1 - הכרת הכלים, וקצת פרקטיקה

חשמל הוא סוג של אנרגיה, בדיוק כמו חום, כוח המשיכה, או אור. אנרגיה חשמלית זורמת דרך מוליכים, כמו חוטים. אנחנו יכולים להמיר אנרגיה חשמלית לצורות אחרות של אנרגיה כדי לעשות משהו מעניין, כמו להדליק אור או לעשות רעש דרך רמקול. הרכיבים בהם נשתמש כדי לבצע דברים כאלה, כמו נורה או רמקול נקראים מתמרים (באנגלית: Transducers), אלו הם רכיבים הממירים אנרגיה חשמלית לצורות אחרות של אנרגיה ולהפך (רכיבים הממירים צורות אחרות של אנרגיה לאנרגיה חשמלית נקראים חיישנים (sensors), וגם הם סוג של מתמרים). בפרויקט הזה נבנה מעגל על מנת להעביר חשמל דרך כמה רכיבים. מעגלים הם לולאות סגורות של חוטים (חוטי גישור) עם מקור כוח כלשהו (לדוג’ סוללה) ומשהו נוסף העושה משהו מועיל עם האנרגיה החשמלית, הנקראת עומס.

 

במעגל, חשמל זורם מנקודה של אנרגיה פוטנציאלית גבוהה יותר (המכונה בדרך כלל כוח או +) לנקודה של אנרגיה פוטנציאלית נמוכה יותר. אדמה או קרקע (המיוצגת לרוב כ - או כ GND) הינה הנקודה האחרונה בה ישנה אנרגיה פוטנציאלית במעגל. במעגל שאנו נבנה החשמל יזרום אך ורק בכיוון אחד. הסוג הזה של מעגל נקרא זרם ישר (או DC). במעגל עם זרם חילופין (AC) החשמל משנה את כיוונו כ 50 עד 60 פעמים בשניה (תלוי איפה אנחנו גרים, זהו סוג החשמל המגיע משקע החשמלי בבית).

ישנם כמה מושגים שאנחנו צרכים להכיר בעבודה עם מעגלים חשמליים. הראשון הוא זרם (באנגלית: Current) הנמדד באמפרים (או amps) ומסומן באות A, זהו כמות המטען החשמלי הזורמת דרך נקודה מסויימת במעגל. המושג השני הוא מתח (באנגלית: Voltage) הנמדד בוואט ומיוצג ע”י האות V, זהו ההבדל באנרגיה בין נקודה אחת במעגל לאחרת. והאחרון התנגדות (באנגלית: Resistance) נמדדת באוהם ומיוצגת ע”י האות היוונית אומגה Ω, זהו מידת ההתנגדות של רכיב כלשהו לזרם של האנרגיה החשמלית.

אנלוגיה אחת למושגים האלו היא לחשוב עליהם כמפולת סלעים מצוק. ככל שהצוק גבוה יותר כך הסלעים יצברו יותר אנרגיה כשהם יפגעו בקרקע, גבוה הצוק הוא כמו המתח (Voltage) במעגל: ככל שהמתח גבוה יותר במקור הכוח שהמעגל מחובר אליו משתמש ביותר אנרגיה. ככל שיותר סלעים המתגלגלים מהצוק, יותר אנרגיה (זרם - Current) עוברת במורד הצוק. הסלעים עוברים דרך שיחים, עצים, מהמורות וכד’ במורד הצוק וכתוצאה מזה מאבדים אנרגיה בתהליך (האנרגיה שבה משתמשים בשביל למחוץ את השיח לדוגמה). השיחים האלו הם כמו ההתנגדות (Resistance) הקיימת במעגל, רכיבים כלשהם המתנגדים לאנרגיה החשמלית והופכים אותה, כתוצאה מכך, לסוג אחר (כלשהו) של אנרגיה.

 

כמה דברים על מעגלים:

  • צריך שתהיה דרך שלמה ממקור הכוח (החשמל) אל האדמה (או קרקע) כדי לסגור מעגל. מספיק שבמקום אחד המעגל משוחרר ואין לאנרגיה המשך למסלול - המעגל לא יעבוד.
  • כל החלקים השונים שבמעגל מבצעים שימוש באנרגיה החשמלית שבו. כל חלק במעגל ממיר חלק מהאנרגיה החשמלית שבמעגל לצורה אחרת של אנרגיה (אור, חום, סאונד וכד’).
  • הזרם בנקודה מסוימת במעגל תמיד יהיה אותו הדבר בכניסה וביציאה באותה נקודה מסוימת.
  • זרם חשמלי תמיד יחפש את הדרך בה יש כמה שפחות התנגדות עד לאדמה. אם ישנן 2 דרכים, רוב הזרם החשמלי יעבור בדרך בה יש פחות התנגדות. אם נבצע חיבור המחבר את מקור הכוח והקרקע יחד ללא שום התנגדות, אנו נגרום לקצר, הזרם ינסה ללכת בדרך זאת (הכי קצרה). במעגל כזה מקור הכוח והחוטים ימירו את האנרגיה החשמלית לאור וחום לרוב כניצוצות.

לוח המטריצה זהו המקום העיקרי עליו נבנה את המעגלים (בדומה מאוד ללגו). השורות האופקיות מחוברות יחדיו מתחת לפלסטיק. ובצדדים, השורות האנכיות מחוברות גם הן (ה+/-), להלן תמונה טובה להמחשה:

Breadboard Strips

כעת נתחיל לבנות את הפרויקט. לאורך כל הפרויקט אציג אילוסטרציה של המעגל החשמלי שנבנה באותו השלב, ואציג גם איור סכמטי (בכל הפרויקטים אשים דגש על הצגת האיור הסכמתי, זה אולי לא יעזור לכם הרבה אך שווה ללמוד ולהכיר את הסימנים, מכיוון שרוב הפרויקטים באינטרנט והאיורים של המעגלים חשמליים נעשים ע”י איור סכמטי).

הרכיבים בהם נשתמש :

  • LED - או דיודה פולטת אור, זהו רכיב הממיר את האנרגיה החשמלית לאנרגיית אור. לדים הן רכיבים מקוטבים, מה שאומר שהם מאפשרים לחשמל לזרום דרכם אך ורק בכיוון אחד. הרגל הארוכה יותר נקראת אנודה (באנגלית: anode‏‏‏‏) והיא תתחבר למקור הכוח. הרגל הקצרה יותר נקראת קתודה (באנגלית: cathode‏‏‏‏) והיא תתחבר לאדמה. כאשר זרם חשמלי מגיע לאנודה של ה LED והקתודה מחוברת לאדמה, ה LED פולט אור.
  • נגד - (באנגלית: resistor) הוא רכיב המתנגד לזרימה של האנרגיה החשמלית. הנגד ממיר חלק מהאנרגיה החשמלית לחום. כשנשים אותו ביחד עם רכיב ה LED הנגד ישתמש בחלק מהאנרגיה הזו ונורת ה LED תקבל פחות אנרגיה כתוצאה מכך. ע”י כך נמנע מה LED לקבל יותר מדי מתח ובעצם זה מאפשר לנו לספק ל LED בדיוק את כמות האנרגיה שהוא צריך. ללא הנגד, ה LED יהיה בהיר יותר לכמה רגעים, אבל יישרף במהירות.
  • מתג - המתג קוטע את זרימת החשמל, הוא שובר את המעגל כאשר הוא פתוח וישלים את המעגל כאשר הוא סגור. ישנם סוגים רבים של מתגים אך אלה שאני משתמש בהם נקראים מתגים רגעיים, או לחצנים, מכיוון שהם סוגרים מעגל רק כאשר מופעל עליהם לחץ.
Button

 

בשלב הראשון נבנה מעגל חשמלי פשוט, אם הארדואינו שלכם מחובר לחשמל, נתקו אותו לפני שתתחילו בבניה!. נחבר את ה 5V ל+ (פלוס) שבלוח המטריצה, ואת ה GND (אדמה) ל- (מינוס) שבלוח המטריצה. משם נחבר ל+ נגד לשורה שבלוח המטריצה (השתמשו בנגד בעל 220Ω) ובאותה שורה בה נמצא הנגד נחבר את הרגל של נורית ה LED (הרגל הארוכה, שמקבל כוח, אנודה). הרגל השנייה של נורית ה LED תתחבר לשורה שמתחת ולאותה שורה נחבר חוט מגשר שיחובר בקצה השני שלו לעמודת ה- שבלוח המטריצה.

להלן הסכמה ואיור להמחשה:

Arduino LED

כעת חברו בחזרה את מקור הכוח. ניתן לראות כי הנורה דולקת תמיד, בנינו מעגל חשמלי שלם והנורה תמיד מקבלת חשמל ולכן תמיד דולקת.

 

עכשיו נחבר את המתג, נוציא את הנגד ונחבר אותו קרוב יותר אל החוטים המגשרים מה+ (פלוס) וה- (מינוס). לאחר מכן, נשים מתג מהנגד, נשים את המתג כך שיהיה מחובר ל-2 שורות שונות בלוח המטריצה ב-2 הרגליים שלא מחוברות אחת לשנייה. כעת, בשורה של הרגל השנייה נמקם חוט מגשר אל האנודה של ה LED והרגל השנייה שלה (הקצרה יותר, קתודה) תהיה בשורה אחרת. כעת יש לנו מעגל חשמלי קצת יותר מורכב, ברגע שנלחץ על המתג / לחצן הנורה תאיר, וברגע שנעזוב אותו הנורה תיכבה. שוב, מדובר עדיין על מעגל חשמלי פשוט, ללא קשר לארדואינו (למעט זה שמהארדואינו אנו לוקחים את הכוח, 5V, ומעבירים דרכו לאדמה, GND).

להלן האיור והסכמה:

Push Button

כעת, נמשיך ל-2 סוגים של חיבורים: מעגל טורי, ומעגל מקבילי. במעגל טורי נחבר את הרכיבים כך שיפעלו אחד אחרי השני, בעוד במעגל מקבילי נחבר את הרכיבים כך שיפעלו אחד לצד השני.

 

מעגל טורי

רכיבים בטור מגיעים בזה אחר זה. הסירו את מקור הכוח אליו הארדואינו מחובר, הוציאו את נורית ה LED ואת החוט המגשר השחור שגישר בין נורית ה LED ל- (מינוס) בלוח המטריצה. כעת, בחוט המגשר האדום שהוביל לאנודה של נורית ה LED (שהוצאנו כעת) מקמו מתג נוסף כך שהמתג הנוסף יקבל חשמל מאותו חוט מגשר אדום. מהרגל השנייה של המתג השני חברו חוט מגשר נוסף שיוביל לחור אחר בלוח המטריצה אליו תחברו את האנודה (הרגל הארוכה, שמקבל כוח, +) של נורית ה LED. ומהקטודה (הרגל הנמוכה) של נורית ה LED חברו חוט שחור אל ה- (מינוס) שבלוח המטריצה.

כמו שניתן לראות, חיברנו את המתגים אחד אחרי השני, ועל מנת לחשמל יגיע אל נורית ה LED יש ללחוץ על שניהם כדי שישלימו מעגל חשמלי ביחד. להן האיור והסכמה:

Two Buttons

מעגל מקבילי

רכיבים מקבילים עובדים זה לצד זה. לכן כעת השאירו את הרכיבים במקומם אך הוציאו את 2 חוטי הגשר בין המתגים ונורת ה LED, מקמו את הראשון מהנגד אל הרגל הראשונה של המתג השני, ועוד אחד מהרגל השנייה של המתג השני אל האנודה (הרגל הארוכה של נורית ה LED). לאחר מכן חברו חוט מגשר שלישי מהרגל השנייה של המתג הראשון, אל האנודה של נורית ה LED. עם 2 החוטים הראשונים חיברנו את המתג השני מהנגד ישירות אל נורית ה LED, ועם החוט השלישי חיברנו גם את המתג הראשון ישירות אל נורית ה LED. כעת יש לנו 2 לחצנים המחוברים במקביל, בעת ובעונה אחת, ישירות אל נורית ה LED. לא משנה אל מי נלחץ (מתג 1/ מתג 2 / או שניהם יחדיו) ייסגר מעגל חשמלי ונורית ה LED תואר.

להלן האיור והסכמה:

TwoButtons 2

לסיכום

עברנו על כמה מושגים בסיסיים (זרם - Current, מתח - Voltage, והתנגדות - Resistance), ראינו איך לוח המטריצה בנוי וכיצד לחבר אליו רכיבים, הכרנו לעומק כמה מושגים (נורית LED, נגד, מתגים, חוטי גישור), ובנינו כמה מעגלים פשוטים, מעגל טורי, ומעגל מקבילי. בפרויקט הבא נתחיל להתעסק עם הארדואינו עצמו - נכתוב קצת קוד שיבצע אינטראקציה עם המעגל אותו נבנה.