Робототехника и электроника, 9 класс: примеры с решением

Электроника изучает, как устроены цепи из резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и микросхем. Робототехника добавляет к ним датчики, двигатели и управляющую программу, и получается устройство, которое что-то измеряет и само принимает решение.

На уроках технологии это обычно три вещи:

• чтение принципиальной схемы: какой символ какой деталью является и как они соединены;
• простые расчёты по закону Ома: I = U ÷ R, где I это ток в амперах, U напряжение в вольтах, R сопротивление в омах;
• проектирование печатной платы в программе вроде DipTrace: из схемы получается чертёж, по которому делают реальную плату.

Если ты ищешь электронику и робототехнику с нуля, начни со схем и закона Ома. Без них плата превращается в набор непонятных линий.

Печатная плата это пластина из диэлектрика, чаще всего стеклотекстолита, с медными дорожками. Дорожки заменяют провода и соединяют выводы деталей.

У однослойной платы дорожки только с одной стороны. У двухслойной они есть и сверху (Top), и снизу (Bottom). Благодаря этому дорожки могут пересекаться: одна идёт по верхнему слою, другая по нижнему. Между слоями соединение делают переходным отверстием (via), внутри которого медь соединяет верхнюю и нижнюю дорожку.

У каждой детали на плате есть посадочное место (корпус, footprint): расположение контактных площадок под её выводы. Если выбрать неподходящий корпус, деталь физически не встанет на плату, хотя на экране всё выглядит нормально.

Ученики присылают задание разработать двухслойную плату флеш-накопителя по готовой принципиальной схеме. Принцип проектирования одинаков для любой платы. Покажу его на простом примере: USB-разъём, резистор и светодиод, который горит при подаче 5 В.

Шаг 1. Изучи схему и перечень деталей. Выпиши, что есть в схеме: разъём, резистор, светодиод. У каждой детали должен быть свой корпус.

Шаг 2. Рассчитай номиналы, если их нет в перечне. Светодиоду нужно около 2 В и ток 10 мА. R = (5 − 2) ÷ 0,01 = 300 Ом.

Шаг 3. Перенеси схему в редактор платы. В DipTrace схема рисуется в Schematic, а затем передаётся в PCB Layout. Проверь, что у всех деталей назначены корпуса.

Шаг 4. Задай контур платы и расставь детали. Разъём ставь у края, чтобы в него можно было вставить кабель или порт. Остальные детали расположи так, чтобы линии связи были короткими и не путались.

Шаг 5. Проведи дорожки. Для сигналов часто берут ширину 0,25–0,3 мм, для питания 0,5 мм и больше. Точные значения и зазоры смотри в условии. Если дорожкам не хватает места на одном слое, переведи часть на другой через переходное отверстие.

Шаг 6. Проверь плату. Запусти проверку правил (DRC): она найдёт слишком узкие зазоры и непроведённые соединения. Исправь всё, что она покажет.

• Неправильная полярность светодиода или разъёма. У светодиода есть анод и катод, и поменять их нельзя. Проверь по схеме и по обозначению на корпусе.
• Не тот корпус у детали. Номинал резистора совпадает, а размеры контактных площадок нет, и деталь не распаяешь. Сверь корпус с перечнем компонентов.
• Дорожки под углом 90°. Так делать не запрещено, но принято вести дорожки под 45° или со скруглением: плата получается аккуратнее и надёжнее.
• Пропущена проверка DRC. Плата выглядит готовой, но в ней может остаться разрыв или слишком малый зазор между дорожками. Запускай проверку перед сдачей.
• Слишком тонкая дорожка питания. По ней идёт больший ток, чем по сигнальной, поэтому её делают шире.

По этой теме сейчас есть задание на проектирование двухслойной печатной платы флеш-накопителя в DipTrace. В решении описаны порядок работы и ход решения по шагам. Найди его в списке выше и сравни со своим условием: часто меняется только схема или набор деталей.

Если твоё задание другое, сфотографируй его и отправь на сайт. Ты получишь решение с ходом, а не только ответ.

Похожие темы: чтобы лучше понимать чертежи и расположение деталей, загляни в черчение и 3D-моделирование. Основы сборки устройств описаны в теме конструирование и модели. С программой помогут разобраться материалы по теме компьютер и информация.