Физика тока для программиста

Электрические цепи и контроллер

Немного про сопротивление

Теперь мы возьмём кусочек проводника, например, металлическую проволоку, и представим себе что это дорога. А электроны, которые по ней едут, это - машины. Если ничего не мешает, машины движутся по автостраде с большой скоростью. Хорошая автострада, машины могут ехать по ней по 5 одновременно.

Дорога

А теперь представим, что на дороге у нас прямо в центре большая яма. Глубокая, заполненная водой. Машины по ней могут проехать, но скорость придётся очень сильно сбросить. И если до ямы по дороге могли проехать 5 машин в секунду, то после ямы общее количество будет примерно две машины в секунду. То есть общая пропускная способность дороги значительно снизилась.

Дорога с ямой

Если мы вернёмся к электронам и электричеству, то такую ситуацию изображают схематично так:

Резистор

Прямые линии на этой картинке - это проводники, своего рода автострада для электронов. А прямоугольник - это и есть та самая яма, которая заставляет электроны сбросить скорость. По сути это - специальное вещество, через которое электроны могут пройти, но с усилиями. Такой элемент в электронике называется резистор, или сопротивление и используется он очень часто.

Закон Ома

Также сопротивлением называется ключевая характеристика, показывающая насколько резистор может затормозить движение электронов через себя. Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в Омах (например 20 Ом или 20R). Часто сопротивление измеряется в килоомах, то есть в тысячах Ом (например 20кОм, или 20k).

Скорость движения электронов, которая уменьшается как раз с помощью резистора, называется сила тока. Обозначается она большой буквой I и измеряется в Амперах. Хотя чаще всего в электронике сила тока составляет тысячные доли Ампера и пишется в миллиамперах, например, 40 мА.

На нашей картинке по дороге могут проехать, в целом, всего две машинки. В реальности же сила тока в 1 Ампер это огромное количество электронов, если быть точнее 6,241·10¹⁸.

Осталось рассмотреть ещё одну ключевую характеристику цепи, которая называется напряжение. Это разность между количеством электронов в двух точках электрической цепи. Как мы помним, именно эта разность и создаёт электрический ток, когда в одной точке электронов мало, а в другой их недостаток. Именно поэтому мы можем, например, взять батарейку и увидеть на ней надпись: 1,5V - это и есть напряжение источника питания, которое измеряется в вольтах.

Батарейка

Но напряжение может быть не только у источника питания, ведь на нашей схеме на разных сторонах резистора разное количество электронов, значит на нём тоже есть определённое напряжение, которое также можно измерить.

В целом же можно заметить, что если мы будем увеличивать сопротивление, то электроны пойдут через цепь с маленькой скоростью, а значит сила тока снизится. Если же мы увеличим напряжение, то силы направляющие электроны вперёд увеличатся, и их станет больше проходить через резистор, то есть сила тока возрастёт. Эта закономерность называется закон Ома.

Закон ома

И снова сопротивление

Возникает логичный вопрос: а для чего же нам уменьшать скорость электронов?

Возьмём для примера довольно распространённый элемент в электронике, который называется светодиод. На схеме он будет выглядеть так:

схема резистор-светодиод.

Светодиод - один из самых эффективных источников света: большинство протекающих через него электронов тратят энергию именно на свечение. Но при этом он очень капризный: если электронов будет слишком мало он гореть не будет, или будет гореть очень плохо. А если пройдёт электронов слишком много - он не выдержит такую «толпу», и просто выйдет из строя. Именно поэтому в цепь со светодиодом добавляют резистор, он создаёт для светодиода необходимую силу тока - то есть задаёт нужную скорость.

Плюс или минус? Земля!

Электрический ток исследовали достаточно давно, но раньше не знали его природу. И во всех исследованиях считали что передвигается положительный заряд, то есть ток течёт от плюса к минусу. А потом открыли электроны, и узнали, что это было ошибочное представление. Но к тому времени было выучено уже множество людей, написано множество научных статей, учебников и других работ, и всё это исправить было уже маловероятно. Пришлось прийти к такому решению: новые открытия принять к сведению, но все исследования и схемы оставить как прежде, и считать что ток течёт от плюса к минусу.

В электронике же мы будем считать что электроны будут двигаться от плюса к GND. Это сокращённо от ground - земля. Дело в том, что напряжение у устройств может быть одинаковым, так как это - всего лишь разность между количеством электронов, а вот уровни электронов на полюсах устройства могут быть разными. Чтобы выровнять полюса электронов и задать общую точку отсчета надо использовать некоторый общий уровень для всех соединенных устройств. В идеале это уровень планеты земля - он примерно одинаков везде. Заземлить, конечно, все печатные платы и компоненты трудно, но объединить один из полюсов можно, и этот общий контакт для всех устройств и будет GND. Таким образом ток в электронике всегда начинается в определённой точке, а заканчивается в GND, куда стремятся условно уйти все электроны.

резистор-светодиод

Привет, микроконтроллер!

А теперь нам осталось понять, какую же роль играет микроконтроллер во всех схемах. Проще всего микроконтроллер представить в виде большой коробки, наполненной электронами.

А ещё у этой коробки есть двери, они называются пины (pin). Каждую дверь можно открывать. Если мы открываем дверь наружу (OUTPUT), то тогда электроны могут выходить из микроконтроллера. Например, мы можем присоединить к этому пину нашу схему со светодиодом. Тогда открыв условную дверь - пин мы выпустим электроны, они устремятся к GND, по пути пройдут резистор, который уменьшит их скорость и пробегут через светодиод, заставляя его излучать свет.

Но мы можем открывать дверь ещё и внутрь (INPUT). Тогда электроны смогут забегать в наш контроллер, а мы при этом сможем узнать есть они на входе или нет (для цифровых пинов), и даже измерить их количество, то есть уровень напряжения относительно GND (для аналоговых пинов).

Как работает arduino

И управляя дверьми - пинами мы можем выстраивать разную последовательность действий. Например, присоединим к входной двери терморезистор. Он меняет своё сопротивление, а следовательно и напряжение под действием температуры. Мы можем измерить уровень напряжения на нём и узнать текущую температуру. А на выходной двери мы можем поставить, например, вентилятор, и включать его если станет слишком жарко.

Самое главное, что надо запомнить: микроконтроллер никогда не знает что и как к нему подключили. Эту информацию знает только разработчик, поэтому всегда надо указывать всё микроконтроллеру в мельчайших подробностях: какие его пины мы используем, в какую сторону их открывать, когда и в какой последовательности с ними работать. Всё что может микроконтроллер - это только управление своими выходами - дверями по специальным командам.