מבוא ל-IoT ברספברי פיי: הנגד (resistor)

על מנת לעבוד עם רספברי פיי ב-IoT קלאסי, אנו צריכים (נרצה או לא נרצה) להכיר קצת אלקטרוניקה. אני יודע שזה עלול להלחיץ או להרתיע אבל תאמינו לי – אם מישהו עם זוג ידיים שמאליות כמוני שמעולם לא למד אלקטרוניקה באופן מסודר הצליח להגיע לרמה מספיקה כדי לתפקד – גם אתם תצליחו. במאמר הקודם דיברנו על מעגל חשמלי ברספברי פיי ועבודה עם הפינים שלו. ראינו איך מעגל חשמלי נראה והזכרתי שם נגדים או רזיסטורים ששמים אחד מהם על ה-breadbasket בין מקור המתח לבין הרכיב כי נורת ה-LED המסכנה לא יכולה לעמוד במתח של 5v או 3.3V והיא פשוט תישרף.

מטרת הנגד – להוריד את המתח כדי שלא נשרוף מכשירים, חיישנים או נורות. לכל גאדג'ט מסוים יש את המתח שהוא יכול לעמוד בו והנגד, שאולי הוא הרכיב הכי מסתורי בכל הסיפור הזה ושעלי תמיד עשה רושם, יש את התפקיד הזה: להוריד את מפלס המתח.

כלומר זה בדיוק כמו ראש טוש של מקלחת – הוא לוקח זרם ומפחית אותו כדי שיהיה לנו נעים להתקלח.

אבל איך נדע באיזה נגד להשתמש? אם נשתמש בנגד חלש מדי, נשרוף את הרכיב. אם נשתמש בנגד חזק מדי, הרכיב לא יעבוד. בדיוק בשביל זה יש את הסימונים המוזרים האלו על הנגדים. כדי להבין איך הם נראים.

מאיזה צד מסתכלים על הנגד?

לנגד קלאסי יש צבע כחלחל וחמישה סימונים. על נגדים צריכים להסתכל משמאל לימין. כאשר הצד השמאלי שלהם הוא הצד שבו יש את רוב הפסים. זה קצת טריקי. הנה תמונה של נגד שיש לי, מה הצד הנכון?

התשובה "הרשמית" היא שמתחילים בצד שבו מרוכזים כל הפסים. אפשר לראות שזה קצת טריקי, במיוחד כי הנגדים קטנים – אבל התשובה הנכונה היא שהנגד הזה מתחיל בעצם בפס אדום וכך אנו מסתכלים עליו.

איך מבצעים את החישוב?

אז הבנו איך להסתכל על זה – אבל איך מבצעים את החישוב של הפסים? מטרת הפסים לעזור לנו להבין מה הערך של ההנחתה. ההנחתה נמדדת בערך שנקרא ohms (בעברית מבטאים כאוהם) והסימול שלו הוא Ω ואת אחוזי הדיוק של הנגד.

אז איך מודדים הנחתה בנגד של חמישה ערוצים? באמצעות הטבלה המאוד אוניברסלית הזו:

נסתכל על הנגד בתמונה. הערוץ הראשון הוא אדום – הערך שלו בטבלה הוא 2.

הערוץ השני הוא אדום – הערך שלו בטבלה הוא 2.

הערוץ השלישי הוא שחור, הערך שלו בטבלה הוא 0.

מחברים את הכל כמחרוזות טקסט (גרסת מתכנת הווב: אמרתי לכם שג'אווהסקריפט תשתלם בסוף! 😂).

2+2+0 = 220

הערוץ הרביעי הוא המולטיפלייר. מכפילים אותו בערך. כאן זה שחור. אז זה 1. 220 כפול 1 זה 220.

כלומר הנגד שלנו הוא עם ערך 220Ω.

הערוץ החמישי הוא הדיוק. כלומר זה 220Ω באחוז אחד יותר או פחות (זה פחות רלוונטי לרספברי פיי מהניסיון הדל שלי).

בואו נחשב עם נגד אחר! למשל נגד כזה:

הערוץ הראשון הוא אדום. זה 2.

השני הוא כתום. זה 3.

השלישי הוא צהוב. זה 4.

2+3+4 = 234Ω

המכפיל הוא ירוק. זה מאה אלף (!)

234 כפול מאה אלף זה 2.34 מיליון אוהם. כותבים את זה בקיצור 2.34MΩ.

חישוב האוהם הוא החשוב ביותר כי הוא מביא אותנו אחר כך להבנה באיזה נגד לבחור.

מה קורה עם נגד ארבעה ערוצים? בניגוד לנגד חמישה ערוצים שצבעו כחלחל. בנגד ארבעה ערוצים יהיו ארבעה פסים.

איך מחשבים אותו?

ערוץ ראשון הוא אדום. 2.

ערוץ שני הוא כתום. 3.

אין ערוץ 3. אז הערך שלו הוא 23Ω.

הפס השלישי הוא המכפיל. במקרה הזה צהוב. פי 10,000 (!). 23 כפול 10,000 זה… 230,000Ω! או 230KΩ. רמת הדיוק היא חצי אחוז.

לפעמים יש נגדים שיש להם רק שני פסים. במקרה הזה הצבע של הנגד הוא המכפיל.

כשקונים ערכה של נגדים, כבלים, נורות LED וחיישנים בדרך כלל מוסיפים את הטבלה הזו כמדבקה נוחה שאפשר להסתכל עליה בכל רגע נתון.

אז חישבתי את האוהם. יש לי מספר עם Ω לידו! מה אני עושה עכשיו? אני משתמש במספר הזה כדי להבין בכמה העוצמה של המתח תרד. איך? פשוט מחלק. אם המתח שנכנס הוא 5V והנגד שלי הוא 220Ω, אז 5/220 זה 0.0226244344 הזרם (באמפר) שיזרום דרך הנגד.

מה זה אמפר?

אבל זה לא כל כך פשוט. כשאני מחבר משהו לחשמל. אני צריך לדעת שני דברים. הראשון הוא המתח כלומר וולט והשני הוא הזרם – אמפר. מה ההבדל בינהם? הוולט מודד את העוצמה של הזרם והאמפר הוא כמה יכול לעבור לתוך הרכיב. כמו צינור מים. הוולט הוא הלחץ של המים. האמפר הוא הקוטר. אם נחבר עוצמה גדולה מדי לקוטר קטן מדי הכל יתפוצץ. אם נמשיל את זה לעולם שלנו אז הוולט הוא מהירות האינטרנט (למשל ג'יגהביט לשעה) שיש לספק והאמפר הוא המהירות של כרטיס הרשת.

בכל רכיב יש פירוט של גם אמפר וגם וולט. כאשר יש לנו אמפר, שמסומן ב-A ומיליאמפר שהוא אמפר חלקי אלף שמסומן ב-mA. אם נרצה להמיר – אז אמפר אחד זה אלף מיליאמפטר ו-50 מיליאמפר זה 0.05 אמפר.

נורות לד סטנדרטיות עובדות עד 0.02 אמפר או 20 מיליאמפר. 20 mA וצריכות 2 וולט מקסימום. תלוי בצבע. איך אני יודע? חיפשתי ברשת מידע על נורות LED סטנדרטיות שיש לי. ברכיבים יותר משוכללים יש לי בד"כ פירוט שמגיע עם המוצר. בנורות LED אין לי.

התאמת עוצמת הנגד לאמפר ולוולט

אז איך מחשבים את הרזיסטור שצריך? לפי הנוסחה הבאה (לא להתעלף):

R = (VS – VL) / I

VS זה האספקה שיש לנו. במקרה של רספברי פיי זה 5 או 3.3 תלוי בפין.

VL זה האספקה שאנחנו צריכים. למשל במקרה של נורית LED אדומה זה 2.

I זה האמפראז'.

אז אם המתח שאנו מקבלים הוא 5 וולט, אנחנו צריכים 2 והאמפר הוא 20 מיליאמפר, החישוב שלנו הוא:

(5V - 2V) / 0.02A

והתוצאה היא 150Ω. שזה המינימום שאנחנו צריכים כנגד. האמת היא, שאנחנו יכולים לעשות את החישוב הזה עם גוגל ישירות משורת הפקודה של הדפדפן.

כלומר הנגד המינימלי שאני צריך להשתמש בו הוא 150Ω. אם אני אשתמש ביותר חזק? למשל 220Ω? אז הנורה תהיה ממש מעומעמת. אם אני אשתמש ב-1000Ω אז אני לא אראה כלום. אבל המנורה לא תשרף. אני אבחר תמיד את הנגד המתאים.

יש פירוט שונה לרכיבים שונים שמחוברים. תמיד חשוב לחשב את ה-Ω המתאים של הנגד כי הוא חלק קריטי מהמעגל החשמלי. בגדול יש כמובן עוד הרבה יותר, כמו מעגל חשמלי מקבילי וטורי וכו'. אבל זה לא נדרש כמובן לשעשועים של רספברי. בסופו של דבר, אפשר לדעת באמת את המינימום של המינימום כדי להתחיל לשחק והנגד והבנה בו היא הדבר הכי מתקדם חשמלית שצריך לדעת.

בונוס: מה זה וואט?

כשאנחנו עובדים עם רספברי שמחובר לחשמל ויש לו ברוך השם שפע של חשמל, אני לא שובר את הראש בכמה חשמל אני משתמש וכמה הוא עולה לי. אבל וואט הוא בעצם כמה חשמל אנו צורכים. ואפשר למדוד את זה בכסף. איך מחשבים את הוואט שצריך? כך:

watt = amp × volt

תמיר זגמן מוסיף (בנוסף למלא תיקונים שהוא שלח לי והוספתי 🙂 ) – צריך להבדיל בין הספק (נמדד בוואט או קילוואט) לבין אנרגיה = הספק x זמן (נמדד לדוגמא בקילו וואט שעה). אתה בעיקר משלם לחברת חשמל עבור האנרגיה שאתה צורך (הספק לאורך זמן) ולא עבור ההספק. דרך אגב, בחשבון החשמל כן יש מרכיב של הספק מובטח.

מפה אני פשוט חושש להמשיך – כי אני עלול להטעות. אני לא מהנדס חשמל. כל מה שאני רוצה זה לדעת מספיק כדי לחבר דברים לרספברי פיי שלי. וזה בדיוק מה שאני מרוויח מהפוסט הזה.