Electronics for Beginners: A Practical Introduction to Schematics, Circuits, and Microcontrollers

Table of Contents......Page 5
About the Author......Page 19
About the Technical Reviewer......Page 21
Acknowledgments......Page 22
Chapter 1: Introduction......Page 23
1.1 Working the Examples......Page 24
1.2 Initial Tools and Supplies......Page 25
1.3 Safety Guidelines......Page 27
1.5 Using Your Multimeter Correctly......Page 29
2.1 SI Units......Page 31
2.2 Scaling Units......Page 34
2.3 Using Abbreviations......Page 36
2.4 Significant Figures......Page 37
Apply What You Have Learned......Page 40
Part I: Basic Concepts......Page 42
3.1 Charge......Page 43
3.2 Measuring Charge and Current......Page 46
3.3 AC vs. DC......Page 48
3.4 Which Way Does Current Flow?......Page 50
Review......Page 51
Apply What You Have Learned......Page 52
4.1 Picturing Voltage......Page 54
4.2 Volts Are Relative......Page 55
4.3 Relative Voltages and Ground Potential......Page 56
4.4 Resistance......Page 57
Review......Page 60
Apply What You Have Learned......Page 61
5.1 Circuit Requirements......Page 63
5.2 Basic Components......Page 65
5.3 Creating Your First Circuit......Page 67
5.4 Adding Wires......Page 70
5.5 Drawing Circuits......Page 71
5.6 Drawing the Ground......Page 74
Review......Page 75
Apply What You Have Learned......Page 76
6.1 The Solderless Breadboard......Page 78
6.2 Putting a Circuit onto a Breadboard......Page 81
6.3 Using Fewer Wires......Page 86
6.4 Testing Circuits with a Multimeter......Page 89
6.5 Using a Multimeter with a Breadboard......Page 92
6.6 Measuring Current with a Multimeter......Page 94
6.7 Using a Power Regulator......Page 95
Review......Page 97
Apply What You Have Learned......Page 100
7.1 Series Circuits......Page 101
7.2 Parallel Circuits......Page 103
7.2.1 Kirchhoff’s Current Law......Page 104
7.2.2 Kirchhoff’s Voltage Law......Page 106
7.3 Equivalent Parallel Resistance......Page 109
7.4 Wires in a Circuit......Page 113
7.5 Wiring Parallel Circuits onto a Breadboard......Page 115
Review......Page 116
Apply What You Have Learned......Page 118
8.1 Basic Diode Behavior......Page 121
8.2 Circuit Calculations with Diodes in Series......Page 123
8.3 Circuit Calculations with Diodes in Parallel......Page 125
8.4 Diode Short Circuits......Page 129
8.6 Usage of Diodes......Page 131
8.7 Other Types of Diode Protection......Page 136
8.8 Zener Diodes......Page 138
Review......Page 139
Apply What You Have Learned......Page 142
9.1 Switches and Buttons......Page 144
9.2 Current-Limiting Resistor Pattern......Page 146
9.3 Voltage Divider Pattern......Page 147
9.3.1 Calculating the Voltages......Page 149
9.3.2 Finding Resistor Ratios......Page 150
9.3.3 Finding Resistor Values......Page 151
9.4 The Pull-Up Resistor......Page 153
Review......Page 156
Apply What You Have Learned......Page 158
10.1 Important Terms Related to Power......Page 160
10.2 Power in Electronics......Page 162
10.3 Component Power Limitations......Page 164
10.4 Handling Power Dissipation with Heatsinks......Page 165
10.5 Transforming Power......Page 166
10.6 Amplifying Low-Power Signals......Page 168
Review......Page 169
Apply What You Have Learned......Page 171
11.1 The Parts of an Integrated Circuit......Page 173
11.2 The LM393 Voltage Comparator......Page 177
11.3 The Importance and Problems of Datasheets......Page 178
11.4 A Simple Circuit with the LM393......Page 181
11.5 Resistive Sensors and Voltages......Page 183
11.6 Sensing and Reacting to Darkness......Page 184
Sources and Sinks......Page 186
Review......Page 187
Apply What You Have Learned......Page 189
Part II: Digital Electronics and Microcontrollers......Page 191
12.1 Logic ICs......Page 192
12.2 Getting a 5 V Source......Page 198
12.3 Pull-Down Resistors......Page 200
12.4 Combining Logic Circuits......Page 203
12.5 Understanding Chip Names......Page 206
Review......Page 209
Apply What You Have Learned......Page 210
Chapter 13: Introduction to Microcontrollers......Page 213
13.1 The ATmega328/P Chip......Page 215
13.2 The Arduino Environment......Page 216
13.3 The Arduino Uno......Page 218
13.4 Programming the Arduino......Page 219
Review......Page 222
Apply What You Have Learned......Page 223
14.1 Powering Your Breadboard from an Arduino Uno......Page 224
14.2 Wiring Inputs and Outputs to an Arduino Uno......Page 225
14.3 A Simple Arduino Project with LEDs......Page 227
14.4 Changing Functionality Without Rewiring......Page 230
Review......Page 231
Apply What You Have Learned......Page 232
15.1 Reading Analog Inputs......Page 233
15.2 Analog Output with PWM......Page 236
Review......Page 239
Apply What You Have Learned......Page 241
Part III: Capacitors and Inductors......Page 242
16.1 What Is a Capacitor?......Page 243
16.2 How Capacitors Work......Page 245
16.3 Types of Capacitors......Page 249
16.4 Charging and Discharging a Capacitor......Page 251
16.5 Series and Parallel Capacitances......Page 253
16.6 Capacitors and AC and DC......Page 256
16.7 Using Capacitors in a Circuit......Page 257
Review......Page 259
Exercises......Page 261
17.1 Time Constants......Page 262
17.2 Constructing a Simple Timer Circuit......Page 265
17.3 Resetting Our Timer......Page 270
Review......Page 272
Apply What You Have Learned......Page 274
18.1 Oscillation Basics......Page 275
18.2 The Importance of Oscillating Circuits......Page 277
18.3 Building an Oscillator......Page 279
18.4 Calculating On and Off Times with the 555......Page 285
18.5 Choosing the Capacitor......Page 289
Review......Page 290
Apply What You Have Learned......Page 293
19.1 How Sound Is Produced by Speakers......Page 295
19.2 Graphing Electricity......Page 296
19.3 Outputting a Tone to Headphones......Page 298
19.4 AC vs. DC......Page 300
19.5 Using Capacitors to Separate AC and DC Components......Page 301
19.6 Speaker Wattage......Page 303
19.7 Sound Control......Page 304
Review......Page 306
Apply What You Have Learned......Page 308
20.1.1 What Is an Inductor?......Page 309
20.1.3 What Is the Difference Between Electric and Magnetic Fields......Page 310
20.2 Induced Voltages......Page 312
20.3 Resisting Changes in Current......Page 313
20.5 Uses of Inductors......Page 314
20.6 Inductive Kick......Page 315
Review......Page 317
Apply What You Have Learned......Page 318
21.1 RL Circuits and Time Constants......Page 320
21.2 Inductors and Capacitors as Filters......Page 322
21.3 Parallel and Series Capacitors and Inductors......Page 323
Review......Page 324
Apply What You Have Learned......Page 325
22.1 Reactance......Page 327
22.2 Impedance......Page 330
22.3 RLC Circuits......Page 333
22.4 Ohm’s Law for AC Circuits......Page 335
22.5 Resonant Frequencies of RLC Circuits......Page 338
22.6 Low-Pass Filters......Page 339
22.7 Converting a PWM Signal into a Voltage......Page 340
Review......Page 341
Exercises......Page 343
23.1 Theory of Operation......Page 346
23.2 Important Facts About Motors......Page 347
23.3 Using a Motor in a Circuit......Page 348
23.4 Attaching Things to Motors......Page 350
23.5 Bidirectional Motors......Page 351
23.6 Servo Motors......Page 352
Review......Page 353
Apply What You Have Learned......Page 355
Part IV: Amplification Circuits......Page 356
Chapter 24: Amplifying Power with Transistors......Page 357
24.1 An Amplification Parable......Page 358
24.2 Amplifying with Transistors......Page 359
24.3 Parts of the BJT......Page 360
Rule 3: VBE Will Always Be Exactly 0.6 V When the Transistor Is On......Page 363
Rule 6: The Transistor Cannot Amplify More Than the Collector Can Supply......Page 364
Rule 7: If the Base Voltage Is Greater Than the Collector Voltage, the Transistor Is Saturated......Page 365
24.5 The Transistor as a Switch......Page 366
24.6 Connecting a Transistor to an Arduino Output......Page 369
24.7 Stabilizing Transistor Beta With a Feedback Resistor......Page 370
Review......Page 372
Apply What You Have Learned......Page 374
25.1 Converting Current into Voltage with Ohm’s Law......Page 376
25.2 Reading the Amplified Signal......Page 379
25.3 Amplifying an Audio Signal......Page 381
25.4 Adding a Second Stage......Page 386
25.5 Using an Oscilloscope......Page 388
Review......Page 389
Apply What You Have Learned......Page 391
26.1 The Need for a Model......Page 392
26.2 Calculating Thévenin Equivalent Values......Page 394
26.3 Another Way of Calculating Thévenin Resistance......Page 397
26.4 Finding the Thévenin Equivalent of an AC Circuit with Reactive Elements......Page 398
26.5 Using Thévenin Equivalent Descriptions......Page 399
26.6 Finding Thévenin Equivalent Circuits Experimentally......Page 400
Review......Page 404
Apply What You Have Learned......Page 405
Chapter 27: Using Field Effect Transistors for Switching and Logic Applications......Page 407
27.1 Operation of a FET......Page 408
27.3 Using a MOSFET......Page 410
27.4 MOSFETs in Logic Circuits......Page 414
Review......Page 415
Apply What You Have Learned......Page 416
Chapter 28: Going Further......Page 417
Appendix A:
Glossary......Page 419
Appendix B:
Electronics Symbols......Page 434
C.1 Logic Chip Basic Conventions......Page 437
D.1.1 Charge and Current Quantities......Page 440
D.1.3 Resistance and Conductance Quantities......Page 441
D.1.6 Capacitance......Page 442
D.1.7 Inductance......Page 443
D.2.1 Diodes......Page 444
D.3 DC Motor Calculations......Page 445
D.4 555 Timer Oscillator Frequency Equation......Page 447
D.5 Output Gain Calculations in BJT Common Emitter Applications......Page 449
D.6 The Thévenin Formula......Page 458
D.7.1 Current and Voltage......Page 460
D.7.2 Capacitors and Inductors......Page 461
D.7.3 Time Constants......Page 462
Appendix E:
Simplified Datasheets for Common Devices......Page 464
E.1.2 Variations......Page 465
E.2.1 Overview......Page 466
E.2.2 Finding a Resistor Value......Page 467
E.3.1 Overview......Page 468
E.3.3 Forward Voltage Drop......Page 469
E.4.1 Overview......Page 470
E.4.2 Variations......Page 471
E.5.1 Overview......Page 472
E.5.3 Inductive Kick......Page 473
E.6.1 Overview......Page 474
E.6.3 Pin Configuration......Page 475
E.7.1 Overview......Page 476
E.7.4 Limitations......Page 477
E.8.1 Overview......Page 478
E.8.3 Pin Configuration......Page 479
E.9.1 Overview......Page 480
E.9.3 Specifications......Page 481
E.10.2 Variations......Page 482
E.10.3 Specifications (CD4081)......Page 483
E.11.2 Variations......Page 484
E.11.4 Specifications (7432)......Page 485
E.12.2 Variations......Page 486
E.12.4 Specifications (7402)......Page 487
E.13.2 Variations......Page 488
E.13.4 Specifications (7400)......Page 489
E.14.2 Variations......Page 490
E.14.4 Specifications (7486)......Page 491
E.15.2 Variations......Page 492
E.15.3 Specifications......Page 493
E.15.4 Usage Notes......Page 494
Index......Page 495