Стандартные наименования компонентов схем

Некоторые стандартные электрониые компоненты, как, например, конденсаторы, часто обозначается на принципиальных схемах при помощи литеры и соответствующего номера (скажем, С2). Номер радиоэлемента определяет каждый конкретный элемент схемы и служит для описания его свойств в перечне элементов, где укззыпают наименование компонента, его тип и номинал. В электронике принято применять одни и те же символы для радиодеталей одного типа. Следует помнить, однако, что для некоторых, более сложных элементов, могут применяться целые аббревиатуры, а не одна буква, но в целом смысл от этого не меняется.

Итак, ниже приведены стандартные буквы, с которых начинается наименования на принципиальной схеме устройства: (В скобках даны обозначения, принятые за рубежом. — Примеч. ред.)

С — конденсатор;

VD(D) - диод;

D (U) — интегральная микросхема;

L — катушка индуктивности (дроссель);

HL или VD (LED) — светоизлучающий диод; (Обозначение VD используется для полупроводниковых диодов, a HL — для средств индикации. — Примеч. ред.)

VT (Q) — транзистор;

R — резистор;

K(RLY) – реле;

G (XTAL) — кварцевый осциллятор.

Далее по тексту этой главы в заголовках перед описаниями всех радиоэлементов в скобках будут указываться и литеры, которыми принято обозначать элемент. Это поможет вам лучше запомнить применяемые аббревиатуры.

Конденсаторы (С)

Символ, которым обозначают конденсатор, отображает его внутреннее строение: две пластины из проводящего материала, разделенные небольшим зазором. Этот зазор (или материал, заполняющий его) является диэлектриком. Как уже обсуждалось в главе 4, диэлектриком может служить воздух, жидкость или любой тип изолятора (например, пластик или слюда).

Конденсаторы бывают полярными и неполярными. На принципиальных схемах полярные конденсаторы изображают тем же символом, что и обычные, но обязательно проставляют знак плюс возле соответствующего вывода. При этом на корпусе самого элемента может стоять как знак плюс, так и минус.

Кристаллы и резонаторы (G)

Кварцевые кристаллы и резонаторы служат для обеспечения тактирования во времени электронных устройств. При использовании этих компонентов с соответствующей обвязкой пассивных элементов они генерируют импульсы строго определенной частоты, т.е. как бы представляют собой метроном, тактирующий работу всей схемы. Символ осциллятора выглядит почти так же, как и конденсатор, за исключением того, что в его зазор помещен прямоугольник, обозначающий кристалл генератора.

Диоды (VD)

Даже начинающий радиолюбитель сталкивается с большим количеством всевозможных диодов, включая выпрямительные, диоды Зенера (или стабилитроны) и светоизлучающие диоды. На рис. 6.4 показана только часть полного ассортимента схематических обозначений наиболее распространенных диодов: это выпрямительный диод, стабилитрон, СИД и фотодиод. На основе светодиода и фотодиода уже можно построить простую систему детектирования. Такое устройство представляет собой сенсор видеомагнитофона, принимающий инфракрасное излучение с пульта дистанционного управления. А выпрямительные диоды, соединенные в группу из четырех элементов в виде моста, можно встретить практически в любом преобразователе переменного тока в постоянный.

Катушки индуктивности (L)

Катушки индуктивности представляют собой витки провода, намотанные на изолятор. Такие часто можно увидеть в радиосхемах, приемниках и передатчиках. Символы различных катушек индуктивности довольно схожи между собой, и их легко отличить от других элементов; единственная разница состоит в том, из какого материала сделан сердечник. Чаще всего сердечник выполняется из железа или отсутствует вообще.

Операционные усилители (D или DA)

Операционный усилитель относится к классу интегральных схем, поскольку является логически завершенным устройством, выполненным как одно конструктивное целое. ОУ содержит в одном корпусе все необходимые для усиления сигнала компоненты. Схемотехнический символ, которым обозначают операционный усилитель, мало чем отличается от символа простого усилителя. Основной чертой ОУ является наличие двух входов (один из них дополнительно обозначается знаком плюс, второй — знаком минус) и одного выхода.

Реле (К)

Реле чаще всего используются для включения или отключения схемы при помощи сигнала, управляющего напряжением обмоток. Реле отличаются друг от друга количеством контактов. Так, символ, изображенный слева, показывает двухполюсное однополярное (DPST) реле. При работе с таким элементом необходимо следить, чтобы управляющее напряжение (оно показано подключенным к катушке) не попало на выходные контакты (подключенные к контактам реле), поскольку они, скорее всего, будут иметь различные уровни, не предназначенные для непосредственной коммутации.

Резисторы (R)

Резисторы обычно представляют собой наиболее востребованные компоненты любой электронной схемы. Они могут быть как постоянными, так и переменными. Сопротивление постоянного резистора всегда остается фиксированным, а у переменного может изменяться. То, как именно изменяется сопротивление потенциометра, зависит от его конструкции и предназначения. Так, у обычного подстроечного резистора присутствует ручка, с помощью которой можно выставлять необходимую величину сопротивления, а у других резисторов сопротивление меняется само под воздействием света, напряжения или температуры. Подробнее потенциометры описаны в разделе "Один элемент на все случаи жизни: радиодетали с переменным номиналом".

Транзисторы (VT или Q)

Транзисторы очень часто используются в схемах; их основные функции заключаются либо в переключении сигнала либо в его усилении. Большинство транзисторов имеет три вывода (иногда встречаются экземпляры и с большим количеством). Стрелка на символе транзистора, изображенном слева, указывает тип транзистора. Для биполярного транзистора PNP-типа стрелка рисуется внутрь окружности — к базе. Для NPN-транзистора она идет от базы наружу (обозначения выводов транзисторов подробно рассматривались в главе 4).

Биполярные транзисторы являются, пожалуй, наиболее распространенными в электронике, однако часто встречаются и другие типы этих элементов: например, полевые или однопереходные транзисторы. Есть, как уже писалось ранее, светочувствительные транзисторы, которые переключаются из непроводящего состояния в проводящее тогда, когда на них попадает свет. В целом, к счастью, символы разных по свойствам транзисторов не сильно отличаются. На рис. 6.5 изображены схемотехнические символы биполярных и полевых транзисторов разной полярности.

Трансформаторы (T)

Трансформаторы выполняют функцию, о которой полностью свидетельствует их название: они преобразуют электрическое напряжение в более высокий или, наоборот, более низкий уровень. Трансформаторы обычно ставят в одном из двух определенных мест схемы.

> Источники питания. Здесь трансформаторы используются для понижения входного напряжения сети до уровня 12 или 18 В.

> Оконечные каскады усилителей низкой частоты (УНЧ). Трансформатор служит для изменения импеданса (меры сопротивления электрической схемы переменному току) (Отличается от обычного сопротивления дополнительным учетом влияния на переменный ток реактивных элементов схемы (катушек индуктивности и конденсаторов). —Примеч. ред.) схемы с целью получения уровня сигнала, поступающего на аудиоколонки. (Их сопротивление очень мало и измеряется единицами ом. — Примеч. ред.)

Символы логических элементов

Очень многие принципиальные схемы содержат символы, обозначающие логические элементы. Эти обозначения в некоторой степени показывают функцию, выполняемую данным элементом в ответ на воздействие уровней напряжения на входах. В цифровых системах эти уровни одновременно могут иметь лишь одно из двух состояний (включен/ выключен), представляющих простейшую единицу информации. Символы наиболее распространенных логических элементов показаны в табл. 6.1.

9 - Свойство эффективно подавать ток на определенное количество подключенных к его выходу других элементов. — Примеч. ред.

Хотя элементы И, ИЛИ и другие состоят из транзисторов, включенных в той или иной комбинации, значительно удобнее использовать уже готовые интегральные микросхемы (ИМС или ИС). Одна такая микросхема может содержать сразу несколько логических элементов. К примеру, ИС 7400 состоит из четырех элементов И-НЕ, питание и земля которых являются общими.

Иногда на принципиальных схемах логические элементы одной микросхемы указывают по отдельности, иногда же их так и рисуют — в одном корпусе. Пример различного обозначения одних и тех же элементов показан на рис. 6.6. В любом случае, функциональность ИМС от этого не меняется; нужно только смотреть, чтобы на схеме были указаны выводы витания и земли. Если их не видно, то придется найти спецификацию микросхемы и изучить цоколевку. Цоколевкой называется чертеж, на котором изображены и пронумерованы все выводы ИМС и описаны функции каждого из них. Обычно такие рисунки являются неотъемлемым элементом любой спецификации фирмы-производителя. Сами же спецификации легче всего найти в Интернет, воспользовавшись любым поисковиком.

Другие символы

На принципиальных схемах время от времени можно встретить некоторые другие условные символы, обозначающие те или иные электрические либо электромеханические детали. Обычно символика принята такой, что элементы на схеме говорят сами за себя, т.е. понять их свойства можно даже чисто интуитивно; сейчас пришло время упомянуть и эти обозначения.

О переключателях следует сказать особо. Схемотехнические символы электрических ключей обязательно включают указание на количество полюсов (контактов) и позиций элемента. Каждый полюс служит для подключения к определенному напряжению тех или иных частей схемы. Подробнее о ключах и их типах будет написано в главе 7.

Теперь составим список наиболее широко распространенных типов переключателей и их вариаций, с которыми можно столкнуться при разработке электронных устройств.

> Однополюсный однонаправленный ключ (SPST) имеет две позиции (вкл./выкл.) и одну пару контактов.

> Двухполюсный двунаправленный ключ (DPDT) имеет три позиции (вкл./вкл. или вкл./выкл./вкл.) и два или три контакта.

> Другие варианты включают двухполюсный однонаправленный (DPST) ключ и вообще ключи с тремя и более полюсами.

> В дополнение к количеству полюсов и направлению переключения некоторые переключатели характеризуются подпружиненными контактами (они называются ключами без фиксации или ключами с самовозвратом). Такие элементы бывают нормально разомкнутыми или нормально замкнутыми, т.е. уже по названию видно, в каком обычно положении они находятся. К примеру, контакты нормально разомкнутого ключа не соприкасаются до тех пор, пока ключ не будет нажат.

В табл. 6.2 показаны символы наиболее употребляемых переключателей, а также некоторых других элементов: динамиков, батареи, лампы накаливания.

Согласно принятым правилам изображения УГО, размыкающий контакт (т.е. нормально замкнутый ключ) изображается в замкнутом положении, а замыкающий (т.е. нормально разомкнутый) контакт — в разомкнутом. Следовательно, простая кнопка, которая замыкает контакт, имеет точно такой же символ, как и общее обозначение ключа, а размыкающая кнопка, отличается только положением своего контакта. —Примеч. ред.

Соблюдение полярности

Многие, хотя не все, электронные компоненты имеют полярность. Для того чтобы все такие радиоэлементы функционировали правильно, нужно обязательно соблюдать полярность при их включении в схему. В некоторых случаях несоблюдение данного требования может привести к выводу радиодеталей из строя.

Условные символы элементов, требующих правильности подключения, а также некоторые обозначения, указывающие полярность, изображены на рис. 6.7.

Убедиться в соблюдении полярности необходимо для таких электронных компонентов.

> Диоды. Это касается всех диодов, включая выпрямительные, диоды Зенера и светоизлучающие. Полярность диодов на схемах можно проверить по расположению отрицательного вывода — катода — вертикальной черты на символе элемента

> Полярные конденсаторы. Электролитические, танталовые и некоторые другие типы конденсаторов также имеют полярность. На схемах она указывается знаком "плюс".

|> Транзисторы. Полярность включения транзисторов определяется типом последних.

> Логические элементы и интегральные схемы. Полярность, которую нужно соблюдать при подключении к некоторым выводам ИС, обычно указывается знаками "плюс" и "минус" или другими метками.

> Операционные усилители. Типичный ОУ имеет три вывода (два входа и один выход), не считая выводов питания. Входы ОУ маркируются как "плюс" (неинвертирующий вход) и "минус" (инвертирующий).

> Батарея. Полярность включения элементов питания указывается знаками "плюс" и "минус" около выводов.

> Реле. Имеет тот же символ, что и дроссель. Положительный вывод обозначается знаком "плюс".

Один элемент на все случаи жизни – радиодетали с переменным номиналом

Некоторые типы электронных компонентов позволяют подстраивать свои рабочие параметры. Таким образом, вместо того, чтобы работать при одном значении некоторого электрического параметра (напряжения, тока, емкости и т.п.), становится возможным перестраивать его под свои нужды.

Наиболее распространены следующие типы подстраиваемых элементов.

> Переменный резистор. Его еще называют потенциометром или просто переменником. Наверное, это наиболее используемый в электронике тип подстраиваемого радиоэлемента: потенциометры применяют в качестве регуляторов громкости звука, реостатов систем освещения и в сотнях других приложений. Переменный резистор состоит из элемента с определенным сопротивлением, намотанного между двумя выводами (как спираль в лампе накаливания). Вдоль этой спирали скользит третий контакт, посредством которого и меняется сопротивление всего элемента, когда кто-то вращает регулятор. Символ, которым обозначают потенциометр, изображен на рис. 6.8.

> Переменный конденсатор. Такие конденсаторы используются довольно часто в схемах подстройки частоты, например в радиоприемниках с амплитудной модуляцией (AM). Переменная емкость состоит из двух или более металлических пластин, разделенных воздушным зазором. Обороты лимба переменного конденсатора изменяют величину зазора и, таким образом, меняют емкость элемента.

> Переменная катушка индуктивности. Как и переменный конденсатор, чаще всего катушку с изменяемой индуктивностью можно встретить в схемах подстройки частоты. Типичная конструкция такой радиодетали состоит из провода, намотанного вокруг подвижного металлического сердечника. Перемещая сердечник вдоль катушки, можно плавно изменять индуктивность элемента.

Для освежения памяти относительно емкостей и индуктивностей можно вернуться к главам 4 и 5.

Фоточувствительные элементы – видят свет даже в конце тоннеля

Как вы помните из предыдущего материала, в электронике есть такие светочувствительные резисторы, диоды и транзисторы, которые реагируют на изменение внешнего освещения. То есть значение некоторого параметра элемента (сопротивления для резисторов, проводимости для диодов и транзисторов) меняется в зависимости от количества попадающего света. На большинстве принципиальных схем такие радиоэлементы показывают при помощи одной или двух стрелок, идущих к телу элемента.

В табл. 6.3 показаны наиболее распространенные условные символы светочувствительных компонентов: фотоэлементов/фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и, наконец, солнечных батарей.

Алтернативные условные обозначения

Схемотехнические символы, речь о которых шла в этой главе, относятся к системе условных обозначений, принятых на территории стран СНГ. В других странах (Европе, Австралии) символы немного отличаются. В странах же Северной Америки и в Японии отличия уже довольно значительны. Таким образом, если в руки вам попалась схема, разработанная где-нибудь в США, то поневоле придется сделать небольшой перевод символов, чтобы понять, как она устроена.

На рис. 6.9 показаны примеры схемотехнических символов, применяемых в Северной Америке и Японии. Обратите внимание на то, что даже разница между обозначением резисторов весьма значительна.

Кроме всего вышесказанного, системы условных обозначений Америки и Европы имеют также несколько иное написание номиналов. В странах бывшего СССР и в США значения сопротивлений резисторов с номиналами более 1000 Ом записывается в виде 6,1 К или 10,2 К, т.е. литера К следует после номинала. В Европе же она используется для разделения разрядов вместо десятичной точки или указания степени (103, 106): 6К8, 10К2.

Иногда можно столкнуться и с другими отличиями в системах записи и обозначения радиоэлементов, но в целом все символы интуитивно понятны, и возможные отличия не столь значительны, поскольку обозначаются одни и те же компоненты. Если вы уже выучили особенности одного стиля отображения, то другие освоите без проблем.

Глава 7

Основы функционирования электронных схем

В этой главе...

> Что такое электронная схема

> Принципиальные схемы

> Последовательные и параллельные соединения в схемах

> Понижение напряжения при помощи делителя

> Измерение тока

> Связка резисторов и конденсаторов

> Работа с транзисторами

> Эффективное усиление сигналов при помощи операционных усилителей

> Упрощение схем с помощью ИМС

Представьте себе, что кому-то нужно построить не электронное устройство, а небольшой уютный летний домик. Для этого обязательно нужно знать все об инструментах и материалах, иметь опыт строительства и владеть столярным и кровельным ремеслом. Но перед тем как взяться за пилу или газовый ключ, мастеру придется сперва заглянуть в чертеж, чтобы получить исчерпывающее представление о том, что должно выйти из-под его же рук. А это и есть то, что представляет собой принципиальная схема в ремесле радиолюбителя: точный чертеж электрической "начинки" электронного устройства.

В этой главе будут освещены основы построения электронных схем и даны базовые представления об их принципах функционирования, чтобы вы могли самостоятельно, взяв в руки принципиальную схему, изучить предназначение и особенности работы показанного устройства. Для изучения этой главы необходимо владеть материалом, изложенным в главе б, чтобы понимать, о чем вообще идет речь.

Из чего состоит электронная схема?

Любая электронная схема представляет собой всего-навсего набор электронных компонентов, соединенных вместе проводниками, по которым течет электрический ток. Потому любую схему можно условно разложить на следующие составные части.

> Источник питания.

> Электронные компоненты (резисторы, конденсаторы и т.п.).

> Проводники, связывающие отдельные части схемы в одно целое.

> Выходной каскад (нагрузка схемы), например динамик.

> Земля схемы.

> Входы (не для всех, хотя и для многих электронных устройств).

Простейшие схемы

Вряд ли кому-то придет в голову строить свой первый дом в виде особняка на 36 комнат с многоканальной стереосистемой, вмонтированной в стены, и похожим на лабиринт Минотавра подвалом с винными погребами. Начинающему радиолюбителю также не стоит бросаться в пучину электроники, заранее не натренировавшись на чем-нибудь простом. Итак, первое практическое занятие мы начнем с того, чтр построим сарай! То есть, простите, конечно, не сарай, а самую что ни есть простую схему цепь с лампой накаливания.

Питание лампы накаливания

Пожалуй, простейшая и наиболее наглядная схема, которую можно только представить, включает небольшую лампочку, подключенную к источнику питания. Однако столь нехитрая электрическая цепь имеет один существенный недостаток — лампа в ней будет все время включена. Для того чтобы внести в схему возможность включения и выключения лампы, достаточно просто добавить в нее ключ. Принципиальная схема такой простой электрической цепи изображена на рис. 7.1.

В приведенной схеме ключ изображен в замкнутом положении. В нем ключ замыкает петлю из проводников и позволяет электронам перемещаться от отрицательного вывода источника питания (в нашем случае — батареи) к положительному. Внутри стеклянной колбы лампа содержит нить накаливания, которая, разогреваясь от проходящего тока, излучает видимый свет.

(Здесь и далее стрелками на рисунках показано направление движения электронов (обратное общепринятому электрическому току). — Примеч. ред.)

Если же ключ разомкнуть, как показано на рис. 7.2, то в цепи образуется разрыв. В результате ток не сможет течь по замкнутой петле. Нет тока — нет света.

На том же самом принципе работает фонарик. Когда кто-то перемещает ползунок на его ручке, ключ замыкает контакты цепи между лампой и батареей и позволяет свободно течь току. Когда же фонарик выключается, цепь размыкается и течение прекращается.

Изменение величины тока с помощью резистора

Допустим, вы построили модель игрушечной железной дороги и хотите освещать платформу главного вокзала, но не слишком ярко, чтобы соседи не заметили и не подумали невесть что. Для этого достаточно в схему, составленную выше, дополнительно ввести резистор. Новая схема, с добавленным сопротивлением, изображена на рис. 7.3.

SW1

В главе 4 уже был пояснен термин "резистор"; он происходит от латинского resistio — со-противляться, поскольку сопротивляется движению через него электронов. Появление в схеме резистора уменьшает количество носителей электрического заряда, протекающих в проводниках, а чем меньше их пройдет через нить накалиьания лампы, тем меньше света она даст.

Для расчета тока, текущего через любой элемент схемы до и после введения резистора, можно воспользоваться законом Ома (подробнее об этом замечательном правиле шла речь в главе 1). Пусть собственное сопротивление лампы накаливания составляет 5 Ом, а напряжение на выводах батареи равно 3 В; тогда ток составит

I = U / R = 3 В / 5 Ом = 0,6 А

Здесь прописная литера I служит для обозначения тока, U — напряжения, a R — сопротивления.

После же добавления в цепь резистора сопротивлением, скажем, 5 Ом, полное сопротивление схемы станет равным 10 Омам, и ток будет равным уже

I = U / R = 3 В / 10 Ом = 0,3 А

Таким образом, резистор отсекает часть тока, протекавшего через нить накаливания лампы ранее. Такое уменьшение тока позволяет "приглушить" освещение лампы и даст, наконец-то, возможность станционному смотрителю железной дороги вздремнуть часик-другой.

Параллельное (последовательное) соединение элементов

Добавляя в электрическую цепь новые компоненты, их можно вставлять последовательно, так, чтобы через каждый элемент протекал один и тот же ток, либо параллельно, чтобы ток в цепи делился на части, протекая по разным ветвям схемы. В этом разделе мы покажем, что же происходит в электрической цепи при последовательном и параллельном видах соединения компонентов.

Последовательное соединение

В схеме на рис. 7.3 электроны текут от отрицательного вывода батареи через лампу и резистор к положительному выводу. Такое соединение электронных компонентов называется последовательным, поскольку ток последовательно течет от одного элемента к следующему и т.д. Можно рассчитать общее сопротивление такой схемы, просто складывая сопротивления каждого компонента, включенного последовательно.

На рис. 7.4 показан пример последовательного соединения 4 резисторов.

Для того чтобы рассчитать общее сопротивление такой схемы, R-общ, достаточно просто просуммировать номиналы всех четырех резисторов:

Rобщ = 220 + 33 + 10 + 330 = 593 Ом.

Полученное значение сопротивления можно использовать для расчета тока по закону Ома. Если напряжение питания схемы составляет, скажем, +9 В, то ток будет равен:

I = U / R = 9 В / 593 Ом = 0,015 А, или 15 мА.

Теперь некоторые могут спросить: зачем же нужно вообще рассчитывать ток? Для этого есть две основные причины.

> Даже самые неприхотливые радиоэлементы способны выдержать ток до определенного предела. А, к примеру, такая нежная вещь, как светодиод, сгорит, как спичка, если подать на него больше 100 миллиампер.

> С другой стороны, сам источник питания может обеспечить только ограниченный ток. Величина тока, рассчитанная в последнем примере, 15 мА, не столь велика, но в следующем примере речь пойдет уже о токе 1 А, что, определенно, поднимет планку для вашего блока питания или батареи. Короче говоря: чтобы схема работала как надо, нужно убедиться, что имеющийся источник питания выдает в схему требуемый ею ток на протяжении всего времени, которое схема функционирует.

Существует потенциальная опасность, с которой можно столкнуться в схемах с последовательно соединенными радиоэлементами: если откажет хотя бы один элемент, то прекратится подача тока через всю схему. Так, если в вашей нарядной новогодней гирлянде перегорит хотя бы одна лампочка (а они в ней, как правило, соединены последовательно), вся гирлянда погаснет.

Параллельное соединение

Есть один способ решить проблему выхода из строя всей последовательной схемы при отказе одного ее элемента раз и навсегда. Он заключается в параллельном соединении компонентов, как показано на рис. 7.5. Такое включение позволит лампам одной гирлянды ярко светиться, даже если перегорит несколько штук.

Посмотрим, как работает электрическая цепь, изображенная на рис. 7.5. Электроны текут, как обычно, от отрицательного вывода батареи к положительному по всем возможным путям. Те из них, которые выбрали путь через определенный резистор, минуют только его, не возвращаясь, чтобы пройти через другой компонент. Таким образом, поток электронов делится на части, и если в цепи из 200 компонентов выйдет из строя один, то 199 остальных продолжат работать как ни в чем ни бывало.

Для того чтобы рассчитать общее сопротивление цепи, показанной на рис. 7.5, нужно использовать следующее уравнение:

Если при последовательном включении общее сопротивление цепи равнялось простой сумме сопротивлений всех ее элементов, то для параллельного включения общее сопротивление будет меньше, чем величина самого малого сопротивления. В этом можно убедиться, если посмотреть, что в предьщущем примере общее сопротивление составило всего 7,2 Ом, т.е. менее 10 Ом (минимального номинала в этой цепи).

Ток, протекающий по всем ветвям параллельной схемы, можно рассчитать, используя полученное выше общее сопротивление и закон Ома. Если взять ту же батарею на 9 В, то по параллельной схеме из все тех же четырех резисторов потечет ток 1,25 А:

I = U / Rобщ = 9 В / 7,2 Ом = 1,25 А

В этом примере приведена параллельная схема, которая потребляет довольно значительныи ток. Если запитать ее от батареи, то последняя быстро истощится. Емкость даже хорошей батарейки обычно не превышает единиц ампер-часов. Так, если емкость батареи равна 1 ампер-часу, то схема, потребляющая 1 А, истощит ее за час. Таким образом, решение о выборе правильного источника питания должно включать в рассмотрение потребление схемы и длительность ее работы от данного источника.

Исследование схемы делителя напряжения

Итак, наконец пришло время для первой лабораторной работы. В главе 1 был сделан вывод о том, что напряжение представляет собой силу, которая "толкает" электроны по проводнику. Если сопоставить эту информацию с данными главы 4 о природе резисторов, которые сопротивляются этой силе, то какое заключение можно сделать на этот раз? Если вам уже сейчас стало ясно, что при прохождении тока через резистор (как, впрочем, и любой другой компонент) на нем упадет какая-то часть этого напряжения, то считайте, что вам поставили 5+. Это понижение потенциала называют падением напряжения.

Явление падения напряжения успешно применяется в схеме делителя напряжения, которая служит для понижения потенциала в тех узлах устройства, где требуется получить напряжение меньшее, чем выдает источник питания. Эта простая схема изображена на рис. 7.6. есть, к примеру, нужно запитать транзистор напряжением 3 В, но имеющийся источник питания выдает напряжение 9 В. Уменьшить уровень напряжения легко при помощи делителя.

Величина напряжения, падающего на резисторе, прямо пропорциональна его сопротивлению, а точнее, даже равна частному от величины номинала (сопротивлению) резистора, деленной на общее сопротивление цепи:

Падение напряжения на резисторе R1:

Рассчитать напряжение на выходе делителя можно, просто отняв от общего напряжения величину падения на резисторе R1:

Uвых = Uобщ - U1 = 9B - 6B = 3B.

Однако как же быть, если на выходе требуется получить другое напряжение? Достаточно просто правильно подобрать резисторы. К примеру, пусть требуется получить напряжение, равное половине исходного. Для решения этой задачи нужно просто-напросто взять два одинаковых резистора. Тогда, используя уравнение для расчета падения напряжения на резисторе R1, получим:

падение напряжения на R1 = половина от Uобщ.

Если нужно получить напряжение на выходе, равное двум третьим от напряжения питания, то сопротивление R1 должно быть вдвое меньше сопротивления R2 (т.е. равным одной третьей от суммы сопротивлений). Тогда, используя то же уравнение, имеем:

падение напряжения на R1 = одна третья от Uобщ.

Измерение тока путём измерения напряжения

Так же, как и обычный человек может проглотить только какое-то ограниченное количество пищи, самым универсальным прибором радиолюбителя — мультиметром — можно измерять только токи, не превышающие какое-то предельное значение (обычно не более 10 А) (подробнее см. главу 9). Однако выйти из ситуации можно и косвенным методом: измерять падение напряжения на каком-то резисторе, а ток рассчитать по закону Ома. Простая схема, позволяющая проделать такое измерение, включает резистор очень небольшого номинала, на котором и измеряется падение напряжения; она изображена на рис. 7.7.

В этом примере резистор вставляется в схему последовательно, чтобы определить общий ток, протекающий в цепи. Для этих целей лучше всего использовать резистор сопротивлением 1 Ом с мощностью рассеяния минимум 10 Вт. Введение такого дополнительного сопротивления вместо проводника обычно не оказывает никакого влияния на работу схемы, а столь высокая допустимая мощность не даст резистору сгореть при прохождении через него тока.

Итак, для измерения падения напряжения на резисторе нужно использовать мультиметр, поставив его выводы между данной точкой и землей (рис. 7.7). Для того чтобы узнать ток, достаточно воспользоваться законом Ома. Если на дисплее мультиметра высветилось 2 В, то ток будет равен:

I = U / R = 2 В / 1 Ом = 2 А.

Перед процедурой измерения неплохо еще раз убедиться, что выбран достаточно мощный резистор, иначе он вспыхнет, как Атланта в Унесенных ветром. Рассчитать мощность резистора можно по следующей формуле: (Закон Джоуля-Ленца. — Примеч. ред.)

Мощность = R х I² = 1 Ом х (2 А)² = 4 Вт.

Используя это уравнение, можно легко вычислить, какая мощность выделится на резисторе, примерно зная силу тока. Желательно, чтобы полученная величина была хотя бы на 25% меньше, чем максимально допустимая мощность для данного резистора, иначе последний нагреется ДЕЙСТВИТЕЛЬНО СИЛЬНО.

В большинстве случаев будет вполне достаточно 10-ваттного резистора. Если же вам удается палить и такие резисторы, то это, скорее всего, значит, что из области радиолюбительства вы перебрались в профессиональные электрики, и пора покупать книгу несколько другой направленности.

Резисторы и конденсаторы: одна команда

Дон Кихот и Санчо Панса, Бонни и Клайд, резистор и конденсатор... Звучит? И, кстати, вполне соответствует действительности — в электронных схемах резисторы и конденсаторы часто составляют одну команду. По правде говоря, уже из двух этих простейших элементов можно сформировать схему, и такие схемы очень часто применяют на практике, как, например, изображенную на рис. 7.8.

Итак, пришло время выяснить, каким же образом два элементарных компонента могут составлять единую команду. Об этом и пойдет речь в данном разделе.

Как работает динамический дуэт конденсатора и резистора

Как вы помните, конденсатор накапливает электроны, а резистор контролирует их поток. Следовательно, логично предположить, что, соединив их вместе, можно будет контролировать скорость накопления электронов (заряд конденсатора) или скорость их рассасывания (разряд) в конденсаторе.

Чем больше сопротивление резистора, тем меньший ток протекает через него при заданном напряжении, а это, в свою очередь, означает, что подключенный рядом конденсатор зарядится медленнее. Аналогично, конденсаторы большей емкости нужно зарядить большим количеством электронов, т.е. процесс пойдет тем медленнее, чем больше имеющаяся емкость. Подбирая параметры конденсатора и резистора, можно задать необходимое время заряда или разряда RC-цепочки.

Включение и выключение схем при помощи RC-цепи

Оказывается, что величина выходного напряжения (Uвых) в схеме, показанной на рис. 7.8, зависит от того, насколько заряжен конденсатор. Чем больше электронов он будет содержать (естественно, в пределах своей емкости), тем ближе будет напряжение на выходе схемы. Соответственно, чем меньше будет заряд в конденсаторе, тем меньше будет и напряжение. Поскольку для работы различных электронных компонентов используются разные уровни напряжения, можно подобрать значения сопротивления и емкости таким образом, чтобы схема включалась или выключалась через определенный промежуток времени.

Пусть, например, нужно зарядить конденсатор за 30 секунд. Известно, что емкость его равняется 15 мкФ. Взяв 2-мегаомный резистор, можно за заданное время добиться заряда конденсатора до 2/3 его емкости. Проверим это утверждение.

Заряд конденсатора до величины 2/3 от его емкости, как правило, обеспечивает достаточный уровень напряжения Uвых, чтобы включить или выключить какую-то схему. Если этого не происходит, можно взять резистор с меньшим сопротивлением, чтобы зарядить конденсатор быстрее. Проще всего проводить расчеты, выбрав какой-нибудь конденсатор из тех, что под рукой, и рассчитав сопротивление, подходящее для данной емкости. При этом можно подобрать время заряда (разряда).

Для того чтобы рассчитать время заряда конденсатора, оперируют таким параметром, как постоянная времени RC-цепочки. Ее вычисление заключается в элементарном умножении друг на друга сопротивления резистора и емкости конденсатора, взятых в основных единицах (омах для резистора и фарадах для конденсатора). (Как перевести единицы измерения из одного порядка в другой, например 15 мкФ в 0,000015 Ф, рассматривалось в главе 1.)

Постоянная времени нашей RC-цепочки = R х С = 2 000 000 Ом х 0,000015 фарад = 30 секунд.

Если очень хочется иметь возможность плавно регулировать время включения схемы, то можно взять резистор с чуть меньшим, чем нужно, сопротивлением и добавить к нему потенциометр (переменный резистор, сопротивление которого можно изменять от 0 Ом до некоторого максимального предела), подключив их последовательно. Поскольку общее сопротивление включенных таким образом резисторов равно сумме сопротивлений, то общее значение можно будет плавно регулировать, подкручивая потенциометр. Таким образом, можно довольно точно подобрать нужное время заряда конденсатора. Переменные элементы и их свойства рассматривались в главе 4.

Поговорим о транзисторах

Слово "транзистор" происходит не от запутанного латинского корня, как можно было бы предположить, а придумано вполне современным человеком — изобретателем первого транзистора Уолтером Браттейном.

Транзисторы были изобретены в 1948 американскими физиками У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином.

Браттейн (Brattain) Уолтер (1902-1987), американский физик. Открыл совместно с Дж. Бардином транзисторный эффект и создал первый транзистор. Нобелевская премия (1956, совместно с Дж. Бардином и У. Шокли).

Бардин (Bardeen) Джон (1908-1991), американский физик, иностранный член АН СССР (1982). Создал первый транзистор (1948, совместно с У. Браттейном). Один из авторов микроскопической теории сверхпроводимости (1957). Бардин— единственный ученый, дважды удостоенный Нобелевской премии по физике.

Шокли (Chockley) Уильям Брэдфорд (1910-1989), американский физик. Труды по физике твердого тела и полупроводников. (Большая Советская Энциклопедия)

Этот ученый обнаружил, что подобно вакуумной лампе, имеющей изменяемую проводимость, новоизобретенный полупроводниковый кристалл обладал изменяемым сопротивлением. Он также, видимо, знал, что только что обретенные электронные элементы с изменяемыми свойствами получили название варистор и термистор, и, следовательно, слово "транзистор" (от англ. "transfer" — переносить и "resistor" — сопротивление) отлично подходит. Чтобы пояснить, что же представляет собой транзистор, достаточно сказать, что транзистор выполняет роль клапана, открываясъ или закрываясь для обеспечения контроля потока электронов через него. Транзисторы можно использовать как ключи (ключевой режим) и как усилители (режим усилителя); ниже будут описаны оба режима работы.

Транзистор как ключ

Ключ просто-напросто открывает или закрывает путь для тока. Транзистор можно использовать как управляемый электричеством ключ. Типичная схема включения транзистора показана на рис. 7.9.

Давайте рассмотрим транзистор поближе. Вы уже знаете, что он имеет три вывода: базу, эмиттер и коллектор (конструктивные особенности транзистора рассматривались в главе 4). При использовании транзистора в ключевом режиме база применяется в качестве рубильника.

Если не подавать в базу ток (т.е. входной ток равен 0; см. рис. 7.9), транзистор будет выключен, что соответствует разомкнутому механическому переключателю. Хотя на остальных выводах транзистора (эмиттере и коллекторе) присутствует разность потенциалов, сопротивление транзистора столь велико, что ток через транзистор не протекает. (На самом деле, сколь бы велико ни было сопротивление закрытого транзистора, ток будет течь всегда, когда есть разность потенциалов, но при этом значение его столь мизерно, что им можно смело пренебречь. Этот ток называется током утечки. — Примеч. ред.)

Если подать в базу ток, то он включит транзистор, что эквивалентно замыканию механического ключа. У включенного транзистора разность напряжений между остальными выводами приводит к возникновению тока через транзистор, и этот ток можно использовать в своих целях.

Как же на практике управлять работой такого электронного ключа? Пусть, к примеру, есть электронная кормушка для цыплят, которая на рассвете автоматически высылает зерно на пол в курятнике. Это устройство работает от фотодиода, сигнал с которого подведен к базе транзистора. Ночью фотодиод не генерирует ток, поскольку вокруг темно, и транзистор закрыт. Утром же, после восхода солнца, через фотодиод начинает поступать ток, который открывает транзистор. Как только транзистор откроется, через него потечет ток, который поступит на электронную кормушку и активизирует ее. Таким образом, и вы поспите до двенадцати, и цыплята останутся вполне довольны.

"Минуточку, — может спросить какой-то ретивый радиолюбитель. — А почему бы просто не подавать ток фотодиода напрямую к кормушке?". Однако, чаще всего, ток, генерируемый фотодиодом, бывает слишком мал для питания другого устройства. Предположим, кормушка спроектирована с питанием от батареи; тогда транзистор в ключевом режиме будет всего-навсего контролировать количество тока, потребляемого кормушкой от источника питания при том, что его самого будет контролировать совсем небольшой ток фотодиода.

В ИМС (интегральных микросхемах), которые составляют основу калькуляторов и компьютеров, транзисторные ключи связаны в каскады и элементы в одном корпусе.

Транзистор как усилитель

Нам всем время от времени требуется рука помощи. Чем же хуже электронные сигналы? Часто их приходится усиливать, чтобы прибавить им сил запитать ту или иную схему. Так делают, к примеру, для вывода сигнала с микрофона на аудиоколонки, когда сигнал необходимо сначала усилить. Простейший усилитель на одном транзисторе показан на рис. 7.10.

Транзистор, из которого состоит усилитель, должен находиться не в открытом или закрытом состояниях, а быть открыт только частично. Для обеспечения такого состояния транзистора на его базу подается небольшое напряжение. Эта процедура называется смещением транзистора. В примере на рис. 7.10 для обеспечения смещения транзистора к его базе присоединены резисторы R1 и R2, включенные по схеме делителя напряжения (подробнее о делителях см. раздел "Исследование схемы делителя напряжения" выше по тексту главы). Соротивления подбираются таким образом, чтобы в средней точке делителя напряжение было достаточным для включения транзистора и разрешения току течь через транзистор.

При усилении сигнала переменного тока, такого как на выходе микрофона, этот сигнал должен центрироваться по уровню относительно 0 В, чтобы не изменить смещение. Для отсечения постоянной составляющей сигнала с микрофона (постоянного смещения) на входе усилительного каскада ставится фильтрующий конденсатор. Обеспечиваемый таким образом эффект иллюстрирует рис. 7.11.

Смещение базы транзистора и является основной разницей между использованием транзистора в режиме усилителя и режиме ключа. Применяя транзистор как электронный ключ, следят за тем, чтобы транзистор мог находиться лишь в одном из двух состояний: быть включенным или быть выключенным. Для усиления же сигналов на базу подается напряжение смещения, которое позволяет транзистору находиться в частично открытом состоянии. Такое функционирование транзистора можно сравнить с работой автомобиля на холостом ходу.

Смещение базы транзистора позволяет ему отвечать на любое, даже малейшее, воздействие входного сигнала. Для включения транзистора на базу необходимо подать напряжение около 0,6 В (разность потенциалов между базой и эмиттером). Если же транзистор не должен находиться в проводящем состоянии, то достаточно обеспечить любое входное напряжение ниже этого уровня. При смещении же базы транзистора происходит усиление входного сигнала любой величины. Эффект от смещения транзистора изображен графически на рис. 7.12. Обратите внимание на то, что при отсутствии смещения усиливается лишь часть входного сигнала; остальная часть теряется. Смещение позволяет усиливать весь сигнал.

Два остальных резистора схемы, изображенной на рис. 7.10, — R4, включенный между эмиттером и землей, и R3 (между коллектором и питанием) — служат для контроля коэффициента усиления. Коэффициентом усиления называют степень усиления сигнала. К примеру, если говорится, что коэффициент усиления каскада равен 10, это означает, что входной сигнал с амплитудой 1 В на выходе усилится до 10 В.

Что еще могут делать транзисторы?

Схема, рассмотренная в предыдущем подразделе, носит название схемы с общим эмиттером. Вообще же при помощи каскадов на транзисторах можно делать следующее.

> Использовать схемы с общей базой. Такое включение используется в схемах регуляторов напряжений и в устройствах радиочастотного диапазона.

> Использовать вместо NPN-транзисторов PNP-транзисторы.

> Включать в схему большее количество транзисторов, образуя тем самым усилительные каскады.

Поиск по сайту: