Nápady a inšpirácie na začiatok výučby elektroniky
Najväčšou (možno jedinou) prekážkou na začiatku výučby elektroniky je zhromaždenie niekoľkých kusov zariadení. Ako už bolo spomenuté v predchádzajúcich častiach, bude to do veľkej miery závisieť od toho, ako sa rozhodnete zahryznúť do svojho nového koníčka. Existuje mnoho ciest, každá je spojená s určitým rizikom a na každej nás čakajú výzvy. Pozrime sa teda na niektoré problémy, s ktorými sa môžeme stretnúť na začiatku.
Základné elektrické obvody
Skôr ako sa pustíme do elektroniky, skúsme si elektrinu predstaviť pomocou praktickej, intuitívnej metafory, ktorá môže pomôcť pochopiť tento jav aj deťom. Najjednoduchšie sa pri vysvetľovaní používa prirovnanie k tečúcej vode. Rozdiel potenciálov alebo elektrické napätie možno predstaviť ako výškový rozdiel medzi zdrojom a nádržou (alebo tlak vytvorený čerpadlom, ktorého úlohu v prípade elektriny preberá zdroj). Ak si prúd predstavíme ako prúdenie kvapaliny v potrubí, spínač možno znázorniť ako ventil. Elektrický prúd by tak bol ako prúd vody, rezistor zúžením, ktoré obmedzuje tok, zatiaľ čo kondenzátor zásobníkom, ktorý sa najprv naplní a po zatvorení ventilu sa postupne vyprázdňuje, pričom určitý čas umožňuje vode ďalej prúdiť. Pomocou tohto porovnania možno (veľmi zjednodušene!) vysvetliť mnohé javy vyskytujúce sa v elektronike.
Keď máme predstavu o toku elektrickej energie, môžeme sa pustiť do prvého projektu. Táto fáza výučby bude kľúčová pre najmladších. Nezabudnite, že dieťa musí najprv pochopiť základy, ktoré sa nám môžu zdať úplne samozrejmé. Preto začnime s najjednoduchšími obvodmi – takými, aké môžeme nájsť v domácej elektroinštalácii. Najprv napájanie žiarovky pomocou batérií, potom zapínanie/vypínanie žiarovky pomocou tlačidla, striedanie dvoch žiaroviek pomocou vypínača atď. Úlohou na vysvetlenie praktického využitia elektriny je usporiadanie dvoch spínačov, z ktorých každý možno použiť na zopnutie a rozopnutie obvodu. Toto usporiadanie sa často používa na dlhých chodbách, kde umožňuje zapnutie svetla na jednom konci chodby a vypnutie na druhom. Nemali by sme zabúdať ani na to, že nákresy sú vynikajúcim spôsobom, ako si uľahčiť akýkoľvek druh učenia; v tomto prípade budú úvodom do získavania poznatkov o elektrických schémach.
Keď žiak pochopí, ako sa dá pracovať s elektrinou, bez obáv môžeme predstaviť rezistor (stlmenie svetla) a potom nahradiť žiarovku LED diódou, ktorá sa rozsvieti len vtedy, ak sú správne zapojené prívody k + a – napájacieho zdroja. Týmto spôsobom sme už plynule a nenápadne vstúpili na pôdu elektroniky.
Najjednoduchšie elektrické projekty
Vynára sa otázka, akou cestou je najlepšie sa vydať, keď sme začali stavať naše prvé elektronické projekty. V záujme zachovania určitej dôslednosti je vhodné zvoliť si jednu z troch nižšie opísaných ciest, aby sme postupne zvládli určité skupiny otázok. Je to individuálna voľba; vyberme si možnosť, ktorá sa nám zdá najpríťažlivejšia (alebo si vyberme iné na základe záujmov alebo okolností). Pri práci s dieťaťom najprv preskúmajme témy, o ktoré mladý študent prejavuje záujem. Všeobecné témy elektroniky sú úzko prepojené: nech si vyberieme akúkoľvek cestu, stále dosiahneme svoj cieľ, ktorým je zvládnutie základov. Zároveň by sme si mali uvedomiť, že každý robí pri učení chyby. Prepálené súčiastky, chybné vodiče a nesprávne zapojené obvody sú každodenným chlebom aj skúsených inžinierov. Takže sa nevzdávajme a skúšajme to ďalej! Základným nástrojom inžiniera elektronika je odpadkový kôš – na neúspešné projekty.
Cesta komponentov pri výučbe elektroniky
Prvou myšlienkou pri oboznamovaní sa s elektronikou je zamerať sa na jednoduché obvody, ktoré môžeme vytvoriť s najjednoduchšími súčiastkami. Táto metóda má výhodu, že sa rýchlo naučíme čítať schémy a rozhodovať o parametroch súčiastok na základe ich skrátených hodnôt (vytlačených na samotných telách). Okrem toho si touto cestou osvojíme symboliku elektronických schém a čítanie dokumentácie. To bude okrem iného potrebné na správne zapojenie tranzistorov, rozpoznanie polarity kondenzátorov a LED diód atď.
Skutočnosť, že sa zameriavame na obvody zostavené zo základných súčiastok, nás nebude obmedzovať na triviálne projekty. Naopak, pomocou tejto metódy môžeme zostrojiť obvody na riadenie motorov, generátory zvuku, zosilňovače a meniče zvukového signálu, regulátory svetla a mnoho ďalších užitočných zariadení. Navyše pri tom spoznáme princíp ich činnosti, čo nám v budúcnosti uľahčí výber a používanie integrovaných obvodov.
Medzi projekty, ktoré sa oplatí urobiť ako prvé, patria multivibrátory, usmerňovacie mostíky, H mostíky, komparátory, automatické spínače so snímačmi teploty a osvetlenia, združovače signálov, zosilňovače a RC filtre atď. Ich činnosť sa reguluje vhodne zapojenými spínačmi a potenciometrami – môžu teda plniť množstvo rôznych funkcií.
V tejto fáze je vhodné zaoberať sa aj problematikou hradiel používaných na vykonávanie logických operácií AND, NAND, OR atď. Pomocou tranzistorov tieto obvody bez problémov zostrojíme, pričom urobíme prvý krok k problematike digitálnej elektroniky a informatizácie. Logické hradlá sú riešením, ktoré sa používa v mnohých malých projektoch automatizácie, takže sú užitočným nástrojom pri vymýšľaní personalizovaných zariadení.
Integrovaná cesta pri výučbe elektroniky
Integrované obvody nie sú nič iné ako presne vyrobené a zapuzdrené elektronické obvody. Konštruovanie projektov pomocou nich je trochu ako stavanie stavebnice. Výrazne urýchľujú realizáciu zložitejších zariadení. Preto sa oplatí zoznámiť sa s niektorými multifunkčnými produktmi, ktoré sa už presadili vo svete elektroniky.
Na trhu sú (doslova) státisíce integrovaných obvodov, ale nedajte sa tým vystrašiť! Tieto výrobky sa delia do desiatok skupín, ale nie všetky sa oplatí objavovať v začiatkoch vzdelávania. Stačí sa oboznámiť so zástupcom každej základnej skupiny, spoznať jej možnosti a rozsah použitia. Nebude to problém, ak si vyberieme produkty, ktoré sú populárne, a teda široko diskutované. Okrem toho, stačí sa pozrieť do dokumentácie, kde je vždy opísaná bežná/vzorová činnosť obvodu. Vykonajme na ňom niekoľko experimentov. Veľmi rýchlo si uvedomíme, že „integrované obvody“ sú navrhnuté s ohľadom na jednoduchosť používania. Zistíme tiež, že ich spájanie do zložitejších obvodov nie je príliš zložitá úloha.
Učenie si uľahčíme, ak využijeme prototypové moduly. Ide o malé plošné spoje vybavené predinštalovanými integrovanými obvodmi, ich potrebnými externými komponentmi a jasne označenými vývodmi. Keďže elektronika ako hobby je v súčasnosti veľmi populárna, v tejto podobe možno nájsť mnoho obvodov – snímače, prevodníky, zosilňovače atď. Tieto predmety sú prispôsobené na použitie s kontaktnými doskami, kde zaberajú málo miesta a zjednodušujú konštrukciu väčších projektov. Cennou lekciou bude aj opätovné vytvorenie modulu na doske s použitím jednotlivých súčiastok – máme tak možnosť experimentovať, napríklad meniť hodnoty súčiastok v obvode a pozorovať, ako sa zmení činnosť obvodu.
Teoretická cesta k štúdiu elektroniky
Prečo sa teoretické otázky objavujú až na treťom mieste? V prvom rade všetky už opísané projekty vyžadujú, aby si konštruktér osvojil určité informácie o elektrine a nadobudol zručnosti v oblasti jednoduchých fyzikálnych vzorcov (napríklad odvodených z Ohmovho zákona). Konštrukciou týchto obvodov sa amatér oboznámi s určitými pojmami, veličinami a jednotkami. To umožňuje prirodzene sa zaoberať čistou teóriou a presnými meraniami.
Pokiaľ ide o študijné materiály, oplatí sa využívať zdroje, ktoré komplexne a štruktúrovane opisujú základy elektroniky. Nájdite si preto vhodnú knihu alebo webovú stránku a držte sa jej „učebných osnov“. Samozrejme, pre starších študentov by nebolo na škodu najprv si osviežiť informácie z hodín fyziky.
Kazíme elektronické zariadenia a hračky
Arvind Gupta, indický popularizátor technických vied, je známy výrokom, že najlepšia vec, ktorú môže dieťa urobiť s hračkou, je pokaziť ju. Vzdelávaciu hodnotu, ktorú prináša spoznávanie mechaniky a elektriky hračiek, dokonca aj svietiacej vecičky, nemožno podceniť. Platí to aj pre „hračky“ starších detí, ako sú televízne ovládače, powerbanky a iné pomôcky. Ak ste svoju dielňu elektroniky vybavili multimetrami a osciloskopom, môžete rozobrať aj staré nepotrebné elektronické zariadenia, ako je analógová videokamera alebo prenosný CD prehrávač, a naučiť sa, ako fungujú. Tí najmenší zasa určite nájdu veľa zábavy pri skúmaní toho, čo poháňa aj ich (kedysi) obľúbené, hracie a jazdiace hračky z detstva.
Samozrejme, v prvom rade nie je dôvod, aby ste sa pustili do demontáže fungujúcich spotrebičov. Veľa sa o elektronike môžeme naučiť aj tak, že nefunkčné zariadenia otvoríme. Čítaním symbolov po sebe idúcich súčiastok a oboznamovaním sa s ich dokumentáciou pomaly začneme rozoznávať známe schémy. Amatérov vyzbrojených spájkovačkou môže dokonca lákať, aby vybrali niekoľko zaujímavých integrovaných obvodov a skúsili ich spustiť na kontaktnej doske. Alebo aby sa dali uniesť ambíciami a pokúsili sa opraviť poškodené zariadenie. Ak aj neúspešne, takúto lekciu si odnesieme bezplatne. Toto je zďaleka najlacnejší spôsob, ako sa poučiť z chýb.
V prípade niektorých hračiek existuje aj iná možnosť: pokúsme sa ich modifikovať pridaním elektromechanických alebo optoelektronických súčiastok. Zostrojenie vlastnej hračky je často nad detské sily (a ešte častejšie vyčerpáva ich trpezlivosť). Iná situácia nastane, keď svojim zverencom navrhnete, aby do autíčka na hranie pridali napríklad svetlá (možno aj pohon?) alebo do domčeka pre bábiky svetlá či výťah. To je mimochodom dobrý úvod do témy robotiky.
Stroje a roboty v praktickej výučbe elektroniky
Amatérska robotika je v súčasnosti mimoriadne populárna téma. Možno je to preto, že stavba stroja podľa vlastnej predstavy rozvíja fantáziu a prináša uspokojivé výsledky. Výrobcovia si tento dopyt uvedomili, a preto máme na trhu obrovský výber mechanických a riadiacich komponentov. Zákazníci si môžu vybrať predovšetkým z hotových univerzálnych komponentov, ako sú podvozky alebo kolesá. Ľahko môžeme zakúpiť celý rad pohonov, t. j. motory (DC, BLDC, krokové), často vybavené špeciálnymi prevodmi, so štandardizovanými montážnymi otvormi atď. V sortimente TME sa k nim dodávajú konektory, adaptéry, držiaky a mnoho iného príslušenstva. To isté platí pre servomotory, t. j. motory vybavené prevodovkami a snímačmi, ktoré umožňujú presné určenie uhla natočenia osi (táto funkcia sa využíva pri konštrukcii kráčajúcich robotov, uchopovacích ramien atď.).
V oblasti amatérskej robotiky rýchlo objavíme výhody programovateľnej elektroniky, t. j. populárnych platforiem, ako sú Arduino a Raspberry Pi. Po prvé, s ich pomocou je možné súbežne, presne a rýchlo ovládať činnosť viacerých motorov. Po druhé, digitálne súčiastky uľahčujú konštrukciu strojov. Vhodné kontroléry, snímače alebo komunikačné moduly sú výborne zdokumentované a pomerne lacné. Po tretie, konštrukcia robotov na základe základných analógových obvodov je, samozrejme, možná, ale rýchlo sa stáva komplikovanou a niekedy vyslovene ťažkopádnou. Mnohé elektromechanické súčiastky, ako sú servomechanizmy alebo krokové motory, vyžadujú špecifické riadiace signály a ich výroba pomocou generátorov a zosilňovačov je zbytočnou konštrukčnou komplikáciou. S programovateľnými komponentmi takéto problémy nie sú. Ak sa teda chystáme riešiť zložité roboty, najprv si osvojme znalosti programovania mikrokontrolérov alebo písania skriptov pre jednodoskový počítač.
Ako funguje počítač
Vďaka širokej dostupnosti a nízkej cene logických integrovaných obvodov je dnes na zostavenie jednoduchého počítača potrebná viac trpezlivosť ako znalosti a peniaze. Logické hradlá, posuvné registre a pamäte sú jednoduché na používanie a na svoju prevádzku vyžadujú len veľmi málo externých komponentov. Stav ich výstupov a vstupov môžeme pozorovať pripojením LED diód, čo uľahčuje testovanie a opravu chýb, ktoré sa určite vyskytnú. Poznanie počítača zvnútra je tiež veľmi rozvíjajúce, pretože uľahčuje pochopenie zariadenia, s ktorým máme každý deň do činenia, a zároveň nás učí, ako zaobchádzať s digitálnou elektronikou. Niet divu, že niektorí nadšenci sa v tejto oblasti púšťajú do zaujímavých výziev, ako je napríklad rekonštrukcia klasických počítačov pomocou kontaktných dosiek alebo konštrukcia vlastných jednoduchých mikroprocesorov – ibaže v „makro“ meradle.
Najlepší elektronický projekt pre každého…
… neexistuje. Dobrý projekt je taký, ktorý chce konštruktér urobiť. Ešte lepšie je, ak môže jeho funkcie často využívať. A najlepšie, ak jeho konštrukcia priniesla konštruktérovi nové poznatky. To stačí na to, aby bolo možné považovať projekt za úspešný. Keď už sme si vybrali takúto záľubu, dbajme na to, aby nám prinášala radosť. Neklaďme si obmedzenia a už vôbec nie príliš ambiciózne ciele. Na všetko je čas. A nezabúdajme na to isté, keď máme pod krídlami mladých elektronických nadšencov.
Text spracovala spoločnosť Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
