Как научиться электронике и схемотехнике

Вы наверняка встречали в сети потрясающие проекты вроде оркестра из дисководов, который исполняет знаменитую тему Дарта Вейдера, или макета портальной пушки из «Рика и Морти», или динамической подсветки монитора, или еще бесконечного количества полезных, забавных и даже слегка безумных изобретений. Если вам вдруг захотелось сделать что-то такое самостоятельно, а никаких познаний в электро- и схемотехнике у вас нет, то в этой статье я постараюсь помочь, рассказав, о том, как научиться электронике и схемотехнике.

Предположим, что у вас появилось большое желание создать свой неповторимый проект. Уже есть виденье и представление о том, что будет делать ваше устройство, но тут вы сталкиваетесь с закономерным вопросом: как? Школьный курс физики давно забыт, а Google предлагает такое количество информации, что совершенно неясно, с чего начать.

Возможно, ваши первые проекты будут полным провалом, но видео на канале удивительной Симоны Гирц всегда смогут вас приободрить, а может быть, и вдохновить.

Сейчас проще всего начинать с покупки одноплатного компьютера или микроконтроллера и выбора модулей к нему — благо стоит все это дешево. Провода и электронные компоненты вы тоже легко найдете по скромным ценам, а кое-что сможете даже позаимствовать из старого сломанного ноутбука или другой отслужившей свой век техники. Но сначала необходимо определиться, что именно брать в качестве основы.

Выбор платформы: Arduino или Raspberry Pi

Две самые знаменитые платформы для реализации проектов «сделай сам» — это микрокомпьютер Raspberry Pi и микроконтроллер Arduino. А знаменитость в таких случаях означает массу совместимых компонентов и мануалов, которые можно применять без изменений.

Arduino — это опенсорсная плата на основе чипов Atmel ATmega 8/168/328 AVR. Ее основное применение — работа с датчиками и сенсорами. Данная плата прекрасно подходит для простых проектов, где от гаджета требуется только реагировать на поступающие данные.

Для начала работы с Arduino понадобится среда разработки — Arduino IDE. В ней обычно пишут на Arduino programming language. Но есть и поддержка С и С++.

ПО для работы с Arduino простое в использовании и не вызовет вопросов у новичка, но при этом оно достаточно гибкое, чтобы не переставать им пользоваться и потом. Arduino IDE без особых проблем идет в Mac, Windows и Linux.

В общем, Arduino — это мастхев для любого, кто хочет научиться электроники и начать мастерить что-то электронное. В качестве начального проекта подойдет любой из готовых наборов либо что-то из наработок сообщества Arduino. Самый легкий вариант можно собрать на макетной плате.

В модельной линейке фирменных Arduino есть разные варианты. В первую очередь вам пригодятся Uno или Leonardo.

Главное различие между ними в том, что Leonardo может подключаться не только как СОМ-порт, но и как мышка или клавиатура. В остальном разница между Uno и Leonardo не существенна. Зато когда вы возьметесь за более амбициозные проекты, то обязательно взгляните на Mega и Duo, у них много важных отличий: больше входов и выходов, больше оперативной и флеш-памяти. А модель Micro выделяется своими размерами — всего 4,8 на 1,77 см.

К тому же у Arduino есть многочисленные клоны, многие из которых по качеству совсем не уступают оригиналу. Стоить они могут намного дешевле, но совместимы с софтом и модулями для Arduino. Нет ничего особенно зазорного в покупке клона, поскольку дизайн Arduino опенсорсный. А вот за сборку и качество компонентов клонов отвечают только их производители. Также различаться могут размеры и разводка, расположение кнопок и светодиодов — в тех рамках, что не мешают совместимости с периферией.

Craftduino, Seeeduino, Freeduino, Robotdyn, Iteaduino — зарубежные аналоги Arduino, сопоставимые по качеству с оригиналом. «Ваниль» и Iskra — российские. Кстати, у компании Iskra есть и собственные модули.

Вы можете заказать плату по очень приятной цене на «Aliexpress», но проблема в том, что нет легкого способа отличить качественный клон от некачественной подделки по фотографии. Брак бывает малозаметен, как изображено на картинке.

Однако если вам уже попалась нерабочая плата, то и ее при желании (и некотором умении) можно починить.

Другая распространенная проблема с дешевыми китайскими клонами — это использование чипа CH340 вместо ATmega. Если видите Arduino за 200 рублей, то там наверняка стоит именно этот CH340 чип. Однако для его поддержки нужно всего лишь установить другой драйвер, так что в каком-то смысле экономия может быть очень даже оправданной.

Что же касается Raspberry Pi, это компьютер со своей операционной системой, на него даже можно установить большинство программ для Linux (если есть сборка для ARM или если удастся собрать из исходных кодов). Из Raspberry Pi делают игровые приставки, камеры видеонаблюдения, устройства с тачскринами и файловый сервер с блокировкой рекламы и т.д.

Если для вашего проекта нужен полноценный компьютер с разнообразием утилит и библиотек, то Raspberry Pi или Raspberry Pi Zero W — отличный, хорошо поддерживаемый разработчиками и сообществом вариант. При желании вы даже можете связать Arduino и Raspberry Pi, чтобы они работали в связке: например, несколько микроконтроллеров Arduino будут собирать информацию с датчиков, а Raspberry Pi обрабатывать ее.

Несколько советов начинающим

На первых этапах невозможно не совершать ошибки, это неизбежная часть обучения. Но тем не менее было бы жестоко не поделиться советами, которые сэкономят вам время, деньги и нервы.

• Берите готовые модули, чтобы первое время не паять. Когда я спалил свой первый модуль Bluetooth, это на некоторое время отбило мне желание работать с Arduino.
• Не нужно сразу покупать много комплектов и деталей. Если в арсенале светодиодная матрица, камера, датчик шума и другие игрушки, становится сложно закончить хотя бы один проект. А как можно скорее получить первый результат — это очень важно, чтобы не потерять энтузиазм по пути к достижению к цели.
• При выборе проекта ориентируйтесь на его уровень: не стоит браться за сложный проект. Скорее всего, это превратится в простое копирование, которое не принесет вам никакого удовольствия. Самое главное на этом этапе — удачно выбрать проект, в противном случае у вас может пропасть желание заниматься этим дальше. (А дальше — только интереснее!)
• Очень полезна будет макетная плата. Для начала лучше взять побольше: с ней легче работать, вы не запутаетесь в проводах и сможете лучше разобраться в процессе. Сэкономленные 60 рублей счастья не принесут, а с большой платой будет в разы приятнее и эффективнее работать.

Время паять!

Когда-нибудь при изучении электроники и схемотехники обязательно настанет время взять в руки паяльник. Скорее всего, это случится, когда вы возьметесь за собственный проект, в котором вам будут нужны немодульные детали. Тогда придется делать новые модули или травить схему. В любом случае — паять вам придется. А вот чем — это уже отдельный вопрос.

Меня вполне устраивает мой паяльник за 200 рублей (можно сказать, собираю все на коленках!). Однако, какой бы вы не выбрали паяльник, элементарную технику безопасности никто не отменял: заранее убирайте посторонние (в особенности — легко воспламеняющиеся) предметы со стола, обеспечьте проветривание и не пренебрегайте защитными очками — они, скорее всего, будут продаваться там же, где и паяльник.

Прежде чем покупать что-то серьезное типа паяльной станции, рекомендую приобрести простой паяльник и попробовать поработать с ним. Стабильная температура, которую обеспечит станция, бывает полезной при пайке микросхем, но в остальных случаях не особенно и нужна. Кстати, по личному опыту пайки SMD могу сказать, что это реально сделать и обычным паяльником, просто нужно иметь пару запасных деталей на случай, если спалите.

Паяльники, конечно, тоже бывают разные. Рекомендую брать устройство со сменным жалом — для большей гибкости. Нагреватель обычно советуют керамический, как более долговечный. Однако вам, скорее всего, не нужно будет работать с ним каждый день, поэтому подойдет и более дешевый — нихромовый.

При покупке паяльника стоит взять и подставку для него: ждать, пока инструмент остынет или нагреется, нудно и неблагодарно. Особенно тоскливо, если вы должны держать его все время в руке. И даже не думайте оставлять его в «безопасном состоянии» на столе и уходить курить!

Что до паяльных станций, то они куда безопаснее и удобнее, однако и значительно дороже. По сути, паяльная станция — апгрейд паяльника. Самая простая и недорогая версия будет включать в себя подставку и контрольный модуль. В нем — монитор для отображения текущей температуры и ручка-регулятор. Комплектация паяльной станции может варьироваться в зависимости от цены. В комплекте может быть вакуумный пинцет, оловоотсос, фен для локального подогрева и еще много интересных фишек облегчающих вам жизнь.

Мультиметр вам в помощь

Возможно, со времен восьмого класса (или того, в котором в вашей школе проходили электричество и магнетизм) вы помните, кто такие амперметр и вольтметр. Мультиметр, или, по паспорту, «прибор измерительный универсальный», делает все то же самое, что эти ребята, и еще кое-что. Устройство позволяет измерять напряжение, работоспособность цепи, силу тока, температуру и коэффициент усиления транзистора.

В зависимости от модели характеристики варьируются, но все такие приборы многофункциональны. Самая знаменитая марка — DT, дешево и сердито. Если хотите сразу что-то более продвинутое, то обычно советуют Mastech или HoldPeak.

Мультиметр нужен в первую очередь для того, чтобы проверять, как теория сходится с практикой. Нагревание элементов и паразитные токи могут влиять на конечный результат, поэтому нам нужен контролирующий прибор. Ну и конечно, при необходимости (и ради научного интереса) на работоспособность можно проверять отдельные детали.

Даже навороченный мультиметр прост в использовании. Выбираем режим, прикладываем щупы к нужным местам и снимаем показания. Режим зависит от того, какую характеристику измеряем и в каких пределах. Характеристики на мультиметрах выделены в отдельные рамки с подписью, в этих рамках мы и выбираем второй параметр — пределы измерения.

Признаюсь, у меня нет мультиметра, и для некоторых проектов мне приходилось одалживать его у знакомых. Советую вам приобрести его по одной простой причине: с ним будет намного легче. Не придется лишний раз ломать голову, почему что-то не работает, — можно просто проверить.

Проектирование и расчет схем: где научиться

В этой статье мы не будем углубляться в проектирование схем: материала тут огромное количество, но он неплохо покрыт школьной (а у кого-то и институтской) программой и литературой.

Если вы все проспали, но неплохо понимаете английский, то можете начать с лекций на «Академии Хана» — они бесплатны, очень доходчивы и от самых азов постепенно переходят к более серьезным темам. Есть даже небольшой курс, в котором объясняют устройство бытовых приборов: электронных часов, кофеварки, фена и так далее.

Если же хочется что-то на русском, то ваша дорога лежит в книжный магазин, техническую библиотеку или их аналоги в интернете. Вот три книги, которые я рекомендую посмотреть в первую очередь.

«Искусство схемотехники», П. Хоровиц и У. Хилл

Первая глава «Основы электроники» — практически школьный курс физики. Изложено все доступным языком, книга даст все необходимое, чтобы освоиться с нуля, или поможет восполнить пробелы и систематизировать знания тем, кто уже знаком со схемотехникой. На форумах пишут, что книга старая и упущены «тонкие моменты». Но почему-то не говорят, что именно упущено.

«Основы схемотехники», Е. Воробьева, В. Иванченко

Книга представляет собой конспект лекций. Плюс — краткость изложения. Минус очевидный: новичку эта книга может быть немного сложновата.

«Цифровая схемотехника и архитектура компьютера», Д. Хэррис и С. Хэррис

Отличная книга, о которой слышал каждый, кто хоть когда-нибудь интересовался архитектурой компьютера. Здесь разбираются языки описания аппаратуры — SystemVerilog и VHDL.

Если у вас нет времени на чтение, то понять, что у чему, поможет ПО для моделирования схем (или послужит наглядной иллюстрацией к прочитанному). Из наиболее продвинутых можете посмотреть LTspice, DipTrace и опенсорсный Qucs. Но вариантов масса, есть даже бесплатные симуляторы, работающие прямо в браузере.

Первый проект

Аналог «Hello world!» в электронике — это мигание светодиодом. В качестве первого проекта — самое то. Если захотите усложнить, делайте светодиодную матрицу, на которую можно выводить пиксельную картинку или даже анимацию. Добавьте пару кнопок, и готов игровой автомат, на котором пойдет «Змейка». Дальше можете освоить модули, которые вам приглянутся,— например, для измерения температуры и влажности в комнате.

Все это займет не так много времени, зато даст освоиться с базовыми навыками и вдохновиться на дальнейшее развитие. Теперь более сложный проект как минимум не будет казаться таким уж страшным.

Если вы все еще не придумали, что хотите сделать, но уже определился с платформой, то в интернете вы обязательно найдете что-нибудь по вкусу. Если вы выбрали Raspberry Pi, есть смысл заглянуть на сайт projects.raspberrypi.org.

Если же ваш выбор пал на микроконтроллер Arduino, вас впечатлит выбор проектов на arduino.cc.

Примеры для вдохновения

Напоследок я хочу рассказать о нескольких крутых проектах, которые должны подогреть ваш интерес еще больше.

В свое время меня впечатлило устройство на базе Arduino, которое способно взломать навесной кодовый замок приблизительно за пять минут. При предварительном тесте замка количество комбинаций для перебора можно уменьшить в десять раз.

Если вам больше нравятся роботы, то обратите внимание на собранную из труб ПВХ рыбу-робота. На мой вкус — выдающийся экземпляр робототехники. Его можно использовать для изучения водоема или же сделать аквариум с такими жильцами для собственного удовольствия. А для создания подобной рыбы нужно не так много: водонепроницаемые сервоприводы и контроллер Arduino.

Из Raspberry Pi можно сделать самопальный компьютер или планшет, но это не очень-то захватывающе. По крайней мере, в сравнении со стратостатом на Raspberry Pi, который сделает замечательные снимки или запишет видео. Кое-кто даже запустил в небо Супермена, где ему и место. Супергерой достиг значительной высоты — 35,5 км.

Я постарался рассказать здесь о самых азах, но чем глубже изучаешь вопрос, тем интереснее становится. Надеюсь, мои советы помогут вам в изучении электроники и схемотехники и вы сможете создать что-нибудь потрясающее.

https://t.me/it_ha