תוספת מאוחרת: את הפוסט זה כתבתי אי-שם בתחילת הדרך. לפוסט מעודכן ומפוקס יותר על מחלקי מתח, ראו בקישור הזה.

כל הגורואים של האלקטרוניקה אומרים שכדי ללמוד את הנושא כמו שצריך, חייבים להיכשל בדרך ולעשות טעויות. זה מספיק גרוע כשזה קורה לך תוך כדי עבודה לבד, בבית, אבל כשכותבים בלוג והטעות מופיעה לעיני כל העולם הרבה לפני שעלית עליה… 🙂

בפוסט זה, אם כן, אנסה לתקן טעות מושגית מהותית שעשיתי בעבר. אפרופו, כשדיברתי בזמנו עם אוריאל על Boozo the Smile, הפרויקט שלו שהוצג כאן, הנושא הועלה על ידו ובצורה שהייתי אמור לקלוט על המקום – אבל כנראה נגזר עליי לתפוס את העניין שרק אחרי שאביך את עצמי בפומבי. בקיצור, הפעם נדבר על ההבדל הקריטי בין נגד Pull-down לבין מחלק מתח.

תקציר הפרקים הקודמים

כזכור, נגד Pull-down הינו נגד בעל התנגדות גבוהה, שאנחנו מחברים בין פין קלט דיגיטלי לבין ה-Ground של המערכת במקרים בהם הפין הדיגיטלי אמור לקרוא ממקור צף. מקור צף הוא כזה שעשוי להיות, בשלב כלשהו בפעולת המערכת, מנותק לחלוטין גם ממתח וגם מה-Ground. הדוגמה הטריוויאלית ביותר היא לחצן פשוט: כל עוד לא לוחצים עליו, הוא משאיר את המעגל החשמלי פתוח לגמרי (פיזית, לאוויר), ולכן אין לפין הקורא נקודת ייחוס להשוואה ובדיקה של מה שמגיע ממנו. ה- Pull down מספק נקודת ייחוס כזו, מעין "אפס" של ברירת מחדל, והערך הגבוה של הנגד מבטיח שכאשר כן יהיה חיבור, החשמל לא יתנקז כולו דרך הנגד אלא נוכל למדוד אותו.

אופס

ישנן עוד סיטואציות בהן אנחנו נעזרים בנגד בעל ערך גבוה שמחובר ל-Ground ולפין קלט: למשל, כשאנחנו צריכים לבצע מדידה אנלוגית של רכיב בעל התנגדות משנה (כגון פוטורזיסטור). אפרופו, ישנם רכיבים רבים בעלי התנגדות משתנה (פוטנציומטרים ואחרים), שיש להם שלוש רגליים – מתח, Ground ופלט – ובהם אין צורך בנגד חיצוני כזה. בכל אופן, ההנחה הנאיבית שלי היתה שגם במקרים כאלה של קריאה אנלוגית, הנגד החיצוני משמש כנקודת ייחוס של ברירת מחדל לצורך השוואה. טעות! בקריאה אנלוגית, אנחנו צריכים את הנגד הזה מסיבה אחרת לגמרי – מכיוון שנגדים משנים את הזרם, ואילו הארדואינו שלנו מודד מתח. מה זה קשור? בואו ונראה…

מהתחלה

הנושא של חוק אום יוסבר בצורה מפורטת בפוסטים עתידיים על אלקטרוניקה בסיסית. בינתיים, לענייננו מספיק לדעת דבר פשוט: שכאשר יש לנו מקור מתח (כגון סוללה או פין פלט דיגיטלי של ארדואינו), וכאשר המתח שמגיע מהמקור הזה הוא קבוע, אז הוספה של נגדים למעגל גורמת להגבלה ולצמצום של הזרם שעובר בו.

לדוגמה, כשאנו מפעילים נורית LED באמצעות פין דיגיטלי (5V) של הארדואינו, אנחנו מוסיפים למעגל נגד בערך של 220 אום, כי זה בדיוק מה שנחוץ כדי להגביל את הזרם לרמה שהנורית יכולה לעמוד בה.  ככל שערך הנגד יהיה גבוה יותר, כך יגיע לנורית פחות זרם וההארה תהיה חלשה יותר – אך המתח יישאר פחות או יותר זהה!

הפינים האנלוגיים של הארדואינו קוראים מתח, לא זרם. אפשר להדגים זאת בקלות אם נחבר את יציאת 3V של הארדואינו לפין אנלוגי דרך נגד (עם ערך שונה כל פעם) ונשלח ל-Serial Monitor את הערכים המתקבלים מהפונקציה analogRead. הקריאות נשארות בערך אותו דבר דרך נגד של 220 אום ודרך נגד של 10K אום.

זה הזמן המתאים להרים גבה. אם ההתנגדות של רכיב לא משפיעה על המתח, איך אנחנו מסוגלים בכלל לקרוא מידע מפוטורזיסטור? הרי הדבר היחיד שמשתנה בו בהתאם לרמת התאורה זו ההתנגדות!

התשובה: מחלק מתח, סידור של שני נגדים שיוצר שינויים במתח המתקבל במוצא, כתלות בערכי הנגדים. בתמונה הבאה מוצג אופן החיבור של פוטורזיסטור לפין אנלוגי – החיבור שבו השתמשתי עד כה בלי להבין איך בעצם הוא עובד:

חיבור החומרה לארדואינו שקורא רמות תאורה באמצעות פוטורזיסטורמבחינה חשמלית, המעגל הזה הוא שווה ערך לשרטוט הסכמטי הזה:

למעגל הזה יש "כניסה" אחת (5V), ושתי "יציאות" – ל-Ground ולפין האנלוגי. עכשיו, בהסתכלות נאיבית, לא נראה שזה אמור לשנות משהו למדידה – הרי אחרי שהחשמל "עובר את" הפוטורזיסטור, הוא אמור לבחור בנתיב הכי קל ולהגיע כולו לפין הקלט, לא? אבל צריך לזכור שחשמל לא עובד ככה. ההסתכלות צריכה להיות על המעגל השלם, לא רק צעד אחד קדימה אלא על כל הדרך(ים) מהמבוא עד למוצא(ות),

מקוצר זמן לא ניכנס כאן להסבר הטכני המדויק – את זה אני אשאיר לפוסט נוסף בקרוב. בינתיים, הנה מה שצריך לדעת: אם נקרא לפוטורזיסטור R1 ולנגד הקבוע R2, אז המתח במוצא Vout יהיה תלוי ביחס שבין R2  לבין R1 + R2. כך נראים המקרה הכללי והנוסחה:

נדגים על המעגל שהצגתי קודם. R2 הוא קבוע וערכו 10K אום. אם הפוטורזיסטור מואר וההתנגדות שלו היא 5K אום, והמתח שאנחנו מספקים הוא 5V, אז לפי הנוסחה, המתח שיגיע לפין הקלט הוא 3.3V. לעומת זאת במקום חשוך יותר, כשההתנגדות של הפוטורזיסטור היא נניח 100K אום, הנוסחה תיתן 0.45V. כך, באמצעות סידור נכון של נגדים, אנחנו מסוגלים להמיר התנגדות משתנה למתחים משתנים ולקרוא אותה דרך הפין האנלוגי של הארדואינו.

מחלק מתח אמנם מאפשר לנו לשלוט במתח של המוצא, אך השיטה הזו מתאימה רק למדידות, לא לאספקת חשמל. לדוגמה,  אם יש לכם סוללה של 12V ואתם רוצים להזין בעזרתה שבב שצריך 5V, אל תשתמשו במחלק מתח: המון אנרגיה תלך לאיבוד ותתבזבז על התחממות הנגדים, והמתח עצמו עשוי להתנודד ולהשתנות בצורה קיצונית בהתאם לעומס על המעגל.

ולסיום אני מזכיר שוב, אם מישהו שכח או לא הבין: אני לא מומחה לאלקטרוניקה (אפילו לא קרוב), והבלוג הזה אינו מקור מידע מוסמך. כל מה שאתם רואים כאן הוא חלק מתהליך הלמידה וההתנסות הפרטיים שלי, וזה אומר שלמרות כל המאמצים, יהיו פה ושם גם אי דיוקים וטעויות. אתם מתבקשים לא לסמוך עליי – או על אף מקור אחר, לצורך העניין – אלא תמיד לבדוק לבד, לחקור, לנסות, לשאול ולהעיר…