Jeśli macie już za sobą 9 lekcji kursu elektroniki dla początkujących i kupiliście niezbędne części (do zakupienia tutaj), zaczynamy budowę naszego pierwszego robota!

Na początek zbudujemy go na płytce stykowej aby mieć pewność, że wszystkie elementy są ze sobą poprawnie złożone. W kolejnej części przeniesiemy nasz projekt na płytkę uniwersalną.

W robocie źródłem zasilania (tak jak do tej pory) jest koszyk na 4 baterie LR03 (AAA) 1,5V, dające napięcie ok. 6V.

Nasz robot, jak większość urządzeń elektronicznych, potrzebuje włącznika zasilania. W tym celu użyjemy dwu-pozycyjnego przełącznika suwakowego. Dodamy również czerwoną diodę LED, która będzie się świecić, gdy zasilanie będzie włączone.

Z kursu elektroniki wiemy, że do diody musimy dobrać odpowiedni rezystor (więcej informacji znajdziecie tutaj). Mamy następujący układ:

Czerwona dioda LED potrzebuje prąd o natężeniu 20mA. Musimy jeszcze uwzględnić spadek napięcia na diodzie , który wynosi ok. 2,1V. Obliczmy rezystancję rezystora R1:

UR1 = UB1 – UD1

UR1 = 6V – 2,1V

UR1 = 3,9V

R1 = UR1 / I

R1 = 3,9V / 20mA

R1 = 195Ω

Rezystancja rezystora R1 musi wynosić minimum 195Ω. Warto podkreślić tu słowo „minimum”, ponieważ można eksperymentalnie wybrać większy rezystor, dioda po prostu będzie świeciła słabiej.

Pamiętajmy, że bateria B1 ma ograniczoną wydajność prądową. Oznacza to tyle, że nie można wziąć z niej nieskończenie wielkiego prądu. Oprócz wskaźnika zasilania musimy z naszej baterii zasilić jeszcze diody – reflektory, fotorezystory, tranzystory, silniki… jest tego sporo. Dlatego w ramach oszczędzania energii rezystor R1 będzie miał większą wartość: 1kΩ.

Połączmy nasz układ na płytce stykowej, ale zróbmy to w ten sposób, aby plus od zasilania przechodził najpierw przez przełącznik suwakowy, a potem dopiero był rozsyłany szyną rozprowadzającą napięcie po całej płytce.

Czerwony przewód od koszyka baterii został połączony z pierwszą nóżką przełącznika. Kolejnym przewodem (u mnie zielony) połączyłam drugą nóżkę przełącznika z prawą szyną rozprowadzającą napięcie. Takie ułożenie podzespołów umożliwi włączanie/wyłączanie zasilania w całym robocie poprzez zmianę położenia suwaka w przełączniku. Następnie podłączyłam wskaźnik zasilania: rezystor 1kΩ oraz czerwoną diodę LED.

Jak już wspomniałam robot będzie posiadał dwa mocne reflektory oświetlające tor po którym będzie się poruszał. Zbudujemy je z białych diod LED (ważne żeby nie były to diody dyfuzyjne, ponieważ dają one światło rozproszone, a my chcemy żeby świeciły na wprost). Z lekcji 4 wiemy, że takie diody potrzebują prąd rzędu 25mA, a występujący na nich spadek napięcia wynosi ok. 3,3V. Bateria B1 daje nam napięcie 6V, dlatego też dwie diody – reflektory podłączone szeregowo do baterii nie potrzebują rezystora ograniczającego prąd gdyż jego wartość będzie i tak sporo mniejsza niż dopuszczalna podana w karcie katalogowej. Poniżej przedstawiono schemat ideowy połączonych diod LED .

Powyższy schemat uprościłam i zamiast źródła napięcia B1, zaznaczyłam:

• u góry do układu dochodzi napięcie 6V, to oznaczenie ma zastąpić linię biegnącą od dodatniego bieguna baterii do diody D2;
• a na dole 3 poziomo ułożone kreseczki to symbol masy, zastępujący linię biegnącą od diody D3 do ujemnego bieguna baterii.

Po co to uproszczenie? Diody D2 i D3 połączymy  do już zbudowanego na płytce stykowej układu z przełącznika, rezystora i diody D1. Żeby nie przepisywać tych wszystkich małych fragmentów układów z których ostatecznie zbudowany jest robot zastosowałam takie uproszczenie, gdyby nie ono układ wyglądałby tak…

 

Dodajmy diody – reflektory na płytkę stykową do już istniejącego układu:

Skoro mamy już reflektory musimy jeszcze podłączyć coś co reagowałoby na zmiany intensywności odbitego od toru światła. Jeśli pomyśleliście o fotorezystorach (które poznaliśmy na lekcji 8) macie rację! Wraz ze wzrostem oświetlenia fotorezystora jego rezystancja maleje, co skutkuje wzrostem przepływającego prądu. Zaraz za rezystorami będzie znajdował się „mózg” robota, czyli tranzystory, które zasilać będą silniki. Prezentowany poniżej schemat musi być wykonany w dwóch powtórzeniach – po jednym dla każdego silnika.

Wygląda to dość skomplikowanie, ale zapewniam, że nie jest takie trudne, jeśli poznamy zasadę działania robota.

1. Robot jedzie po prostej linii.

Z prawej strony umieściłam prosty rysunek robota (z góry przepraszam za brak talentu plastycznego) jadącego po prostej czarnej linii na białym torze. Czerwone 4 kółeczka po bokach (po 2 z każdej strony) symbolizują fotorezystory, natomiast 2 białe kółka (po 1 z każdej strony) diody – reflektory.

Gdy robot jedzie po prostej linii światło emitowane przez diody LED odbija się od białego podłoża i jest wychwytywane przez fotorezystory. Jak wiadomo kolor biały dobrze odbija światło, więc fotorezystory są dobrze oświetlone.

Fotorezystory, jak już pisałam wyżej, mają to do siebie, że gdy pada na nie dużo światła ich rezystancja maleje, a co za tym idzie płynie przez nie większy prąd.

Konsekwencją spadku rezystancji fotorezystorów jest spadek napięcia U_BE, czyli napięcia pomiędzy bazą i emiterem tranzystora T1. Z lekcji 8 pamiętamy, że warunkiem aby tranzystor działał, jest określone napięcie pomiędzy bazą a emiterem tranzystora.

Jeśli napięcie U_BE jest zbyt niskie, jak to ma miejsce gdy dioda-reflektor i fotorezystory znajdują się nad białym podłożem, tranzystor T1 pozostaje wyłączony (pomiędzy bazą i emiterem ani pomiędzy kolektorem i emiterem nie płynie prąd).

Spójrzmy teraz na rezystor R5. Wypływający z niego prąd jest dość mały. Prąd ten z powodu wyłączenia tranzystora T1 w całości skręca w prawo i płynie do bazy tranzystora T2. Natężenie tego prądu jest wystarczające do uruchomienia tranzystora T2.

Włączenie tranzystora T2 spowodowało to, że prąd przechodzący przez silniczek M1 płynie do kolektora tranzystora i dalej przez emiter biegnie do masy.

Dodatkowo w naszym układzie przewidziana została pomarańczowa dioda LED oznaczona na schemacie symbolem D4, która, gdy tranzystor T2 jest włączony, a silnik pracuje, będzie się świecić. Jest to taki sygnalizator pracy silnika. Nie jest ona konieczna, jej funkcją oprócz sygnalizowania pracy silniczka jest przede wszystkim uatrakcyjnienie wyglądu robota.

W naszym układzie jest jeszcze jedna dioda D5. Jest to dioda szybka i jest bardzo ważna. Ma jedną funkcję – zapobiega ona cofaniu się prądu. Podczas normalnej pracy silnika prąd płynie we właściwym kierunku, ale w momencie wyłączenia silnika na skutek indukcji powstaje spore napięcie wsteczne. Gdyby nie było diody D5 napięcie wsteczne uszkodziłoby tranzystor T2.

W ten oto sposób przebrnęliśmy przez układ sterowania robotem. Aby pomóc Wam w jego zrozumieniu na poniższy schemat uzupełniłam o rozpływ prądów i dodatkowe uwagi napisane czerwoną czcionką.

 

2. Robot jedzie po zakręcającej linii toru.

Rysunki po prawej stronie przedstawiają robota który jedzie po linii, która skręca w lewo bądź prawo. W takiej sytuacji jedna para fotorezystorów będzie znajdowała się nad czarną linią, a druga para nad białym podłożem.

Wiemy, że kolor biały dobrze odbija światło, a kolor czarny je pochłania. Fotorezystory nad białym podłożem będą zachowywały się jak opisałam w punkcie 1 – silnik będzie pracował. Fotorezystory nad czarną linią toru mają dać sygnał swojemu silnikowi, aby się wyłączył. W ten sposób tylko jedno koło będzie się kręcić, więc robot będzie skręcał, aż obie pary fotorezystorów znów będą nad białym podłożem, czyli do momentu wyprostowania się toru.

Jak już pisałam kolor czarny słabo odbija światło, więc niewiele go trafi na fotorezystor. Gdy fotorezystory będą wychwytywały mało odbitego światła, ich rezystancja wzrośnie, a wraz z nią wzrośnie także napięcie U_BE pomiędzy bazą i emiterem tranzystora T1.

Odpowiednie U_BE spowoduje włączenie tranzystora T1. Prąd pomiędzy kolektorem i emiterem zacznie płynąć.

W tym miejscu przypomnę, że prąd płynący przez słabo oświetlone fotorezystory jest niewielki, dlatego niewielki prąd popłynie do bazy tranzystora T1. To z kolei ma wpływ na wielkość prądu wypływającego z rezystora R5 (ponieważ I_C = I_B x β), który też będzie stosunkowo niewielki.

W tej sytuacji niewielki prąd wypływający z rezystora R5, będzie musiał się rozdzielić, część będzie chciała płynąć do tranzystora T1, a kolejna część wybierze tranzystor T2. Przez to do bazy tranzystora T2 docierać będzie zbyt mały prąd, a to spowoduje jego wyłączenie. Dylemat prądu wypływającego z rezystora R5 się rozwiąże – całość popłynie do tranzystora T1.

Wyłączony tranzystor T2 nie będzie mógł przewodzić prądu, który mógłby płynąć  z silnika poprzez kolektor do emitera, więc silnik pozostaje wyłączony, tak samo jak pomarańczowa dioda sygnalizująca.

 

 

Poznaliśmy już zasadę działania układu sterującego pracą silnika. Pewnie domyślacie się, że powoli zbliża się moment, w którym będziemy musieli jakoś dobrać wartości rezystorów R2, R5 i R6. Zanim to jednak nastąpi musimy bliżej poznać nasze fotorezystory.

Poprawne dobranie rezystora do fotorezystorów będzie wymagało od nas wykonania symulacji jazdy robota po torze. Aby otrzymać dokładniejsze wyniki doświadczenie wykonamy na jednej białej diodzie LED, otoczonej przez dwa fotorezystory, czyli dokładnie tak jak to będzie działać w robocie.

Nie możemy podłączyć jednej diody bezpośrednio do 6V źródła zasilania, bo by się spaliła. Musimy dobrać jakiś rezystor, a żeby to zrobić trzeba ustalić jaki prąd będzie przepływał przez białe diody LED w układzie, który już połączyliśmy na płytce stykowej. W tym celu proponuję „wpiąć się” amperomierzem pomiędzy nóżką diody a zworką, tak jak na poniższym zdjęciu.

Ja uzyskałam wynik 4,41mA. Wy możecie uzyskać trochę więcej lub mniej, bo otrzymana wartość prądu zależy od stopnia naładowania baterii. Zmierzcie jeszcze napięcie na baterii podłączonej do układu pod obciążeniem, czyli gdy świecą wszystkie diody:

Na podstawie uzyskanych danych wyliczymy wartość rezystora, który zastąpi jedną z białych diod:

R = U / I

Bateria dostarcza napięcie 5,93V, które trafia do 2 diod połączonych szeregowo, dlatego spadek napięcia na każdej z diod to 5,93V / 2 = 2,965V.

R = 2,965V / 4,41mA

R = 672Ω

Najbliżej w szeregu jest rezystor 680Ω i takiego właśnie użyjemy w naszym doświadczeniu.

Teraz na drugim końcu płytki stykowej umieść jedną z białych diod LED z rezystorem 680Ω, a wokół niej umieść dwa fotorezystory, tak jak na poniższym zdjęciu. Uważaj, żeby do źródła zasilania podłączona była tylko dioda i rezystor, fotorezystory mają pozostać niepodłączone!

Pewnie zaraz wypomnicie mi, że schemat z ryc. 15 jest źle opisany, bo poszczególne elementy powinny mieć symbole (B, R, D), ale zrobiłam to celowo – układ ten budujemy na chwilę. Służy on tylko do zbadania jak zmienia się rezystancja fotorezystorów w różnych warunkach i nie jest ona częścią robota.

Fotorezystory połączyłam zworką. Plus zasilania z baterii jest połączony z jedną z nóżek rezystora 680Ω. Następnie prąd przepływa przez białą diodę LED i trafia do czarnego przewodu baterii – masy.

Zróbmy symulację jazdy robota na wprost, czyli przykryjmy ten układ białą kartką. Zaobserwujcie, że fotorezystory wychwytują sporo odbitego od papieru światła. Teraz weźcie omomierz, przyłóżcie jego sondy do skrajnych nóżek fotorezystorów połączonych szeregowo i odczytajcie wartość. Ja uzyskałam wartość ok. 10kΩ.

Teraz zamiast białej kartki nakryjcie układ czarną. Już gołym okiem można zaobserwować, że dużo mniej światła trafia na fotorezystory. Tak jak poprzednio zmierzcie rezystancję fotorezystorów. Ja uzyskałam wartość zbliżoną do 30kΩ.

W ten sposób dowiedliśmy, że kolor podłoża – biały lub czarny – ma ogromny wpływ na nasze fotorezystory i powoduje znaczne różnice w ich rezystancji! To bardzo dobra wiadomość, gdyby nie ta cecha fotorezystorów budowa takiego robota stałaby się niemożliwa (albo co najmniej dużo, dużo bardziej skomplikowana).

Po skończonym doświadczeniu rozłącz cały ten mały, testowy układ, a diodę i fotorezystory umieść ponownie na swoich miejscach, tak aby Twoja płytka stykowa wyglądała tak jak na ryc 19.

 

Przechodzimy do wyliczenia rezystancji rezystorów z poniższego schematu – dla ułatwienia obliczeń na niektórych liniach obwodu oznaczyłam strzałkami i symbolami przepływający prąd.

• obliczanie rezystancji rezystora R2

Mam nadzieje, że po przerobieniu 9 lekcji kursu zauważyliście, że rezystory R2, R3, R4 tworzą z linią obwodu biegnącą do bazy tranzystora (użyjemy tu znanego nam już tranzystora npn BC548B) tradycyjny dzielnik napięcia (więcej informacji na temat dzielnika napięcia znajdziecie w lekcji 6).

Po zapoznaniu się z zasadą działania robota wiemy już, że to czy silnik będzie pracował, czy nie, zależy od wielkości U_BE, czyli od napięcia pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T1.

Z lekcji 8 wiemy, że w przypadku tranzystora npn BC548B, minimalne U_BE, przy którym tranzystor się włączy to 0,58V. Dodatkowo, z poprzedniego doświadczenia, w którym badaliśmy zmiany rezystancji naszych fotorezystorów, wiemy że dobrze oświetlone fotorezystory (po odbiciu światła od białej kartki) mają rezystancję ok. 10kΩ, a słabo oświetlone (po odbiciu światła od czarnej kartki) aż 30kΩ. Spróbujmy jakoś tę wiedzę wykorzystać.

Wyliczymy nasz dzielnik napięcia (złożony z rezystora R2, fotorezystorów R3 i R4 oraz z linii obwodu biegnącej ku bazie tranzystora T1) przy założeniu, że U_BE robota poruszającego się po białym podłożu nie ma przekraczać 0,5V. Przyjmujemy taką wartość napięcia, aby mieć pewność, że na białym podłożu tranzystor T1 pozostanie wyłączony (jest to znacznie mniej od wymaganych przez tranzystor 0,58V).

I = U / R

I₂ = U_BE / (R3 + R4)

I₂ = 0,5V / 10kΩ

I₂ = 0,00005A

I₂ = 0,05mA

Gdy robot jedzie po białym podłożu, tranzystor T1 pozostaje wyłączony, dlatego: I₃ = 0A oraz I₁ = I₂ = 0,05mA.

R2 = (U_B1 – U_BE) / I1

R2 = (6V – 0,5V) / 0,05mA

R2 = 5,5V / 0,00005A

R2 = 110000Ω

R2 = 110kΩ

Wyliczona wartość rezystancji rezystora R2 to 110kΩ. Ja zaokrąglę tą wartość do 100kΩ i takiego rezystora użyję do budowy robota.

• obliczanie rezystancji rezystora R6

To zdaje się najprostszy rezystor do obliczenia w tym układzie. Aby odpowiednio go dobrać musimy znać preferencje naszej pomarańczowej diody LED (więcej o tym w lekcji 4). Prąd przewodzenia pomarańczowej diody to 25mA, a napięcie 2,2V.

R6 = U_B1 – U_D4 / I₅

R6 = (6V – 2,2V) / 25mA

R6 = 3,8 / 0,025A

R6 = 152Ω

Minimalna rezystancja rezystora R6 to 152Ω, ja użyję rezystora 180Ω.

• obliczanie rezystancji rezystora R5

Gdy robot porusza się po prostym torze, tranzystor T1 pozostaje wyłączony. W takim przypadku cały prąd oznaczony na schemacie powyżej jako I₄ omija kolektor tranzystora T1 i płynie do bazy tranzystora T2.

Wiemy, że prąd bazy ma ogromny wpływ na prąd kolektora, ponieważ I_C = I_B x β.

Zastanówmy się jak duży musi być prąd płynący przez kolektor tranzystora T2? Zauważmy, że nad tranzystorem T2 znajduje się silnik! Prąd płynący z baterii przechodzi przez silnik, łączy się z prądem wypływającym z gałęzi z pomarańczową diodą LED (25mA) i trafia do kolektora tranzystora T2. Oznacza to tyle, że przepływ prądu w tranzystorze T2 (przez kolektor) musi być na tyle duży, aby zasilić diodę LED i silnik.

Odpowiedź na pytanie – jaki prąd będzie płynął przez silnik znajdziemy oczywiście w jego nocie katalogowej, dostępnej na stronie www.celtor.pl. Fragment tejże noty zamieszczam poniżej:

Bez obciążenia silnik potrzebuje prądu 50mA, a pod obciążeniem max 210mA. Ta duży prąd przepływający przez silnik spowodowałby jego uszkodzenie dlatego nie należy mechanicznie blokować wału silnika bo go uszkodzimy. Do prądu przepływającego przez silnik należy doliczyć prąd przewodzenia pomarańczowej diody  LED  (25mA). Wówczas okaże się, że prąd kolektora tranzystora T2 będzie musiał wynosić maksymalnie 240mA. Jak to możliwe skoro tranzystor ma w karcie katalogowej podany prąd ciągły 100mA? Patrząc na parametry tranzystora należy zwrócić uwagę, że przez krótki okres czasu można pobierać prąd nawet 200mA! (przez bardzo krótki okres czasu). W rzeczywistości prąd pobierany przez silniki podczas jazdy jest znacznie mniejszy i mieści się w obszarze bezpiecznej pracy tranzystora. Do obliczeń przyjmujemy ciągły prąd kolektora 100mA.

I_B = I_C / β

I_B = 100mA / 380

I_B = 0,63mA

(UWAGA – do powyższych obliczeń przyjęto wcześniej mierzoną betę, której wartość jest słuszna dla małego prądu kolektora). W tym momencie powinniśmy otworzyć kartę katalogową tranzystora i sprawdzić jakie jest wzmocnienie prądowe przy prądzie kolektora równym 100mA. Okaże się, że beta przy prądzie kolektora 100mA i napięciu Uce jest w przybliżeniu równa ok 180). Bardziej szczegółowa karta katalogowa podaje nieco więcej parametrów zobacz tu

I_B = I_C / β

I_B = 100mA / 180

I_B = 0,55mA

Przechodzimy do obliczenia rezystancji rezystora R5 przy założeniu, że robot jedzie po prostym torze (tranzystor T1 jest wyłączony, a tranzystor T2 działa). W takim przypadku prąd I4 w całości płynie do bazy tranzystora T2, więc I₄ = I_B.

R5 = U / I₄

R5 = 6V / 0,55mA

R5 = 10800Ω

R5 = 10,8kΩ

Wyliczyliśmy, że rezystancja rezystora R5 powinna wynosić 10,8kΩ. Najbliżej popularnym i bliskim w szeregu jest rezystor 10kΩ i taki właśnie użyjemy w naszym robocie.

 

Tak oto obliczyliśmy wszystkie rezystory. Poniżej zamieszczam pełen schemat robota – aby ułatwić Wam jego odczytywanie u dołu zaznaczyłam funkcję kolejnych części schematu.

Pamiętajcie, że oba silniki muszą mieć swój układ sterujący, lecz ich poszczególne części mają identyczne parametry, i tak:

R2 = R7 = rezystory 100kΩ ( w wersji V2 rezystor ten ma wartość 47kΩ – większa czułość fotorezystorów)

R3 = R4 = R8 = R9 = fotorezystory

R5 = R10 = rezystory 10kΩ

T1 = T2 = T3 = T4 = tranzystory npn BC548B

R6 = R11 = rezystory 180Ω

D4 = D7 = diody pomarańczowe

D5 = D6 = diody szybkie 1N4148

M1 = M2 = silniczki

Nie pozostało nam nic innego, jak tylko zbudowanie robota na płytce stykowej. Jest to świetna okazja do tego, żeby sprawdzić czy wszystkie elementy są prawidłowo połączone.

Mój układ na płytce stykowej prezentuje się tak:

Poniżej przedstawiam kolejne etapy budowy powyższego układu na płytce stykowej. Oczywiście nie musicie łączyć Waszych elementów dokładnie tak jak ja, ważne jest, aby były one zestawione zgodnie ze schematem z ryc 21.

W ten sposób na naszej płytce stykowej złożyliśmy niemal cały (bo bez silnika) układ sterowania silnikiem M1. Przejdziemy do analogicznego podłączenia układu sterowania silnikiem M2.

Tak oto zbudowaliśmy układ sterujący silnikiem M2. Jeśli wszystko połączyliście prawidłowo, to po włączeniu zasilania świecić będą diody: czerwona, dwie białe oraz dwie pomarańczowe. Jeśli nakryjemy dłonią którąś parę fotorezystorów, połączona z nimi pomarańczowa dioda zgaśnie.

 

Brakuje nam już tylko silników. W tej części instrukcji budujemy robota na płytce stykowej, a docelowe przewody które będą przylutowane do silnika nie pasują do płytki stykowej, dlatego też użyjemy zwykłych, choć trochę dłuższych zworek.

Spód silnika posiada dwa wyprowadzenia, w których możemy zaczepić nasze zworki. Na tym etapie nie ma jeszcze znaczenia która zworka jest podpięta do którego wyprowadzenia, po prostu wał przekładni silnika  będzie zmieniał kierunek obrotu, w zależności od tego jak go podłączymy, w jedną bądź w drugą stronę.

Jedną ze zworek od silnika (obojętnie którą) połącz z kolektorem tranzystora T2, drugą zaś z dodatnią szyną rozprowadzającą napięcie. Zworki są dość sztywne, co powoduje pewne problemy z umieszczeniem ich w płytce stykowej, dlatego mój silniczek unosi się nad płytką:)

Jeśli wszystko zostało podłączone prawidłowo, to po włączeniu zasilania wszystkie diody na płytce będą świecić, a silniczek będzie się obracał. Po nakryciu palcami pary fotorezystorów połączonych z silnikiem natychmiast powinien się on wyłączyć, a pomarańczowa dioda zgasnąć.

Teraz podłącz silniczek pod drugi układ sterujący – efekt powinien być jednakowy.

Jeśli wszystko działa jak należy – gratuluję, jesteś o krok od zbudowania własnego robota poruszającego się po linii! Jeśli Ci się nie udało i gdzieś utknąłeś, nie martw się, napisz do mnie (dariajak1@gmail.com), razem spróbujemy rozwiązać problem.