Электроника для начинающих

Электроника для начинающих: мы собрали основные этапы изучения электроники, разделив информацию по уровням сложности.

Настоящего робота нужно: придумать, создать, собрать и запрограммировать.  Из чего же будем собирать? Роботы, которых делают наши ученики, состоят из плат, проводков и различных электронных компонентов, так что без знаний электроники — никуда. 

В “Робиксе” с электричеством начинают знакомится самые маленькие ученики — от 5 лет. Сначала это простые электронные элементы, например: лампочка, светодиод, батарейка. И дальше, мы, набирая обороты, доходим до сложных электрофизических законов, пайки, транзисторов, резисторов… И так далее.

Содержание

• 1 уровень (Дошкольники)
  • Опыты и бумажная электроника
• 2 уровень (Начальная школа) 
  • Конструктор Знаток
  • Готовые наборы с макетной платой
• 3 уровень (Средняя школа)
  • Макетная плата
  • Пайка
  • BEAM-роботы
• 4 уровень (Продвинутый)
  • Микросхемы
  • Схемотехника
• Дополнительные материалы
  • Книги
  • Соревнования

1 уровень (Дошкольники)

Мы не советуем сразу подключать сложные конструкторы или паять компоненты. В этом случае большую часть работы выполнит  родитель, а ребенок будет лишь наблюдателем, которому скоро наскучит.

Опыты и бумажная электроника

Электроника для начинающих начинается с простых опытов из подручных материалов или готовых наборов, например “Бумажная электроника”. 

Начинайте с основ: статическое электричество. Вспомним элементарный опыт с расческой: расческу натираем о шерстяную ткань и подносим к голове — волосы “оживают” и поднимаются вслед за расческой.

Далее на примерах  раскрываем следующее:

• Что такое электрон? 
• Свойства электричества
• Электрический ток
• Почему лампочка светит?
• Магнетизм

Один из первых проектов наших дошкольников — это открытка со светодиодом. Для того, чтобы выполнить первые проекты по электронике нам понадобится: обычный лист бумаги, карандаши, алюминиевый скотч, батарейка и светодиод.

В нашей группе Вконтакте мы писали инструкцию, как сделать такую же дома самостоятельно: читать инструкцию.

В изучении основ электроники также помогут и интернет ресурсы. 

2 уровень (Начальная школа) 

Конструктор Знаток

В линейке конструкторов есть как наборы для малышей (от 5 лет), так и для детей средней и старшей школы. Детям дошкольного возраста точно понадобится помощь взрослых, чтобы следить за безопасностью. Конструктор Знаток не предусматривает защиту от короткого замыкания — будьте осторожны.

Оптимальный возраст для Знатока 8-10 лет, в этом возрасте ребенок сможет самостоятельно изучать инструкции, читать обозначения и схемы. 

Все детали легко (никакой пайки) соединяются между собой, пристегиваются к прозрачной и прочной пластиковой плате. К каждому набору прилагается буклет со схемами, которые можно собрать, используя наполнение конструктора, от простого к сложному. В процессе изучения ребенок может придумывать собственные схемы. 

Чтобы ребенок понял принцип чтения схемы, в начале буклета прописаны все условные обозначения и элементы. На этом этапе юный электронщик знакомится с понятиями электрической цепи и электронными компонентами: транзистор, резистор, мотор, конденсатор. 

Кроме этого, дополняем наши базовые знания:

• Закон Ома
• Закон электромагнитной индукции
• Электронные компоненты: диоды, светодиоды, стабилитроны, транзисторы(биполярные и полевые). Отдельное внимание нужно уделить наработке практики обращения с транзисторами. Четко понимать режимы работы транзисторов. 

Мы делали обзор на набор Знатока, вы можете посмотреть его  по ссылке: Обзор конструктора «Знаток» для Arduino BASIC.

Кроме “Знатока” есть и другие готовые детские наборы для изучения основ электроники.

Готовые наборы с макетной платой

В основе этих наборов — беспаечная макетная плата. Наборы выглядят более “взросло” и приближенно к реальным условиям работы электронщика. 

«Микроник» Амперка

На коробочке указано, что этот набор — электронный конструктор. И действительно, принцип набора напоминает усовершенствованный “Знаток”. Коллекция компонентов, макетная плата, буклет со схемами (без принципиальных схем).

Варианты проектов: светофор, таймер, клаксон, кодовый замок и так далее.  Всего 20 проектов. 

“Основы схемотехники.  Азбуки электронщика” МастерКит

Этот набор подойдет для детей от 10 лет. 

Кроме схем, в брошюре также есть и теоретические материалы: определение компонентов, формулы расчета сопротивления, формулы расчета емкости конденсаторов.

“Юный физик” Научные развлечения

Набор не ограничен темой электричества, содержит 120 опытов, но также содержит опыты по теме «Электроника для начинающих».

3 уровень (Средняя школа)

Макетная плата

Готовые наборы отлично подойдут на первом этапе, чтобы понять интерес ребенка к электронике. Количество опытов в коробке все-таки ограничено, как и количество деталей.

Самый лучший вариант — многоразовая макетная плата или же беспаечная плата. На ней можно легко соединять элементы между собой без пайки. Это существенно сэкономит время, от вас потребуется чуть больше пространственного воображения, чтобы понять принцип ее работы. 

Соединение происходит при помощи проводов-перемычек  — джамперов.

На нашем сайте есть отличная инструкция по работе с макетной платой. Мы даже сломали одну плату, чтобы рассказать вам, что хранится внутри. А еще там есть интересные задания для новичков.

На этом уровне можно начинать работать с паяльником. 

Пайка

Для работы с детьми  лучше выбрать электрический паяльник со станцией. У таких паяльников чаще всего есть подставка, на которую удобно ставить ручку в перерывах между работой. Станция подключается к розетке 220 вольт, но у ручки напряжение пониженное — 25-30 вольт. Это безопасное напряжение для ребенка. 

Для наших целей (пайка плат и радиодеталей) достаточно будет мощности паяльника — 30-40 ватт. 

На забывайте про меры безопасности: не класть паяльник на стол, использовать очки от брызг флюса и паять в хорошо проветриваемом помещении. 

После знакомства с паяльником, можно попробовать спаять первую схему на печатной макетной плате со светодиодом. 

Для первой схемы понадобится: 

1. Печатная макетная плата
2. Паяльник
3. Батарейка 9В — для питания
4. Светодиод
5. Транзистор 330 Ом — для ограничения силы тока
6. Разъем для подключения батареи к цепи

BEAM-роботы

Проекты на Arduino и Raspberry Pi  подразумевают знания программирования. Если вы еще не готовы писать код для своего робота, то попробуйте собрать beam-робота. Это роботы, для построения которых используются простые аналоговые схемы.

BEAM – это аббревиатура  —  Biology, Electronics, Aesthetics, Mechanics.

Такие роботы подражают природе, заимствуют паттерны поведения живых существ(Biology), создаются из простых электронных схем, без использования микропроцессоров, типа Arduino и Raspberry (Electronics), привлекательный внешний вид (Aesthetics ) и «хитрые», не очевидные технические решения (Mechanics).

BEAM-роботы копируют поведение живых существ, а именно движение и органы чувств. Например, роботы фототропы, которые копируют механику зрения и реагируют на свет, а также подзаряжаются от солнечной батареи. Роботы аудиотропы реагируют на звуки.

BEAM-роботы собираются по аналоговой схеме из простых компонентов.

Этот робот реагирует на свет, собирается всего из 7 запчастей:

— моторчиков (2 штуки)

— транзисторов 2N3904 (2 штуки)

— нескольких датчиков света, например, фототранзисторы, или фотодиоды, или фоторезисторы

— батарейка на 5в

Примеры других beam-роботов ищите на форуме: http://www.servodroid.ru/forum/7-108-1

4 уровень (Продвинутый)

Для создания сложных проектов на макетной плате можно использовать микросхемы. 

Микросхемы (интегральные схемы)

Интегральные схемы очень широко применяются в цифровых схемах. Эти микросхемы могут выполнять очень многое, просто включая и выключая нужные части внешней схемы, и делают это очень быстро.

У всех интегральных схем есть металлические выводы для соединения с компонентами внешних цепей. Чтобы узнать назначение каждого вывода конкретной ИС, необходимо обратиться к ее техническому описанию.

Одна интегральная схема  может содержать очень сложную схему, поэтому  на ее основе  можно создавать схемы самого разного назначения.

Одна из классических интегральных схем — таймер 555, который можно использовать для быстрого включения и выключения разных компонентов.Он годится и для создания мигалки, мигающей один раз в секунду, но его можно подключить и к динамику для получения звука.

Попробуйте создать проект на основе таймера 555. Например, это может быть музыкальная шкатулка. При подаче напряжения питания схема исполняет несложную мелодию.

Музыкальная шкатулка на таймере 555

Схемотехника

Классический учебник по схемотехнике “Искусство схемотехники” П. Хоровиц и У. Хилл

В книге доступным языком, с самых азов,  с примерами и формулами, описывают как проектировать схемы. 

Но найти эту книгу сейчас сложно, поэтому советуем также одноименный цикл лекций от доцента кафедры Общей физики СПБГУ. 16 лекций, которые соответствуют содержанию первого тома «Искусства схемотехники»: https://www.youtube.com/playlist?list=PLKT-Mf5xK5brEZe4V2R9bPq5PRpK9kPvw

В процессе изучения основ схемотехники и подготовкой собственной платы, вы столкнетесь с понятием — разводка печатной платы. Разводка — процесс разработки проводящего рисунка печатных плат.

Сначала мы делаем проект на макетной плате, о ней мы писали, а далее переносим на чистовой вариант — на печатную плату.

Подробно об изготовлении печатной плате в домашних условиях вы можете посмотреть на ютубе, например:

https://www.youtube.com/watch?v=Rbf7AZkfNwQ&t=8s — разводка в EasyEDA

Раньше рисунок для платы делали от руки, но сейчас появились и специальные программы, и онлайн сервисы. Вы можете использовать любую. В видео автор использует программу EasyEDA, вы тоже можете начать с нее.

Также, в домашних условиях вам пригодиться: Метод ЛУТа (лазерно-утюжная технология).

https://www.youtube.com/watch?v=NJTeIALlztI&t=21s — ЛУТ в домашних условиях.

В качестве лазера — лазерный принтер. 

Дополнительный материалы

Книги по электронике для начинающих

Электроника шаг за шагом. Рудольф Сворень

Культовая книжка в среде радиолюбителей и электронщиков. В интернете книгу называют «азбукой электронщика». Книгу отлично подойдет для новичков, так как объясняет всю базу (например, строение атома, как течет ток в электрической цепи, как распространяются радиоволны в атмосфере земли), а также учит рассуждать и логически мыслить, развивать в себе изобретательность, собранность и аккуратность. Содержание подкреплено множеством схем и иллюстраций.

В 2020 году книгу переиздали, дополнив ее комментариями, а также «Практикумом» на основе современных компонентов.

Радиоэлектроника для «чайников». Гордон Мак-Комб, Эрл Бойсен

Книга затрагивает все области электроники, и даже часть программирования. Авторы не углубляются в темы, скорее обозревают их. Эта книга отлично разложит весь массив знаний по полочкам: что такое электричество, правила безопасности, принцип работы радиодеталей (транзисторов, резисторов и тд), как читать схемы, как работать с макетной платой и паяльником.

Юный радиолюбитель. Виктор Борисов

Теория радиоэлектроники написана специально для школьников и построена как цикл бесед.

· Беседа третья. О колебаниях, волнах и звуке.

·  Беседа четвёртая. Об электрическом токе.

·  Беседа пятая. Первое знакомство с радиопередачей и радиоприёмом.

Последнее издание книги вышло в 1992 году и скорее всего частично устарело.

Искусство схемотехники. П. Хоровиц и У. Хилл

Классика, которая часто упоминается в паре с трудом Р. Свореня. В книге доступным языком, с самых азов, с примерами и формулами, описывают как проектировать схемы. 

Практика

Электроника для начинающих. Чарльз Платт

От простого к сложному, автор поясняет на наглядных примерах принцип взаимодействия электронных компонентов. Особенность этой книги в том, что обучение происходит в ходе экспериментов, преимущественно из которых и состоит книга. Более 500 фотографий и рисунков — идеально для новичков. 

Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника. Дмитрий Мамичев

Книга состоит из описаний простых конструкций, содержащих электронные компоненты.

Очень подробно расписано, как и из чего их сделать, а также автор объясняет принцип работы схемы.

Простая электроника. Инженерка https://электроникадетям.рф/

В книге содержится более 40 описаний проектов по электронике: светофор, карманный фонарик, лазерная сигнализация и многое другое. Все описания дополнены подробными иллюстрациями. Кроме этого книга рассказывает о самых базовых понятиях электроники, учит читать принципиальные схемы и паять.

Соревнования по электронике

WorldSkills

Организация Союз «Молодые профессионалы (Ворлдскиллс Россия) проводит соревнования в компетенции «Электроника».

Конкурсное задание содержит 3 модуля:
1. Модуль А. Проектирование прототипа аппаратного обеспечения.
2. Модуль B. Программирование встраиваемых систем.
3. Модуль C. Поиск неисправностей и ремонт

В заданиях модуля В могут участвовать дети от 12 лет. Остальные модули предусмотрены для детей от 14 лет. Подробнее с информацией о заданиях и положении сореванований, вы можете ознакомиться здесь: компетенция «Электроника».

РобоФинист

Некоторые соревнования по робототехники разрешают использование BEAM-роботов в некоторых дисциплинах. Например, в движении по линии.

Подробнее о соревнованиях и их положениях, вы можете ознакомиться на официальном сайте РобоФинист.