Большие конденсаторы в маленьких корпусах

Изготоаление конденсаторов с емкостями порядка фарад стало возможным только совсем недавно. Старые методы изготовления не позволяли получить конденсатор с емкостью, например 1 мкФ, который был бы меньше, чем хлебница.

Однако развитие технологий и создание новых материалов, таких как микроскопические углеродные гранулы, дало возможность производителям элементов изготавливать конденсаторы даже больших емкостей размерами не больше ладони. (Существуют конденсаторы очень большой емкости — ионисторы. — Примеч. ред.) Память в компьютерах, радиоприемники с электронными часами и многие другие электронные устройства нуждаются в источниках заряда, питающих отдельные узлы в течение длительного времени, когда нет доступа к обычному источнику питания. Именно конденсаторы и выступают в роли таких заменителей батареек.

Конденсаторы бывают совершенно различных форм (рис. 4.4). (На рисунке не показаны SMD-конденсаторы (безвыводные). — Примеч. ред.)

Алюминиевые электролитические и бумажные конденсаторы изготавливаются обычно цилиндрической формы. Танталовые, керамические, слюдяные и полистиреновые — более шаровидной, поскольку чаще всего их погружают в емкость с жидкой эпоксидной смолой или пластиком, что и придает им округлые очертания. Однако не все конденсаторы (особенно слюдяные или майларовые) имеют формы, соответствующие какому-то определенному типу, поэтому не стоит судить об их характеристиках только по внешнему виду.

Какую емкость имеет мой конденсатор?

Некоторые конденсаторы и правда имеют на боку маркировку, однозначно определяющую их емкость. Обычно так делают для больших алюминиевых электролитических конденсаторов — их размер позволяет печатать на корпусе как емкость, так и максимальное рабочее напряжение.

Однако более мелкие конденсаторы, такие как слюдяные дисковые конденсаторы с емкостями 0,1 или 0,01 мкФ, имеют только маркировку из трех цифр, обозначающую емкость и допуск номинала. Большинство радиолюбителей не имеют проблем с расшифровкой системы обозначения емкостей. Но есть одно "но" (это вредное "но" есть почти всегда). Эта система счисления основывается на пикофарадах, а не на микрофарадах. Впрочем, в остальном она совпадает с маркировкой на резисторах. Так, число 103, написанное на конденсаторе, обозначает, что после двух первых цифр, 10, следует дописать 3 нуля, что дает 10 000 пикофарад.

Как правило, любое значение свыше 1000 пикофарад измеряется в микрофарадах. Чтобы преобразовать емкость из пикофарад в микрофарады, нужно просто сдвинуть десятичную точку на 6 разрядов влево. Таким образом, емкость конденсатора из предыдущего абзаца (10 000 пикофарад), записанная в микрофарадах, равняется 0,01 мкФ.

Используя табл. 4.3, приведем удобный список основных типов маркировки на конденсаторах, подчиняющихся данной системе.

Таблица 4.3. Значения емкости у конденсаторов в зависимости от маркировки Маркировка Значение емкости

222 223

В другой, несколько реже используемой системе маркировки, применяются как цифры, так и буквы, например: 4R3

Расположение буквы R указывает позицию десятичной точки, разделяющей целую и дробную части, т.е. запись 4R3 обозначает на самом деле 4,3. Единицы измерения в этой системе записи не указываются, так что данная маркировка может стоять и на конденсаторе 4,3 пФ, и на конденсаторе 4,3 мкФ.

Емкость конденсатора можно измерить либо специальным прибором, либо простым мультиметром с емкостным входом. В большинстве мультиметров этот вход сделан таким образом, что конденсатор необходимо всунуть прямо в отверстия на приборе, чтобы исключить емкость проводов. Это позволяет получать более точные измерения. Более подробно о тестировании конденсаторов вы сможете узнать в главе 9.

Когда микрофарад - не совсем микрофарад

Большинство конденсаторов имеют весьма приблизительные параметры. Значения емкостей, отпечатанные на элементе, могут довольно значительно отличаться от реальных. Фактически они могут даже быть совсем разными. Эти проблемы связаны с технологиями изготовления конденсаторов, а совсем не с тем, что производители радиоэлементов нарочно хотят досадить радиолюбителям. К счастью, ошибки в точности емкости редко приводят к каким-либо негативным последствиям для большинства схем, однако следует помнить об этом, чтобы, если вдруг потребуется конденсатор высокой точности, знать, что покупать.

Как и резисторы, конденсаторы специально маркируются согласно их допускам, и эта маркировка также указывает процент допуска. В большинстве случаев допуск от номинала указывает одна буква, найти которую можно напечатанную саму по себе либо после кода, обозначающего величину емкости, например так: 103Z

Буква Z в данном случае указывает на то, что емкость конденсатора имеет допуск от +80% до -20%, т.е. реальная емкость этого конденсатора может отличаться от заявленной 0,01 мкФ на 80 процентов в большую сторону или на 20 процентов в меньшую. Значения основных букв, показывающих норму допуска, даны в табл. 4.4.

Таблица 4.4. Маркировка допусков емкости конденсаторов

Воздействие тепла и холода

Есть еще один нюанс: емкость конденсатора меняется с изменением температуры, и эту зависимость описывают при помощи так называемого температурного коэффициента. В том случае, если фирма-производитель указывает на корпусе конденсатора температурный коэффициент, он обозначается в виде трехзначного кода, например NP0 (в данном случае такое обозначение говорит о том, что емкость изменяется на 0 процентов как в сторону отрицательных температур (N — negative), так и в сторону положительных (Р — positive). Конденсаторы с такой маркировкой очень устойчивы к перепадам температуры. (То есть их емкость практически не меняется во всем диапазоне допустимых температур. — Примеч. ред.)

Все большее число производителей радиоэлементов принимают на вооружение систему маркировки EIA (Electronics Industries Association — Ассоциация электронной промышленности, которая объединяет производителей электронного оборудования с целью разработки единых электрических и функциональных спецификаций интерфейсного оборудования. — Примеч. ред.), и в том числе маркировку электронных компонентов согласно температурным параметрам. Коды этой маркировки можно изучить в табл. 4.5. Три символа, использующиеся при записи кода, указывают допуски емкости в зависимости от температуры окружающей среды и максимальное отклонение во всем температурном диапазоне.

К примеру, пусть есть конденсатор с обозначением Y5P. Используя табл. 4.5, нетрудно установить, что его температурные характеристики таковы.

> Нижний предел допустимых температур: -30 °С. S Верхний предел допустимых температур: +85 °С.

> Изменение емкости во всем диапазоне допустимых температур (-30...+55 °С): +10%.

Таблица 4.5. Коды температурной зависимости емкости конденсаторов согласно системе EIA

Положительные отзывы о полярности конденсаторов

Еще одна, уже последняя, вещь, которую необходимо знать о конденсаторах, заключается в том, что многие конденсаторы, особенно это касается танталовых и алюминиевых электролитических, имеют полярность. По договоренности в большинстве случаев знак минус (-) обозначает отрицательный вывод такого конденсатора, а знак плюс (+), который, соответственно, должен обозначать положительный вывод, не указывается. На рис. 4.5, например, показаны два полярных электролитических конденсатора, на верхнем из которых отрицательный вывод указан знаком минус и стрелкой. (Очень часто отрицательный вывод еще и делают несколько короче положительного. — Примеч. ред.)

Обратите внимание на то, что полярными являются только конденсаторы больших емкостей (от 1 мкФ и выше), как правило, электролитические (хотя и среди них можно найти неполярные — такие часто используются в стереосистемах). Конденсаторы меньших емкостей (слюдяные, керамические, майларовые) не являются полярными, и потому на них нет специальных пометок.

Если конденсатор имеет полярность, то совершенно необходимо соблюдать ее при установке в схему. Если случайно перепугать местами выводы конденсатора— например, присоединить его "+" к земле, то можно запросто вывести конденсатор из строя или повредить другие компоненты схемы; конденсатор даже может взорваться!

Изменение емкости

Всегда приятно, если все получается именно так, как вы задумали. Вот почему полезно иметь под рукой переменные конденсаторы, которые позволяют изменять емкость, как вам требуется.

Наиболее распространенными типами переменных конденсаторов, с которыми сталкиваются радиолюбители, являются такие, диэлектриком в которых служит воздух. Эти конденсаторы часто можно встретить в радио с амплитудной модуляцией (AM), где они применяются для настройки требуемой частоты. Переменные конденсаторы небольших емкостей довольно часто встречаются в радиоприемниках и передатчиках на кварцевых генераторах, где они служат для точной подстройки опорного сигнала. Значения емкостей таких конденсаторов обычно лежат в пределах от 5 до 500 пФ.

Диодомания

Диод представляет собой простейшую форму полупроводникового прибора. Полупроводники используются в электронных схемах для контроля потока электронов (вы могли прочитать о них больше в главе 1). Диод имеет два вывода, каждый из которых обладает крайне большим сопротивлением для тока, текущего в одном направлении, и малым — для тока, протекающего в противоположном. Иными словами, диод служит своеобразным клапаном, пропускающим электроны лишь в одном направлении; в противоположном они пройти не могут.

Диоды используются в массе различных схем, и их можно разделить на несколько типов. Вот список наиболее широко применяемых диодов.

> Зенеровский диод (стабилитрон). Ограничивает напряжение до определенного уровня. На таком диоде можно дешево и удобно построить регулятор напряжения для вашей схемы.

> Светоизлучающий диод (светодиод, или СИД). Все полупроводники излучают кванты света, если через них протекает ток. Светодиоды излучают этот свет в видимом диапазоне спектра. В настоящее время можно найти светодиоды всех без исключения цветов радуги.

> Кремниевый управляемый диод (тиристор). Тиристор представляет собой своеобразный ключ, используемый для контроля переменного или постоянного тока. Такие элементы широко применяют в реостатах для регулирования освещения.

> Выпрямительный диод. Этот основной тип диода преобразовывает (или выпрямляет) переменный ток в постоянный. {Запомните: переменный ток постоянно пульсирует между плюсом и минусом, а постоянный ток стабилен и может быть постоянно либо положительным, либо отрицательным. Примеры сигналов постоянного и переменного тока изображены на рис. 4.6). Диоды очень часто называют выпрямителями, поскольку эту функция является основным их свойством.

> Мостовой выпрямитель. Этот компонент состоит из четырех диодов, соединенных в виде прямоугольника. Такая схема преобразовывает переменный ток в постоянный с максимальной эффективностью.

Важные параметры диодов: максимальные токи и напряжения

За исключением зенеровских, диоды не имеют номиналов, как резисторы или конденсаторы. Диод просто выполняет свою функцию, контролируя направление потока электронов. Однако это не означает, что все диоды одинаковы. Они оцениваются по двум основным параметрам: предельному обратному напряжению и максимальному току. Эти критерии определяют класс диода, который используется в той или иной схеме.

> Предельное обратное напряжение представляет собой максимальное напряжение на выводах диода, приложенное к нему в закрытом состоянии. К примеру, если диод рассчитан на 100 В, не следует применять его в схеме, в которой к нему прикладывается большая разность потенциалов.

> Максимальный рабочий ток представляет собой ток, который диод может выдержать, не выходя из строя. Предположим, некоторый диод имеет данный параметр, равный 3 А. Ток, превышающий данное значение, диод не сможет выдержать — он перегреется и выйдет из строя.

Диоды идентифицируются согласно принятому в электронной промышленности стандарту — маркировке цифровым кодом. Классический пример такой маркировки представляет собой выпрямительный диод 1N4001, имеющий предельное напряжение 50 В и ток 1 А. Предельное напряжение диода 1N4002 равно уже 100 В, a 1N4003 — 200 В, и т.д. Однако не будем задерживаться на излишне подробном пояснении того, что значит каждая цифра и как она соответствует предельному напряжению или току диода: эту информацию можно легко найти в любой спецификации или каталоге электронных компонентов.

Хотите стать профи по диодам? Корпуса выпрямительных диодов от 3 до 5 А обычно покрыты черной либо серой эпоксидной смолой и имеют два длинных вывода, позволяющих устанавливать их непосредственно на печатную плату. Диоды, рассчитанные на большие токи — 20, 30 или 40 А, — обычно имеют металлический корпус с теплоотводом или специальным штифтом, к которому теплоотовод легко прикрепить. Наконец, некоторые диоды имеют корпуса, такие же как у транзисторов (о которых речь пойдет в следующем разделе).

Где у диодов плюс?

Все диоды обязательно имеют положительный и отрицательный выводы. Эти выводы получили специальные названия: положительный называется анодом, а отрицательный — катодом. Катод диода легко опознать по полоске красного или черного цвета, расположенной у этого вывода на корпусе. На рис. 4.8 как раз показан диод с подобной маркировкой полярности. Полоска, таким образом, соответствует вертикальной линии схемотехнического символа данного элемента. Важно, чтобы, "читая" принципиальную схему какого-либо устройства, вы правильно трактовали расположение в ней диода и направление протекающего тока

Как уже говорилось в самом начале этого раздела, диоды позволяют проходить через них току в прямом направлении и блокируют ток, протекающий в обратном. Таким образом, если вставить диод в схему неправильно, схема или не заработает, или некоторые элементы рискуют выйти из строя. Всегда внимательно проверяйте полярность диодов в схеме — лучше дважды перепроверить, чем один раз устранять последствия!

Забавы со светодиодами

Зажигая яркий свет, вы можете по достоинству оценить любопытное поведение некоторых полупроводников: они излучают свет, когда через них протекает ток. Этот свет обычно довольно слаб и лежит в инфракрасной части электромагнитного спектра, но существуют так называемые светоизлучающие диоды (или СИД), которые представляют собой источники значительного количества видимого света. Вы можете встретить такие диоды на кнопках управления компьютером или па клавиатуре. Большинство светодиодов светят красным, желтым или зеленым цветами, но сейчас можно найти инфракрасные, голубые и даже полностью белые светодиоды.

Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже. Предельное обратное напряжение на светодиоде может достигать 10 В, но при этом максимальный ток будет ограничиваться всего 50 мА. Если же подать на него больший ток, светодиод вспыхнет и сгорит, как спичка.

В спецификациях на светоизлучающие диоды обычно указываются два параметра, связанных с током: максимальный ток, который обычно записывается как прямой ток через диод, и пиковый ток. Пиковым током называют предельное значение тока, которое диод может выдержать на протяжении очень короткого интервала времени— порядка миллисекунды. Не следует путать прямой ток с пиковым током, иначе можно легко испепелить ваш диод.

Резисторы в паре со светодиодами

Чтобы ограничить ток на светодиоде, пользуются резисторами, как это и показано в схеме на рис. 4.9. Значение сопротивления резистора выбирается так, чтобы полученный ток был меньше максимального для данного светодиода. Расчет этого сопротивления предельно прост, и для большинства схем со стандартным 5 или 12-вольтовым питанием можно смело использовать резисторы примерно одних и тех же диапазонов номиналов.

Эти примерные значения сопротивлений приведены в табл. 4.5; они даны для стандартных светодиодов.

Таблица 4.6. Значения резисторов при ограничении тока через светодиод

В принципе, всегда можно выбрать и резистор с более высоким сопротивлением — в результате СИД просто будет светить менее ярко. Если же взять резистор с сопротивлением, которое меньше расчетного, то появляется риск спалить светодиод. Правда, благодаря тому, что сейчас светодиоды очень дешевы, можно себе позволить и поэкспериментировать с разными сопротивлениями, не грабя банки. Можно даже придумать интересную игру: как ярко засветится светодиод перед тем, как сгорит... Шутка!

Если вдруг потребуется более точный расчет сопротивления, то в придачу к значению максимально допустимого тока вам понадобится знать прямое падение напряжения на светодиоде. У большинства стандартных светодиодов это падение составляет от 1,5 до 2,3 В, и только у новых сверхярких светодиодов эта величина может превышать 3,5 В. (Прямое падение напряжения зависит от цвета светоизлучающего диода, который, в свою очередь, определяется типом полупроводникового материала СИД. — Примеч. ред.)

Расчет сопротивления токоограничивающего резистора, если уж совсем по научному, выполняется по формуле:

R = (Uпит.– U пр.) / Iпр., где

R — искомое сопротивление в омах;

Uпит.— напряжение питания схемы, вольт;

U пр.— прямое падение напряжения на светодиоде, вольт;

Iпр. — прямой ток через диод, который планируется получить. Измеряется в амперах.

Вместо этого значения можно взять максимальный ток для данного диода или меньшее значение, но ни в коем случае не большее.

Предположим, ваша схема запитывается от источника питания с напряжением 6 В постоянного тока, и прямое падение напряжения на светодиоде составляет 1,2 В. Вы хотите получить прямой ток через светодиод 40 мА (это будет 0,040 ампера). Подставляя эти значения в расчетную формулу, приведенную выше, получим:

R = (6 —1,2)/0,040.

Выполнив расчет в голове (на бумаге, арифмометре, калькуляторе, компьютере), получим значение сопротивления 120 Ом. Таким образом, для того, чтобы, имея 6-вольтовый источник питания пропустить через светодиод ток, равный 40 мА, потребуется 120-омный токоограничиваюший резистор. Остается только напомнить, что при изменении величины питающего напряжения или типа светодиода (а следовательно, и прямого падения напряжения на нем), величину R необходимо пересчитать.

Транзистор: восьмое чудо света

Давайте на минуту попробуем представить себе мир без такой малой и простой вещи, как транзистор. Радио будет больше бытовой микроволновки. Мобильные телефоны вырастут до размеров стиральных машин, а одна-единственная современная графическая станция займет примерно... большую часть Киева!

Транзисторы появились как альтернатива вакуумным лампам. Два основных назначения транзистора (и, соответственно, вакуумной лампы) состоят в усилении сигнала или его включении/выключении. Несмотря на миниатюрные размеры транзистора, он отлично справляется с той же работой, что и электронная лампа, потребляя при этом значительно меньше энергии.

Транзисторы также с успехом применяют для усиления или переключения сигналов. Интересные аспекты работы схем на транзисторах могут, однако, легко запутать, пока вы не выучите всю их подноготную. Транзисторы представляют собой довольно сложные устройства, поэтому мы ограничимся рассмотрением только наиболее простых типов, с которыми радиолюбителям приходится сталкиваться уже в самом начале пути увлечения электроникой. Мы рассмотрим, прежде всего, как они выглядят, и какие параметры необходимо знать, чтобы эффективно работать с транзисторами.

Микропроцессор — самое сердце вашего домашнего компьютера — состоит из миллионов транзисторов. Не было бы этих маленьких устройств, человечество до сих пор бы не вошло в эру персональных компьютеров (Хм-м... Правда иногда, посреди ночи, засидевшись за этим проклятым монитором, невольно думаешь — а так ли они нужны человеку, эти транзисторы?)

Изучаем терминологию транзисторов

Резисторы, конденсаторы и даже диоды имеют достаточно простую и однозначную систему параметров. Но транзисторы... они просто обязаны быть сложнее! Эти мелкие штучки имеют такую кучу параметров, что на их полное описание не хватило бы и всей этой книги! Вот только несколько важнейших из них.

> Напряжение коллектор-база.

> Напряжение коллектор-эмиттер. (Этот термин, как и предыдущий, касается биполярного транзистора. Для полевого транзистора терминология незначительно отличается. — Примеч. ред.)

> Максимальный ток коллектора.

> Максимальная рассеиваемая мощность.

> Максимальная рабочая частота.

Я не бездушная железяка, я - транзистор!

На сегодняшний день можно перечислить несколько тысяч различных транзисторов, выпускаемых более чем двумя дестяками производителей. Как же можно их различить? Каждый тип транзистора характеризуется его кодом: как, например, 2N2222 или MPS6519. По этой причине, если вам необходимо переделать схему, взятую из книги или с веб-сайта, используйте код транзистора, чтобы найти соответствующую замену.

Если замена отсутствует, то чаще всего можно найти близкий по характеристикам аналог. Производители транзисторов даже выпускают руководства и перечни замен, позволяющих подобрать близкий по параметрам аналог. Такое руководство есть, например, и у фирмы NTE, одного из основных реселлеров транзисторов, и использовать его можно, прямо находясь он-лайн по адресу www.nteinc.com. (В русскоязычном Интернете можно посетить сайт научно-технического портала (http://electroru.es/3na-log.shtml) или фирмы Платан (http://www.piatan.ru/crossref.html.-Примеч. ред.).

Ни один из важнейших параметров транзистора вы не найдете прямо на корпусе — это было бы слишком просто, не правда ли? Чтобы определить характеристики, нужно тщательно изучить спецификацию элемента или обратиться к технической документации на веб-сайте фирмы-производителя. Однако для того, чтобы впаять транзистор в схему, совсем не обязательно в совершенстве владеть подобной информацией и даже понимать ее целиком; вероятно, вы без особых проблем подберете интересующий вас транзистор и успешно вставите в схему.

По поводу корпусов транзисторов

Сам полупроводник, основа транзистора, имеет размер песчинки или даже меньший. К такой крошке практически невозможно подпаять провода, поэтому кристалл помещают в более просторный корпус из металла или пластика. Без преувеличений, можно найти десятки разных типов транзисторных корпусов совершенно отличных форм и размеров, но далеко не все описаны в этой книге. Однако же основные типы корпусов будут представлены на рассмотрение читателя; ниже приведены основные их отличительные признаки.

> Пластик или металл. Корпуса сигнальных транзисторов изготавливаются как из того, так и из другого: в основном используется пластик, но для некоторых прецизионных приложений применяют и металл, намного менее подверженный электромагнитным помехам на радиочастотах. Сигнальные транзисторы почти всегда имеют три вывода (и иногда четыре); если же у транзистора только два вывода, то, вероятнее всего, это фототранзистор, проводимость которого зависит от падающего света (о нем подробнее в главе 5).

> Размеры. Мощные транзисторы также выпускаются как в пластиковых, так и в металлических корпусах, но их размеры, как правило, больше, чем у сигнальных.

Вставляем транзистор в схему

Транзисторы обычно имеют три вывода, которые называются следующим образом:

> база,

> эмиттер,

> коллектор.

База транзистора присоединяется к источнику напряжения или тока и служит для управления включением и выключением транзистора. Выводы эмиттера и коллектора подключаются либо к положительному или отрицательному потенциалам, либо к земле. Что и куда именно — зависит от схемы.

Расположение контактов транзистора изображено на рис. 4.11. Лишь немногие транзисторы (и среди них в основном полевые) могут иметь четвертый вывод, который, как правило, служит для заземления корпуса на шасси схемы.

Является абсолютной и непререкаемой истиной, что транзистор нужно устанавливать в схему только согласно его цоколевке. Перепутав местами его выводы, можно запросто спалить и сам транзистор, и прихватить другие элементы схемы. Между тем (кажется, чтобы запутать радиолюбителя еще больше), в спецификациях часто (хоть и не всегда) указывают контакты транзисторов с видом на корпус снизу, потому что именно так вы его впаиваете в схему. Таким образом, часто можно встретить изображение расположения контактных выводов в таком виде, как будто его перевернули вверх ногами. Впрочем, нужно признать что такое представление в некоторой степени облегчает пайку транзистора в плату.

Типы транзисторов

Начнем с того, что транзисторы бывают двух типов: NPN и PNP. Эти загадочные аббревиатуры обозначают порядок наложения эдаких бутербродных слоев или — в нашем случае — pn-переходов в полупроводниковом материале, из которого и состоит транзистор. Конечно, просто глядя на транзистор нельзя сказать, какого типа полупроводниковая структура находится в середине его корпуса, если вы, конечно, не обладаете рентгеновским зрением; однако спецификация однозначно указывает тип транзистора, что и Доказано на рис. 4.12. Выбор типа транзистора зависит от того, как и для чего планируется использовать транзистор в схеме. Только вопрос о правильном выборе типа транзистора мог бы занять всю эту книгу, но смело можно утверждать, что спутывание или прямая замена NPN и PNP транзисторов недопустимы. (Замена одного типа транзистора другим в большинстве случаев допустима, но также требует значительного изменения схемы их включения. — Примеч. ред.) То есть, если в схеме указано, кто в таком-то узле требуется PNP-транзистор, то замена его на NPN, скорее всего, приведет только к появлению дымка из устройства.

Как будто вам и так мало запоминать, кроме типа перехода транзисторы характеризуются еще и технологией его создания. Существует два основных типа транзисторов: биполярные и полевые. И вот чем они отличаются.

> Биполярные транзисторы. Они являются, вероятно, более распространенным типом (именно о них, например, шла речь в предыдущих разделах этой главы). В базу такого транзистора подается небольшой ток, а он, в свою очередь, управляет количеством тока, протекающего между коллектором и эмиттером.

> Полевые транзисторы. Также имеют три вывода, но они называются затвор (вместо базы у биполярного), сток (вместо коллектора) и исток (вместо эмиттера). Аналогично воздействие на затвор транзистора (но на этот раз не тока, а напряжения) управляет током между стоком и истоком. Полевые транзисторы также имеют разную полярность: они бывают N-канальные (аналог NPN-биполярного транзистора) и Р-канальные (аналог PNP).

Технологически полевые транзисторы подразделяются на МОП-транзисторы (Металл-оксид-голупроводник — типичная структура полевого транзистора с индуцированным каналом. — Примеч. ред.) и транзисторы со встроенным каналом. Для начинающего радиолюбителя разница между ними не столь важна, но знание терминологии поможет вам выглядеть профессионалом, когда вы будете разговаривать с другими такими же знатоками.

Разряд статического электричества может повредить полевые транзисторы, поэтому, как минимум, следует хранить их в антистатической упаковке. При покупке полевых транзисторов необходимо брать их в антистатической сумке или пластиковой трубке и хранить там до тех пор, пока не используете.

Высокая плотность упаковки в интегральных схемах

Все перечисленные выше компоненты размещаются по одному в корпусе. Их называют дискретными радиоэлементами, т.е. изготавливаемыми по отдельности.

Теперь же мы перейдем к интегральным схемам, этому чуду мысли, созданному в XX столетии. Эти изумительные творения рук человеческих, также называемые ИС, представляют собой микроминиатюрные электронные схемы, размещенные на одном-единственном кристалле полупроводника. Типичная современная интегральная схема может содержать сотни транзисторов, резисторов, диодов и конденсаторов. Благодаря такой высокой плотности становится возможным строить целые схемы, используя всего пару-тройку корпусов. ИС являются "кирпичиками", из которых строятся более сложные схемы. Вы просто связываете отдельные микросхемы и в результате получаете практически любое готовое электронное устройство.

То, как радиоэлементы связаны между собой внутри кристалла, однозначно определяет функционирование микросхемы. Сами ИС можно как паять в схему, так и вставлять в разъемы.

Интегральные микросхемы чаще всего поставляются в корпусах с двухрядным расположением вывода (корпуса типа DIP — dual-in-line pin), изображенных на рис. 4.13. На иллюстрации показано несколько микросхем разных размеров, имеющих от 8 до 40 выводов. Наиболее часто на практике применяются 8-, 14-, 16- и 28-выводные корпуса.

Линейная, цифровая или комбинационная микросхема?

За годы, прошедшие с момента изготовления первых интегральных микросхем, мировая промышленность выпустила тысячи тысяч разных ИС, и каждая из них имеет какую-то особенность. Однако большинство интегральных схем, с которыми радиолюбители сталкиваются на практике, стандартизированы, и можно легко найти множество книг, поясняющих принципы их работы. Такие ИС выпускает большая часть фирм-производителей кристаллов, и их раскупают как крупные компании, так и индивидуальные радиолюбители. Существуют и микросхемы, которые называются специализированными, предназначенные для выполнения каких-либо специфических задач. Чаще всего специализированные под какую-то конкретную функцию микросхемы производятся лишь одной или, максимум, несколькими компаниями.

Независимо от того, стандартной или специализированной микросхемой является данная ИС, все их можно разделить на две категории: линейные схемы и цифровые. Эти термины основывается на типах электрических сигналов, функционирующих внутри схемы.

> Линейные ИС. Эти ИС предназначены для работы со схемами, в которых используются изменяющиеся напряжения и токи (аналоговые схемы). Примером аналоговой схемы может служить усилитель для электрогитары.

> Цифровые ИС. А эти ИС предназначены для работы со схемами, в которых используются только два уровня напряжения (цифровые схемы). Как указывалось в главе 1, эти два уровня служат для обозначения цифровых данных в двоичной форме (вкл./выкл., высокий/низкий уровни, 0/1 и т.п.). Как правило, уровень таких напряжений составляет 0 и (обычно) 5 В. Подробнее о цифровых схемах и двоичных данных рассказывается дальше в книге.

Большинство стандартизированных ИС относятся к одной из двух этих категорий, и потому при заказе микросхем их также разделяют на линейные и цифровые. Есть, правда, и такие, которые могут работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами, а другие могут преобразовывать сигналы из одной формы в другую. Однако нет смысла описывать все возможные функции микросхем в этой книге, остается лишь повторить, что практически все их можно отнести или к линейным, или к цифровым.

Номера ИМС

ИС, как и транзисторы, имеют уникальный цифровой код, или номер, по которому их можно различить. Этот код однозначно указывает тип устройства, как, например, 7400 или 4017. Зная его, всегда можно узнать о свойствах микросхемы, заглянув в спецификацию или через Интернет. Как правило, номер пишут прямо на корпусе ИС.

На корпусах многих микросхем также указывается и другая информация: например, номер согласно каталогу фирмы-производителя или маркировка даты изготовления. Не перепутайте эти цифры с номером микросхемы, идентифицирующим ее. Изготовители не имеют единого стандарта по виду отпечатанной на корпусе информации, потому часто приходится тратить некоторое время, чтобы правильно вычленить номер из имеющейся маркировки.

Что такое цоколевка ИС?

По своей природе интегральные микросхемы требуют наличия большого количества контактов. Эти контакты носят название выводов. Один из выводов может подключаться к источнику питания, другой к земле, третий использоваться как вход микросхемы, четвертый — как ее выход и т.п. Функции каждого вывода определяются цоколевкой, или схемой расположения выводов. Цоколевка не печатается на корпусе устройства, и, чтобы правильно подсоединить ИС к схеме, необходимо найти и изучить расположение ножек ИМС в спецификации. Спецификации по всем широко используемым (и многим специализированным) микросхемам можно найти в Интернет, поискав через Google или Yahoo! по номерам ИС.

Чтобы определить, какую функцию выполняет каждый конкретный вывод, по умолчанию им присвоены номера, которые считаются против часовой стрелки, начиная с верхнего левого угла (Как правило, но далеко не всегда. — Примеч. ред.), ближайшего к специальной метке. Эта метка носит название ключа и может представлять собой как значок, так и выемку на корпусе. Выводы нумеруются сверху вниз, начиная с первого — того, что возле метки. Возьмем, к примеру, ИС, изображенную на рис. 4.14. Она изготовлена в 14-выводном корпусе, и выводы нумеруются, начиная с левой стороны, т.е. слева сверху вниз расположены выводы с 1 по 7, а справа — с 8 по 14, причем они идут уже снизу вверх, не прерывая, таким образом, порядка нумерации.

На электрических принципиальных схемах соединения интегральных микросхем указываются в одном из двух видов.

> На некоторых принципиальных схемах ИМС указаны в виде контуров с пронумерованными выводами. Номера выводов соответствуют цоколевке ИС (помните, что они начинаются с ключа и считаются против часовой стрелки). Такие принципиальные схемы легко "читать" и паять по ним схемы, поскольку не требуется заглядывать в спецификацию для определения цоколевки — достаточно просто убедиться, что вы правильно посчитали выводы и точно следуете схеме их соединения.

> Если на схеме не указаны номера выводов, необходимо достать копию цоколевки. Для стандартных ИС расположение выводов нетрудно найти в книгах или спецификациях из Интернет, для нестандартных же часто помогает посещение Web-сайта фирмы-производителя, где, возможно, находится нужная спецификация.

Часто оказывается полезным сделать фотокопию расположения выводов из спецификации, даже если на принципиальной схеме указаны номера выводов. Имея ее под рукой, вы всегда сможете перепроверить свою работу (да и саму принципиальную схему) на предмет ошибок в разводке. Номера на схеме тоже ставил простой человек, и вы можете, таким образом, застраховаться от ошибок и потери времени.

Самостоятельное исследование ИМС

Интегральные микросхемы столь непостижимы, что им можно посвятить не одну книгу. Если ИМС вас интересуют, то можете заглянуть в приложение в конце книги, которое содержит адреса Web-сайтов, на которых размещены инструкции по применению различных популярных интегральных схем в готовых проектах.

Глава 5

Потребительская корзина радиолюбителя

В этой главе...

> Подбор правильного типа проводов

> Питание от батареек и солнечных батарей

> Использование переключателей

> Контроль выходных состояний логических элементов

> Подстройка сигналов при помощи катушек индуктивности и кварцевых генераторов

> Детектирование при помощи сенсоров

^ Изучение принципа работы двигателей постоянного тока

> Генерация звука при помощи громкоговорителей и сирен

Хотя резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, речь о которых шла в главе 4, и являются чертовски важными электронными компонентами (будет очень и очень проблематично найти хоть одну схему в мире, где бы они не использовались), существуют и другие радиодетали, которые можно с успехом применять на практике.

Некоторые го этих дополнительных радиоэлементов, такие как провода, соединители и батареи, просты до неприличия. В конце концов, построить электронную схему без использования проводов или источника питания будет весьма затруднительно. Однако есть и более интересные детали, которые мы обсудим в данной главе, но которые применяются лишь от случая к случаю. Вряд ли кому-то, например, придет в голову идея использовать в каждой второй схеме сирену, однако, если вдруг понадобится построить устройство сигнализации, она несомненно пригодится.

В данной главе будут обсуждаться вопросы приобретения целого ряда разносортных радиодеталей: некоторые из них могут понадобиться радиолюбителю немедленно, о других же стоит помнить разве что на всякий случай.

Электрические соединения

Изготовление электронной схемы требует обязательного соединения между собой электрических компонентов, чтобы позволить току протекать через них. В подразделах ниже речь пойдет о связующем звене электроники: проводах, кабелях и соединителях.

Провода

Провода, которые используются в электронике, на деле представляют собой простую металлическую жилу, обычно из меди. Они имеют лишь одну функцию — позволять течь потоку электронов. При всем том оказывается, что при работе с электронными поделками можно применять несколько разных типов проводов, и о том, как правильно выбрать нужный, мы и поговорим в этом разделе.

Многожильный или одножильный провод?

Если разрезать провод обычной бытовой электролампы (сначала, конечно, следует убедиться, что это та самая старая лампа, которую хочет выбросить ваша тетушка, а затем обязательно отключить ее от сети!), то можно увидеть, что он состоит из нескольких жгутов очень тонких жилок, возможно, даже изолированных. Такой провод называется многожильным. Если же вдруг провод к лампе окажется состоящим только из одного проводника, то перед вами — одножильный провод. Примеры этих типов проводов изображены на рис. 5.1.

В каких же случаях используется каждый из приведенных выше типов проводов? Это не так сложно, как может показаться на первый взгляд. Многожильный провод применяют там, где проводник нужно часто гнуть или сматывать. К примеру, для выводов мультиметра используют именно многожильные провода, потому что они часто сгибаются, и, если взять простой провод, через несколько минут он просто сломается в месте изгиба.

Одножильный же проводник удобно использовать на макетных платах (о них подробнее в главе 7) и вообще там, где не планируется часто двигать провод. Одну жилу значительно легче вставить в переходное отверстие на плате, да и форму, в которую ее согнули, она держит не в пример лучше. Если для тех же работ взять многожильный провод, то придется распутать его жилы, чтобы протолкнуть в узкое отверстие, при этом не только испортится его внешний вид, но и можно что-то замкнуть.

Размер тоже важен

При сборке схемы правильный выбор провода почти столь же необходим, как подбор радиодеталей согласно их параметрам. Провода характеризуются толщиной, или, выражаясь техническим языком, диаметром. Чем толще проводник, тем больший ток он может пропускать.

В качестве руководства по выбору толщины провода можно привести следующие простые рекомендации.

> Для большинства электронных проектов достаточно проводов диаметром 0,5 мм.

> Для применения в относительно тяжелых условиях, где токи могут быть весьма значительны, рекомендуется брать проводник диаметром не менее 1 мм.

> Для монтажа на печатных платах при помощи проводов удобно использовать совсем тонкий провод диаметром 0,25 мм.

Сказанное в предыдущем абзаце справедливо для всех проектов, с которыми вы столкнетесь в главах 14 и 15. Провода большего диаметра используют в задачах с большими величинами токов: например, для питания электроплиты на кухне следует выбрать провод диаметром не менее 4 мм.

Если вам вдруг когда-нибудь придется работать над проектом, в котором вы столкнетесь с более высокими напряжениями, чем те, которые встретятся в этой книге, то для правильного выбора проводов лучше уточнить технические требования или ознакомиться с рекомендациями надежных источников. Диаметры проводов, которые предписаны к использованию в бытовых условиях, приведены, например, в ГОСТ 22483-77. Убедитесь также, что у вас имеются необходимые навыки и достаточный объем знаний по технике безопасности, прежде чем приступать к работе с высоковольтными цепями.

Радуга из проводов

Тот, кто утверждает, что электроника сера и монотонна, или не знает, о чем говорит, или никогда в жизни не видел проводов. Изолирующая оболочка проводников почти всегда имеет определенный цвет, чтобы идентифицировать назначение данного проводника.

Взгляните, к примеру, на провода, идущие внутри телефона к обычной 9-вольтовой батарее. Как видите, один из проводов черный, другой — красный. Красный провод всегда присоединяется к положительному выводу батареи, а черный — к отрицательному.

При сборке схемы при помощи проводников (например, при использовании макетной платы) также рекомендуется использовать разноцветные проводки, чтобы показать разные типы подключений. Эта простая уловка поможет вам (если, конечно, у вас не фотографическая память) или кому-нибудь еще легко идентифицировать назначение подключений и элементов при повторном взгляде на готовую схему.

Приведем список различных применяемых в электронике и устоявшихся цветов, а также предполагаемое их назначение.

> Красный используется для соединений с источником положительного потенциала +U.

> Черный применяют для соединений с источником отрицательного потенциала -Uили с землей, хотя в последнем случае разрешается использовать и зеленый.

> Желтый или оранжевый применяют для входных сигналов, например с микрофона. Если таких сигналов в схеме несколько, то желательно использовать свой цвет для каждого.

Связка проводов в кабели или шнуры

Кабелем называется группа из двух или более проводов, защищенных от окружающей среды общим слоем изолирующего материала, как и многожильный провод, речь о котором шла выше. Однако кабель отличается от такого провода прежде всего тем, что в нем каждая отдельная жила также спрятана в изолирующую оболочку. Таким образом, кабели более устойчивы к механическим воздействиям, чем отдельные провода, и потому их используют для прокладки между отдельно стоящими узлами оборудования.

К слову, ваш телевизор и DVD-плейер также соединены посредством кабеля, имеющего штекерные соединители.

Соединения и соединители

Если взглянуть на типичный кабель, идущий, скажем, от компьютера к принтеру, то можно увидеть, что на его концах есть некие штуковины го металла или пластика. Неудивительно, что на корпусах компьютера и принтера имеются розетки специальной формы, куда кабель и вставляется. Наконечники кабеля оснащены ни чем иным, как соединителями. Такой соединитель, который вставляется в разъем на корпусе, называют штекером, а разъем в корпусе электронного устройства — гнездом или розеткой. Штекеры и гнезда служат для подключения посредством соответствующего кабеля разных устройств.

Ниже представлены типы соединителей, наиболее распространенные в электронике.

> Клеммные соединители и колодки применяют только вместе как наиболее простой тип разъема. Клеммная колодка представляет собой набор из некоторого числа прижимных винтов, которые нужно закрепить на шасси или корпусе устройства. Далее конец провода, который нужно подключить при помощи данного соединения, припаевается (или зажимается) к клемме. Теперь, если нужно соединить два провода, достаточно затянуть их клеммы при помощи одного и того же прижимного винта колодки, обеспечив, таким образом, надежный контакт. В большинстве простых проектов такого соединения хватает "с головой".

> Еще одна вариация клеммного соединения отличается от предыдущего типа лишь тем, что колодка предназначена для пайки непосредственно на печатную плату. Такое изменение конструкции позволяет просто вставлять один конец провода в контакт на разъеме, вместо того, чтобы припаивать его к клемме.

> Вилки (штекеры) и розетки (гнезда) используются, например, для передачи аудиосигналов между электрогитарой и усилителем; в таком случае кабель выглядит точно, как тот, что изображен на рис. 5.2. На обоих концах этого кабеля есть по штекеру, а на корпусах гитары и усилителя имеется по соответствующему гнезду. Такой тип кабеля состоит из одной или двух сигнальных жил, вокруг которых под изоляцией обязательно присутствует еще и металлическая экранирующая оболочка. Она уменьшает внешние помехи и шумы, которые могут исказить сигнал.

> Выводные колодки используются, как правило, для вывода сигналов с печатных плат (о них более подробно см. в главе 12). Разъем такого типа соединителя устанавливается на плате, а штекеры паяются или зажимаются в плоском кабеле1. Прямоугольная форма разъема позволяет относительно легко подводить сигналы к каждому контакту и разводить их по плате. Такие соединители характеризуются, прежде всего, количеством контактов, или штырьков: например, существуют 40-или 28-выводной разъемы. Их чрезвычайно удобно использовать в схемах с несколькими отдельными печатными платами и большим количеством отходящих сигналов между ними; им также можно найти применение при конструировании роботов и т.п.

В электронике используется и множество других типов соединителей, о которых, однако, совсем необязательно знать до тех пор, пока они не понадобятся в каком-нибудь нетривиальном проекте. И помните: если при постройке межгалактического звездолета или сверхбыстрого карманного компьютера вам вдруг понадобится один из них, вы всегда можете побродить по сайтам производителей на просторах Интернет.

Включаем питание

Даже все провода и разъемы в мире не смогут вам помочь, если в схеме отсутствует источник питания. После окончания первой фазы проекта — разработки схемы — понадобятся ток и напряжение, чтобы включить схему. Питание можно взять из настенной розетки (об этом уже говорилось в главе 3), от батареек или солнечных батарей.

Для электронных поделок основную роль играют именно два последних типа источников питания, поскольку они имеют небольшие габариты и являются переносными. В следующих подразделах речь пойдет о том, как правильно выбрать батареи или солнечные элементы для вашей схемы.

Врубим питание от батарей

Для получения электричества от батарей используется процесс, называющийся электрохимической реакцией, который генерирует положительный потенциал на одном выводе батареи и отрицательный— на другом. Этот процесс включает помещение двух разных металлов в химическое вещество определенного типа, но так как перед вами не Химия для "чайников" от Дж. Т. Мура, то мы не будем углубляться в особенности протекающих внутри батарейки реакций.

В целом, батареи можно охарактеризовать согласно размерам, генерируемым напряжениям и типу химического вещества, содержащегося внутри (например, "угольно-цинковые" или "никель-кадмиевые" батареи).

Самые распространенные батареи - на каждый день

Итак, начнем со стандартных, неперезаряжаемых батарей, которые можно легко приобрести в магазине. Цилиндрическая батарейка любого распространенного типа— AAA, АА, С и D— генерирует 1,5 В. Транзисторная батарея выглядит иначе— она вьшолнена в виде па-раллелепипеда и больше всего по габаритам напоминает слегка уменьшенный спичечный коробок, генерирует она 9 В. Иногда встречаются еще и фонариковые батареи (такие большие квадратные батарейки, похожие на 9-вольтовые, которые иногда вставляют в фонари размером с хороший прожектор), напряжение на выводах которых равняется 4,5 В.

Для того чтобы получить требуемое напряжение, можно соединить вместе любое количество 1,5-вольтовых батарей. Так, соединив отрицательный полюс одной батареи с положительным полюсом второй (такое соединение называется последовательным), как показано на рис. 5.4, вы получите удвоенное напряжение, т.е. 3 В.

Батареи удобно укладывать в специальный отсек или пенал. Правильно вставив в него определенное количество батарей, можно сразу получить требуемое напряжение: скажем, 6 В при использовании пенала на четыре 1,5-вольтовые батарейки или 9 В для 6 штук и т.д. Такой отсек, рассчитанный на 4 батарейки типа АА, показан на рис. 5.5.

Поиск по сайту: