Serwis Edukacyjny
Nauczycieli
w I-LO w Tarnowie

Do strony głównej I LO w Tarnowie

Materiały dla uczniów liceum

  Wyjście       Spis treści       Poprzedni       Następny  

©2018 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie

Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek
Konsultacje: Wojciech Grodowski, mgr inż. Janusz Wałaszek

 

 

Elementy

Złącza

Rozdziały artykułu:
Wstęp
Teoria
Warsztat
Elementy
    Przewody
    Złącza
    Baterie i akumulatory
    Obwody elektroniczne
    Przyciski
    Oporniki
    Kondensatory
    Diody
    Tranzystory
    Bramki cyfrowe
    Sieci logiczne
    Układy kombinacyjne
    Przerzutniki
    Rejestry
    Liczniki
    Generatory
    Przekaźniki
Projekty

 

Rodzaje złącz

Złącza mają za zadanie połączyć elektrycznie przewód z urządzeniem elektronicznym. W technice cyfrowej stosuje się tysiące różnych złącz i nie jestem w stanie ich wszystkich opisać. Podam jedynie informacje o podstawowych i często używanych rodzajach złącz.

Najprostsze złącze to zwykłe przylutowanie przewodu do płytki drukowanej:

Na płytce wykonuje się specjalne pole lutownicze (ang. wire pad) z otworem, w który wkłada się przewód i przylutowuje cyną do pola. Tak postępujemy, gdy chcemy mieć niezawodne połączenia, np. pomiędzy modułami urządzenia, a połączenia te nie muszą być rozłączane. W Eagle tego typu połączenia znajdziesz w bibliotece wirepad.lbr.

Przewody mogą być mocowane do płytki drukowanej rozłącznie bez lutowania, np. poprzez przykręcanie śrubką w specjalnym gnieździe:

Przewody wykonuje się tu najczęściej z linek, których końce są zlutowane na odcinku 5 mm.

Jeśli złącze musi być rozłączalne, to stosowane są różne rodzaje gniazd i współpracujących z nimi wtyczek.

 

 

Złącza krawędziowe

Złącze krawędziowe (ang. edge connector) umożliwia bezpośrednie łączenie z płytkami drukowanymi. Zasada jest prosta: na brzegu płytki tworzy się prostokątne pola, do których dochodzą ścieżki. Płytkę wsuwa się następnie w gniazdo krawędziowe i połączenie gotowe:

Wykonanie w warunkach amatorskich płytki drukowanej ze złączem krawędziowym może być trudne, ponieważ pola stykowe nie mogą pokrywać się tlenkami w miarę upływu czasu – powodowałoby to pogorszenie styku. W profesjonalnym wykonaniu są one pokrywane cieniutką warstewką złota, które jest metalem szlachetnym. Zamiast złota amator może użyć cyny, np. stopu Lichtenberga, który topi się w temperaturze poniżej punktu wrzenia wody. Nie jest to rozwiązanie idealne, ale lepsze od pozostawienia punktów styku niezabezpieczonych – miedź dosyć szybko śniedzieje i wymaga częstego czyszczenia styków.

Złącza krawędziowe można natomiast z powodzeniem używać, jeśli twoje urządzenie ma współpracować z profesjonalnie wykonaną płytką np. kartą lub modułem pamięci:

W takim przypadku musisz zakupić odpowiednie gniazdo krawędziowe, które będzie pasowało do podłączanego urządzenia.

Specjalizowane złącza krawędziowe są stosowane do popularnych kart pamięci SD:

 

Goldpiny

Goldpiny (ang. goldpin headers) są bardzo popularnymi złączami ze względu na swoją uniwersalność, prostotę i niezawodność. Złącze zbudowane jest z dwóch elementów:

bolców męskich (ang. male goldpin header):

gniazd żeńskich (ang. female goldpin header):

Bolce wsuwa się do gniazd i w ten sposób tworzone jest połączenie. Goldpiny produkowane są w postaci listew, najczęściej po 40 bolców/gniazd. Z takiej listwy odłamujesz/odcinasz potrzebną ci ilość goldpinów i lutujesz je na płytce drukowanej.

 

Goldpiny produkowane są w wielu odmianach:

  Proste Zgięte SMD
Jednorzędowe
Dwurzędowe
Jednorzędowe
Dwurzędowe

Istnieją również wtyczki, które pasują do gniazd goldpinowych męskich i żeńskich:

Goldpiny mogą również służyć do konfiguracji parametrów pracy urządzenia elektronicznego za pomocą zworek (ang. jumpers), które nasuwa się na sąsiednie pary bolców, tworząc między nimi zwarcie.

Bolce goldpin posiadają przekrój kwadratowy o boku 0,64mm. W płytce drukowanej należy wykonać otwór o średnicy około 0,9mm. Bolce ustawiane są w odstępie 1/10", czyli 2,54mm.  W Eagle dostęp do goldpinów masz poprzez biblioteki:

  • con-lsta.lbr – listwy gniazd jednorzędowe, dwurzędowe i dwurzędowe kątowe
  • con-lstb.lbr – listwy bolców jednorzędowe, dwurzędowe i dwurzędowe kątowe
  • pinheader.lbr – listwy bolców jedno- i dwurzędowe

W naszych projektach intensywnie wykorzystujemy goldpiny.

 

Złącza KANDA

Przy pracy z mikrokontrolerami AVR spotkasz się często ze złączem KANDA, które służy do przesyłania sygnałów programujących (ISP – ang. In-System Programming, programowanie w układzie) . Złącze to występuje w dwóch wariantach: 6 stykowe i 10 stykowe. W jego skład wchodzi gniazdo oraz wtyczka, zwykle mocowana na tasiemce:
 
 

Gniazdo Kanda jest kompatybilne z dwurzędowymi goldpinami męskimi, jednak zaleca się stosowanie oryginalnego gniazda. Wtyczka KANDA posiada z jednego boku wypust, który wchodzi w wycięcie w gnieździe KANDA, co uniemożliwia ich odwrotne podłączenie (przy goldpinach trzeba niestety uważać). Tego typu rozwiązanie oszczędzające miejsce widać na poniższym obrazku (Arduino Nano):

Numeracja styków w złączach Kanda jest następująca:

WTYCZKA  

widok od czoła wtyczki

 

widok od czoła wtyczki

GNIAZDO  

widok z góry

 

widok z góry

Istnieją przejściówki Kanda 6 ←→ Kanda 10. Możesz je wykonać samemu.

Ogólnie rzecz ujmując, złącze KANDA 10 jest "lepsze" od KANDA 6. Linie danych na tasiemce przeplatają się z liniami masy, które służą do ekranowania i obniżają poziom zakłóceń, a to z kolei pozwala na szybszą i pewniejszą transmisję danych. W praktyce amatora nie ma to większego znaczenia, ponieważ i tak nie stosujemy ekstremalnych szybkości transmisji. KANDA 6 jest mniejsze i oszczędza miejsce na płytce.

Znaczenie sygnałów w złączu KANDA jest następujące:

Vcc napięcie zasilające mikrokontroler, zwykle 5V lub 3,6V.
GND masa, 0V
SCK impulsy zegara (ang. Serial Clock).
MISO dane z programowanego mikrokontrolera (ang. Master Input Slave Output).
MOSI dane dla programowanego mikrokontrolera (ang. Master Output Slave Input).
RST sygnał programujący, podłączany do wyprowadzenia RESET w mikrokontrolerze. Cykl programowania rozpoczyna się, gdy RST przechodzi w stan niski 0.
NC niepodłączone (ang. No Connection).

Gniazda KANDA 6 i KANDA 10 (ML6* i ML10*) znajdziesz w bibliotekach Eagle:

  • con-harting-ml.lbr
  • con-ml.lbr

 

Złącza USB

USB (ang. Universal Serial Bus – uniwersalna magistrala szeregowa) jest typem złącza oraz protokołem komunikacyjnym, który pozwala przesyłać dane cyfrowe pomiędzy różnymi urządzeniami. Sposób przesyłania danych przez złącze USB jest skomplikowany i nie będziemy się tu nim zajmować. Złącze USB wdrożono pod koniec lat 90-tych ubiegłego wieku w komputerach osobistych IBM-PC. Zastąpiło ono stosowane wcześniej różne typy złącz, których dzisiaj się już nie używa powszechnie (np. RS-232 i Centronics), chociaż wciąż można dokupić konwertery dla tych złącz ze standardu USB. Złącze stało się bardzo popularne ze względu na to, iż użytkownik może do niego podłączać urządzenia w locie, bez konieczności wyłączania komputera. Urządzenia USB są "inteligentne" i po polaczeniu z komputerem przekazują do niego dane identyfikacyjne, dzięki czemu komputer je rozpoznaje automatycznie i używa odpowiednich sterowników do komunikacji.

Od strony technicznej połączenie następuje za pomocą 4 przewodów, z których dwa to zasilanie +5V i masa GND, a pozostałe dwa, D+ i D-,  służą do przesyłania danych. Przewody danych są często skręcone ze sobą, co zmniejsza zakłócenia. Dodatkowo całość jest zwykle opleciona ekranem z cienkiego drutu oraz folią aluminiową. Przewody w kablu USB posiadają kolorową izolację:

Jak widzisz, złącze USB może zasilać małe urządzenia, co znacznie ułatwia ich budowę i wykorzystanie. Tutaj typowym przykładem są Pendrive'y. Wkładasz go do gniazda USB i już po krótkiej chwili można odczytywać lub zapisywać dane. My również będziemy często korzystać z tej własności złącza USB.

Transmisja USB przebiega szeregowo (bit po bicie) pomiędzy urządzeniem nadrzędnym (zwykle komputer) a urządzeniem podporządkowanym. Standard USB definiuje wtyczki oraz przeznaczone dla nich gniazda. Obecnie USB doczekało się trzech wersji, które są kompatybilne w dół. Różnią się one miedzy sobą szybkościami transmisji oraz budową złączy (wtyczka+gniazdo).

Standard   Szybkość transmisji  
USB 1.1 do 12 Mbps (12 milionów bitów na sekundę) do 1,5 MB na sekundę
USB 2.0 do 480 Mbps do 60 MB na sekundę
USB 3.0 do 5 Gbps (5 miliardów bitów na sekundę) do 640 MB na sekundę

Standard USB 1.1 jest obecnie przestarzały i korzystają z niego tylko starsze urządzenia. Standard USB 2.0 powszechnie obowiązuje. Praktycznie każdy współczesny komputer posiada ten rodzaj złącz. Standard USB 3.0 jest względnie nowy, lecz można go spotkać coraz częściej, a w niedalekiej przyszłości na pewno stanie się obowiązującym standardem.

Rodzaje złączy dla USB 1.1

Gniazdo USB typu A   Wtyczka USB typu A

 

 
     
Gniazdo USB typu B   Wtyczka USB typu B
 
 

 

Rodzaje złączy dla USB 2.0

Standard USB 2.0 jest kompatybilny w dół ze standardem USB 1.1. Oznacza to, iż do magistrali USB 2.0 możesz podłączać urządzenia zaprojektowane dla standardu USB 1.1, jednakże wtedy nie osiągniesz większej szybkości transmisji niż około 1,5 MB na sekundę. USB 2.0 używa złączy typu A i B. Dodatkowo można spotkać złącza miniaturowe, które zostały zaprojektowane specjalnie dla małych urządzeń:

Gniazdo USB 2.0 Mini-AB   Wtyczka USB 2.0 Mini-A
 
 
     
Gniazdo USB 2.0 Mini-B   Wtyczka USB 2.0 Mini-B
 
 
     
Gniazdo USB 2.0 Micro-AB   Wtyczka USB 2.0 Micro-A
 
 
     
Gniazdo USB 2.0 Micro-B   Wtyczka USB 2.0 Micro-B
 
 

Wtyczki Mini-A i Mini-B są bardzo do siebie podobne. Różnią się jedynie tym, iż spód w Mini-A jest trapezowaty, a w Mini-B jest prostokątny. Dlatego dla obu wtyczek stosowane są gniazda uniwersalne Mini-AB. Trudno obecnie spotkać gniazdo Mini-A, dlatego nie umieściłem jego opisu, który praktycznie jest taki sam jak dla gniazda Mini-B.

W gniazdach USB 2.0 mini i micro jest 5 styków, zamiast 4. Dodatkowy styk, oznaczony jako ID. Może być niepodłączony, zwarty do masy lub zwarty do masy poprzez opornik w urządzeniu, co umożliwia wykrycie jego podłączenia do portu USB. Pozostałe styki posiadają standardowe znaczenia.

Złącze USB 2.0 może dostarczyć prądu zasilania o maksymalnej wartości 0,5A.

Rodzaje złączy dla USB 3.0/USB 3.1

Standard USB 3.0 jest kompatybilny w dół ze standardem USB 2.0. Podstawową zaletą jest duża szybkość przesyłu danych, która może dochodzić do 5 gigabitów na sekundę (około 625 MB/s – standard USB 3.1 podwaja transfer do 10 Gb/s, 1,25 GB/s). Złącza USB 3.0 produkowane są dla odróżnienia w kolorze niebieskim. Dodatkowo posiadają o 5 styków więcej w porównaniu do złączy USB 2.0 i USB 1.1. Dodatkowymi liniami przesyłane są dane w superprędkości (ang. SS = Super Speed). Oznaczenia są następujące:

SSRX+
SSRX-
linie odczytu w superprędkości
SSTX+
SSTX-
linie zapisu w superprędkości

Piąty styk jest masą.

Złącza są kompatybilne w dół z USB 2.0 i USB 1.1, jednak w tym przypadku nie są wykorzystywane dodatkowe styki superprędkości i szybkość transmisji ogranicza się do szybkości typowej dla standardów USB 2.0 i USB 1.1.

Gniazdo USB 3.0 typu A   Wtyczka USB 3.0 typu A
 
 
     
Gniazdo USB 3.0 typu B   Wtyczka USB 3.0 typu B
 
 
     
Gniazdo USB 3.0 Micro-B   Wtyczka USB 3.0 Micro-B
 
 
     
Gniazdo USB 3.0 Typu C   Wtyczka USB 3.0 Typu C
 
 

Standard USB 3.0 typ C został wypuszczony w połowie 2014 roku. Cechuje go symetria styków, zatem wtyczkę można wkładać w obie strony. Znaczenie styków jest następujące:

Styk Nazwa Opis
A1 B12 GND Masa
A2 B11 SSTX+ Sygnał nadawczy w superprędkości
A3 B10 SSTX-
A4 B9 Vcc Zasilanie
A5 B8 CC Kanał konfiguracyjny
A6 B7 D+ Transmisja danych dla USB 1.1 i USB 2.0
A7 B6 D-
A8 B5 SBU Dodatkowy kanał transmisyjny
A9 B4 Vcc Zasilanie
A10 B3 SSRX- Sygnał odbiorczy w superprędkości
A11 B2 SSRX+
A12 B1 GND Masa

Typowe złącze USB 3.0 może dostarczać prądu o maksymalnej wartości 0,9A, lecz istnieją rozwiązania, które znacznie przekraczają tę granicę.

Z uwagi na mnogość standardów USB w handlu można spotkać wiele różnego rodzaju przejściówek oraz kabli.

 

 

Więcej na temat USB znajdziesz w sieci.

 

 

Złącza zasilania

Zasilanie układów elektronicznych jest bardzo ważnym elementem ich budowy, ponieważ bez zasilania nie będą działać. Zasilanie może być bateryjno-akumulatorowe lub zewnętrzne za pomocą odpowiedniego zasilacza. Przy zasilaniu bateryjnym stosowane są różnego rodzaju koszyki, które mogą być montowane na płytce drukowanej lub łączone z nią za pomocą przewodów. Poniżej zamieściłem kilka przykładowych zdjęć takich koszyków dla różnych zestawów baterii (napięcie niższe odnosi się do zestawu akumulatorków):
  Koszyk na pojedynczą baterię AA.
Napięcie zasilania 1,2...1,5V.

Przewód czarny: (–)
Przewód czerwony: (+)

  Koszyk na dwie baterie AA.
Napięcie zasilania 2,4...3V.

Przewód czarny: (–)
Przewód czerwony: (+)

  Koszyk na trzy baterie AA.
Napięcie zasilania 3,6...4,5V.

Przewód czarny: (–)
Przewód czerwony: (+)

  Koszyk na cztery baterie AA.
Napięcie zasilania 4,8...6V.

Przewód czarny: (–)
Przewód czerwony: (+)

  Koszyk na baterię CR 2032.

Napięcie zasilania 3V.
Montaż na płytce drukowanej.

  Koszyk na dwie baterie CR 2032.

Napięcie zasilania 6V.
Montaż na płytce drukowanej.

  Koszyk na dwie baterie 6F22.

Napięcie zasilania 9V.
Przewód czarny: (–)
Przewód czerwony: (+)

W tworzonych projektach raczej staram się unikać pracy z napięciem sieciowym, ponieważ jest niebezpieczne i przy nieuwadze grozi nawet śmiertelnym porażeniem. Z tego powodu lepiej korzystać z gotowych zasilaczy, które można kupić obecnie za parę złotych. Jednak, gdybyś musiał budować urządzenie zasilane z sieci elektrycznej, to powinieneś znać stosowane tutaj złącza. Napięcie w sieci energetycznej w Polsce ma wartość 240V. Jest to napięcie przemienne, sinusoidalne, o częstotliwości 50Hz. Gniazdka sieciowe mogą posiadać dwa lub trzy styki. W tym drugim przypadku dodatkowy styk jest tzw. zerowaniem i powinien być połączony z obudową urządzenia. Zapobiega to przypadkowemu przedostaniu się na obudowę napięcia zasilającego: powstaje wtedy zwarcie i bezpieczniki instalacji powinny odciąć w niej zasilanie. Gdy w gnieździe są dwa styki, to jeden jest przewodem fazowym, drugi zerem. Przewód fazowy jest niebezpieczny i pod żadnym pozorem nie powinieneś go dotykać palcami.

Gniazdko i wtyczka dwustykowa.

 

Gniazdko i wtyczka z bolcem zerowania.

Aby rozpoznać styk fazowy, należy posiadać specjalny próbnik, który zakupisz w każdym sklepie elektrycznym za kilka złotych. Wygląda on jak śrubokręt (i nawet możesz nim przykręcać/odkręcać śrubki):

Wewnątrz jest mała lampka neonowa, która świeci na różowo pod wpływem napięcia sieciowego (jonizacja gazu). Na czerwonej końcówce jest styk, który dotykasz palcem, a drugą końcówką dotykasz badanego styku w gniazdku. Jeśli jest na nim faza, to zostaje zamknięty obwód poprzez twoje ciało i neonówka lekko się zajarzy. Bez obawy. Neonówka stanowi praktyczną przerwę w obwodzie, a prąd, który tu popłynie, jest tak mały, że nawet go nie będziesz w stanie wyczuć. Musisz jednak pamiętać, aby próbnik trzymać za uchwyt. Nie wolno dotykać końcówki, którą badasz styk fazowy. Taki próbnik jest niezbędny przy pracach z instalacją elektryczną. Musi być sprawny, co elektryk zawsze sobie sprawdza, bo od tego może zależeć jego życie. Pamiętaj: z prądem w sieci energetycznej nie ma żartów, nieuwaga i lekkomyślność grozi śmiercią lub kalectwem.

Kabel sieciowy może być na stałe wlutowany w płytkę drukowaną. Jednak lepszym pomysłem jest zaopatrzenie się w kabel z odpowiednią wtyczką. Wtedy w urządzeniu montujesz gniazdo dla tej wtyczki i wszystko wygląda profesjonalnie:

Kabel zasilający trójżyłowy

 

Gniazdo trójstykowe zasilania w urządzeniu.

Kabel zasilający dwużyłowy.

 

Gniazdo dwustykowe zasilania.

Zasilanie urządzenia elektronicznego bezpośrednio z sieci ma sens tylko wtedy, gdy pobiera ono znaczną moc lub wymaga nietypowego napięcia zasilającego. Prawie zawsze będzie konieczne wyposażanie urządzenia w odpowiedni zasilacz wewnętrzny. Jeśli urządzenie jest małe, to wystarczy go zasilić za pomocą fabrycznego zasilacza zewnętrznego. Przemysł produkuje takie zasilacze na różne napięcia i prądy wyjściowe:

Zasilacz na napięcie stałe 5V

Zasilacz uniwersalny na różne napięcia.

Zasilacze najczęściej wyposażone są we wtyki okrągłe z otworem na bolec:

 

Posiadają one różne średnice w zależności od przekazywanej mocy. Z danym wtykiem współpracuje odpowiednie gniazdo zasilacza, które najczęściej lutowane jest do płytki drukowanej:

Ważną rzeczą jest, aby średnice wtyków i gniazd do siebie pasowały. Inaczej nie połączysz ich ze sobą bez zniszczenia. Polaryzacja napięcia na wtyczce może być różna. Najczęściej minus jest na zewnętrznej powierzchni, a plus w otworze. Zwykle na obudowie zasilacza jest o tym odpowiednia informacja:

Tutaj odczytujemy miedzy innymi, że zasilacz przyjmuje na wejściu napięcie przemienne 230V (będzie działał z napięciem 240V) o częstotliwości 50Hz. Pobiera przy tym z sieci prąd 0,09A. Na wyjściu otrzymujesz napięcie stałe, niestabilizowane o napięciu 12V i maksymalnym prądzie 0,8A, moc oddawana do 9,6W. Na spodzie zaznaczona jest polaryzacja: minus na zewnętrznej powierzchni wtyku, plus w środku. Zwróć na to uwagę, gdy dobierasz zasilacz dla swojego urządzenia, ponieważ może być potrzebna odwrotna polaryzacja. Zasilacze uniwersalne pozwalają wybrać właściwą polaryzację wtyku. Jest to bardzo istotne, ponieważ zasilenie urządzenia elektronicznego napięciem o odwrotnej polaryzacji może je uszkodzić.

Gniazda zasilania znajdziesz w bibliotece con-jack.lbr.

 

 

Złącza audio

Wyjaśnijmy najpierw kilka terminów.

Ludzkie ucho odbiera dźwięki w przedziale od 20Hz do 20kHz (zwykle jest to jednak przedział mniejszy, gdyż wraz z wiekiem słuch się pogarsza u większości ludzi). Za sygnał dźwiękowy (akustyczny) będziemy rozumieć falę dźwiękową o częstotliwości leżącej w tym właśnie zakresie. Dźwięki poniżej 20Hz nazywamy infradźwiękami, a te powyżej 20kHz nazywamy ultradźwiękami. Człowiek nie słyszy ultradźwięków, jednak istnieją zwierzęta, które to potrafią (np. nietoperze, psy, koty...). Infradźwięków również nie słyszymy, ale możemy je odczuwać – np. mogą wywoływać nieokreślony niepokój. Być może jest to pozostałość po naszych przodkach, ponieważ wiele czynników środowiskowych tworzy ultradźwięki, np. zbliżający się huragan, trzęsienie ziemi, wulkany, tsunami, itp. Niepokój w takiej sytuacji zwiększa szanse na uratowanie się – można wcześniej uciec.

Człowiek lokalizuje źródło dźwięku na podstawie sygnałów akustycznych, które docierają do jego uszu. Jeśli do obu uszu będzie docierał ten sam sygnał, to nie odniesiemy wrażenia przestrzenności dźwięku. Jeden sygnał dźwiękowy zwany jest sygnałem monofonicznym. Jeśli do obu uszu będą docierały dwa sygnały, które się odpowiednio różnią, to otrzymamy sygnał stereofoniczny. Uszy potrafią również zlokalizować źródło dźwięku dochodzącego z tyłu. Najczęściej realizuje się to za pomocą dwóch dodatkowych sygnałów. Otrzymujemy sygnał kwadrofoniczny. Większość zastosowań dźwiękowych ogranicza się do sygnałów mono- lub stereofonicznych.

W zależności od rodzaju sygnału dźwiękowego mamy zatem złącza monofoniczne i stereofoniczne. Czasem, dla eliminacji przesłuchów (przenikania sygnałów) pomiędzy kanałem lewym (dla lewego ucha) i prawym (dla prawego ucha), stosuje się dwa osobne łącza monofoniczne po jednym na każdy kanał.

Najpopularniejsze są obecnie łącza typu jack, które występują w dwóch odmianach: normalnej o średnicy bolca 6,3mm i mini o średnicy bolca 3,5mm (istnieją również odmiany o mniejszych średnicach). Grubsze bolce stosowane są w sprzęcie o wyższej jakości, cieńsze w sprzęcie popularnym. Wiąże się to z tym, iż grubszy bolec daje lepszy styk, pewniejsze połączenie.

Gniazdo jack 6,3mm mono   Wtyk jack 6,3mm mono
 
   
     
Gniazdo mini-jack 3,5mm mono   Wtyk mini-jack 3,5mm mono
 
   
     
Gniazdo jack 6,3mm stereo   Wtyk jack 6,3mm stereo
 
   
     
Gniazdo mini-jack 3,5mm stereo   Wtyk mini-jack 3,5mm stereo
 
   

Gniazda mini-jack zwykle posiadają przełączniki, zatem wyprowadzeń może być więcej niż 2 lub 3. Ponieważ stosowane są różne sposoby wyprowadzania końcówek, musisz sprawdzić ich układ w danych producenta (dlatego nie umieściłem powyżej rozkładu wyprowadzeń dla gniazd). Nie ma z tym kłopotu, wszystko znajdziesz w sieci. W przypadku Eagle najlepiej stworzyć element dla gniazda, które posiadasz, ponieważ gotowe rozwiązanie biblioteczne może nie pasować. Sposób tworzenia własnych elementów opisujemy w kursie obsługi Eagle.

Istnieją również rozwiązania mini-jack wyposażone w dodatkowe złącze, którym przesyłany jest zwykle sygnał z mikrofonu:

Wtyk mini-jack 3,5mm stereo+mic

Taki wtyk mini-jack zawsze współpracuje z dedykowanym gniazdkiem, ponieważ istnieją dwa standardy dla styku mikrofonowego.

Istnieją przejściówki pomiędzy wtykami jack różnych standardów:

Przejściówka mini-jack → jack
Przejściówka mini-jack mono  → jack stereo
Przejściówka jack  → mini-jack

 

Dla kanałów monofonicznych lub rozdzielonych na dwa kanałów stereo popularne są wtyki jack RCA:

Gniazdo RCA   Wtyk RCA
 

Dla wersji stereo stosowane są dwa wtyki RCA w kolorach czerwonym (kanał prawy) i białym (kanał lewy):

W urządzeniu w podobny sposób oznaczane są kolorami gniazda RCA:

Złącza RCA (ang. RCA = Radio Corporation of America) popularnie zwane są złączami cinch (czyt. cincz). Zwykle stosuje się je do przesyłania sygnałów audio, ale można nimi również przesyłać sygnały wideo. Cechują się one pewnym połączeniem, dlatego często używa się ich w sprzęcie muzycznym.

W handlu znajdziesz różnego rodzaju przejściówki/kable, które pozwolą ci na połączenie ze sobą różnych standardów złączy jack. Obecnie nie ma z tym najmniejszego problemu poza kosztami. Dlatego w swoich rozwiązaniach staraj się używać jednolitego standardu złączy. RCA jest bardzo dobrym kandydatem.

 

Złącza wideo

Obraz tworzony jest na ekranie za pomocą linii (ang. scan lines):

Im tych linii jest więcej, tym obraz zawiera więcej szczegółów. Zbiór linii tworzących pojedynczy kadr obrazu nazywamy ramką (ang. frame).

Sygnał wideo zawiera informację o treści linii oraz dodatkowo tzw. impulsy synchronizacji, które pomagają monitorowi wyświetlać poszczególne linie oraz ramki. Liczba ramek na sekundę (ang. fps = frames per second) określa płynność obrazu. Im większa, tym obrazy ruchome są bardziej płynne oraz znika efekt migotania. Współczesna telewizja stosuje 50 (25 klatek, lecz każda klatka to dwie ramki zbudowane z linii o numerach parzystych i nieparzystych – w ten sposób eliminuje się efekt migotania obrazu) ramek na sekundę.

Kolory w liniach obrazu mogą być przesyłane w postaci zmiksowanej lub osobnymi liniami R, G i B. Możesz się spotkać z następującymi złączami wideo (podaję gniazdko oraz wtyczkę):
Złącze RF (ang. Radio-Frequency, częstotliwość radiowa), służy do podłączenia kabla antenowego, który przekazuje do odbiornika sygnał odebrany z anteny. Taki sygnał jest sygnałem wideo, który przenosi fala o wysokiej częstotliwości. W odbiorniku sygnał wideo musi być wydzielony z tej fali. Rozwiązanie to umożliwia przesyłanie wielu sygnałów wideo tym samym ośrodkiem. Każdy sygnał jest przenoszony przez falę nośną o innej częstotliwości. Obecnie w Polsce obowiązuje wszędzie telewizja cyfrowa. Sygnał cyfrowy jest ciągiem bitów, które kodują treść każdej ramki. Zagadnienie to jest skomplikowane, więc raczej nie spotkasz się z takimi gniazdami, o ile nie zechcesz zbudować jakiegoś odbiornika telewizji cyfrowej :).
Złącze VGA służy do przesyłania sygnału wideo do monitorów starszego typu. Sygnał przesyłany jest w postaci analogowej (tzn. za pomocą napięć o poziomach odpowiadających poziomom sygnału) kolejnymi liniami. Kolory podstawowe R, G i B przesyłane są osobnymi liniami. Oprócz sygnałów kolorów przesyłane są sygnały synchronizujące linie obrazu (HSYNC) oraz ramki (VSYNC):

Złącze DVI (ang. Digital Visual Interface) służy do przesyłania treści obrazu w postaci cyfrowej. Obraz jest transmitowany liniami. Informacja o kolorach składowych przesyłana jest szeregowo osobnymi kanałami w postaci cyfrowej (tzn. poziom składowej koloru kodowany jest w postaci liczby dwójkowej, która zostaje przesłana kanałem bit po bicie w sposób szeregowy). Istnieje wiele typów złącz DVI. W niektórych rozwiązaniach istnieją również linie przesyłające sygnał RGB dodatkowo w postaci analogowej.
Złącze HDMI (ang. High Definition Multimedia Interface) służy do cyfrowego przesyłania dźwięku oraz obrazu w wysokiej rozdzielczości (do 4096x2160 pikseli). Obecnie stosowane jest powszechnie w telewizorach, odtwarzaczach Blu-ray, monitorach komputerowych. Istnieje klika standardów tego złącza.

Oprócz opisanych powyżej złącz wideo funkcjonują również złącza starszego typu (S-Video, Composite Video, SCART, itp.), które jednak powoli wychodzą z użycia, dlatego nie opisuję ich tutaj. Informację na ich temat bez trudu znajdziesz sobie w sieci.

 

Złącze MIDI

Standard MIDI (ang. Musical Instrument Digital Interface, cyfrowy interfejs instrumentów muzycznych) powstał w latach 80-tych na potrzeby przemysłu muzycznego. Przeznaczony był do sterowania różnymi urządzeniami muzycznymi za pomocą klawiatur i sekwenserów. Bez przesady można powiedzieć, że standard MIDI stworzył współczesną muzykę elektroniczną. Dzięki MIDI muzyk może bez problemu nagrywać swoje wykonania na komputerze, odtwarzać nagrania na różnych syntezatorach, sterować z jednego miejsca różnymi instrumentami muzycznymi. Dzisiaj standard ten jest wypierany przez USB, lecz wciąż można go spotkać w keybordach,  pianinach cyfrowych, modułach brzmieniowych i innych urządzeniach stosowanych przez muzyków (sam amatorsko grywam na keyboardzie Yamaha i korzystam z MIDI).


Klawiatura sterująca MIDI

Transmisja MIDI jest realizowana w tzw. pętli prądowej (ang. current loop). Informacja jest przesyłana za pomocą prądu elektrycznego płynącego w pętli:

Urządzenie nadawcze jest źródłem prądu płynącego w pętli, jest zatem urządzeniem aktywnym w transmisji. Urządzenie odbiorcze odbiera prąd z pętli, jest urządzeniem pasywnym.

W pętli transmitowane są szeregowo (tzn. jeden za drugim) bity przesyłanej informacji:

  • Brak prądu w pętli oznacza stan logiczny 1, wysoki.
  • Prąd płynący w pętli oznacza stan logiczny 0, niski.

Szybkość transmisji wynosi 31250 bodów (bitów na sekundę).

Standard MIDI wykorzystuje popularne dawniej gniazda i wtyki DIN-5:

Złącze DIN-5 ma 5 styków, z których MIDI wykorzystuje tylko 3:

2 – GND, masa.

4,5 – pętla prądowa.

Istnieją 3 rodzaje złącz MIDI. Wszystkie stosują te same gniazda i wtyki:

  • MIDI IN – przyjmuje dane z pętli prądowej.
  • MIDI OUT – wysyła dane do pętli prądowej
  • MIDI THRU – kopiuje dane z wejścia MIDI IN.

Protokół MIDI jest dosyć rozbudowany i nie będę go tutaj opisywał w całości. Dane są transmitowane zawsze w jednym kierunku: od urządzenia nadawczego do odbiorczego:

Transmisja odbywa się szeregowo w porcjach po 8 bitów. Przed wysłaniem pierwszego bitu wysyłany jest bit startowy 0, po wysłaniu 8 bitów wysyłany jest bit stopu 1. Bity danych wysyłane są w kolejności od najmłodszego (b0) do najstarszego (b7). Bit o stanie 0 jest reprezentowany przez prąd o wartości 5 mA w pętli prądowej. Bit o stanie 1 reprezentowany jest przez brak prądu w pętli. Bit startu ma stan 0, bit stopu ma stan 1:

Jeśli urządzenia MIDI mają wymieniać ze sobą informację, to konieczne są dwa połączenia za pomocą dwóch osobnych kabli MIDI:

Standard MIDI pozwala na polaczenie ze sobą wielu urządzeń. Do tego celu wykorzystywane są wyjścia MIDI THRU, które transmitują dalej dane odebrane przez wejście MIDI IN:

Jest to możliwe, ponieważ dane MIDI są przesyłane w tzw. kanałach, których może być 16. Do kanałów tych mogą być przypisane różne urządzenia.

Więcej na temat MIDI znajdziesz w sieci.

 

Złącza sieciowe

Do połączenia z siecią komputerową służy złącze Ethernet, które składa się z gniazda i wtyczki RJ-45.
Gniazdo RJ-45   Wtyk RJ-45
 
 

Kabel dla sieci Ethernet zawiera cztery pary skręconych ze sobą przewodów (dlatego kabel taki nazywa się skrętką UTP: ang. Unshielded Twisted Pairs). W każdej parze jeden przewód jest przewodem sygnałowym, a drugi masą. Przewody są w kolorowej izolacji. Przewody sygnałowe mają pełne kolory (niebieski, zielony, brązowy i pomarańczowy). Przewody masy są białe z paskiem o odpowiednim kolorze jak dla przewodu sygnałowego:

Do łączenia kabli z wtyczkami RJ-45 potrzebny jest specjalny zaciskacz (bez niego raczej nie uda ci się połączenie), koszt około 30zł:

Na zaciskaczu nie oszczędzaj. Tanie modele z Chin mogą przestać działać po kilku zaciśnięciach lub nie zaciskają wtyczek poprawnie i są później przerwy na stykach. Zaciskacz umożliwia również prawidłowe przycięcie kabla UTP, aby przewody chowały się we wtyku RJ-45.

Oprócz zaciskacza przyda ci się również tester połączeń dla wtyków RJ-45.

Podłączanie przewodów kabla sieciowego do krosowniczego gniazda RJ-45 wymaga specjalnego nożyka Krone. Narzędzie to umożliwia wciśnięcie przewodu w szczelinę w gnieździe oraz przycięcie jego nadmiaru:

 

Istnieje kilka sposobów łączenia przewodów z wtykiem RJ-45. Odpowiednio przycięte przewody kabla UTP wsuwa się w rowki wewnątrz wtyku RJ-45 tak, aby doszły do samego końca, po czym wtyk zaciska się w zaciskaczu. Na końcu wtyku znajdują się styki, których ostrza po zaciśnięciu przebijają izolację przewodów i tworzą trwałe połączenie.

Kolejność przewodów można zapamiętać mnemotechnicznie:

Ułóż wtyk RJ-45 tak, aby  wkładane przewody były przy górnej powierzchni wtyku. Kolejno od strony prawej do lewej wsuwasz przewody:
  1. (ziemia): brązowy z masą
  2. (trawa): zielony z masą niebieską (masy zielona i niebieska zamieniają się miejscami)
  3. (niebo): niebieski z masą zieloną
  4. (słoneczko): pomarańczowy z masą

Zapamiętaj ciąg: ziemia, na niej trawa, nad nią niebo, na niebie słońce. Poprawnie zaciśnięta na przewodzie wtyczka RJ-45 powinna wyglądać jak na poniższym obrazku:

https://networkeportfolio.files.wordpress.com/2010/09/t1_rj45mm.jpg

Izolacja kabla musi być zaciśnięta wewnątrz wtyczki. Niedopuszczalne jest, aby wtyczka "wisiała" na przewodach.


Na tym kończę opis złączy. Temat nie został wyczerpany. Przemysł elektroniczny produkuje dosłownie tysiące różnych rodzajów złączy i ich opis wymagałby osobnego artykułu. Dalsze informacje bez problemu znajdziesz w sieci, np. pod tym adresem:

 

 

Zespół Przedmiotowy
Chemii-Fizyki-Informatyki

w I Liceum Ogólnokształcącym
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie
ul. Piłsudskiego 4
©2018 mgr Jerzy Wałaszek

Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone
pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl