieść czujniki, należy wyjąć wewnętrzną górną podkładkę albo też skrócić dystanse lub zastąpić je krótszymi.

Za jasne lub za ciemne reflektory Przyjrzyj się dokładnie dolnej części zdjęcia na rysunku 25.4. Zwróć uwagę, że ogólnie powierzchnia pod robotem jest czarna, ale wprost pod reflektorem wygląda na białą. Wniosek jest taki, że jeśli reflektory będą świecić zbyt jasno, czujniki nie będą w stanie odróżnić ciemnych powierzchni od jasnych, ponieważ wszystko będzie wydawało się jasne. Z drugiej strony, jeśli reflektory będą świecić za słabo, nie dostarczą czujnikom wystarczająco silnego źródła światła, przez co światło otoczenia będzie mogło zaburzać odczyty i pracę całego urządzenia. 368 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 25. „ URUCHAMIANIE ROBOTA

Na szczęście, reflektory można łatwo wyregulować za pomocą potencjometru R10. Po dokonaniu tej czynności może być jeszcze konieczne zrównoważenie czujników za pomocą potencjometru R2. Jest to konieczne, ponieważ każda dioda użyta do budowy reflektorów może wytwarzać nieco inną ilość światła. Zmieniając przepływ prądu przez diody, można wpłynąć na różnice ich jasności.

Obiektywna ocena czujników i reflektorów Ustawianie potencjometrów i położenia płytki układu elektronicznego „na oko” to raczej niezbyt naukowe podejście do tematu. Aby uzyskać obiektywne wyniki, trzeba sprawdzić napięcie na punktach testowych czujników PT1 i PT2, bo to właśnie te wartości porównuje komparator. Wywierć za pomocą ściernicy około centymetrowy otwór z boku robota (może też być z tyłu). Przełóż przezeń trzy zaciski haczykowe, jak pokazano na rysunku 25.5. Jeden z nich podłącz do ujemnej szyny zasilającej albo do ujemnego punktu pomiarowego.

Rysunek 25.5. Otwór w obudowie robota, przez który przełożone są przewody do mierzenia napięć podczas pracy układu elektronicznego Pozostałe dwa przewody podłącz odpowiednio do punktów pomiarowych PT1 i PT2. Jeśli nie wykonałeś specjalnych pętelek do tego celu (patrz rysunek 25.6), możesz podłączyć przewody do 1. i 3. wyprowadzenia potencjometru R2.

Rysunek 25.6. Zacisk haczykowy miernika podłączony do punktu pomiarowego czujnika (tutaj TP2)

369 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Włącz zasilanie robota, ale przełącznik trybu podążania za linią pozostaw w pozycji środkowej, tzn. odłączającej silniki, a następnie postaw robota w kilku różnych miejscach na trasie. Za każdym razem sprawdź napięcia na punktach pomiarowych, aby dowiedzieć się, czy są łatwe do porównania dla komparatora. Aby zmierzyć napięcie na punktach pomiarowych, czarny przewód pomiarowy musi być połączony z ujemną szyną zasilającą, natomiast czerwony może być połączony zarówno z punktem pomiarowym czujnika PT1, jak i PT2, tylko nie z oboma na raz. Pokręć potencjometrem do równoważenia jasności R2 oraz potencjometrem reflektorów R10 i obserwuj, jaki ma to wpływ na napięcie na punkcie pomiarowym każdego z czujników. Poświeć czymś, np. latarką, na podłogę oraz spowoduj powstanie cienia pod czujnikami, żeby sprawdzić, czy czynniki zewnętrzne mają duży wpływ na działanie urządzenia. Aby wynik tego eksperymentu był wiarygodny, robot musi znajdować się na standardowej trasie, bo przecież celem jest dowiedzenie się, jak wszystko będzie działać podczas wyścigu.

Spodziewane napięcia na punktach pomiarowych czujników Poniżej przedstawiam wartości napięcia w moim robocie, które uzyskałem po zrównoważeniu czujników i dostrojeniu reflektorów. Porównaj je ze swoimi, lecz pamiętaj jednocześnie, że w zależności od stanu baterii wartości pomiaru mogą się nieco różnić. Żeby dowiedzieć się, czy Twój robot działa mniej więcej podobnie, najlepiej dokonaj odpowiednich przeliczeń. „ Uwaga: Podczas wykonywania testów przykryłem robota tekturowym pudełkiem, aby wyeliminować ryzyko zniekształcenia pomiarów przez cienie i światło z otoczenia. Także na czas testów zamiast baterii jako źródła zasilania użyłem zasilacza sieciowego, aby uniknąć zniekształceń wyników związanych z wyczerpywaniem baterii.

Dodatnia magistrala zasilająca: 9,07 V Pamiętaj, żeby pomiaru napięcia dokonywać na magistrali zasilającej, a nie na baterii, która po odłączeniu od obwodu wykazuje wyższe napięcie niż pod obciążeniem. Jeśli do obwodu przełącznika trybu śledzenia linii włączona jest także dioda zabezpieczająca przed odwrotnym podłączeniem baterii, spadek napięcia może być trochę większy. PT1 i PT2 na białym papierze: 2,036 V i 2,034 V PT1 i PT2 na czarnym papierze: 7,54 V i 7,40 V Potencjometr równoważenia jasności R2 był regulowany na białym papierze. Zwróć uwagę, że w ciemności czujniki są słabiej zrównoważone. Na białym papierze napięcie na punktach pomiarowych jest bardzo podobne, natomiast na czarnym różnice są już spore. Nic strasznego. Musisz tylko pamiętać, żeby wyregulować czujniki na trasie w dniu wyścigu, bo wtedy dostosujesz parametry do panujących warunków oświetleniowych. Niebieska taśma maskująca o szerokości 2,5 cm pod czujnikami z prawej strony, na czarnym papierze PT1 i PT2: 4,43 i 7,13 V Zwykła taśma maskująca o szerokości 2,5 cm pod czujnikami z prawej strony, na czarnym papierze PT1 i PT2: 3,098 i 7,02 V 2,5-centymetrowej szerokości pasek lśniącej folii aluminiowej pod czujnikami z prawej strony, na czarnym papierze PT1 i PT2: 2,374 i 7,21 V 2,5-centymetrowej szerokości pasek białego papieru pod czujnikami z prawej strony, na czarnym papierze PT1 i PT2: 2,134 i 6,88 V Oto kilka ciekawych spostrzeżeń. • Robot rozróżnia niebieską taśmę i czarną podłogę. Niebieska taśma znajduje się nieco ponad środkowym zakresem jasności robota.

370 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 25. „ URUCHAMIANIE ROBOTA

• Zwykła taśma maskująca jest nieco mniej jasna od białego papieru. • Folia aluminiowa nie rozprasza tak dużo światła jak biały papier. • Niższa rezystancja fotorezystorów po prawej stronie powoduje zmniejszenie napięcia na PT2. Jednak wydaje się, że światło odbijane od powierzchni przed prawym reflektorem w przypadku niektórych materiałów podłoża dociera także do czujników z lewej strony. Zwróć uwagę na w miarę niskie napięcie na czujniku PT1 i stosunkowo wysokie na PT2 po użyciu folii aluminiowej. Sytuację można by poprawić, stosując jakieś fizyczne oddzielenie obu zestawów czujników. 2,5-centymetrowej niebieska taśma maskująca pod czujnikami z prawej strony, na białym papierze PT1 i PT2: 3,604 i 2,065 V 2,5-centymetrowej szerokości pasek czarnego papieru pod czujnikami z prawej strony, na białym papierze PT1 i PT2: 4,93 i 2,075 V

Akceptowalne zakresy napięć w punktach pomiarowych czujników Jeśli napięcia w obu punktach pomiarowych przekroczą wartość napięcia na dodatniej magistrali zasilającej pomniejszonego o 1,5 V, komparator nie będzie poprawnie działał. Przykładowo napięcie na magistrali o wartości 9,07 V pozwala na porównywanie wartości do 7,57 V (9,07 V – 1,5 V). Kiedy linia istnieje, ale oba punkty mają tak wysokie wartości, czujniki nie otrzymują wystarczającej ilości światła. W podrozdziale „Optymalizacja wydajności działania robota” w rozdziale 23. znajdują się instrukcje dotyczące wyboru optymalnych wartości rezystorów R9 i R1 dla diod i czujników. Jeśli pozostałeś przy początkowych wartościach 150 Ω, a z pomiarów wynika, że górny limit napięcia, mniejszy o 1,5 V od napięcia na dodatniej szynie, jest ciągle przekraczany, znaczy to, że prawdopodobnie będziesz musiał wymienić te rezystory. W miejsce R9 wstaw rezystor 100 Ω, żeby zwiększyć jasność, a w miejsce R1 wstaw 22 kΩ, żeby uzyskać większy spadek napięcia. Jeśli napięcia na punktach pomiarowych będą zbyt zbliżone do siebie, komparator nie będzie dokonywał dokładnych porównań. Jest to pożądane, jeśli powierzchnia jest równomierna (kawałek czystego papieru) i czujniki są poprawnie zrównoważone. Stanowi jednak problem wówczas, gdy linia, która ma być śledzona, jest pod jednym zestawem czujników! Różnica napięć powinna wynosić ±1 V między zestawami czujników z linią i bez linii. Jeśli na obu czujnikach napięcie przez większość czasu wynosi poniżej 1 V, znaczy to, że dociera do nich za dużo światła. Kiedy już dostroisz ustawienia potencjometrów oraz odpowiednio ustawisz pozycję płytki układu, przenieś robota w najjaśniejsze, najciemniejsze, najbardziej kontrastowe i najmniej kontrastowe warunki, aby sprawdzić, czy napięcia we wszystkich sytuacjach spełniają wymagania komparatora.

Czy on jedzie prosto? Teraz jest dobra okazja, aby wyjaśnić, dlaczego robot nie jedzie całkiem prosto. Pomijając nieliczne momenty, w których do obu zestawów czujników dociera dokładnie tyle samo światła, najczęściej każdy z silników jest włączany w innym momencie niż ten drugi. Z tego powodu robot rzadko jeździ po linii prostej. Zamiast tego ciągle zmienia kierunki, raz jadąc w prawo, a raz w lewo, dzięki czemu w ogólnym rozrachunku przemieszcza się prosto.

Jazda po ciemnej linii Na rysunku 25.7 widać trzy klatki z filmu przedstawiającego jazdę robota po ciemnej linii. Skręty specjalnie są trochę przerysowane, żeby lepiej było widać różnice.

371 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 25.7. Jazda robota po ciemnej linii Na pierwszym zdjęciu widać robota ustawionego centralnie na czarnej linii. Oba zestawy czujników „widzą” białe podłoże i kawałek czarnego po bokach. Ponieważ ogólna jasność jest zrównoważona, włączone są oba silniki i zestawy diod. Lecz podłoża, opony i silniki nie są idealnie równe i jednolite, przez co po pewnym czasie robot zbacza z kursu. Na drugim zdjęciu widać, że robot zjechał nieco z kursu i czarna linia znajduje się pod prawym zestawem czujników. Oznacza to, że lewa strona jest teraz jaśniejsza, a więc następuje zapalenie diod z lewej strony i uruchomienie lewego silnika, a zgaszenie diod z prawej strony i wyłączenie prawego silnika. Kiedy kręci się tylko lewy silnik, lewa strona robota przekręci się w kierunku czarnej linii. W pewnym momencie znowu nastąpi zrównoważenie czujników, ale ponieważ lewy silnik jest już w ruchu, robot przejedzie trochę przez czarną linię, zanim drugi silnik zdąży się włączyć. Na trzecim zdjęciu widać, że robot przejechał przez linię i teraz znajduje się ona pod lewym zestawem czujników. Oznacza to, że jaśniej jest po prawej stronie, w związku z czym zapalają się diody z prawej strony i następuje uruchomienie prawego silnika przy jednoczesnym wyłączeniu tych elementów z lewej strony. Przy obracającym się tylko prawym silniku robot wraca z powrotem w kierunku linii. Cykl ten powtarza się cały czas, tylko bardzo szybko i z mniejszymi odchyleniami robota od linii. W ten sposób pojazd utrzymuje się na wyznaczonej trasie!

Jazda po jasnej linii Na rysunku 25.8 pokazane są trzy klatki przedstawiające ruch robota po jasnej linii. Skręty specjalnie są trochę przerysowane, żeby lepiej było widać różnice.

Rysunek 25.8. Jazda robota po jasnej linii

372 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 25. „ URUCHAMIANIE ROBOTA

Robot porusza się tak samo jak po ciemnej linii, z tym że za pomocą przełącznika zmieniono połączenia silników. Na pierwszym kadrze widać robota ustawionego centralnie na białej linii, kiedy czujniki są zrównoważone. Oba zestawy diod i silniki są włączone. Na drugim zdjęciu robot zjechał nieco z kursu i biała linia znajduje się pod jego prawym zestawem czujników. Oznacza to, że prawa strona jest jaśniejsza, a więc następuje zapalenie diod z prawej strony, lecz ze względu na inne ustawienie przełącznika — włączenie lewego silnika. W wyniku tego lewa strona robota skręci w kierunku linii. Gdyby w tej sytuacji został włączony prawy silnik, robot kontynuowałby jazdę w niewłaściwym kierunku. Na trzeciej ilustracji widać, jak robot przejechał przez linię, która teraz znajduje się pod lewym zestawem czujników. Jaśniejsza jest zatem lewa strona, co powoduje zaświecenie diod z lewej strony i uruchomienie prawego silnika. W wyniku tego prawa strona robota wróci w kierunku linii. Sprytne!

Dziewicza podróż Po sprawdzeniu wszystkiego i dokonaniu poprawek czas na pierwszą podróż. Wykonanie trasy z taśmy maskującej to świetna sprawa, ponieważ w każdej chwili można dodać przedłużenie albo zrobić skrzyżowanie. Najlepiej uformować trasę w kształcie elipsy albo ósemki, żeby nie trzeba było co chwilę podchodzić i przestawiać robota na początek. Warto też ułożyć różne rozwidlenia dróg. Choć — oczywiście — robot nie potrafi dokonywać inteligentnych wyborów, można mieć fajną zabawę, zmieniając rozwidlenia, aż zacznie wybierać różne trasy losowo. Nie zapomnij też postawić tunelów i ścian, z którymi robot będzie mógł się zderzać. Możesz też zawiesić na pojeździe dzwonki, aby dzwonił, przejeżdżając obok albo np. mijając linię mety.

Rozwiązywanie problemów ze sterowaniem Jeśli robot ma problemy ze skręcaniem, jego osiągnięcia można poprawić na trzy sposoby.

Zmniejszenie napięcia baterii Świeża bateria alkaliczna wytwarza napięcie o wartości około 9,5 V. Dla porównania bateria typu NiMH po kilku przejażdżkach wytwarza 7,2 V. W związku z tym na baterii alkalicznej robot porusza się o 32% szybciej. Wraz ze zmniejszaniem się napięcia baterii maleje prędkość robota. A im mniejsza prędkość, tym więcej czasu dla czujników na adaptację do zmian jasności powierzchni podłoża, dzięki czemu robot mniej wykracza poza linię podczas przełączania silników. Krótko mówiąc, im wolniej robot jedzie, tym lepiej skręca. Wiąże się z tym ciekawe zjawisko. Konstruktor, widząc, że robot ma problem ze skręcaniem, w określony sposób modyfikuje robota i trasę. Po kilku próbach robot zaczyna dany manewr wykonywać prawidłowo. Zadowolony z siebie idzie spać, a rano odkrywa, że problem znów się powtarza. Ma to miejsce dlatego, ponieważ poprawa nastąpiła dzięki spadkowi napięcia baterii. W pierwszej chwili możesz z oburzeniem zareagować na sugestię, żeby celowo spowolnić robota. Przecież im szybciej jeździ, tym lepiej, prawda? Jeśli jednak pojazd nie może utrzymać się na linii, po której ma jechać, nie jest dobrze, bo chyba chodziło o coś innego niż uzyskanie jak największej szybkości? Oto potencjalne rozwiązanie: wyjmij stare baterie z czujników dymu i użyj ich do zasilania robota albo zastosuj napięcie 6 V, które możesz uzyskać poprzez użycie czterech ogniw AA lub AAA. Z takim zasilaniem robot będzie bardziej precyzyjny i dłużej pojeździ.

Zmniejszenie rozmiaru kół To jedna z najłatwiejszych modyfikacji. Jeśli przednie koła robota unoszą się lekko przy ruszaniu, znaczy to, że są za duże.

373 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rozmiar kół ma duży wpływ na szybkość jazdy robota, a więc i na jego możliwości skręcania. Jedną z najlepszych zmian, jakich dokonałem w robocie „Kanapce”, była zmiana kół na mniejsze.

Zmiana kursu Powiedzmy to wprost: projektujesz trasy, jakbyś nie kochał swojego robota. Początkowo możesz nie zdawać sobie sprawy z tego, że postępujesz nieuczciwie albo jesteś niemiły dla swego pupila. Pomyśl więc tak: jak Ty byś skręcał swoim samochodem, gdybyś jezdnię widział tylko przez niewielkie okienko w podłodze? Pewnie wypadłbyś z niejednego ostrego zakrętu, zwłaszcza przy szybkiej jeździe! Przypomnij sobie przedstawione na początku uwagi dotyczące planowania trasy i raczej twórz łagodne zakręty przy zachowaniu wysokiego kontrastu linii i tła.

Możliwości udoskonalania Oto wspominane wcześniej różne potencjalne usprawnienia, jakich można dokonać w robocie. • Zakryj przezroczystą obudowę czymś nieprzezroczystym, aby światło otoczenia w jak najmniejszym stopniu wpływało na pracę czujników. • Aby polepszyć właściwości skrętne robota, użyj zestawu ogniw o łącznym napięciu 6 V, dzięki czemu zmniejszy się jego prędkość jazdy. • Użyj lepszego, a zarazem zgodnego z obecnym komparatorem układu scalonego, np. LMC6772 firmy National Semiconductor, który poprawnie porównuje także napięcia bliskie napięciu zasilania (brak „strefy zakazanej” 1,5 V). • Oddziel prawy zestaw czujników od lewego jakąś nieprzezroczystą przegrodą, aby zmniejszyć ilość światła docierającego do każdego z nich po odbiciu od powierzchni po przeciwnej stronie robota. • Aby poprawić właściwości jezdne pojazdu, użyj jednolitych, wąskich kół o zaokrąglonym profilu i z gładkim bieżnikiem, które stawiają mniejszy opór podczas jazdy. • Jeśli chcesz, żeby robot dłużej działał na jednej baterii, użyj lepszych silników. • Zakryj otwór wycięty w wieczku przezroczystym kawałkiem plastiku, aby osłonić czujniki przed zabrudzeniami i uszkodzeniem. • Rozmiar płytki układu możesz zmniejszyć do jednej czwartej jej obecnej wielkości, używając do budowy obwodów nowoczesnych elementów montowanych powierzchniowo. Oczywiście, można też całkiem przeprojektować układ i skonstruować go na bazie mikrokontrolera. To jednak jest poważna zmiana, a przecież jest wiele prostszych, które można z powodzeniem wdrożyć od zaraz.

Zabezpieczenie przed niepoprawnym podłączeniem baterii Obwód przełączania trybu podążania za linią to bardzo solidna konstrukcja. Działa w całym zakresie napięcia baterii, od momentu kiedy jest całkiem świeża do chwili jej wyczerpania, bez zastosowania jakiegokolwiek dodatkowego modułu regulacji napięcia. Tranzystory wytrzymają natężenie prądu płynącego do silników nawet wówczas, gdy ulegną one zablokowaniu. Przed takimi nagłymi skokami natężenia tranzystory chroni dioda gasząca. Natomiast elementy podłączone do potencjometrów są chronione przez rezystory. A mimo to, nasz układ ma piętę achillesową: można go uszkodzić, podłączając odwrotnie baterię. Podłączenie nawet na krótki moment 9-woltowej baterii w odwrotny sposób przy wyłączniku zasilania w pozycji włączonej może spowodować uszkodzenie komparatora.

374 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 25. „ URUCHAMIANIE ROBOTA

Na szczęście, łatwo można się przed tym zabezpieczyć. Wystarczy między wyłącznikiem zasilania a dodatnią szyną zasilającą wstawić diodę (patrz rysunek 25.9). Przypomnę, że diody działają jak zawory jednodrożne, a więc dopóki prąd płynie w odpowiednim kierunku, wszystko jest w porządku. Jeśli jednak popłynie nie w tę stronę, co trzeba, to dioda (D3) zablokuje go.

Rysunek 25.9. Schemat obwodu zabezpieczającego przed niewłaściwym podłączeniem baterii Diodę należy podłączyć anodą (wyprowadzenie bez paska) do wyłącznika zasilania, a katodą (wyprowadzenie z paskiem) do dodatniej szyny zasilającej. Dioda powinna stanowić jedyne połączenie między wyłącznikiem a szyną. Dodanie tej diody ma jeszcze jedną zaletę lub wadę, zależy, z której strony patrzeć. Dioda Schottky’ego w zamian za przepuszczenie prądu zabiera do 0,45 V napięcia, a więc zmniejszy ilość energii elektrycznej docierającej do silników i tym samym spowolni szybkość ich działania.

Zapobieganie przepięciom przy użyciu kondensatorów Jako że nasz robot ma nieskomplikowaną jednostkę centralną niewyposażoną w pamięć, nie wymaga regulacji napięcia i jest dość toporny, krótkie przerwy w zasilaniu nie są w stanie mu nic zrobić. Piszę to, ponieważ zauważyłem, że podczas jednoczesnego włączania obu silników diody LED nieco przygasają. Kondensatorów można używać jak bardzo małych akumulatorków, które ładują się automatycznie, kiedy przez obwód płynie prąd, i rozładowują, kiedy prąd przestaje płynąć. Mimo niewielkich możliwości, jeśli chodzi o magazynowanie energii elektrycznej, mogą służyć jako lokalne zasobniki pozwalające uzupełnić chwilowe niedobory występujące podczas uruchamiania silników. Te właściwości kondensatorów sprawiają, że są wykorzystywane do ochrony przed przepięciami i nagłymi spadkami napięcia, a także jako filtry elektryczne. Gdyby przykładowo duży kondensator (o wartości kilku tysięcy mikrofaradów) został umieszczony na szynach zasilających, mógłby zaopatrzyć w energię cały układ. Natomiast mniejszy kondensator, który szybciej się ładuje i rozładowuje (filtruje wyższe częstotliwości) i ma mniejszą pojemność, mógłby zostać użyty do zasilania tylko wybranych układów scalonych. Efekt filtrowania przez niewielki kondensator jest odczuwalny najlepiej w układach znajdujących się w jego pobliżu. W obwodzie śledzenia linii są dwa miejsca, w których można umieścić kondensator. Po pierwsze, duży kondensator (np. 330 μF) można podłączyć do dodatniej i ujemnej szyny zasilającej i nadać mu oznaczenie C1.

375 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Element ten byłby bardziej efektywny w dostarczaniu dużych ilości energii elektrycznej niż bateria, a więc pełniłby rolę tymczasowego bufora zaopatrującego cały układ w prąd podczas włączania silników. Po drugie, mały kondensator (np. 0,1 μF), o oznaczeniu C2, można podłączyć wyprowadzeniami do ujemnego i dodatniego styku komparatora. W tym robocie można się bez nich obyć, jednak w wielu bardziej skomplikowanych układach elektronicznych kondensatory są nieodzownym elementem. Szczegółowe informacje na temat kondensatorów, ich miejsca w obwodach, a także budowy można znaleźć w rozdziałach 7. i 8. książki Intermediate Robot Building Davida Cooka (Apress 2010).

Poprawianie podążania za linią Fotorezystory kadmowo-siarczkowe stosunkowo wolno reagują na zmiany światła. Wypadają słabo w porównaniu z fototranzystorami, które reagują aż 1000 razy szybciej. Jeśli więc chcesz poprawić właściwości robota w zakresie podążania za linią, wymień fotorezystory na fototranzystory. Na rysunku 25.10 widać fragment płytki układu, na którym fotorezystory R3, R4, R5 oraz R6 zastąpiono fototranzystorami (część 120221 z Jameco po 1,95 dol.). Dodatkowo, żeby utrzymać te same poziomy napięcia po podzieleniu, trzeba było zamienić R2 na potencjometr o wartości 500 kΩ.

Rysunek 25.10. Fototranzystory użyte w miejsce fotorezystorów w koledze „Kanapki” Niespodzianka! Po dokonaniu zamiany nie zauważono żadnej poprawy, jeśli chodzi o jakość podążania za linią. Oczywiście, nie oznacza to, że fototranzystory nie poprawiły szybkości reakcji robota. Po prostu jest jakiś inny czynnik decydujący o sterowności robota. Co to może być?

Szczegółowa analiza procesu skręcania Aby dowiedzieć się, co dokładnie dzieje się z kołami robota podczas wykonywania skrętu, postanowiłem nagrać tę czynność i obejrzeć film klatka po klatce (patrz rysunek 25.11). Przepraszam za słabe wyśrodkowanie robota na zdjęciach, ale wszystko, co trzeba, jest widoczne. Na 1. klatce świecą się diody z prawej strony. Skoro robot jedzie po czarnej linii, znaczy to, że włączony musi być prawy silnik (jeśli zaświecona jest prawa strona). Na 2. klatce świecą się już diody z lewej strony, a diody z prawej są prawie zgaszone. Wnioskuję z tego, że włączony jest lewy silnik, a prawy wyłączony. Na klatkach 3., 4., 5. i 6. widać, jak robot poprawnie skręca dzięki włączeniu lewego silnika. Diody i silnik z prawej strony są teraz wyłączone. Po klatce 7. chyba diody po obu stronach powinny się świecić, ponieważ widać, że robot jest wycentrowany na linii, po której ma jechać. Na klatce 8. rzeczywiście świecą się diody z obu stron, ale potem następuje przesterowanie robota, co powoduje zaświecenie diod z prawej strony i korektę kursu za pomocą prawego silnika. Na klatce 10. świecą się diody z obu stron i robot jedzie po prostej linii pchany dwoma silnikami. Pięknie! Jest jednak jeden problem. Spójrz na prawe koło w momencie, kiedy po raz pierwszy nastąpiło wyłączenie prawego silnika (2. klatka) i porównaj tę jego pozycję z pozycją przed ponownym włączeniem prawego silnika (7. klatka). Koło toczyło się w kierunku linii, zapewne jakieś 6 cm (patrz rysunek 25.12), mimo iż prawy silnik był wyłączony. Aby lepiej skręcać, robot musi wykonywać obrót w miejscu.

376 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 25. „ URUCHAMIANIE ROBOTA

Rysunek 25.11. Dziesięć klatek z filmu przedstawiającego robota pokonującego zakręt

Rysunek 25.12. Nałożone na siebie klatki 2. i 7., aby pokazać ruch koła. Gdyby koło pozostało w miejscu, to znaki x pokrywałyby się (proszę mi wybaczyć jakość zdjęć, ale robiłem je z filmu nagranego kamerą). Widać dokładnie, że koło, zamiast wykonać obrót w miejscu, przesunęło się o kilka centymetrów

Hamulce Aby robot skręcał w miejscu, potrzebne jest zastosowanie hamulców elektrycznych. I mimo iż wydaje się to trudne, w istocie łatwo coś takiego zmontować. W układzie, który jest obecnie używany w robocie, wyłączenie silnika polega po prostu na odłączeniu go od dodatniej szyny zasilającej. Gdyby zamiast tego podłączać go do ujemnej szyny, podłączone do niego koło hamowałoby. Aby zrealizować ten pomysł, trzeba by użyć dwóch dodatkowych tranzystorów (po jednym dla każdego silnika) oraz komparatora typu push-pull (albo rezystora podwyższającego z inwerterem 4069). To jednak tylko sugestie, których realizacji w tej książce nie opisałem.

377 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Największą wadą hamowania silników jest spowolnienie robota na prostych liniach spowodowane tym, że jedno koło się nie kręci. Można to naprawić przy użyciu mikrokontrolera zaprogramowanego tak, aby włączał hamowanie tylko podczas skrętu. Wszystko zaczyna się komplikować! Aby rzeczywiście polepszyć osiągi „Kanapki”, trzeba do jego budowy użyć szybszych czujników, układu hamowania oraz mikrokontrolera. Oczywiście, wszystkie te udoskonalenia ma robot opisany w książce Intermediate Robot Building.

Podsumowanie Liczę na to, że spodobał Ci się robot „Kanapka” i spróbowałeś skonstruować go samodzielnie. Jeśli nie działa zgodnie z Twoimi oczekiwaniami, nie przejmuj się. Wielcy naukowcy zawsze biorą pod uwagę możliwość niepowodzenia i starają się z każdej porażki wyciągnąć jakieś pożyteczne wnioski. Czas, który poświęciłeś na budowę tego robota, nie jest stracony, ponieważ dzięki niemu zdobyłeś podstawy do konstrukcji własnego projektu. Podczas pisania tej książki skonstruowałem trzy wersje „Kanapki”, które przedstawione są na rysunku 25.13. Każdy kolejny projekt zawiera udoskonalenia, których brak w poprzednim. W książce przedstawiłem najbardziej dopracowany model.

Rysunek 25.13. Od lewej: „Kanapka”, „Niebieska Kanapka” i „Czerwona Kanapka” Czym możesz zająć się teraz, znając podstawy konstrukcji robotów? Odpowiedź na to pytanie znajduje się w następnym rozdziale.

378 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26 „„„

Dalszy rozwój

Wiesz już, z jakich części składają się roboty, i jak je budować. Nauczyłeś się czytać schematy ideowe, lutować oraz dostrajać parametry pracy robota. Niewykluczone nawet, że skonstruowałeś już swojego pierwszego robota. Co teraz? Świat robotyki ciągle się rozwija. Bez przerwy pojawiają się nowe części, sztuczki oraz opracowuje się nowe techniki. To jeden z argumentów przyciągających do tej profesji. Inne to fakt, że za pomocą robotów można znacznie ułatwić sobie życie, a także — mając własnego robota — brać udział w różnych zawodach. W tym rozdziale znajduje się opis części, jakie mogą Cię zainteresować, oraz zawodów i konkursów, w których możesz wziąć udział.

Części do robotów Podczas budowy opisanego w tej książce robota podążającego wzdłuż linii wykorzystałem podstawowe elementy elektroniczne, które można znaleźć praktycznie w każdym robocie: baterie, rezystory, diody, tranzystory, układy scalone, potencjometry i przełączniki. Skonstruowanie czegokolwiek wartego uwagi bez użycia tych części byłoby bardzo trudne. Ponieważ książka jest skierowana do początkujących majsterkowiczów, pominięto w niej wiele części, żeby nadmiernie niczego nie komplikować. Na zakończenie postanowiłem jednak dokładnie przejrzeć wszystkie swoje roboty (te, które zbudowałem, oraz te, które chciałbym zbudować) i sporządzić listę przydatnych elementów, o których warto wiedzieć.

Układy logiczne Kiedyś w obwodach elektronicznych prym wiodły układy logiczne. Podobnie jak komparator użyty do budowy robota śledzącego linie, każdy układ logiczny pełni jedną ściśle określoną funkcję. Przykładowo w układzie logicznym AND wyjście jest w stanie włączonym jedynie wtedy, gdy wysterowane (zasilone) są obydwa jego wejścia, a w układzie logicznym OR wyjście jest w stanie włączonym, gdy zasilone jest dowolne z jego wejść. Na obudowie każdego układu znajdują się cyfry, z których część określa standardową funkcję, jaką pełni. I tak układ 7404 (patrz rysunek 26.1) to inwerter. Kiedy styk wejściowy inwertera jest w stanie włączonym, styk wyjściowy jest w stanie wyłączonym i odwrotnie, kiedy na wejściu jest stan wyłączenia, to na wyjściu jest stan włączenia. Układ ten jest przydatny, kiedy trzeba coś włączyć w odpowiedzi na stan wyłączenia czegoś innego.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 26.1. Inwerter logiczny Proste układy logiczne, podobnie jak sześciopaki piwa, składają się z wielu egzemplarzy jednej funkcji. Przykładowo układ scalony 7404 zawiera sześć inwerterów: ma 6 wejść i 6 wyjść oraz 2 styki zasilania, czyli 14 styków.

Schyłek złotej ery układów logicznych Kiedy ceny mikrokontrolerów i programowalnych układów logicznych spadły do akceptowalnego poziomu, wyparły układy logiczne wykorzystywane do budowy układów realizujących skomplikowane funkcje (liczniki, układy matematyczne, pojedyncze bity pamięci itd.). Stało się tak nie tylko z powodów ekonomicznych, lecz także dlatego, że nie było sensu męczyć się z lutowaniem dziesiątek elementów, skoro można było użyć jednego mikrokontrolera i odpowiednio go zaprogramować. Oczywiście, układy logiczne mają swoją niszę także w dzisiejszej elektronice. W robotach zastosowanie znajdują inwertery, układy realizujące funkcje AND i OR, zatrzaski, nadajniki-odbiorniki, multipleksery, demultipleksery czy przetworniki równoległo-szeregowe i szeregowo-równoległe. Są tanie, doskonale nadają się do doświadczeń, stanowią znakomitą pomoc naukową na zajęciach i wspomagają pracę mikrokontrolerów.

Mikrokontrolery Niewątpliwie jeden z największych kroków w rozwoju robotyki pozwoliły wykonać mikrokontrolery. Są to układy wyposażone w pamięć operacyjną i na dane, czyli działają jak miniaturowe komputery. Programy dla nich pisze się na zwykłym komputerze, a następnie przenosi do mikrokontrolera za pomocą złącza zwanego „programatorem” podłączonego do portu USB. Jeśli marzysz o skonstruowaniu inteligentnego robota, musisz użyć mikrokontrolera.

Właściwości mikrokontrolerów Każdy mikrokontroler ma zestaw specjalnych styków o ściśle określonym przeznaczeniu i kilka innych styków, które można wykorzystać do dowolnego celu. Aby np. spowodować miganie diody LED, wystarczy napisać prosty program w rodzaju „włącz styk 4., poczekaj, wyłącz styk 4., poczekaj, powtórz”. Gdyby mikrokontroler wstawiono w miejsce komparatora w robocie podążającym za linią, można by wiele poprawić w jego działaniu. Przykładowo można by wartość z każdego fotorezystora sprawdzać osobno i na tej podstawie wykonywać łagodne skręty (kiedy linia jest tylko niewiele przesunięta względem środka robota) albo ostre skręty (kiedy linia jest daleko od środka robota), albo jechać prosto (kiedy wszystkie czujniki reprezentują mniej więcej taką samą wartość). Przy użyciu mikrokontrolera silniki można włączać naraz i osobno. Stosując czujniki do obserwacji kół, można zaprogramować mikrokontroler w taki sposób, aby odcinał na krótko zasilanie, żeby zwolnić pojazd, kiedy bateria jest jeszcze świeża albo robot ma wejść w ostry zakręt.

380 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Na przedzie i po bokach robota można umieścić przełączniki, których naciśnięcie w przypadku zderzenia z czymś byłoby dla mikrokontrolera sygnałem, żeby zatrzymać, a następnie cofnąć pojazd. Możliwości, jakie oferuje mikrokontroler, sprawiają, że jest to nieodzowna część nowoczesnych robotów.

Ceny mikrokontrolerów Mikrokontrolery są niedrogie, a ich ceny oscylują w granicach od kilku do kilkunastu złotych. Droższe są płytki do programowania mikrokontrolerów i programatory, które mogą kosztować od kilkudziesięciu do kilkuset złotych, ale jest to wydatek jednorazowy dla danego układu. Można także taniej kupić uproszczoną płytkę od jakiegoś hobbysty. Kolejną przeszkodą może być konieczność znajomości języka programowania. Niektóre mikrokontrolery można programować przy użyciu BASIC-a, ale w większości przypadków używa się asemblera, który — mimo iż jest bardziej skomplikowany — pozwala więcej zrobić. Mam też dobrą wiadomość dla osób znających języki C, C++ i Java. Do większości mikrokontrolerów można dokupić kompilator tych języków.

Wybór mikrokontrolera Konkurencja na rynku tych układów jest bardzo duża, dzięki czemu wielu producentów oferuje produkty o praktycznie identycznych właściwościach. Wiele osób używa konkretnego modelu dlatego, że od niego rozpoczynali swoją naukę. Kiedy ktoś zainwestuje już pieniądze w zakup narzędzi i czas w naukę obsługi danego mikrokontrolera, trudno go przekonać, żeby przerzucił się na inny, zwłaszcza o takiej samej funkcjonalności. Najczęściej używam 8-bitowych mikrokontrolerów AVR firmy Atmel (patrz rysunek 26.2). Przy ich użyciu zbudowałem kilka swoich ostatnich robotów. Prawie wszystkie modele z serii ATmega i ATtiny są sprzedawane w łatwych w użytku obudowach typu DIP.

Rysunek 26.2. Mikrokontrolery firmy Atmel: ATmega328 (u góry), ATtiny84 (na dole po lewej) oraz ATtiny85V Inni konstruktorzy używają mikrokontrolerów Parallax Propeller (wielordzeniowe) i Microchip PIC. Dobrym wyborem może też być Arduino, czyli otwarta platforma mikrokontrolerowa zgodna z wieloma standardowymi i tworzonymi przez entuzjastów płytkami.

Stabilizatory napięcia Jedną z trudności, jakie można napotkać podczas budowy robota, jest spadek napięcia baterii w czasie użytkowania, który utrudnia ustawianie jasności diod LED i komplikuje obliczenia parametrów natężenia prądu. Dodatkowo sprawia to, że trudno podać w dokumentacji wartości referencyjne dla punktów pomiarowych, do których można by się odnosić. Czy 6 V na punkcie pomiarowym nr 1 to odpowiednia wartość? Nie wiem. Może tak. To zależy od napięcia baterii.

381 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Jeśli napięcie jest stałe, diody zawsze świecą z taką samą intensywnością, silniki kręcą się z taką samą prędkością, a wszystkie obliczenia pozostają przez cały czas niezmienne. A jeszcze ważniejsze jest to, że stabilne napięcie jest wręcz konieczne do budowy układów zawierających delikatne elementy elektroniczne.

Obudowy stabilizatorów napięcia Tak jak wszystkie elementy elektroniczne, stabilizatory napięcia są produkowane w różnych wariantach (patrz rysunek 26.3). W najprostszych modelach do jednego styku doprowadza się dodatnie napięcie, do drugiego ujemne, a na trzecim styku wyjściowym pojawia się wyregulowane stałe napięcie. Lepsze stabilizatory mają dodatkowe styki informujące o zbliżającym się wyczerpaniu baterii i pozwalające wstrzymać dostawę mocy.

Rysunek 26.3. Stabilizatory napięcia nadające się do konstrukcji robotów: (od lewej) klasyczny 7805, wydajny regulator przełączający PTN78000, stabilizator MCP1826 typu LDO oraz stabilizator MCP1702 typu LDO w mniejszej obudowie Produkowane są stabilizatory o różnych wartościach napięcia wyjściowego. Do najpopularniejszych należą 1,8 V, 2,8 V, 3,3 V, 5 V, 8 V oraz 12 V. Amatorzy najczęściej używają stabilizatora 5 V, ponieważ takiego napięcia wymaga do pracy większość układów scalonych. W nowoczesnych komercyjnych urządzeniach elektronicznych, takich jak telefony i inne urządzenia przenośne, używa się nieco niższych napięć, aby oszczędzać energię. W niektórych stabilizatorach jest możliwość ustawienia dowolnego napięcia wyjściowego, oczywiście, w rozsądnych granicach, za pomocą pary rezystorów.

Typy stabilizatorów napięcia Wyróżnia się przede wszystkim dwa główne typy stabilizatorów napięcia. • Liniowe, które wymagają podłączenia zasilania o napięciu wyższym niż docelowe i redukują je do żądanej wartości. To — oczywiście — oznacza marnowanie energii, ale metoda jest skuteczna. Za pomocą takiego układu można np. zredukować napięcie baterii 9 V do 5 V. Napięcie na wyjściu stabilizatora po spadku napięcia baterii do 8 V powinno cały czas pozostawać na poziomie 5 V. Nadmiar energii jest zamieniany na ciepło. • Regulatory impulsowe, które są bardziej oszczędne od stabilizatorów liniowych, ponieważ konwersji napięcia dokonują przy użyciu kondensatorów lub cewek indukcyjnych. Są regulatory zarówno zmniejszające, jak i zwiększające napięcie, a także takie, które albo je zmniejszają, albo zwiększają, w zależności od stanu baterii. Najlepsze regulatory w idealnych warunkach osiągają efektywność rzędu 90%. Ich największą zaletą obok oszczędności energii jest to, że nie nagrzewają się za bardzo.

382 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Kryteria wyboru stabilizatorów napięcia Wybierając stabilizator napięcia, należy zwrócić uwagę na napięcie wyjściowe, minimalne napięcie wejściowe, maksymalne napięcie wejściowe, maksymalne natężenie prądu oraz typowy prąd spoczynkowy (tzn. ile prądu stabilizator zużywa sam). Inne wartościowe funkcje to zabezpieczenie przed skutkami odwrotnego podłączenia baterii, automatyczne odcięcie zasilania przy przegrzaniu oraz ochrona przed uszkodzeniem przez spięcie na płytce obwodu.

Kondensatory Kondensatory to elementy magazynujące energię elektryczną, lecz w odróżnieniu od baterii nie przechowujące jej dużo. Ich zaletą jest to, że można je wielokrotnie ładować i rozładowywać, oraz niewielkie rozmiary, mały ciężar i niska cena. Kondensatory można znaleźć w prawie każdym robocie. Układ podążania za linią jest dość ascetyczny, ale gdyby dodano do niego jeszcze kilka układów scalonych, na pewno byłoby konieczne użycie kondensatorów.

Funkcje kondensatorów Kondensatory mają kilka ważnych zastosowań. Oto one. • Neutralizacja niewielkich nagłych przepięć i spadków napięcia. W tym zastosowaniu jest to tzw. kondensator odsprzęgający. • Dostarczanie dużych ilości energii w krótkim czasie, np. przy włączaniu silników. • Podtrzymanie dostawy zasilania do wybranych układów przez krótki czas wymiany baterii. • Przechowywanie wyregulowanego napięcia. • Przechowywanie energii w celu zwiększenia napięcia w mnożnikach napięcia. • Konstrukcja niedrogich oscylatorów i czasomierzy działających na zasadzie powolnego ładowania i rozładowywania kondensatora poprzez rezystor.

Właściwości kondensatorów Dwa najważniejsze parametry charakteryzujące kondensator to maksymalna ilość energii elektrycznej, jaką można w nim przechowywać (wielkość wyrażana w faradach, skrót F), i maksymalne napięcie, przy jakim może pracować (wyrażone w woltach, skrót V). Jeśli chodzi o ten drugi parametr, sprawa wydaje się oczywista — nie należy używać kondensatora o napięciu znamionowym 6,3 V do przechowywania energii elektrycznej pod napięciem 9 V. Natomiast ilość ładunku, w faradach, to nieco bardziej skomplikowana wielkość. Najłatwiej ją zrozumieć na konkretnych przykładach. • Kondensatory o pojemności powyżej 10 000 μF: używane w maszynach przemysłowych i wojskowych, a także w budowie paneli słonecznych. Mają niższe napięcia, żeby możliwe było zachowanie zawartości pamięci i utrzymanie pracy zegarów systemowych. • Kondensatory o pojemności od 100 do 10 000 μF: używane jako źródła dużej ilości energii potrzebnej przez krótki czas, np. przy uruchamianiu silników lub do zasilania innych pobierających dużo mocy elementów. Większe kondensatory z tej grupy używane są w robotach działających na energię słoneczną. • Kondensatory o pojemności od 1 do 100 μF: podtrzymują przez krótki czas dostawę energii ze stabilizatora napięcia lub zasilacza. • Kondensatory o pojemności 0,1 μF: podłączane do dodatnich i ujemnych styków układów scalonych w celu redukcji szumów. • Kondensatory o pojemności od 1 pF do 1 μF: używane w średnio precyzyjnych układach czasowych. 383 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

• Kondensatory o pojemności od 1 pF do 40 pF: ważny element budowy precyzyjnych oscylatorów kryształowych, zwłaszcza przeznaczonych do mikrokontrolerów i mikroprocesorów. Nietrudno się domyślić, że im większe napięcie maksymalne i pojemność, tym większy rozmiar kondensatora. Na rysunku 26.4 przedstawiam kilka kondensatorów. Drugi i trzeci mają takie same rozmiary, pierwszy ma nieco mniejsze napięcie maksymalne od następnych dwóch, ale większą od nich pojemność. Dodatkowo trzeci kondensator ma największe napięcie maksymalne, ale najmniejszą pojemność z tej trójki.

Rysunek 26.4. Kondensatory. Od lewej: elektrolityczny 2,5 V 1 F, elektrolityczny 6,3 V 4700 μF, elektrolityczny 16 V 2200 μF, tantalowy 10 μF, monolityczny ceramiczny 0,1 μF, ceramiczny dyskowy 24 pF

Wykorzystanie energii słonecznej Wydaje się, że robot, który działa autonomicznie bez interwencji człowieka, jest bardziej „żywy” niż robot wymagający częstych zmian baterii. Dodanie możliwości samodzielnego uzupełniania zapasów energii przez robota, czy to poprzez powrót do stacji zasilania, czy przy użyciu paneli słonecznych, jest bardzo dużym osiągnięciem konstrukcyjnym. Wielkim problemem z małymi panelami słonecznymi (patrz rysunek 26.5) jest to, że nie są w stanie zapewnić ciągłego wystarczająco bogatego źródła energii dla jeżdżącego robota. Jednym z rozwiązań konstrukcyjnych, które pozwala pozbyć się tej niedogodności, jest użycie akumulatorów lub kondensatorów, inaczej pozostaje używanie robota tylko w słoneczne dni na zewnątrz.

Rysunek 26.5. Panele słoneczne

384 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Roboty typu BEAM Istnieje cała grupa prostych, małych robotów, w których do zasilania używane są panele słoneczne zamiast baterii. Są to tzw. roboty BEAM. Są niewielkie, nie mają żadnych wyszukanych układów odpowiadających za inteligencję i dzięki temu łatwo je skonstruować. Ich popularność bierze się stąd, że bardzo przyjemnie patrzy się na nie. Brak baterii powoduje, że robot, zanim się poruszy, musi trochę odstać i poczekać, aż panel słoneczny naładuje kondensator (patrz rysunek 26.6). Po zakończeniu ładowania następuje przepływ energii przez obwody robota, który rusza się, aż wyczerpie całą energię i cykl się powtarza.

Rysunek 26.6. Robot BEAM o nazwie Appetizer w czasie ładowania kondensatora (z tyłu) energią z panelu słonecznego (z przodu) Jako że roboty typu BEAM nie mają baterii, zazwyczaj nie montuje się w nich wyłącznika. Przez cały dzień wędrują sobie, a w nocy śpią. Jeśli zainteresowało Cię to, zajrzyj na stronę firmy Solarbotics pod adresem http://www.solarbotics.com/.

Drabinki rezystorów Jeśli w układzie robota potrzebnych jest kilka rezystorów o takiej samej wartości, można zaoszczędzić miejsce na płytce, wstawiając część składającą się z kilku połączonych rezystorów. Drabinka rezystorów to element elektroniczny składający się z kilku połączonych ze sobą rezystorów (patrz rysunek 26.7). W zależności od modelu, rezystory w obudowie mogą być całkowicie niezależne od siebie nawzajem, mogą być połączone jednym wyprowadzeniem na wspólnym styku albo ich rozmieszczenie może być nietypowe ze względu na zastosowanie na końcu magistrali. Dlatego zanim kupisz drabinkę rezystorów, sprawdź na schemacie, czy dana część spełnia Twoje wymagania.

Rysunek 26.7. Drabinka rezystorów składająca się z dziewięciu rezystorów 470 Ω

385 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Przyciski Większość przycisków to przełączniki sprężynowe. Naciśnięcie przycisku powoduje połączenie styków, a jego zwolnienie — powrót do pierwotnego stanu rozłączenia. Jednak dla samego robota przyciski i przełączniki niczym się nie różnią. Przycisków (patrz rysunek 26.8) najczęściej używa się w klawiaturach, do wyboru trybów działania urządzeń, resetowania, uruchamiania i zatrzymywania czegoś oraz w kontrolerach do gier (padach).

Rysunek 26.8. Przyciski Przycisków można także używać jako tzw. miękkich wyłączników w różnych inteligentnych urządzeniach. Ma je np. większość magnetowidów, telewizorów i sprzęt muzyczny. Przycisk taki, w odróżnieniu od zwykłego włącznika (wyłącznika), nie odcina całkowicie prądu. Zamiast tego w urządzeniu znajduje się będący cały czas pod zasilaniem układ, który obserwuje stan przycisku. Jego naciśnięcie powoduje włączenie przez wspomniany układ (przy użyciu przekaźnika, tranzystora albo stabilizatora napięcia) zasilania dla reszty obwodu. Kolejne naciśnięcie przycisku powoduje odłączenie zasilania od wszystkich obwodów, oprócz układu czuwającego. Miękkie przyciski znajdują najczęściej zastosowanie w urządzeniach, które można zdalnie włączać, wyłączających się automatycznie po określonym czasie bezczynności oraz takich, jakie mogą się automatycznie włączać o określonej godzinie (np. nagrywarki, PDA czy ekspresy do kawy). Miękki przycisk byłby także bardzo dobrą częścią autonomicznego robota, ale pod warunkiem, że przed wykonywaniem jakichkolwiek napraw baterie byłyby fizycznie z niego wyjmowane. Wyboru miękkich przycisków dokonuję na podstawie własnych wrażeń estetycznych. Małe ostrzeżenie: podczas zmiany stanu z włączonego na wyłączony przełącznik przez moment drga, tzn. bardzo szybko zmienia stany włączenia i wyłączenia, zanim ostatecznie pozostanie w jednym stanie. Dlatego, jeśli stan takiego przełącznika jest obserwowany przez jakiś układ, warto użyć kondensatora albo innego elementu opóźniającego reakcję, który zneutralizuje tę fazę przejściową. W przeciwnym razie dla robota będzie to wyglądało tak, jakby użytkownik nacisnął przycisk kilkadziesiąt razy. Techniki pozbywania się tego problemu nazywają się eliminacją drgań styków (ang. debouncing).

Przełączniki DIP Przypomnę, że akronim DIP oznacza obudowę podłużną dwurzędową. Zazwyczaj, choć nie ma takiej gwarancji, obudowy DIP mają standardowe wymiary i rozstaw styków. Istnieje wiele niewielkich przełączników w standardowych obudowach DIP (patrz rysunek 26.9), które doskonale nadają się do montażu na płytkach układów elektronicznych. Działają jak zwykłe przełączniki, tzn. łączą i rozłączają obwody.

386 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Rysunek 26.9. Przełączniki w obudowach typu DIP Ze względu na niewielkie rozmiary, przełączniki DIP najlepiej ustawiać za pomocą śrubokręta. Ponadto należy pamiętać, że ich wewnętrzne przewody są bardzo cienkie, a więc nie wytrzymają dużych napięć ani natężeń prądu i mogą nawet ulec uszkodzeniu przy zbyt częstym lub agresywnym przestawianiu. Przełączniki DIP czasami bardzo ułatwiają dostrajanie robota. Mimo iż staram się jak najwięcej ustawień konfigurować programowo, jednak czasami, zwłaszcza podczas zawodów, robot potrafi udawać głupka. Jeśli marzy się o zwycięstwie, pozostaje zmienić niektóre ustawienia ręcznie. Przełączniki DIP można traktować jako włączający (wyłączający) odpowiednik potencjometrów: czasami trzeba zmienić tylko jedną lub dwie rzeczy.

Zworki Aby zaoszczędzić trochę pieniędzy, w produkcji masowej układów elektronicznych można zamiast przełączników DIP użyć zworek. Zworka to plastikowy element (patrz rysunek 26.10), wewnątrz którego znajduje się cienki pasek metalu. Nakłada się go na dwa styki gniazda na płytce układu, aby je połączyć, tak jak za pomocą przełącznika.

Rysunek 26.10. Gniazdo i zworki Zworki są tańsze od przełączników DIP, zajmują mniej miejsca, wytrzymują trochę większy prąd i można za ich pomocą łączyć dwa wybrane styki. Mimo to, zazwyczaj używam przełączników, gdyż nie mają części, które mogłyby się obluzować i nie gubią się tak łatwo. Jednak niewątpliwą zaletą zworek jest to, że umożliwiają podłączenie przewodów miernika.

387 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Czujnik nachylenia Możesz sobie wyobrazić, jak żałośnie wygląda robot przewrócony spodem do góry i daremnie kręcący swoimi kołami w powietrzu. Aby mógł powrócić do normalnego ustawienia, musi w ogóle wiedzieć, że się przewrócił. Na rysunku 26.11 przedstawiona jest część, którą zawsze chciałem wypróbować. Wewnątrz plastikowej obudowy znajduje się metalowa kulka otoczona metalowymi stykami. Kiedy kulka dotknie styków, następuje ich połączenie. W zależności od tego, które styki zostały połączone, wiadomo, czy robot się przewrócił albo czy jest przechylony w jakimś kierunku.

Rysunek 26.11. Czujnik nachylenia zbudowany z metalowej kulki otoczonej metalowymi stykami w plastikowej obudowie Wątpię, czy zda to egzamin, kiedy robot będzie w ruchu, ponieważ kulka będzie przecież obijała się po całej obudowie, ale może się przydać do czegoś w czasie postoju.

Czujniki temperatury Termistor to, podobnie jak potencjometr, rezystor nastawny, ale zmieniający rezystancję pod wpływem temperatury. W termistorze o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancja maleje po podgrzaniu, np. w ręku albo przy żarówce, a rośnie po ochłodzeniu, np. po zanurzeniu w zimnej wodzie. Termistory to bardzo małe i niedrogie części (patrz rysunek 26.12). Często można je znaleźć zakamuflowane na płytkach układów elektronicznych wewnątrz baterii i w sondach.

Rysunek 26.12. Termistory do mierzenia temperatury. Dwa pierwsze to zwykłe modele, kolejny, LM34 zawiera wbudowaną elektronikę, a po prawej widać pasek bardzo małych termistorów do montażu powierzchniowego

388 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Termistory podłącza się do obwodu podobnie jak fotorezystory, tzn. łączy się je szeregowo ze zwykłym rezystorem i sprawdza napięcie w miejscu ich połączenia. Nie powinno być problemów z używaniem termistorów z komparatorem. Gdyby wstawiono je w miejsce fotorezystorów w robocie śledzącym linie, powstałby niezdarny robot szukający ciepłych miejsc (termistory zbyt wolno zmieniają rezystancję, a poza tym wszystkie wyczuwałyby mniej więcej taką samą temperaturę otoczenia). Najlepsze wyniki uzyskuje się, odczytując wartości termistora za pomocą jakiegoś inteligentnego układu, np. mikrokontrolera. Można by w nim zapisać tablicę wartości rezystancji i każdej z nich przypisać określoną czynność (np. odłączenie ładowania baterii po przekroczeniu określonej temperatury) albo wartości numeryczne do pokazania na wyświetlaczu (np. stopnie Celsjusza).

Czujniki dotyku Robot „Kanapka” nie ma wbudowanego żadnego mechanizmu wykrywania ścian, a więc jak coś takiego znajdzie się na jego drodze, po prostu w to uderza. Można go jednak przynajmniej trochę poprawić przy użyciu czujników dotyku. Najprostszym czujnikiem dotyku jest specjalny przycisk uruchamiany bardzo małą siłą (patrz rysunek 26.13 po lewej u góry). Przycisk taki może odłączać silnik, zmieniać połączenia silnika na odwrotne albo wysyłać informację o zdarzeniu do układu scalonego.

Rysunek 26.13. Czujniki dotyku: czujnik drgań (u góry po lewej), łącznik migowy (u góry po prawej) oraz czujnik wygięcia Jameco, nr części 150551 za 12,95 dol. (na dole) Czujniki wygięcia to rezystory o zmiennej wartości, których rezystancja zmienia się pod wpływem ich wyginania, co można sprawdzić za pomocą omomierza. Czujniki te bardzo dobrze współpracują z komparatorami i mikrokontrolerami. Jeśli otoczy się nimi robota ze wszystkich stron, do układu scalonego będzie można wysyłać sygnały informujące o nawet najmniejszych odkształceniach. Jednym z rodzajów czujnika drgań jest krótki czujnik wygięcia z przyłączonym ciężarkiem. Można umieścić kilka takich czujników w robocie, każdy ustawiając pod nieco innym kątem, aby określić zwrot robota. Można też je wykorzystać do tego, żeby kopnięty robot mówił „au” albo zaczynał się ruszać.

Wykrywanie przedmiotów i zdalne sterowanie za pomocą podczerwieni Popularną techniką sprawdzania, czy na drodze robota znajduje się jakiś przedmiot, jest użycie specjalnej diody emitującej promieniowanie podczerwone i czujnika podczerwieni sprawdzającego, czy sygnał wysłany przez diodę wrócił. Jeśli nie, znaczy to, że przed diodą nie ma żadnych przeszkód. W sprzedaży dostępnych jest sporo czujników podczerwieni (patrz rysunek 26.14). Większość z nich ma tylko trzy wyprowadzenia: styk dodatniego bieguna zasilania, styk ujemnego bieguna zasilania oraz styk, który jest włączany lub wyłączany w zależności od tego, czy sygnał jest obecny, czy nie.

389 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 26.14. Fotodetektor w metalowej obudowie, która chroni go przed szumem elektrycznym mogącym powodować fałszywy wynik dodatni (po lewej), i zwykły fotodetektor podczerwieni Panasonic PNA4602M Analizując czas dzielący pojawianie się sygnałów, urządzenie może dekodować polecenia. Jest to podstawa techniki zdalnego sterowania. Większość tego typu urządzeń jest przeznaczona właśnie na rynek urządzeń do zdalnego sterowania (piloty do telewizorów, DVD itp.). Duży popyt sprawił, że podjęto wysiłek standaryzacji częstotliwości sygnału, oraz spowodował obniżkę cen. Niektóre roboty są otoczone fotodetektorami ze wszystkich stron. Włączając w różnym czasie różne diody LED i sprawdzając wynik odczytu fotodetektora, robot może sporządzić na własny użytek plan rozmieszczenia pobliskich przedmiotów. W niektórych robotach fotodetektorów używa się w klasyczny sposób, tzn. do zdalnego sterowania, albo nietypowo, np. do przesyłania danych.

Czujnik odległości i przedmiotów Zwykłe i sterowane zdalnie fotodetektory są przydatne, ponieważ dzięki nim robot „wie”, czy coś znajduje się na jego drodze. Ich wadą jest jednak to, że nie pozwalają określić odległości. Doskonałe czujniki odległości produkuje firma Sharp (patrz rysunek 26.15). Ich działanie polega na wysłaniu wiązki promieniowania podczerwonego i zmierzeniu w soczewce kąta wiązki powrotnej. Za ich pomocą można wykrywać przedmioty i ściany znajdujące się w odległości od 10 do 80 centymetrów.

Rysunek 26.15. Czujnik odległości Sharp GP2D02 Czujniki odległości zwracają wynik w postaci cyfrowej albo sygnału elektrycznego. Gdyby po bokach robota śledzącego linie, w miejscu punktów pomiarowych 1. i 2. czujnika jasności, zamontowano po jednym czujniku odległości zwracającym sygnał elektryczny, robot mógłby automatycznie ustawiać się na środku korytarza. Więcej informacji na temat czujników odległości firmy Sharp znajduje się na stronie http://www.robotroom.com/DistanceSensor.html.

390 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Oscylatory i rezonatory kwarcowe Oscylatory to układy pełniące rolę precyzyjnych zegarów. Używa się ich we współpracy z mikrokontrolerami, przetwornikami mocy, sterownikami silników i ogólnie różnymi układami wymagającymi dokładnego odmierzania czasu. Sygnał taktujący oscylatora synchronizuje działanie wszystkich współpracujących ze sobą podzespołów. Rezonatory kwarcowe są elementami budowy oscylatorów, ponieważ wytwarzają naturalne drgania, które można zamienić w sygnał elektryczny i wzmocnić za pomocą specjalnych elementów elektronicznych. W obudowie oscylatora znajduje się zatem rezonator i układ elektroniczny. Do montażu na płytkach układów elektronicznych można kupić zarówno mniejsze, jak i większe oscylatory w metalowej obudowie (patrz rysunek 26.16). Można także kupić sam rezonator, który lepiej nadaje się do współpracy z mikrokontrolerami mającymi funkcję mnożenia podstawowej częstotliwości rezonatora przez współczynnik powiększający lub zmniejszający w celu oszczędzania energii.

Rysunek 26.16. Oscylatory w dwóch wielkościach obudów (u góry) i rezonator kwarcowy (na dole) Kiedy ktoś Cię spyta, jaki masz komputer, a Ty odpowiesz, że 2,6 GHz, to w rzeczywistości informujesz go o częstotliwości rezonatora lub oscylatora. Jeśli do budowy robota użyłeś mikrokontrolera, musisz także wykorzystać oscylator. W nowszych mikrokontrolerach dla ułatwienia montuje się standardowy oscylator o całkiem dobrych parametrach pracy.

Dźwięk Dźwięki w robocie mogą pełnić różnorakie funkcje. Oprócz różnych wygłupów, mogą to być odgłosy interfejsu użytkownika, takie jak dźwięki przy naciskaniu klawiszy albo sygnały akustyczne informujące o pewnych zdarzeniach, np. brzęczenie, kiedy odczyt któregoś z czujników przekroczy określony pułap. Najłatwiej steruje się brzęczykami (patrz rysunek 26.17). Podłącza się je do zasilania, tak jak np. silnik, i to wystarczy, żeby zaczęły wydawać dźwięki. Zamiast nich można też używać głośników, które są bardziej wszechstronne i oferują o wiele lepszą jakość dźwięku. Odtworzenie prostych tonów i melodyjek w głośniku nie wymaga wielkiego wysiłku, jednak do odtwarzania muzyki cyfrowej potrzebne są już specjalne układy scalone. Rozpoznawanie głosu to zadanie trudne nawet dla wydajnych komputerów, nie mówiąc już o prostych robotach. Jeśli jednak zadowolisz się tylko nagrywaniem i odtwarzaniem dźwięków, bez trudu znajdziesz w sklepach odpowiedni do tego sprzęt. Do rozpoznawania prostych tonów wystarczy mikrofon i niedrogi układ scalony.

391 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 26.17. Od lewej: głośnik, mikrofon oraz brzęczyk

Przekaźniki Jedną z potencjalnych wad tranzystorów jest ograniczona moc. Częściami o podobnym sposobie działania są przekaźniki, które mogą pracować w szerszym zakresie napięć i natężeń prądu, a także zarówno z prądem stałym, jak i zmiennym. Ponadto przy użyciu mechanicznego przekaźnika można w jednym obwodzie sterować innym obwodem, który ma oddzielne źródło zasilania. Typowy przekaźnik mechaniczny (patrz rysunek 26.18) zawiera elektromagnes, który przyciąga do siebie i łączy metalowe płytki. To właśnie dlatego z niektórych przekaźników słychać charakterystyczne trzaśnięcia podczas pracy. Po odłączeniu zasilania metalowe płytki wracają do swojego pierwotnego położenia, np. za pomocą sprężyny.

Rysunek 26.18. Przekaźnik miniaturowy (po lewej) i przekaźnik elektroniczny

392 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Ponieważ sam przekaźnik do działania potrzebuje trochę prądu (zazwyczaj powyżej 10 mA), zwykle zasilanie przekazuje się do niego przez tranzystor. Zatem przekaźniki są używane jako dodatek do tranzystorów, zamiast je całkiem zastępować. Tych dużych, hałaśliwych i ciężkich urządzeń najczęściej używa się w miejscach narażonych na duże obciążenia. W robotach przekaźniki znajdują czasami zastosowanie w sterowaniu dużymi silnikami. Jednak w średnich i małych robotach o wiele lepiej używać bardziej energooszczędnych tranzystorów MOSFET.

Koła zębate Niektóre silniki zawierają niewielką zbudowaną z precyzyjnie dobranych i rozmieszczonych kół zębatych przekładnię, której zadaniem jest optymalizacja wydajności silnika. To jednak wcale nie znaczy, że na wał nie możesz założyć dodatkowych trybów, aby zmienić jego prędkość obrotową albo przenieść moment obrotowy w inne miejsce.

Rysunek 26.19. Różne koła zębate Kiedy koła i złączki podłączy się bezpośrednio do wałów umieszczonych naprzeciw siebie silników, robot robi się dość szeroki. Jeśli chcesz to zmienić, możesz silniki w obudowie umieścić obok siebie i moment obrotowy przenieść na koła za pomocą kół zębatych (patrz rysunek 26.20).

Rysunek 26.20. Równolegle położone silniki robota „Falki” wraz z kołami zębatymi ustawiającymi koła w odpowiednim miejscu i zwiększającymi ich prędkość obrotową

393 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Serwomechanizmy Do budowy robotów używane są najczęściej cztery rodzaje silników prądu stałego. Dwa z nich, czyli silniki zwykłe i z przekładnią, zostały opisane we wcześniejszych rozdziałach. Trzeci rodzaj to silniki krokowe, które są precyzyjniejsze od poprzednich, ale żeby je dobrze wykorzystać, potrzebna jest skomplikowana elektronika. Natomiast czwarty rodzaj to serwomechanizmy. Serwomechanizm oprócz silnika zawiera także przekładnię i elektroniczny układ sterujący (patrz rysunek 26.21 po prawej), który zamiast obracać wał dookoła, ustawia go pod zadanym kątem. Serwomechanizmów używa się zatem często do budowy samolotów i łodzi, w których wykorzystywane są do zmiany pozycji klap skrzydłowych i żagli.

Rysunek 26.21. Widok serwomechanizmu w całości (po lewej) i po zdjęciu obudowy Bez żadnych przeróbek serwomechanizmu można używać do poruszania rękami i nogami robota, a jeśli zdejmie się obudowę i usunie kilka plastikowych elementów, można go przerobić na zwykły silnik z przekładnią. Jako że serwomechanizmy mają wbudowany układ elektroniczny sterujący zasilaniem, nie trzeba montować dodatkowego tranzystora sterującego na płytce układu elektronicznego robota. Niestety, serwomechanizmem steruje się za pomocą sygnałów pulsacyjnych, a więc niezbędny jest specjalny moduł albo mikrokontroler.

Kodery, czyli mierzenie prędkości obrotowej kół Działanie wielu robotów można by poprawić, gdyby dało się sprawdzić, z jaką prędkością kręcą się ich koła. Przykładowo w „Kanapce” można by udoskonalić proces skręcania poprzez sprawdzenie, o ile przejechało koło, które powinno być nieruchome, i cofnięcie go o tę odległość. Informację o prędkości obrotowej koła można także wykorzystać w innym celu, tzn. jeśli koło obraca się szybciej, niż pozwala na to masa robota, można wnioskować, że albo się ślizga, albo w ogóle nie styka się z podłożem. Mnożąc liczbę obrotów przed obwód koła, obliczymy przebyty dystans. Można to wykorzystać w robocie podążającym wzdłuż linii, który podczas pierwszego okrążenia trasy mógłby zapisać dane na temat odległości i zakrętów, a potem, stosując tę wiedzę, szybciej przejechać drugie okrążenie. A łazik mógłby znaleźć drogę z powrotem do miejsca, z którego wyruszył, odtwarzając w odwrotnej kolejności wszystkie wykonane skręty i przejechane proste odcinki. Na wale silnika lub kole mocuje się dysk kodujący (patrz rysunek 26.22). Kierując na niego fotorezystor lub fototranzystor, można obliczyć prędkość obrotową koła lub wału. Trzeba w tym celu tylko policzyć zmiany z koloru czarnego (wysoka rezystancja) na biały (niska rezystancja). Im więcej zmian na sekundę, tym większa prędkość obrotowa.

394 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Rysunek 26.22. Czarno-biały dysk służący do określania prędkości obrotowej koła Przedstawiony tutaj to nie jedyny stosowany wzór. Istnieją też bardziej wyszukane sposoby kodowania, jak np. kod Graya, dzięki którym można dokładnie określić pozycję koła i kierunek obracania. Istnieją specjalne adaptery dla silników, zwane koderami, które są połączeniem czujnika i układu elektronicznego.

Wyświetlacze Diody LED są tanie, lekkie i łatwe w użyciu, ale za ich pomocą da się przekazać niewiele informacji. Co innego wielosegmentowy wyświetlacz LED lub LCD albo graficzny. Te urządzenia znacznie usprawniają komunikację z użytkownikiem. W sprzedaży dostępne są wyświetlacze LCD (patrz rysunek 26.23) o różnych rozmiarach, od najmniejszych wyświetlających maksymalnie 8 znaków w dwóch liniach po duże wyświetlające 20 znaków w czterech liniach. Większość z nich ma standardowe 14-stykowe złącze. Żeby umieć posługiwać się wszystkimi, wystarczy nauczyć się obsługi tylko jednego, a praca z resztą wygląda bardzo podobnie.

Rysunek 26.23. Standardowy 20-znakowy wyświetlacz LCD z 14-stykowym złączem

395 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

„ Wskazówka: Wyświetlacze LCD zużywają znacznie mniej energii od wyświetlaczy LED. To właśnie dlatego montuje się je w kalkulatorach na baterie słoneczne.

Każdy przyzwoity wyświetlacz LED musi być sterowany za pomocą mikrokontrolera. Zalecam używanie urządzeń wyświetlających zarówno litery, jak i cyfry, gdyż znacznie ułatwiają pracę nad usuwaniem usterek.

Bezprzewodowe sterowanie i przesyłanie danych Mechanizmy zdalnego sterowania można znaleźć chociażby w urządzeniach do otwierania drzwi garażowych czy zdalnie sterowanych zabawkach. W sprzedaży można znaleźć wiele bardzo dobrych gotowych płytek zdalnego sterowania do użytku w modelach samolotów, łodzi, ciężarówek i samochodów. Uczestnicy telewizyjnych turniejów dla robotów udowodnili już wielokrotnie, że techniki te można z powodzeniem stosować także w robotach. Niektóre moduły umożliwiają nawet przesyłanie danych (rysunek 26.24). Można je np. wykorzystać do wysyłania na bieżąco do komputera informacji o odczytach czujników robota albo do programowania go bez podłączania kabla. Innym ciekawym zastosowaniem może być wysyłanie do robota informacji z otoczenia (o tym, że dzwoni dzwonek do drzwi albo że na kanapie naprzeciw telewizora wykryto źródło ciepła) i przekazywanie ich do jakiejś jednostki centralnej, np. komputera.

Rysunek 26.24. Moduły do bezprzewodowej transmisji danych Bodajże najciekawszym sposobem wykorzystania technologii bezprzewodowej jest możliwość oddelegowania kilku robotów do wspólnego wykonania jakiegoś zadania. Moduły te pełnią wówczas rolę miniaturowych krótkofalówek.

Codzienne wyzwania Sporządziłem listę czynności, które można by zlecić do wykonania robotom. Często nawet męczę rodzinę i znajomych swoimi stwierdzeniami: „O, to mógłby zrobić za mnie robot”. Niestety, zauważyłem, że ostatnio ludzie dziwnie unikają mojego towarzystwa.

396 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Robot do podlewania kwiatów Robot taki większość czasu powinien spędzać na podstawce ładującej i tylko co jakiś czas podjeżdżać do zlewu w celu nabrania wody za pomocą teleskopowo rozkładanej rurki (chociaż łatwiej byłoby dorobić przedłużkę do kranu). Następnie jeździłby po domu, zatrzymując się w wyznaczonych miejscach, które dla precyzji można by jakoś specjalnie oznaczyć. Po zatrzymaniu rozkładałby swój teleskop z sondą i badając rezystancję podłoża w doniczce, określał jego wilgotność. Jeśli okazałoby się, że wilgotność jest za niska, robot nalewałby trochę wody do doniczki. Proces byłby powtarzany dla każdej oznaczonej rośliny, z tankowaniem wody w międzyczasie, gdyby to było konieczne.

Wózek na kompost Pieląc ogródek, wyrywa się chwasty i nosi je w ręku, aż się nazbiera pełną garść. Następnie trujące rośliny zostają wyrzucone, a pozostałe lądują w kompostowniku. Praca byłaby znacznie lżejsza, gdyby za nami po całym ogrodzie jeździł robot z dwoma wiaderkami, po jednym na chwasty i warzywa. Ogrodnik, widząc, że pojemniki są pełne, naciskałby specjalny guzik, w wyniku czego robot jechałby w z góry określone miejsce, żeby opróżnić najpierw jedno wiaderko, a potem w drugie, żeby opróżnić drugie wiaderko. Następnie łazik wracałby do miejsca, w którym opuścił ogrodnika, wykorzystując do jego lokalizacji czujnik ciepła.

Robot śmieciarz Człowiek za pomocą pilota zdalnego sterowania „oprowadziłby” robota po całym domu, aby pokazać mu, gdzie stoją wszystkie pojemniki na śmieci. Później robot regularnie w ciągu dnia (albo nocy) jeździłby tą samą trasą i wsypywał śmieci z tych pojemników do większego pojemnika zamontowanego na nim samym lub odwoziłby je po kolei do dużego pojemnika umieszczonego w jakimś jednym miejscu. Żeby robot był jeszcze bardziej pożyteczny, można mu wyciąć w drzwiach takie wyjście jak dla psa, przez które wychodziłby, żeby wyrzucić śmieci do pojemnika na zewnątrz. Cała rodzina dziękowałaby Ci za to, że tak pięknie dbasz o czystość, a Ty tylko byś się uśmiechał i puszczał oczko.

Robot do mycia okien Z tego pomysłu wszyscy się śmiali. Do szyby można przyczepić na przyssawkach miniaturowego robota wyposażonego w gumową wycieraczkę do okien i płyn do mycia szyb. Robot czyściłby okno, a Ty mógłbyś się zająć ciekawszymi rzeczami. Musiałbyś tylko co jakiś czas przenieść go na inne okno.

Dachowy dozorca Można skonstruować niewrażliwego na warunki atmosferyczne i wstrząsy robota, który jeździłby po dachu i pilnował na nim porządku. Łazik taki mógłby np. wyjmować liście z rynien, a w czasie zimy zrzucać śnieg, żeby nie powstawały sople podczas roztopów i odkryć ciemne dachówki, które pochłaniają więcej ciepła słonecznego. Po większej ulewie pewnie trzeba by było przejść się wokół domu, żeby znaleźć robota na ziemi i z powrotem rzucić go tam, gdzie jego miejsce.

397 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Miniaturowy pług do odśnieżania Kiedy zacznie padać śnieg, na podjeździe do garażu można postawić robota podobnego do dachowego dozorcy. Robot ten zbierałby śnieg i odwoził go po trochu w określone miejsce (prawdopodobnie trzeba by też użyć jakiejś latarni). Oczywiście, robot przenosiłby tylko niewielkie ilości śniegu na raz, ale przecież rzadko pada bardzo intensywnie. Kiedy podzieliłem się tym pomysłem z kilkoma osobami, został okrutnie skrytykowany: „Po kilku godzinach robot zamiast jeździć, tkwiłby w soplu lodu” albo „Taki robot działałaby, tylko że zamiast odśnieżonego podjazdu znalazłbyś przed domem sieć tuneli pod warstwą świeżego śniegu”.

Pogromca ślimaków Ten pomysł nie jest dla osób o słabych nerwach, ale do jego realizacji świetnie nadaje się robot podążający wzdłuż linii. W niektórych rejonach ślimaki wyrządzają wiele szkód, niszcząc ogródkowe uprawy warzyw. Jako że ekologiczni ogrodnicy nie chcą używać trucizn, ich jedyną bronią przeciw szkodnikom są piwne pułapki. W walce można jednak wykorzystać słabości tych stworzeń, tzn. ich powolność i słabe ciało. Na głównych szlakach ślimaków rozłóż trasę dla robota. W czasie suchej i gorącej pogody robot może spać, podobnie jak ślimaki, a uaktywniać powinien się wówczas, gdy jest ciemno lub mokro. Jadąc po swojej trasie, siekałby i miażdżył wszystko, co miękkiego stanie mu na drodze. Trzeba by tylko obliczyć maksymalną długość trasy, opierając się na średniej szybkości ślimaka i szerokości robota.

Robot listonosz Ten pomysł jest bardzo dobry. Skrzynka na listy nie u każdego znajduje się bezpośrednio na drzwiach wejściowych. Wiele osób ma ją daleko od domu, np. przy furtce albo bramie. Można by skonstruować robota wyglądającego jak zwykła skrzynka na listy. Kiedy do skrzynki zostanie coś włożone (co można łatwo wykryć przy użyciu czujnika optycznego), robot odczekuje jeszcze jakiś czas, żeby nie przestraszyć listonosza, a następnie odjeżdża z ładunkiem do domu, wjeżdża przez otwór w drzwiach i zrzuca listy w wyznaczonym miejscu. Następnie wraca na swoje stałe miejsce. Jeśli obawiasz się o bezpieczeństwo, możesz skonstruować mechanizm otwierający drzwiczki dla robota działający na podczerwień.

Zawody W Polsce organizowanych jest sporo imprez, w których w szranki stają roboty. Poniżej znajduje się opis kilku z nich.

Robocomp Robocomp jest festiwalem organizowanym przez Koło Naukowe Integra z Katedry Automatyki AGH. Konkurencje, w jakich można brać udział, to: sumo, walka na ringu, podążanie wzdłuż linii, styl wolny, labirynt oraz wyścig robotów kroczących.

398 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 26. „ DALSZY ROZWÓJ

Cybairbot Zawody Cybairbot organizowane są przez koło naukowe CybAir z Politechniki Poznańskiej. Konkurencje, w których można wziąć udział, to: sumo, podążanie wzdłuż linii oraz Eurobot.

Robotic Arena Zawody organizowane przez koło naukowe robotyków KoNaR z Politechniki Wrocławskiej. Konkurencje, w których można brać udział, to: sumo, podążanie wzdłuż linii oraz styl wolny.

PozRobot Organizatorem zawodów PozRobot jest koło naukowe robotyki WMI UAM w Poznaniu. Uczestnicy są dzieleni na trzy kategorie: Kadet, Junior i Student. W każdej kategorii uczestnicy rywalizują ze sobą w różnych konkurencjach, np. zwiedzanie zoo czy dostarczanie piłek w wyznaczone miejsce.

Cały świat możliwości Liczę, że lektura tej książki pozwoliła Ci postawić pierwsze kroki w świecie robotyki, a zawarta w niej wiedza umożliwi Ci dalsze rozwijanie swoich możliwości. Jest tyle do zrobienia i skonstruowania. Teraz jest właśnie idealny czas, aby zacząć uprawiać to niesamowicie satysfakcjonujące hobby. Dziękuję za przeczytanie tej książki. Jej napisanie było dla mnie wielką przyjemnością.

399 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

400 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 27 „„„

Dodatek

W tym rozdziale zamieściłem uwagi i inne tematy nieporuszone w głównej części tej książki. Najpierw z należnym szacunkiem omawiam prawo Ohma, które opisuje współzależności pomiędzy napięciem i natężeniem prądu oraz rezystancją. Dalej chciałbym przedstawić parę pomyłek, jakie popełniłem w trakcie projektowania, abyś Ty mógł ich uniknąć. Ostatecznie rozdział kończy się objaśnieniem i zestawieniem różnych oznaczeń dodatnich i ujemnych biegunów zasilania.

Magiczne prawo Ohma Większość wzorów na obliczenia elektryczne w tej książce oparta jest na prawie Ohma. Zatem zaniedbaniem byłoby nieomówienie najważniejszego dla elektronika zestawu równań. Prawo Ohma opisuje zależność pomiędzy napięciem, natężeniem i rezystancją. Dysponując dowolnymi dwiema z tych wartości, możesz natychmiast obliczyć trzecią. Napięcie możesz podzielić przez każdą z dwu pozostałych wartości lub pomnożyć natężenie prądu i rezystancję (patrz rysunek 27.1). Pozwól, aby ten trójkąt wypalił trwały ślad w Twej pamięci, a już na zawsze zapamiętasz, które elementy należy pomnożyć, a które podzielić. Oto te same wzory wyrażone w tradycyjnym zapisie: natężenie prądu w amperach = napięcie w woltach / rezystancja w omach lub rezystancja w omach = napięcie w woltach / natężenie prądu w amperach lub napięcie w woltach = rezystancja w omach × natężenie prądu w amperach Wszystkie trzy wzory są identyczne, zostały jedynie matematycznie przekształcone.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 27.1. Prawo Ohma wyrażone w postaci trójkąta, gdzie V to wolty, A — ampery, a Ω to omy

Prawo Ohma pomaga dobierać rezystory ograniczające Oto praktyczny przykład: zgodnie z notą katalogową największe natężenie prądu dla jakiegoś elementu wynosi 0,25 A. Dysponujesz baterią 12-woltową. Jakie wartości rezystor powinieneś zastosować, aby ograniczyć płynący prąd do wartości 0,25 A lub mniejszej? Zgodnie z prawem Ohma, jeśli znasz dwie z trzech powiązanych nim wartości, zawsze możesz wyliczyć trzecią. Wiesz, że napięcie wynosi 12 V, a prąd 0,25 A. rezystancja w omach = 12 woltów / 0,25 ampera 48 Ω = 12 V / 0,25 A Rezystor o wartości 48 Ω nie pozwoli na przepływ w obwodzie zasilanym napięciem 12 V prądu większego niż 0,25 A.

Pomoc w określeniu natężenia prądu na podstawie napięcia Obawiasz się zablokowania i spalenia silników robota. Zgodnie z notą katalogową silnika jego prąd blokowania wynosi 0,5 A, lecz Ty — dla pewności — zdecydowałeś się na odcięcie zasilania silnika, gdy prąd przekroczy 0,4 A. Niestety, niemal wszystkie mikrokontrolery i układy scalone potrafią reagować jedynie na napięcie, nie zaś na natężenie prądu. Prawo Ohma zapewnia, iż jeśli znasz rezystancję i napięcie, możesz obliczyć prąd. Rozwiązaniem jest umieszczenie w tej samej gałęzi obwodu, w której znajduje silnik, rezystora o znanej wartości i spowodowanie, by układy robota badały napięcie na tym rezystorze, aby obliczyć prąd płynący w tej gałęzi. Użycie rezystora mocy o niewielkiej wartości, powiedzmy 0,1 Ω, powinno mieć marginalny wpływ na wydajność silnika. napięcie w woltach = 0,1 oma × 0,4 ampera 0,04 V = 0,1 Ω × 0,4 A Gdy układ wykryje napięcie na rezystorze o wartości 0,04 V lub większej, przez silnik przepływa prąd natężeniu 0,4 A lub większym. Musi tak być, skoro rezystor jest na tej samej drodze prądu, co silnik, i energia elektryczna przepływa kolejno przez oba te elementy. 402 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 27. „ DODATEK

Pamiętaj, to jest magiczne, niepodważalne prawo Ohma. Nie ma możliwości, aby przez rezystor o wartości 0,1 Ω przepływał prąd większy niż 0,4 A, o ile spadek napięcia na rezystorze nie przekroczy 0,04 V.

Sztuczka z pomiarem prądu woltomierzem Prawo Ohma pomaga zmierzyć prąd na już zlutowanej płytce drukowanej. Nie jesteś w stanie wykonać pomiaru prądu wprost, jeśli nie odlutujesz gdzieś jednego końca jakiegoś elementu czy przewodu, aby włączyć tam miernik ustawiony w tryb pomiaru prądu. Jeżeli jednak znajdziesz rezystor z nadrukowaną wartością, będziesz w stanie określić prąd, mierząc napięcie na rezystorze. Powiedzmy, że znalazłeś rezystor o wartości 220 Ω. Dotykając końcówkami pomiarowymi obu końców rezystora, zmierzyłeś napięcie i uzyskałeś wartość 3,52 V. natężenie prądu w amperach = 3,52 wolta / 220 omów 0,016 A= 3,52 V / 220 Ω Na wypadek, gdybyś zapomniał, przypominam, że możesz pomnożyć wartość w amperach przez 1000, aby uzyskać tę wartość w miliamperach. 0,016 A × 1000 = 16 mA Przez gałąź z rezystorem musi przepływać prąd o natężeniu 16 mA niezależnie od elementów występujących przed czy za rezystorem. Dlaczego? Pan Ohm (Georg S. Ohm) to gwarantuje albo zwraca podwójną stawkę!

Klucz do prawa Ohma Za każdym razem, gdy mówisz do siebie: „Naprawdę chciałbym znać wartość A, niestety, mogę zmierzyć jedynie B i C”, pomyśl o prawie Ohma. Aby Ci pomóc, stworzyłem (anglojęzyczne) narzędzie on-line (patrz rysunek 27.2), w którym możesz wprowadzić dwie odczytane czy zmierzone wartości, a serwis obliczy wszystkie pozostałe. Odwiedź stronę: http://www.robotroom.com/Calculators/Ohms-Law/Ohms-Law-Voltage-Current-Resistance-Calculator.aspx.

Dalsze skutki prawa Ohma Z prawa Ohma wynika niezaprzeczalny fakt, że w dowolnym obwodzie nie możesz zmienić jedynie jednej z trzech powiązanych wartości (napięcia, prądu czy rezystancji). Każda zmiana jednej z nich powoduje zmianę co najmniej jednej innej, aby przywrócić równowagę. Oznacza to również, że możesz celowo zmienić jedną z wartości, aby wymusić zmianę którejś z pozostałych.

Rzeczy, które niechcący popsułem, pracując nad tą książką Czasem, gdy przeczytam dobrą książkę na temat robotów, czuję się lekko zniechęcony. Myślę sobie: „Rany! Ten gość jest o wiele mądrzejszy ode mnie. Nie sądzę, aby udało mi się zbudować to, co jemu”. Prawda jest taka, iż większość autorów opisuje jedynie swoje sukcesy, więc wszystko wydaje się doskonałe. Nie byłeś tam, by zobaczyć kolejne rupiecie wylatujące przez okno.

403 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Rysunek 27.2. Internetowy kalkulator prawa Ohma Być może ujawnienie moich pomyłek uchroni innych, a także Ciebie, przed ich popełnieniem. W dodatku mogę zaoferować wyjaśnienia, dlaczego dokonałem zmian w projekcie robota i ostrzec przed stosowaniem niektórych części.

W którą stronę podłączyłem baterię 9 V? Powiem to jasno, trudno podłączyć baterię 9 V odwrotnie. Każdy może jednak — choćby na chwilę — dotknąć baterią złych wyprowadzeń w zatrzasku baterii. Nie stanowi to problemu, chyba że pozostawi się wyłącznik w pozycji „włączony”. W moim przypadku odwrócone napięcie przebiegło przez obwody „Kanapki”. Każda ścieżka zawierająca diody świecące była zabezpieczona dzięki ich jednokierunkowej naturze działania. Fotorezystory, rezystory i trymery były bezpieczne, ponieważ są to elementy niewymagające określonej polaryzacji, czyli nie ma dla nich znaczenia kierunek przepływu prądu. Po poprawnym podłączeniu baterii nie zaobserwowałem, aby coś złego się wydarzyło. Patrzyłem wtedy na spodnią stronę płytki i reflektory, jak również diody podświetlające silniki działały prawidłowo. Lecz, szczerze mówiąc, coś zaczęło śmierdzieć. Robot naprawdę poważnie śmierdział. Po odwróceniu robota do góry zauważyłem, że wskaźniki jaśniejszej strony nie świecą się ani po lewej, ani po prawej stronie. Po poruszaniu przewodami i przestawieniu przełączników tam i z powrotem zacząłem podejrzewać, że coś się stało z komparatorem albo tranzystorami. Ponieważ komparator osadzony był w podstawce, była to najłatwiejsza do wymiany część. I rzeczywiście, komparator został spalony (patrz rysunek 27.3). Komparator ma bezpośrednie połączenie z dodatnim i ujemnym biegunem baterii. Chwilowe podłączenie baterii odwrotnie przy załączonym przełączniku zasilania wystarczyło, aby spalić ten układ. Dlatego właśnie w rozdziale 25. zaproponowałem — jako potencjalne ulepszenie — obwód zabezpieczenia przez odwrotnym podłączeniem baterii.

404 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 27. „ DODATEK

Rysunek 27.3. Zniszczony komparator LM393N

Stopione przełączniki Standardowej wielkości podwójny przełącznik trójpozycyjny używany do zmiany trybu śledzenia linii wydawał mi się zbyt duży dla takiego robota. Dlatego eksperymentowałem z mniejszymi, miniaturowymi przełącznikami. Po przylutowaniu przewodów do kilku mikroprzełączników (patrz rysunek 27.4) zamontowałem je w paru egzemplarzach robota podążającego wzdłuż linii. Jeden z robotów zataczał koła, inny podążał za ciemnymi liniami, lecz za jasnymi już nie. Przełączniki strasznie chrobotały, gdy je przełączałem.

Rysunek 27.4. Zniekształcone mikroprzełączniki Po bliższym przyjrzeniu się zauważyłem, że przełączniki nadtopiły się i popękały w trakcie lutowania (patrz rysunek 27.5). Nie wiem, czy była to wina ich kiepskiej jakości, czy może zbyt długo podgrzewałem lutownicą ich wyprowadzenia w czasie lutowania.

Rysunek 27.5. Nadtopienia (po lewej) i pęknięcia (po prawej) Większe kawałki metalu wymagają więcej czasu przy lutowaniu, oczekiwałbym więc, iż producent zastosuje takie materiały, które zniosą podgrzewanie przez rozsądną chwilę. Po tych problemach nie zdecydowałem się na polecenie w książce tego modelu przełączników.

405 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Strzelające bezpieczniki w mierniku W czasach gdy uczyłem się elektroniki, nigdy nie zdarzyło mi się spalić bezpiecznika w mierniku (patrz rysunek 27.6).

Rysunek 27.6. Dwa. DWA spalone bezpieczniki! W czasie pisania tej książki wiele czasu spędziłem na badaniach i weryfikacji opisywanych faktów. Ponieważ będzie to uwiecznione na papierze pod moim nazwiskiem chciałem, aby podawane informacje były rzetelne. Pisząc rozdział o tranzystorach, mierzyłem współczynnik wzmocnienia tranzystora w przeznaczonym do tego gnieździe miernika. Chciałem potwierdzić, że miernik pokazuje prawidłową wartość i że współczynnik wzmocnienia pomnożony przez prąd bazy faktycznie określa maksymalny prąd, jaki może przepływać pomiędzy emiterem a kolektorem. Po umieszczeniu tranzystorów w obwodzie testowym przestawiłem miernik w tryb pomiaru natężenia prądu. Na dużym zakresie sprawdziłem natężenie prądu wypływającego z baterii, aby się upewnić, że jest ono niższe od 500 mA stanowiących górny pułap skali w niższym zakresie pomiarowym. Natężenie prądu było zdecydowanie poniżej limitu. Przełączyłem zatem miernik na niższy zakres pomiarowy i odłączyłem jeden koniec rezystora w obwodzie bazy tranzystora. Podłączyłem czerwony przewód pomiarowy do bazy tranzystora, a czarny przewód do ujemnej magistrali zasilającej. Bum! Musiałem wtedy myśleć o pomiarze napięcia. Zamiast tego powinienem był podłączyć czarny przewód pomiarowy do odłączonego wyprowadzenia rezystora. Rezystor jest tam po to, aby ograniczać prąd płynący przez tranzystor. Podłączając czarny przewód do magistrali zasilającej, stworzyłem krótką ścieżkę od dodatniego bieguna baterii, poprzez kolektor i bazę tranzystora, dalej przez miernik wprost do ujemnego bieguna baterii. Po drodze nie było żadnego rezystora, który mógłby ograniczyć natężenie prądu. Prąd płynący poprzez miernik przekroczył 500 mA i spalił bezpiecznik wewnątrz miernika. Miernik wyświetlał stale wartość 0,0 mA i działał poprawnie w innych trybach. Nie jestem w stanie powiedzieć, ile czasu spędziłem, próbując dociec, dlaczego miernik nie działa w trybie pomiaru prądu. Na szczęście, do miernika dołączony był zapasowy bezpiecznik, więc mogłem kontynuować testy. Tym razem podłączyłem miernik poprawnie i uzyskałem potwierdzenie testu.

Niech mnie, znowu! Po ukończeniu rozdziału odłożyłem go na parę dni. Później, przed oddaniem do wydawcy, przeczytałem go kontrolnie jeszcze raz, powtarzając eksperymenty zgodnie z zapisanymi przeze mnie instrukcjami. Zgadnijcie, co się stało? W czasie korekty spaliłem bezpiecznik, ponownie popełniając dokładnie ten sam błąd z przewodami pomiarowymi, co za pierwszym razem (patrz ponownie (!) rysunek 27.6).

406 Ebookpoint.pl

ROZDZIAŁ 27. „ DODATEK

Właściwe nazewnictwo napięć W całej książce zdecydowałem się na używanie pojęcia „minus” zasilania. Nie jest to niewłaściwe, a baterie tak są oznaczone. Jest to jednak odrobinę staromodne nazewnictwo rodem z podstawówki. Po prostu nie jest fajne. W miarę Twojego zagłębiania się w elektronikę napotkasz różne pojęcia opisujące napięcie. Warto znać te nowoczesne oznaczenia, gdyż możesz je napotkać w notach katalogowych, książkach, artykułach czy na schematach.

Masa zamiast „minusa” zasilania Na rysunku 27.7 przedstawiam jeden z najbardziej rozpowszechnionych na schematach symboli. Przypomnij sobie, iż oznacza on tradycyjną drogę powrotu energii z obwodu. W obwodzie zasilanym z baterii ścieżka ta faktycznie prowadzi do ujemnego bieguna baterii. Jednakże symbol ten powszechnie określa się jako „masę” lub „przewód wspólny”.

Rysunek 27.7. Symbol masy na schematach, oznaczanej zazwyczaj jako GND Możesz traktować masę jako najniższe możliwe napięcie w obwodzie, czyli 0 V. Do tego miejsca w obwodzie podłączasz czarny przewód pomiarowy i mierzysz wszystkie dodatnie napięcia „względem masy”. Obecnie „minus” zasilania sugeruje trzy poziomy napięcia zasilającego: dodatnie, poziom masy i rzeczywiście ujemne, do którego spływa również napięcie z poziomu masy. Wyrażając się nieformalnie, możemy śmiało mówić: „Podłącz jedno wyprowadzenie silnika do plusa zasilania, a drugie do minusa”. Jeśli jednak źródło napięcia dostarcza jedynie dwa poziomy napięcia (i przewody), poprawnie powinniśmy określać „minus” zasilania jako masę, aby uniknąć nieporozumień.

V z podwójnymi literami Poza paroma wyjątkami, wszystkie układy scalone zawierają tranzystory. Istnieją dwa rodzaj tranzystorów: bipolarne i polowe. Z wcześniejszych rozdziałów wiesz, że wyprowadzenia tranzystora bipolarnego to emiter, kolektor i baza. W tranzystorach polowych wyprowadzenia oznaczone są jako źródło, dren i bramka. Gdy w latach 70. ubiegłego wieku układy scalone zaczęły się upowszechniać, napięcia na wyprowadzeniach układów scalonych były oznaczane w oparciu o wyprowadzenia tranzystora wewnątrz układu scalonego, do którego dane wyprowadzenie było dołączone. Przykładowo wyprowadzenie „plusa” zasilania mogłoby być oznaczone VCC. Litera „C” oznacza tu kolektor (ang. collector) i jest powtórzona dwukrotnie, co ma wskazywać, iż jest to napięcie, jakie źródło zasilania ma dostarczyć do tego wyprowadzenia. Niekoniecznie jest to to samo, co napięcie kolektora (które mogłoby być oznaczone VC). Oznaczania wg wyprowadzeń tranzystora stosowane są do dziś. Bez wątpienia napotkasz je wszędzie, od obwodów z pojedynczymi tranzystorami, prostych układów scalonych, aż po mikrokontrolery. Jako oznaczenia dodatniego napięcia możesz traktować symbole: +, V+, VBB, VCC, VDD, oraz VGG. Jako oznaczenia masy (wcześniej określanej jako ujemne napięcie) możesz traktować symbole: –, V–, GND, VEE, oraz VSS.

407 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

Przykład z życia W układzie scalonym 74LS04 (opartym o tranzystory bipolarne) piny zasilające oznaczone są jako VCC i GND. Dodatnie napięcie zasilające doprowadza się do pinu VCC, a masę (nasze „ujemne” napięcie) do pinu GND. Piny zasilające w mikrokontrolerze Freescale 68HC908KX8 (opartym o tranzystory polowe) oznaczone są jako VDD i VSS. Dodatnie napięcie zasilające doprowadza się do pinu VDD, a masę (nasze „ujemne” napięcie) do pinu VSS.

408 Ebookpoint.pl

Skorowidz A aceton, 353 akumulatorki, 95 litowo-polimerowe, 101 niklowo-kadmowe, 103 niklowo-magnezowo-wodorkowe, 100 analiza skręcania, 376 automatyczne wyłączanie, 60 automatyczny dobór zakresów, 59

B badanie ciągłości obwodu, 58 diod, 58 tranzystora, 212, 214 tranzystora miernikiem, 215 tranzystorów NPN budowa obwodu, 220 schemat obwodu, 219 tranzystorów PNP, 216 budowa obwodu, 218 schemat obwodu, 217 bateria 9-woltowa, 95 alkaliczna, 101 litowa, 102 typu NiMH, 373 węglowo-cynkowa, 103 baza, 213 baza tranzystora PNP, 211 bezpieczeństwo, 43 bezpieczniki automatyczne, 49 groźne substancje, 46

Ebookpoint.pl

niebezpieczne pierwiastki, 48 porażenia, 49 przestrzeganie instrukcji, 43 RoHS, 48 ubrania ochronne, 45 wentylacja, 45 wyłącznik różnicowoprądowy, 49 bezpiecznik, 50, 57 bezpiecznik topikowy, 51 brakujące jednostki, 77 budowa diody LED, 131 budowa diody świecącej, 131 budowa trasy, 82

C cążki boczne, 118 cążki do cięcia przewodów, 118 cechy miernika, 56 ceny układów, 39 charakterystyki baterii i akumulatorków, 99 CIE, Commission Internationale de l’Eclairage, 130 ciężar silników elektrycznych, 246 Cook David, 17 Cybairbot, 399 części do robotów, 379 czujnik dotyku, 389 nachylenia, 388 odległości, 390 odległości Sharp GP2D02, 390 światła, 202 temperatury, 388 czujniki, 29

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

D dekoder kodów kolorów, 79 diagramy połączeń, 200 dioda 1N5817, 260 dioda gasząca, 260 dioda LED, 31, 125–137 budowa, 131 jasność, 130 kolory, 129 kształt, 127 matowa biała, 128 matowa kolorowa, 128 przezroczysta kąt widzenia, 128 rozmiar, 126 sprawność, 131 dioda Schottky’ego, 259, 261 diody dwukolorowe, 133 diody pełnokolorowe, 133 diody robota, 137 diody świecące, Patrz dioda LED diody świecące w zestawach, 137 diody trójkolorowe, 133 diody trójstanowe, 133 DIP, Dual Inline Package, 156 długość fali, λ, 129 dobór fotorezystorów, 189 oświetlenia, 52 rezystorów, 149 silnika, 52 silnika z przekładnią, 253 średnicy kół, 273 drabinki rezystorów, 385 druga zasada lutowania, 308 drut, 160 drut do lutowania, 298 dźwięk, 391

E

F

410 Ebookpoint.pl

G gąbka, 301 głośność silnika, 245 gniazdo „A”, 150 gniazdo „V”, 150 gniazdo przyłączeniowe, 158, 170 groźne substancje, 46 gwintownik, 294

H hamulce, 377

I imadło, 294 informacje, 37 interfejs klawiatury, 34 interfejs komunikacyjny, 62 inwerter logiczny, 380 izolowane przewody połączeniowe, 161

J

emiter, 213 energia słoneczna, 384

felga, 265, 277 firma AND-TECH, 38 Atmel, 381

AVT, 38 Conrad Electronic, 38 ELFA, 38 Dremel, 293 Hsiang Neng, 256 mobot, 38 modele.sklep.pl, 38 Parallax, 24 SEMICONDUCTORS BANK Ltd, 38 Solarbotics, 24 SparkFun Electronics, 24 TME, 38 Trobot, 38 fotorezystor, 185, 187 fototranzystor, 376 funkcja oscyloskopu, 62 funkcje kondensatorów, 383

jasność diody, 130 jasność, mcd, 130 jazda po ciemnej linii, 371 jazda po jasnej linii, 372

SKOROWIDZ

K kadm, 48 kalkulator wartości rezystancji, 121 kamień szlifierski, 347 Kanapka, 86, 378 katalogi, 37 klej cyjanoakrylowy, 290 klej silikonowy, 333 klejenie części łącznika, 290 gniazd Molex, 332 kodery, 394 kolektor, 213 kolory paska, 78 koła, 91, 265 budowa, 265 cechy, 266 koła LEGO, 272 koła zębate, 393 komparator, 195 analogowy, 195 napięciowy, 195 podwójny, 199 typu push-pull, 377 komutacja elektroniczna, 230 komutator, 228 kondensatory, 383 funkcje, 383 właściwości, 383 końcówki pomiarowe, 107 korpus, 32, 91, 341

L lampa fluorescencyjna, 52 lampki kontrolne, 31 LED, Light Emitting Diode, 125 LEGO, 24, 91 LEGO MINDSTORMS, 24 LEGO MINDSTORMS NXT, 24 LEGO Technic, 342 licznik zdarzeń, 63 linia wyznaczająca trasę, 82 linka, 160 lutowanie, 297, 304, 324 czujników, 336 na płytce drukowanej, 328 przełącznika, 319 punktowe, 328 silnika, 307 lutownica, 299

Ł łączniki, 281, 296

M magistrala 25-stykowa, 157 magistrala dystrybucyjna, 175 magistrala zasilająca, 334 maksymalna średnica koła, 273 masa, 407 masa mocująca, 236 maska przeciwpyłowa, 46 mechanizm równoważenia jasności, 185 miernik cechy, 56 porównanie jakości, 67 tryb pracy, 109 miernik cyfrowy, 55, 72 miernik DT-830B, 67 miernik VA38, 70 miernik VC97, 69 mierzenie prędkości obrotowej kół, 394 mikrokontroler ATmega664, 27 mikrokontrolery, 380 pamięć operacyjna, 380 programator, 380 właściwości, 380 milikandela, mcd, 130 minus zasilania, 210 moment obrotowy silników, 237, 239 montaż baterii, 105 oprawki baterii, 356 płytki układu, 356, 358 przełącznika trybu śledzenia linii, 317 przełączników, 173, 354, 355 rurki, 350, 354 silników, 306, 348, 354 wkrętu dociskowego, 292 wskaźnika zasilania, 175 mostek, 161 myjka ultradźwiękowa, 279

N napęd, 30, 90 napięcia na punktach pomiarowych, 370 napięcie pracy robota, 105 napięcie przewodzenia, 136 narzędzia, 37

411 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

narzędzie do zdejmowania izolacji, 163 niebezpieczne pierwiastki kadm, 48 ołów, 47 rtęć, 47 niutonometr, Nm, 238 nota katalogowa tranzystora, 212

O obcinak do rur, 286 obliczanie maksymalnego poboru prądu, 207 napięcia, 191 prądu, 149 prędkości liniowej, 270 wartości rezystorów, 220 żywotności baterii, 147 obrotomierz, 236 obudowa konstrukcja, 344 projekt z papieru, 343 z pojemnika, 345 obudowa dwurzędowa, 156 obwody testowe, 153 obwód diodowego oświetlenia, 322 budowa, 322 schemat, 322 obwód porównywania jasności budowa, 201 elementy, 201 napięcia, 203 z komparatorem, 199 z komparatorem i tranzystorami, 222 z silnikiem, 259 z tranzystorami, 220 zasada działania, 201 obwód reflektorów, 205 budowa, 206 schemat, 205 obwód równoważenia jasności diod, 184 obwód sterowany światłem, 187 obwód wskaźnika zasilania, 139, 141 obwód z diodą LED budowa, 184 schemat, 183 ochrona styków, 310 odbłyśnik, 132 odsysacz do cyny, 303 określenie natężenia prądu, 402

412 Ebookpoint.pl

okulary ochronne, 44 ołów, 47 om, Ω, 118 opona czyszczenie, 278 kształt, 267 kształt bieżnika, 268 rodzaj bieżnika, 269 szerokość, 268 średnica, 269 opona jednolita, 266 opona piankowa, 266 opona pneumatyczna, 266 opona półpneumatyczna, 266 optymalizacja wydajności, 327 oscylatory, 391 oś krzyżakowa LEGO, 284, 289 oznaczenia jednostek, 76 oznaczenia rezystora, 148

P pamięć operacyjna, 380 pamięć pomiarów, 64 pierścień dociskowy, 282 pierwiastki toksyczne, 46 pierwsza zasada lutowania, 306 pin, 197 platforma Arduino, 24 plus zasilania, 210 płytka drukowana, 297 drukowana robota, 178 montażowa, 153 prototypowa, 169 stykowa, 154, 159 układu drukowanego, 329 uniwersalna, 329 pobór prądu, 244, 258 podstawka dla układu scalonego, 331 podstawka pod lutownicę, 301 podtrzymanie odczytu, 64 podtrzymywanie silników, 350 podzespoły, 37 pojemnik na części, 122 połączenia elektryczne, 93 połączenia niepożądane, 112 połączenia w otworkach, 154 połączenie szyn zasilających, 173 pomiar „spadku napięcia”, 144 pomiar „True RMS”, 66

SKOROWIDZ

pomiar ciągłości obwodów, 109, 110 pomiar częstotliwości, 58 pomiar diod świecących, 134 interpretacja wyników, 135 ustawienie miernika, 134 pomiar indukcyjności, 62 pomiar napięcia, 176 pomiar napięcia „w punkcie”, 144 pomiar napięcia baterii, 96 interpretacja wyników, 98 ustawienie zakresu, 97 pomiar napięcia przemiennego, 65 pomiar napięcia stałego, 57, 97 pomiar napięcia w obwodzie, 143 pomiar natężenia dźwięku, 63 pomiar natężenia prądu, 150 pomiar pojemności, 58 pomiar potencjometru, 182 maksymalna rezystancja, 182 zmienna rezystancja, 182 pomiar prądu, 146, 149 pomiar prądu przemiennego, 66 pomiar prądu stałego, 57 pomiar prądu woltomierzem, 403 pomiar prędkości obrotowej silnika, 235 pomiar przesunięcia, 64 pomiar rezystancji, 57, 119, 338 interpretacja, 119 zakresy pomiarowe, 120 pomiar spadku napięcia, 339 pomiar stanów logicznych, 64 pomiar temperatury, 63 pomiar tranzystorów, 60 pomiar wartości maksymalnej, 61 pomiar wartości minimalnej, 61 pomiar wypełnienia przebiegu, 59 pomiar względny, 64 pomiar wzmocnienia tranzystora, 213 pomiary w punkcie testowym, 192 pomyłki montażowe, 404 porażenia, 48 bezpieczniki automatyczne, 49 prąd przemienny, 49 prąd stały, 49 uziemienie, 51 zasilanie, 52 porównanie mierników, 67 potencjometr, 179 do równoważenia rezystancji, 190 dostrojczy, 180, 181, 330 liniowy, 183

logarytmiczny, 183 wieloobrotowy, 181 wykładniczy, 183 potęga tysiąca, 74 PozRobot, 399 półprzewodniki bipolarne, 210 półprzewodniki polowe, 210 prawo Ohma, 401 prąd blokowania, 244 prąd jałowy, 242 prąd obciążenia (znamionowy), 243 prąd rozruchowy, 242 Preston Scott, 19 prędkość obrotowa silnika, 234 programator, 380 projekt robota, 86 czujniki, 88 korpus, 91 napęd, 90 oświetlenie trasy, 88 układy sterujące, 90 wskaźniki, 89 źródło zasilania, 87 prototyp, 153 próbne uruchomienie, 367 przedłużanie żywotności baterii, 148 przedrostki, 74 przekaźniki, 392 przekładnie planetarne, 252 przekroczenie wartości pomiaru, 65 przeliczanie obrotów, 237 przełączniki, 172 przełączniki DIP, 386 przełączniki tranzystorowe, 209 przełożenia nietypowe, 250 przełożenie bezwzględne, 250 przesyłanie danych, 396 przewody miedziane, 160 przewody miedziane ocynkowane, 160 przewody mostkujące, 161, 163 przewody z zaciskami, 109 przyciski, 29, 386

R ramię siły, 239 reflektory, 204, 207 regulacja czujników, 89 rezonatory kwarcowe, 391 rezystancja, 118

413 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

rezystor, 115 moc, 117 rozmiar, 116 tolerancja, 116 rezystory do montażu powierzchniowego, 116 o różnych wartościach, 116 ograniczające, 190, 402 zmienne, 179 Robocomp, 398 robot Buldożer, 26 Penguin, 24 Scribbler, 24 Stingray, 24 Boe-Bot, 24 robot podążający wzdłuż linii, 81 Robotic Arena, 399 Robotics Invention System, 24 roboty typu BEAM, 385 robotyka, 25 rozmiar robota, 85 rozmieszczenie elementów układu, 330 rozróżnianie komparatorów, 198 RPM, 234 RS-232, 62 rtęć, 47 rurki, 282 cięcie, 285 mocowanie osi, 284 mocowanie wału, 284 szlifowanie, 288 teleskopowe łączenie, 284 testowanie, 288 rurki termokurczliwe, 310

S schemat obwodu reflektorów, 205 obwodu wskaźnika zasilania, 140 obwodu zabezpieczającego, 375 połączeń układu śledzenia linii, 326 schyłek ery układów logicznych, 380 serwomechanizmy, 394 silnik bezrdzeniowy, 231 silnik bezszczotkowy, 229 silnik escap, 240 silnik GM2, 257 silnik Hsiang Neng, 346 silnik komutatorowy, 231

414 Ebookpoint.pl

silnik prądu stałego, 225 charakterystyka napięciowa, 240 charakterystyka prądowa, 241 parametry, 234 prędkość obrotowa, 234 schemat obwodu, 234 sprawność, 245 zakłócenia, 245 zasada działania, 225 silnik z przekładnią, 248, 256 budowa, 248 pobór prądu, 258 silnik z rdzeniem, 231 skręcanie, 376 skróty dla jednostek, 76 skróty dla liczb, 74 SMD, 116 SMT, 116 spadek napięcia w kierunku przewodzenia, 136 SPDT, Single Pole Double Throw, 172 spoiwo lutownicze bezołowiowe, 47 sprawdzanie przewodów pomiarowych, 109 sprawność diody LED, 131 sprawność silnika prądu stałego, 245 sprzedawcy dystansów, 358 stabilizator napięcia, 28, 381 sterowanie, 396 sterowanie silnikiem, 31 sterowanie za pomocą podczerwieni, 389 stojan, 226 stoper, 63 sygnały wejściowe komparatora, 204 symbol masy na schematach, 407 system kolorymetryczny CIE, 130 system metryczny, 73 szczotki zasilające, 229 szczypce, 165, 166 szczypce do zacisków złączy Molex, 314 szczypce z karbowanymi szczękami, 167 szyna rozprowadzająca, 157

Ś śledzenie linii, 87

T tachometr, 236 test otwartego obwodu, 110 test połączenia, 111

SKOROWIDZ

test zamkniętego obwodu, 111 testowanie układu robota, 337 rezystancja, 337 spadek napięcia, 339 tolerancja, 79 topnik, 299 tranzystor 2907A, 210–212 nota katalogowa, 211 tranzystor BC327, 212 tranzystor bipolarny, 211, 216, 407 tranzystor NPN, 211, 219 tranzystor PNP, 211, 218 tranzystor polowy, 407 trasa linia, 82 oświetlenie, 82 powierzchnia, 82 rozwidlenie, 85 skrzyżowanie, 85 zakręty i przecięcia, 84 trójpozycyjny przełącznik typu DPDT, 318 tryb badania diod, 136, 215 tryb pomiaru ciągłości obwodów, 109 tryb pomiaru wzmocnienia tranzystora, 213 tryb pracy miernika, 109 tryb śledzenia linii, 319 trymer, 180 trzecia ręka, 302 typowe problemy, 367 ocena czujników, 369 reflektory, 368 sterowanie, 373 umiejscowienie czujników, 368 ustawienie przełącznika, 367

U U zamiast μ, 75 ubrania ochronne, 45 udoskonalanie, 374 układ 7404, 379 układ LM193, 195 układ LM293, 195 układ LM393, 195, 196, 221 identyfikacja pinów, 197 nota katalogowa, 196 rozkład wyprowadzeń, 197 układ LM393M, 199 układ MCP1826S, 28

układ odczytu jasności, 188 czujniki, 189 fotorezystory, 189 potencjometr, 190 punkty testowe, 191 rezystor, 190 układ odczytu jasności zrównoważony, 193 układ robota, 337 układ scalony, 157 układ scalony 74LS04, 408 układ sterujący, 90 układ śledzenia linii, 325 lutowanie punktowe, 330 schemat, 326 układy logiczne, 379 układy sterujące, 27 układy typu DIP, 332 uniwersalny miernik cyfrowy, 55 zaciski haczykowe, 66 uproszczony współczynnik przełożenia, 250 uruchamianie robota, 363 dostrajanie, 363 pozycja przełącznika, 366 równoważenie czujników, 364 sprawdzanie czujników, 364 sprawdzanie silników, 365 sprawdzanie zasilania, 363 USB, 62 usuwanie izolacji, 163 uziemienie, 51

W wał przekładni, 249 wartości fotorezystorów, 189 wartość rezystora, 121 wirnik, 227 wkręt dociskowy, 296 właściwości kondensatorów, 383 właściwości mikrokontrolerów, 380 wskaźnik diodowy, 202 wskaźnik paskowy, 63 wskaźnik zasilania, 175 współczynnik przełożenia przekładni, 250 współczynnik wzmocnienia tranzystora, hFE, 213 wtyki bananowe, 158 wybór kół, 272 wybór kół dla Kanapki, 274 wybór obudowy, 341 wybór silnika z przekładnią, 255

415 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA POCZĄTKUJĄCYCH

wykrywanie przedmiotów, 389 wyłącznik różnicowoprądowy, 49 wyłącznik zasilania, 29, 171, 177 wyłączniki dla robota, 324 wyświetlacze, 395 wyświetlacze LED, 127 wzmacniacz, 211

Z zablokowanie silnika, 244 zaciski, 107 zaciski haczykowe, 108, 174 zaciski krokodylkowe, 107 zakres długości fal, 130 zakresy napięć, 371 zakresy pomiarowe rezystancji, 120 zakręty 45º, 135º, 180º, 84 zamiana prędkości na moment obrotowy, 252 zamiana rezystancji na napięcie, 193

416 Ebookpoint.pl

zapobieganie przepięciom, 375 zasilanie, 52, 139, 210 zatrzaski do baterii 9 V, 170 zatrzymanie wartości pomiaru, 64 zawody, 398 zestaw rezystorów, 116 złącze COM, 96, 146 złącze Molex KK, 312 złota zasada wiercenia i szlifowania, 348 zwarcie obwodu, 136 zworki, 162, 387

Ź źródło energii, 27 źródło zasilania, 169

Ż żywica epoksydowa, 291 żywotność baterii, 147, 148

NOTATKI

Ebookpoint.pl

Ebookpoint.pl