Jak rozpocząć przygodę z elektroniką?

Elektronika jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin współczesnej techniki. To właśnie ona zdominowała praktycznie wszystkie obszary naszego życia oraz pracy zawodowej. Trudno wyobrazić sobie dzisiaj codzienność bez wszechobecnych urządzeń elektronicznych, które otaczają nas nie tylko w domu, biurze czy w szkole, ale też w pojazdach. Wielofunkcyjne, wydajne komputery w postaci urządzeń mobilnych mieszczą się dziś nawet w kieszeni, a oprócz nich towarzyszy nam również tzw. elektronika ubieralna (ang. wearable), czyli np. smartwatche albo też inteligentne opaski sportowe. Aby jednak w pełni cieszyć się możliwościami elektroniki, warto nauczyć się jej podstaw – choćby po to, aby samemu tworzyć różne urządzenia elektroniczne, zarówno dla celów czysto rozrywkowych (ciekawe gadżety), jak i w pełni użytkowych. Dysponując odpowiednią wiedzą, możemy samodzielnie zbudować urządzenie, którego zakup byłby zbyt dużym wydatkiem, albo też takie, które jest po prostu niedostępne w rynkowej ofercie. Rozpoczynając przygodę z elektroniką, przeznacz trochę czasu na opanowanie istotnych podstaw fizyki oraz matematyki – ponieważ rządzą one światem nie tylko elektroniki, ale także szeroko pojętej elektrotechniki.

Jakie dziedziny łączy w sobie elektronika?

Jak już wspomnieliśmy, elektronika opiera się w dużej mierze na fizyce. Przepływ prądu albo obecność napięcia elektrycznego to nic innego, jak po prostu część klasycznej fizyki. Na szczęście, do praktyki elektronicznej nie jest konieczna wiedza na poziomie akademickim. Wystarczy poznać podstawowe wzory, pojęcia, wielkości fizyczne, a także zjawiska, które opisane zostały za pomocą najważniejszych praw – w tym przede wszystkim prawa Ohma i praw Kirchhoffa. Te właśnie proste wzory (wraz z pewnym zasobem dodatkowych reguł, pozwalających na obliczanie nieskomplikowanych obwodów) przydadzą się podczas realizacji zdecydowanej większości projektów elektronicznych i to nie tylko na poziomie amatorskim, ale nawet profesjonalnym. Zawodowi elektronicy bowiem na co dzień, podczas projektowania układów i urządzeń, obliczania parametrów ich pracy oraz wartości elementów korzystają z tych samych, uniwersalnych reguł – są one słuszne i niezawodne w zdecydowanej większości sytuacji, z którymi spotykamy się we własnym warsztacie. Obok znajomości podstaw fizyki, elektronikowi przyda się również podstawowa matematyka. Najprostsza algebra, orientacja w funkcjach trygonometrycznych, takich jak sinus i cosinus, a także elementarne umiejętności przekształcania wzorów matematycznych najczęściej w zupełności wystarczą do wykonywania kluczowych obliczeń.

W największym stopniu elektronika opiera się tak naprawdę na elektrotechnice. Korzysta z pewnego zestawu definicji i komponentów, które równie często używane są także w elektryce czy energetyce. Nawet pojęcia takie jak źródła napięcia, źródła prądowe, obwody zastępcze są wspólne dla wszystkich dziedzin korzystających ze zjawiska przepływu prądu. Pozwalają one na matematyczne, czysto teoretyczne „zamodelowanie” pewnych zjawisk i sytuacji pomiarowych oraz projektowych, co znacznie ułatwia opracowywanie urządzeń. Jeśli bowiem potrafimy uchwycić główną ideę działania układu, wówczas nawet skomplikowane obwody możemy w pewnym zakresie mocno uprościć, aby obliczyć „na sucho” kluczowe parametry i przeanalizować pracę obwodu, bez jego uruchamiania i stosowania „rzeczywistej” aparatury pomiarowej. Do takiego podejścia trzeba mieć nie tylko doświadczenie, ale też oczywiście dość sporą wiedzę. Natomiast również i w tym przypadku można poradzić sobie bez znajomości fizyki i matematyki na poziomie akademickim.

Elektronika a programowanie

Oprócz wspomnianych dziedzin elektronika bardzo intensywnie korzysta – zwłaszcza w ostatnich kilkunastu latach – z osiągnięć informatyki oraz programowania. Obie te dziedziny wyrosły zresztą dzięki elektronice i teraz stanowią dla niej silną podporę. Większość urządzeń, które na co dzień stosujemy, bazuje już nie tylko na układach czysto elektronicznych, ale też na w pełni programowalnych układach, np. takich jak mikrokontrolery czy procesory – i nie mówimy tutaj wyłącznie o komputerach czy wydajnych urządzeniach mobilnych, ale także o prostych mikrokontrolerach, które spotykamy w wielu urządzeniach codziennego użytku. Tak naprawdę na bazie układów scalonych można dzisiaj zbudować zdecydowaną większość potrzebnych urządzeń i będzie to rozwiązanie zarówno szybsze, prostsze, jak i tańsze niż budowa całego urządzenia bez użycia układów programowalnych. Oczywiście przedsięwzięcie takie wymaga od projektanta znajomości podstaw programowania, czyli tworzenia kodów sterujących pracą urządzenia. Codzienna praktyka pokazuje jednak, że nauka pisania programów zdecydowanie się opłaca – gdy ją posiądziemy, zyskamy znaczną oszczędność zarówno czasu oraz pieniędzy, jak i nakładów pracy, związanych z przygotowaniem prototypu.

Z jakich źródeł uczyć się elektroniki?

Podstawowym źródłem informacji dla początkującego adepta elektroniki są książki – ważne jednak, aby były napisane w sposób przystępny i zachęcający. Nie polecamy podręczników akademickich, które posługują się najczęściej stylem mocno sformalizowanym i w związku z tym mogą nawet odstraszyć początkujących. Inna droga do opanowania podstaw – bodaj najpopularniejsza – to źródła internetowe, takie jak kursy, tutoriale czy opisy przykładowych projektów. Takie materiały nastawione są na ogół na całkowicie początkującego odbiorcę, a ich autorzy potrafią wytłumaczyć podstawowe pojęcia i aspekty elektroniki w bardzo czytelny sposób. Należy jednak mieć na uwadze, że nie wszystkie kursy i nie wszystkie tutoriale internetowe zostały opracowane przez osoby, które wystarczająco dobrze znają się na opisywanych tematach. W związku z tym często w takich materiałach szkoleniowych możemy natrafić na błędy. Niezmiernie ważna okazuje się zawsze weryfikacja jakości danego kursu – należy wybierać tylko opracowania sprawdzone, przygotowane przez doświadczonych znawców elektroniki. Inna opcja to płatne szkolenia z elektroniki, jednak wydaje się, że forma taka jest zdecydowanie najrzadziej wybierana przez początkujących elektroników i programistów (choć w tym ostatnim przypadku płatne kursy traktowane są często jako element przygotowania do pracy zawodowej i wzmocnienie kwalifikacji).

Od czego zacząć naukę elektroniki?

Klasycznym podejściem do nauki elektroniki jest opanowanie w pierwszej kolejności podstaw elektroniki analogowej. Wykorzystujemy w niej napięcie (sygnały elektryczne) w formie zbliżonej do takiej, w jakiej występują one w „naturze”. Przykładowo: jeżeli korzystamy z czujnika natężenia światła (klasycznego, prostego czujnika analogowego, np. fotorezystora), to wszelkie zmiany oświetlenia są reprezentowane przez zmiany jednego z parametrów elektrycznych czujnika – w tym przypadku zmienia się rezystancja. Jeśli korzystamy z układów analogowych, zmiany oświetlenia są przetwarzane także w sposób ciągły, tzn. każda, nawet najmniejsza zmiana będzie widoczna w sygnale wyjściowym. Jeżeli jednak zastosujemy pewne uproszczenie i przetworzymy sygnał analogowy na cyfrowy, tzn. na liczby, które reprezentują określone poziomy wartości tego sygnału, to zamiast przetwarzać te sygnały analogowo (np. za pomocą wzmacniaczy, filtrów czy układów kształtowania impulsów), możemy zastosować po prostu… obliczenia. Znaczna część naszego układu elektronicznego może być wtedy zrealizowana niejako wirtualnie, tzn. w formie oprogramowania dla mikrokontrolera. Zamiast budować skomplikowany układ, zamykamy całość na niewielkiej płytce zawierającej od kilkunastu do kilkudziesięciu elementów. W ten sposób od klasycznej elektroniki cyfrowej, opierającej się na tzw. bramkach logicznych, licznikach czy dekoderach przechodzimy bardzo gładko do elektroniki programowalnej (wspomnianych już wcześniej mikrokontrolerów).

Elektronika analogowa a elektronika cyfrowa

Elektronika analogowa uznawana jest za znacznie trudniejszą niż elektronika cyfrowa, ponieważ w układach występują tu zjawiska, które w elektronice cyfrowej najczęściej w ogóle nie mają miejsca, np. szumy, oscylacje czy też niestabilność pewnych rozwiązań układowych, a także wszelkiego rodzaju zakłócenia, które wnikają do układu z otoczenia. Powodują one powstawanie różnego rodzaju błędów, ale też utrudniają działanie układów, np. zafałszowują pomiary wykonywane przy pomocy układów analogowych. Do tego dochodzą zjawiska mniej oczywiste, choć bardzo istotne w wielu układach precyzyjnych, np. tzw. nieliniowości czy zniekształcenia harmoniczne. W przypadku elektroniki cyfrowej najczęściej nie mamy do czynienia z takimi pojęciami, choć oczywiście tutaj pojawiają się z kolei inne problemy techniczne, wymagające rozwiązania. Jak wspomnieliśmy wcześniej, większość operacji jest w takich urządzeniach wykonywana w postaci obliczeń, a więc nie wymaga zastosowania skomplikowanych układów elektronicznych. W układach cyfrowych z kolei wymagana jest znajomość operacji logicznych i systemów reprezentacji liczb w postaci zrozumiałej dla mikrokontrolera czy komputera. Mówimy tutaj np. o tzw. systemie binarnym czy systemie szesnastkowym (heksadecymalnym). Pojęcia te, związane z pewną odmianą algebry są konieczne do wdrożenia zarówno układów cyfrowych – klasycznych, jak i opartych na mikrokontrolerach, czy np. tzw. macierzach programowalnych FPGA lub układach programowalnych CPLD (którymi jednak nie będziemy się na razie zajmować z uwagi na znacznie wyższy stopień skomplikowania tych rozwiązań).

Podsumowanie

Elektronika jest bardzo ciekawą i przydatną w codziennym życiu dziedziną, ale aby się nią zajmować, trzeba nauczyć się podstawowych pojęć zarówno z zakresu fizyki i matematyki, jak i np. informatyki oraz programowania. Warto jednak pamiętać, że jeśli skorzystasz z odpowiednich materiałów, nauka ta nie będzie żmudna i męcząca, ale stanie się dla Ciebie prawdziwą przyjemnością, która zaprocentuje w przyszłości. Dzięki wdrożeniu się w zagadnienia elektronikianalogowej, a później cyfrowej, zyskasz możliwość samodzielnego konstruowania choćby urządzeń ułatwiających codzienne życie. A może zdecydujesz się, by związać swoją przyszłość zawodową właśnie z tą dziedziną wiedzy?