Book: Электроника для начинающих



Электроника для начинающих

Make: Electronics

Make: Electronics

Learning by Discovery

Charles Platt

with photographs and illustrations by the author

Beijing • Cambridge • Farnham • Köln • Sebastopol • Taipei • Tokyo

Электроника для начинающих

Чарльз Платт

Санкт-Петербург

«БХВ-Петербург»

2012

УДК 621.382

ББК 32.85

П37

Платт Ч.

П37 Электроника для начинающих: Пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 480 с.: ил. — (Электроника) ISBN 978-5-9775-0679-3

В ходе практических экспериментов рассмотрены основы электроники и показано, как проектиро-

вать, отлаживать и изготавливать электронные устройства в домашних условиях. Материал излагается по-

следовательно от простого к сложному, начиная с простых опытов с электрическим током и заканчивая

созданием сложных устройств с использованием транзисторов и микроконтроллеров. Описаны основные

законы электроники, а также принципы функционирования различных электронных компонентов. Показа-

но, как изготовить охранную сигнализацию для защиты от проникновения в дом, елочные огни, электрон-

ные украшения для одежды, устройство преобразования звука, кодовый замок, автономную роботизиро-

ванную тележку и др. Приведены пошаговые инструкции и более 500 наглядных рисунков и фотографий.

Для начинающих радиолюбителей

УДК 621.382

ББК 32.85

Группа подготовки издания:

Главный редактор Екатерина Кондукова

Зам. главного редактора Игорь Шишигин

Зав. редакцией Григорий Добин

Перевод с английского Бориса Бондаренко, канд. физ.-мат. наук

Редактор Юрий Рожко

Компьютерная верстка Артура Каретина

Корректор Наталия Першакова

Оформление обложки Марины Дамбиевой

© BHV-St.Petersburg, 2012

Authorized Russian translation of the English edition of Make: Electronics, 1st Edition. ISBN: 978-0-596-15374-8. Copyright © 2009, Helpful Corporation. This translation is published and sold by permission of O’Reilly Media, Inc., the owner of all rights to publish and sell the same.

Авторизованный перевод английской редакции книги Make: Electronics, 1-е издание. ISBN: 978-0-596-15374-8. Copyright © 2009, Helpful Corporation. Перевод опубликован и продается с разрешения O’Reilly Media, Inc., собственника всех прав на публикацию и продажу

издания.

Подписано в печать 06.04.12.

Формат 84×1081/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 50,4

Тираж 2000 экз. Заказ №

«БХВ-Петербург», 190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29.

Первая Академическая типография «Наука»

199034, Санкт-Петербург, 9-я линия, 12/28.

ISBN 978-0-596-15374-8 (англ.)

© 2009, Helpful Corporation

ISBN 978-5-9775-0679-3 (рус.)

© Перевод на русский язык «БХВ-Петербург», 2012

ОГлавление

Об автОре ............................................................................... ix Как получить удовольствие при чтении этой книги ..........................xi

Изучай, совершая открытия .................................................................xi ПредислОвие ....................................................................... xi

Насколько сложным это будет? ...........................................................xii

Ориентация по тексту этой книги ......................................................xiii

Фундаментальные сведения ...............................................................xiv

благОдарнОсти ..............................................................xvii

глава 1 ПОлучение ОПыта в изучении электрОники .... 1

Список необходимых покупок для экспериментов с 1 до 5 ...............1

Эксперимент 1. Проверьте напряжение на вкус! .................................6

Эксперимент 2. Давайте сожжем батарейку! .....................................11

Эксперимент 3. Ваша первая схема .....................................................18

Эксперимент 4. Изменение напряжения ............................................23

Эксперимент 5. Давайте сделаем батарейку ......................................43

глава 2 ОснОвы Переключения и мнОгОе другОе .........53

Список необходимых покупок для экспериментов с 6 по 11 ...........53

Эксперимент 6. Очень простое переключение ..................................58

Эксперимент 7. Включение светодиодов с помощью реле ...............73

Эксперимент 8. Релейный генератор ..................................................81

Эксперимент 9. Время и конденсаторы ............................................. 90

Эксперимент 10. Транзисторное переключение ................................97

Эксперимент 11. Модульный проект ................................................110

глава 3 Обращение к бОлее серьезным вещам .............125

Список необходимых покупок для экспериментов с 12 по 15 .......125

Эксперимент 12. Соединение двух проводов вместе ......................136

Эксперимент 13. Сжигание светодиода ............................................150

Эксперимент 14. Пульсирующий свет ..............................................154

Эксперимент 15. Переработанная схема охранной сигнализации ...168

viii

Оглавление

глава 4 микрОсхемы, Привет! ..................................................195

Список необходимых покупок для экспериментов с 16 по 24 .......195

Эксперимент 16. Генерирование импульсов ................................... 204

Эксперимент 17. Установка тональности звука ...............................219

Эксперимент 18. Таймер для определения реакции человека .......232

Эксперимент 19. Изучение логики ....................................................253

Эксперимент 20. Кодовый замок .......................................................277

Эксперимент 21. Игра с равными шансами на победу ....................289

Эксперимент 22. Переключение и дребезг ......................................300

Эксперимент 23. Игра в кости ...........................................................305

Эксперимент 24. Завершенная охранная сигнализация .................317

глава 5 чтО дальше? ...................................................................... 323

Список необходимых покупок для экспериментов с 25 по 36 .......324

Организация вашего рабочего места ................................................324

Источники информации .....................................................................331

Эксперимент 25. Магнетизм ..............................................................335

Эксперимент 26. Настольный генератор напряжения....................340

Эксперимент 27. Вскрытие динамика .............................................. 344

Эксперимент 28. Процесс реагирования катушки

индуктивности .....................................................................................348

Эксперимент 29. Фильтрование частот ............................................352

Эксперимент 30. Фузз .........................................................................362

Эксперимент 31. Ни какой пайки, ни какого источника питания —

только одно Радио! ..............................................................................369

Эксперимент 32. Маленькая роботизированная тележка ..............378

Эксперимент 33. Передвижение шагами ..........................................402

Эксперимент 34. Аппаратное обеспечение встречает

программное обеспечение .................................................................416

Эксперимент 35. Проверка реального мира ....................................436

Эксперимент 36. Кодовый замок, повторное обращение ............. 443

Источники продаж через Интернет и сайты производителей .......453

ПрилОжение .......................................................................... 453

Предметный указатель ...................................................457

Об автОре

Чарльз Платт (Charles Platt) стал известен, как компьютер-

ный специалист, еще в 1979 году, когда он работал в американ-

ской компании Ohio Scientific Inc. (OSI) над проектом компью-

тера Challenger 4P. После написания и продажи программного

обеспечения по заказу товаров по электронной почте он прово-

дил занятия по изучению программирования на языке BASIC,

изучению операционной системы MS- DOS и в последующем

программ Adobe Illustrator и Photoshop. В 1980-х годах он напи-

сал пять книг, посвященных компьютерам.

Он также написал две научно- фантастические книги: “The

Silicon Man” («Кремниевый человек»), сначала опубликованную

издательством Bantam, а позднее Wired Books, и книгу Protektor

(«Протектор»), опубликованную издательством Avon Books. На-

учную фантастику он перестал писать, когда в 1993 году начал

работать в журнале Wired, в котором через несколько лет стал

одним из трех основных авторов.

Чарльз начинал сотрудничать с журналом MAKE еще с его

третьего номера и в настоящее время является ответственным

редактором. Представленная книга — это его первая книга в се-

рии Make Books. В настоящее время он занимается проектиро-

ванием и изготовлением опытных образцов медицинского обо-

рудования в своей мастерской в пустыне на севере Аризоны.

ПредислОвие

КаК ПОлуЧить удОвОльствие

При Чтении этОй КниГи

Каждый из нас пользуется электронными устройствами, но

большинство не знает, что происходит у них внутри.

Конечно, вам может показаться, что это вам знать и не нуж-

но. Если вы управляете автомобилем без детального понимания

того каким образом работает двигатель внутреннего сгорания, то

совершенно так же, по- видимому, вы можете пользоваться iPod

без каких- либо знаний об интегральных схемах. Однако пони-

мание основ электричества и электроники может быть полезным

по трем причинам.

• Изучая основы электроники, вы получаете больше возмож-

ностей управлять миром вместо того, чтобы позволять ему

управлять вами. Если вы проникаете в суть проблем, то бу-

дете в состоянии решать их, а не испытывать неприятные

ощущения, связанные с их наличием.

• Изучение электроники можно сделать приятным препро-

вождением времени при условии, конечно, правильного

подхода к этому процессу. Необходимые при этом приборы

и инструменты относительно дешевы; кроме того, вы може-

те проделать всю работу прямо на вашем рабочем столе и не

потратите на это много времени (до тех пор, пока вы сами не

захотите посвятить больше времени этому занятию).

• Знание электроники повысит вашу ценность, как работника,

или, возможно, откроет новое направление для карьеры.

изуЧай, сОвершая ОтКрытия

Большинство начальных руководств начинается с определе-

ний и фактов, а затем постепенно они подводят читателя к мо-

менту, когда можно, действуя в соответствии с инструкциями,

наконец- то собрать какую- нибудь простую схему.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

xii

Предисловие

В этой книге все совершенно по- другому. Я хочу, чтобы вы

начали с соединения элементов схем прямо сейчас. После того,

как вы увидите, что в результате получилось, вы начнете пони-

мать, что происходит. Я верю, что процесс изучения, совершая

открытия (рис. П1), дает возможность получить гораздо более

обширные и твердые знания.

Познание мира путем совершения открытий происходит при

выполнении серьезных научных исследований, когда ученые за-

рис. П1. Изучение, совершая открытия,

мечают необычное явление, которое не может быть объяснено

дает возможность начать собирать про-

в рамках существующей теории, и тогда они начинают изучать

стые схемы сразу же, используя горсть

недорогих элементов, несколько бата-

его, стараясь найти ему объяснение. Это в конечном итоге может

реек и зажимов типа «крокодил»

привести к лучшему пониманию мира.

Мы собираемся делать то же самое, но, конечно, на менее

амбициозном уровне.

На этом пути вы, скорее всего, будете совершать некоторые

ошибки. И это хорошо. Ошибки это самое полезное, что способ-

ствует процессу изучения. Я хочу, чтобы вы при проведении экс-

периментов сжигали электронные компоненты и выводили их из

строя, потому что это даст вам возможность понять, каковы пре-

дельно допустимые параметры различных деталей и материалов.

Поскольку мы будем использовать только низкие напряжения,

то вам не грозит опасность поражения электрическим током и до

тех пор, пока вы не превысите значений тока, которые я предла-

гаю, у вас не будет риска сжечь пальцы и устроить пожар.

Не превышайте допустимых пределов!

Хотя я верю, что все предлагаемое в этой книге совершенно без-

опасно, то полагаю, что вы будете находиться в рамках тех предель-

ных значений, которые я буду обозначать. Пожалуйста, всегда следуй-

те инструкциям и уделяйте внимание предупреждениям, которые вы-

деляются приведенным здесь значком. Если вы будете превышать эти

пределы, то подвергнете себя ненужному риску.

насКОльКО слОжным этО будет?

Я исхожу из того, что вы приступаете к этому процессу, не

имея каких- либо предварительных знаний в области электрони-

ки. Поэтому первые эксперименты будут очень простыми, и при

этом вы не будете использовать даже паяльник или макетные

платы при монтаже схем. Вы будете соединять провода с по-

мощью зажимов типа «крокодил».

Очень быстро вы станете выполнять эксперименты с транзи-

сторами, и в конце главы 2 будете иметь дело со схемами с вполне

конкретным полезным применением.

Предисловие

xiii

Я не верю, что такое хобби, как электроника, может вызвать

затруднения при его освоении. Конечно, если вы хотите изучить

электронику более фундаментально и создавать свои собствен-

ные проекты схем, то это может стать достаточно трудным делом.

Но в этой книге используемые приборы, инструменты и вспомо-

гательные материалы достаточно дешевы, задачи четко опреде-

лены, а из области математики вам потребуется знание только

сложения, вычитания, умножения, деления и способность пере-

носить десятичную точку из одной позиции в другую.

Ориентация ПО теКсту этОй КниГи

Материал в книгах такого типа обычно приводится в двух

формах: обучающее руководство и разделы со справочной ин-

формацией. Я собираюсь пользоваться обоими этими способа-

ми. Обучающее руководство можно найти в разделах, озаглав-

ленных следующим образом:

• Список необходимых покупок

• Используемые приборы и инструменты

• Эксперименты

А разделы со справочной информацией озаглавлены, как:

• Фундаментальные сведения

• Теория

• Базовые сведения

• Важные сведения

Как пользоваться этими разделами, полностью зависит от

вас. Вы можете пропускать справочные разделы и возвращаться

к ним позднее. Но если вы будете пропускать разделы, относящи-

еся к обучающему руководству, то эта книга не окажется для вас

действительно полезной. Изучение, совершая открытия, означа-

ет, что вы, безусловно, должны что- то сделать своими руками,

а для этого надо приобрести некоторые основные электронные

компоненты и «поиграть» с ними. Будет мало толку, если вы бу-

дете только лишь представлять, что пользуетесь ими.

Очень просто и достаточно дешево можно приобрести все

то, что вам потребуется. Независимо от городского или сельского

проживания для большинства районов США велика вероятность

того, что вы живете вблизи магазина, который торгует электрон-

ными компонентами и некоторыми основными приборами и ин-

струментами, необходимыми для работы с этими компонентами.

Я, конечно, имею в виду магазины компании RadioShack. В не-

которых из них ассортимент больше, чем в других, но в любом

случае вы найдете в них все, что вам нужно.

xiv

Предисловие

Кроме того, вы можете посетить магазины запасных частей

для автомобилей, как, например, AutoZone и Pep Boys, с целью

приобретения таких основных компонентов, как соединитель-

ные провода, предохранители и переключатели. А в таких мага-

зинах, как Ace Hardware, Home Depot и Lowe's, вы сможете ку-

пить необходимые приборы и инструменты.

Если вы предпочитаете покупать по почте, то сможете легко

найти то, что вам нужно, осуществляя поиск в Интернете. В не-

которых разделах этой книги я привожу адреса веб- сайтов наи-

более популярных интернет- ресурсов, а полный список веб- сай-

тов вы найдете в Приложении.

Фундаментальные сведения

заказ компонентов, приборов

и инструментов по почте

Здесь я привожу основные ресурсы почтовой торговли, ко-

торые есть в Интернете (рис. П2) и которыми пользуюсь:

http://www.radioshack.com

Сайт компании RadioShack, известной также как The Shack.

Специализируется на продаже приборов, инструментов и ком-

понентов. Не всегда они здесь самые дешевые, но этим сайтом

очень легко и удобно пользоваться, а некоторые приборы и ин-

струменты именно те, которые вам и понадобятся.

http://www.mouser.com

или http://ru.mouser.com для России

Сайт компании Mouser electronics

http://www.digikey.com

Сайт компании Digi- Key Corporation

http://www.newark.com

Веб- сайт Newark

Компании Mouser, Digi- Key и Newark являются хорошими

поставщиками компонентов, которые обычно требуются в не-

больших количествах.

http://www.allelectronics.com

Сайт компании All Electronics Corporation. Предоставля-

ет довольно ограниченный ассортимент компонентов, которые

специально подобраны для любителей электроники. Здесь же

предлагаются готовые электронные наборы.

Электроника для начинающих

Предисловие

xv

http://www.ebay.com

или на русском языке http://ebayworld.ru

На этом ресурсе вы можете приобрести излишки или това-

ры по сниженным ценами, но вам понадобится пересмотреть не-

сколько ресурсов eBay, чтобы найти то, что вам нужно. Тот ресурс,

который, например, базируется в Гонконге, предлагает все очень

недорого, и я считаю, что это вполне надежные компоненты.

http://www.mcmaster.com

Сайт компании McMaster- Carr особенно полезен, когда надо

приобрести приборы и инструменты высокого качества.

Магазины Lowe's (сайт http://www.lowes.com) и Home Depot

(сайт http://www.homedepot.com) также распространяют свои

товары по Интернету.

рис. П2. Вы обнаружите, что в Интернете можно приобрести любые компоненты, приборы,

инструменты, наборы и различные оригинальные устройства

сопутствующий набор

Компания Maker Shed (www.makershed.com) предлагает

специальные сопутствующие наборы Make: Electronics, в которых

присутствуют все необходимые приборы и инструменты, а также

некоторое количество различных компонентов, использующих-

ся в экспериментах этой книги.

xvi

Предисловие

Это простой, удобный и экономичный способ приобретения

всех необходимых приборов, инструментов и материалов, кото-

рые вам понадобятся для выполнения всех экспериментов, при-

веденных в данной книге.

английский вариант книги

Для английского варианта книги создана страница в Интер-

нете, на которой приведены: список обнаруженных ошибок, при-

меры, более подробные версии рисунков, которые использова-



лись в книге, и некоторая другая дополнительная информация.

Вы можете зайти на эту страницу по адресу:

http://oreilly.com/catalog/9780596153748

Для того чтобы прислать комментарии и задать технические

вопросы по английскому варианту книги, можно послать ваше

электронное сообщение по адресу:

[email protected]

Получить более подробную информацию о книгах издатель-

ства O’Reilly, конференциях, ресурсных центрах и сети O’Reilly

Network можно на веб- сайте издательства:

http://oreilly.com

цифровая библиотека Safari® Books Online

Safari Books Online (http://www.safaribooksonline.com) это

цифровая библиотека, предоставляющая информацию по запро-

сам, где вы сможете легко выполнить поиск среди 7,5 тысяч техни-

ческих и креативных информационных книг и видеоматериалов

для быстрого получения ответов на интересующие вас вопросы.

Подписавшись, вы можете читать любую страницу и смо-

треть любое видео из нашей онлайновой библиотеки. Читайте

книги с помощью ваших мобильных телефонов и других средств

мобильной связи. Доступ к новым названиям можно получить

еще до появления их в печати, таким образом, вы можете стать

обладателем эксклюзивного доступа к рукописям в процессе их

создания, а также получить возможность общаться по электрон-

ной почте с авторами книг. Копируйте и вставляйте образцы ко-

дов, чтобы организовать интересующие вас ссылки, загружайте

главы, закладки ключевых разделов, делайте пометки, распеча-

тывайте страницы и получайте множество преимуществ от дру-

гих функций, которые сэкономят время.

Издательство O'Reilly Media загрузило английский вариант

этой книги в Интернет — в цифровую библиотеку Safari Books

Online. Чтобы получить доступ к данной книге и другим анало-

гичным изданиям от издательства O'Reilly и других издателей бес-

платно, обратитесь по адресу http://my.safaribooksonline.com.

блаГОдарнОсти

Мое сотрудничество с журналом MAKE началось с того момен-

та, когда его издатель, Марк Фрауенфельдер (Mark Frauenfelder),

попросил меня написать для них. Я всегда был очень признателен

Марку за его поддержку моей работы. Благодаря ему я познако-

мился с исключительно способными и мотивированными на до-

стижения конечного результата сотрудниками журнала MAKE.

Гарет Бранвин (Gareth Branwyn) со временем предположил, что

возможно захотел бы написать руководство по электронике для

начинающих, поэтому у меня есть долг перед Гаретом за его ини-

циативу запустить этот проект и курировать его в качестве моего

редактора. После того, как я написал примерный план, в котором

описал идею издания «Изучай, совершая открытия» и связанной

с ней концепции, где демонтаж компонентов и их сжигание может

стать обучающим фактором, издатель данной книги Дейл Догер-

ти (Dale Dougherty) произнес незабываемую фразу «Я хочу эту

книгу!» Поэтому я особенно благодарен Дейлу за его веру в мои

способности. Ден Вудс (Dan Woods), ассоциированный издатель,

также был очень и очень полезен.

Процесс производства был стремительным, полноправным

и безболезненным. За это я должен выразить благодарность таким

людям, как мой редактор в издательстве O'Reilly Брайан Джепсон

(Brian Jepson); старший выпускающий редактор Рейчел Монаг-

хан (Rachel Monaghan); литературный редактор Ненси Котари

(Nancy Kotary); корректор Ненси Райнхардт (Nancy Reinhardt);

составитель индекса Джулия Хокс (Julie Hawks); дизайнер Рон

Болодью (Ron Bilodeau) и Роберт Романо (Robert Romano), кото-

рый обработал мои иллюстрации. Больше всего я обязан Банни

Хуангу (Bunnie Huang), моему техническому консультанту, ко-

торый подробно изучил этот текст и нашел массу недостатков,

о которых я не подозревал. Любые оставшиеся ошибки лежат

на моей совести, хотя я бы предпочел обвинить в них Банни.

Благодарен Мэтту Метсу (Matt Mets), Беки Стерн (Becky Stern),

Колину Канингхэму (Collin Cunningham), Марку де Винку (Marc de

Vinck), Филиппу Торрону (Phillip Torrone), Лимору Фрейду (Limor

xviii

Благодарности

Fried), Джону Эдгару Парку (John Edgar Park), Джону Бейшталлю

(John Baichtal) и Джонатану Вульфу (Jonathan Wolfe) за помощь

при самом последнем тестировании проекта.

Наконец, я должен упомянуть гениальных людей Джона Вар-

нока (John Warnock) и Чарльза Гешке (Charles Geschke), основа-

телей системы Adobe Systems и создателей замечательного языка

программирования PostScript, который сделал революцию во

всем издательском деле. Ужас от того, что пришлось бы делать

попытку создавать эту книгу, используя другие графические

средства от … какой- то другой компании… представить практиче-

ски невозможно. Фактически без таких программ, как Illustrator,

Photoshop, Acrobat и InDesign, сомнительно, чтобы я решился

на выполнение этой задачи. Я также обязан камере Canon 1Ds

со 100-миллиметровым макро объективом, с помощью которого

было получено большее количество фотографий, представлен-

ных в этой книге.

Не было получено никаких бесплатных образцов или какой-

либо другой помощи от любого из поставщиков оборудования,

упомянутых здесь, за исключением двух образцов книг журнала

MAKE, которые я читал, чтобы быть уверенным в том, что я не

включил какие- либо вещи, которые уже были опубликованы.

ПОлуЧение ОПыта

в изуЧении элеКтрОниКи Глава 1

Я хочу дать почувствовать вам вкус к электронике — бук-

в этой главе

вально! — при выполнении первого эксперимента. В этой главе

книги вы узнаете:

Список необходимых покупок

• как с полным пониманием выполнять измерения основных

для экспериментов с 1 по 5

электрических величин;

Эксперимент 1.

Проверьте напряжение на вкус!

• как обращаться и как соединять элементы схемы не допуская

воздействия на них больших нагрузок, а также не повреждая

Эксперимент 2.

Давайте сожжем батарейку!

и не выводя их из строя.

Даже если вы уже имеете какие-

Эксперимент 3.

либо предварительные зна-

Ваша первая схема

ния в электронике, все равно будет очень полезно, если вы вы-

полните эти эксперименты перед началом своего путешествия по

Эксперимент 4.

Изменение напряжения

всем остальным страницам этой книги.

Эксперимент 5.

Давайте сделаем батарейку

сПисОК неОбхОдимых ПОКуПОК

Примечание

для эКсПериментОв с 1 дО 5

Компания Maker Shed (www.

makershed.com ) разместила

Если вы хотите уменьшить количество посещений магазина

на сайте ряд сопутствующих

или количество покупок через Интернет, то посмотрите списки

наборов Make: Electronics (Элек-

троника своими руками). В эти

того, что надо купить, в остальных частях книги и, объединив их,

наборы входят все необходимые

купите все сразу целиком.

инструменты и компоненты,

В этой главе для каждого инструмента и компонента, кото-

используемые в экспериментах,

рые мы будем использовать, я приведу все номера деталей и ме-

описанных в данной книге. При-

ста, где их можно купить (более подробную информацию о по-

обретение таких наборов —

это быстрый, простой и эко-

ставщиках см. в Предисловии). Впоследствии я не думаю, что вам

номичный способ получения

потребуется специальная информация такого рода, поскольку

всего того, что необходимо для

вы уже получите свой собственный опыт поиска необходимых

выполнения всех устройств,

позиций.

описанных в этой книге.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

2

Глава 1

Приборы и инструменты

Маленькие плоскогубцы

RadioShack Kronus 4,5 дюйма, номер детали 64–2953 или

длинноносые мини- плоскогубцы Xcelite 4 дюйма, модель L4G.

Или аналогичные им компоненты (рис. 1.1–1.3). Ищите эти

инструменты в хозяйственных магазинах или в местах, которые

перечислены в Предисловии. Торговая марка (бренд) не имеет

значения. После какого- то времени их использования у вас по-

явятся свои собственные предпочтения. Практически вы долж-

ны решить только один момент — нравится ли вам работать с

подпружиненными ручками или нет. Если вы решили, что нет,

то вам наверняка понадобится вторая пара плоскогубцев, чтобы

вынуть пружины из первой.

Кусачки

RadioShack Kronus 4,5 дюйма, номер детали 64–2951 или

Stanley 7 дюймов модель 84–108.

Или аналогичные им компоненты. Следует использовать их

для перекусывания медных проводов, а не проволоки из более

твердых металлов (рис. 1.4).

Мультиметр

рис. 1.1. Стандартные длинноносые

Модели Extech EX410, или BK Precision 2704-B, или Amprobe

тонкогубцы это основной инструмент,

5XP- A, или аналогичные им компоненты. Поскольку электри-

который используется для фиксации,

изгиба и захвата упавших деталей

чество невидимо, нам нужен инструмент для визуализации

рис. 1.2. Длинноносые тонкогубцы: они

рис. 1.3. Плоскогубцы с острыми но-

рис. 1.4. Кусачки для проводов, иногда

очень полезны для работы в местах с

сиками были сконструированы для из-

именуемые бокорезами, также очень

ограниченным доступом

готовления ювелирных изделий, но так-

важны

же полезны и для захвата компонентов

малого размера

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

3

разности потенциалов (напряжения) и протекающего тока (силы

тока), а тестер это единственный способ решить эту проблему.

Для ваших начальных экспериментов будет вполне достаточно

возможностей недорогого тестера. Если вы покупаете его через

Интернет, то надо посмотреть, что пишут о продавце, поскольку

надежность купленного недорогого товара может оказаться под

большим вопросом. Вы можете приобрести этот товар в рознич-

ных магазинах, которые предлагают наилучшую цену. Не следует

забывать о поиске на интернет- аукционе eBay.

Измерительный прибор может быть цифровым, но не сле-

дует забывать и об устаревшем аналоговом приборе со стрелкой,

которая перемещается вдоль установленной шкалы с нанесенны-

ми на нее делениями. В этой книге предполагается, что вы поль-

зуетесь прибором с цифровым дисплеем.

Я полагаю, что вы не станете покупать прибор с автомати-

ческой настройкой диапазона измерения. «Автоматическое из-

менение диапазона» звучит, как нечто полезное, например, когда

рис. 1.5. На моем собственном люби-

рис. 1.6. Мультиметр RadioShack из рис. 1.7. Мультиметр, произведенный

мом мультиметре вы можете заметить

среднего ценового диапазона, который

компанией Extech, имеет автоматиче-

следы износа и даже царапины. У него

имеет все основные функции; однако

ское определение диапазона измере-

есть все необходимые основные функ-

имеется двойное назначение каждой ния, обладает всеми основными функ-

ции, и он может измерять емкость (диа-

позиции дискового переключателя, циями. Кроме того, в приборе имеется

пазоны обозначены буквой «F»). Кроме

уточняемое с помощью кнопки SELECT,

датчик температуры, который может

того, с его помощью можно проверить

что, безусловно, приводит к некоторым

быть полезен для определения темпе-

исправность транзисторов. Однако трудностям. Тем не менее этот прибор

ратуры разогрева некоторых компо-

при работе с этим мультиметром диа-

имеет автоматическое определение нентов, например блоков питания

пазоны измерения надо устанавливать

диапазона измерения

вручную

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

4

Глава 3

вы хотите проверить батарейку напряжением 9 В, то такой при-

бор сам определит, что вы не пытаетесь измерить напряжением

величиной в сотни вольт, а также величиной доли вольт. Про-

блема состоит в том, что это может стать причиной совершения

вами ошибок. А что если батарейка уже почти разряжена? Тогда

при измерении вы можете получить в результате доли вольт, не

понимая, что вы на самом деле меряете. Единственная выводи-

мая информация, на которую при этом можно легко не обратить

внимание, это небольшая буква «m», которая в данном случае

будет указывать на «милливольты» и будет находиться на дис-

плее мультиметра справа от больших цифр.

Если же у вас прибор с ручным выбором диапазона измере-

ния, а источник измеряемого напряжения имеет напряжение за

пределами установленного диапазона, то мультиметр будет ин-

формировать вас о том, что вы делаете ошибку. Я предпочитаю

именно этот вариант. Кроме того, меня раздражает то время, ко-

торое тратится прибором для срабатывания функции автомати-

ческого определения диапазона при каждом выполнении измере-

ния. Однако все это относится к индивидуальным предпочтениям.

На рис. 1.5–1.7 приведены примеры некоторых мультиметров.

расходуемые материалы

Батарейки

Батарейка типа «Крона» с напряжением 9 В. Количество —

1 шт.

Батарейка типа АА с напряжением 1,5 В. Количество — 6 шт.

Батарейки должны быть щелочными — они не создадут нам

проблем при их утилизации, поскольку некоторые из них мы мо-

жем вывести из строя. Вы должны категорически отказаться от

использования аккумуляторных батареек в экспериментах 1 и 2.

рис. 1.8. Разъем для подключения бата-

рейки типа «Крона» напряжением 9 В

Держатели для батареек и разъемы

Разъем для подключения 9-вольтовой батарейки типа «Крона»

с припаянными проводами (рис. 1.8). Количество — 1 шт. Номер

детали 270–325 от RadioShack или аналогичные ей. Подойдет лю-

бой аналогичный разъем с присоединенными к нему проводами.

Держатель для одной батарейки типа АА с присоединенны-

ми к нему проводами (рис. 1.9). Количество — 1 шт. Номер детали

270–401 RadioShack или номер 12BH410-GR в каталоге на сайте

компании Mouser Еlectronics или аналогичные им; подойдет любой

держатель для одной батарейки с присоединенными проводами.

рис. 1.9. Держатель для одной бата-

Держатель для четырех батареек типа АА с присоединен-

рейки размера АА с присоединенными

проводами

ными проводами (рис. 1.10). Количество — 1 шт. Номер BH-342

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

5

в каталоге All Electronics или номер 270–391 компании RadioShack

или аналогичные им.

Зажимы типа «крокодил»

Зажимы типа «крокодил» с виниловой изоляцией (крас-

ные и черные). Количество — не менее 8 шт. По каталогу All

Electronics номер ALG-28 или номер детали RadioShack — 270–

1545 или аналогичные им (рис. 1.11).

рис. 1.10. Держатель для четырех ба-

тареек типа АА, которые должны быть

подключены последовательно, созда-

Компоненты

вая источник с напряжением 6 В

Вы можете не знать для чего предназначены некоторые из

этих деталей или что они делают. Поэтому пока обращайте вни-

мание только на номера деталей и описания, а также на их со-

ответствие тем деталям, которые изображены на фотографиях,

приведенных в данной книге. В процессе изучения с помощью

открытий смысл всех этих деталей очень скоро станет вам по-

нятен.

рис. 1.11. Зажимы типа «крокодил»

с виниловой цветной изоляцией, кото-

рая уменьшает вероятность случайного

Предохранители

возникновения короткого замыкания

Автомобильные с ножевыми контактами, с мини- лезвиями,

на 3 А. Количество — 3 шт. Номер детали RadioShack — 270–

1089 или деталь Bussmann — ATM-3, которые доступны у таких

поставщиков, как, например, AutoZone (рис. 1.12).

Подойдут и аналогичные им, однако предохранители с но-

жевыми контактами легче захватывать «крокодилами», чем пре-

дохранители круглого типа.

Потенциометры

С возможностью крепления на панели, роторного типа, од-

нооборотные, с линейным изменением сопротивления, номина-

рис. 1.12. Предохранитель номиналом

3 А, используемый в автомобильной

лом 2 кОм, мощностью не менее 0,1 Вт. Количество — 2 шт. Де-

промышленности; на рисунке показан в

таль Alpha — RV170F-10–15R1-B23 или деталь BI Technologies — увеличенном масштабе

P160KNPD-2QC25B2K по каталогу компании Mouser Еlectronics

или других поставщиков компонентов (рис. 1.13).

Подойдут и аналогичные этим компоненты. Обозначение с

отметкой «Ватт» (Ватты) означает максимальную мощность, ко-

торую может рассеять данный компонент. Вам не понадобятся

потенциометры мощностью более 0,5 Вт.

Резисторы

рис. 1.13. Потенциометры продаются в

разнообразном исполнении по форме

Набор резисторов мощностью минимум 0,25 Вт, различного и размеру, с различной длиной осей для

номинала, но обязательно должны быть в наличии сопротивле-

разного типа ручек. Для наших целей го-

дится любая форма, но с потенциометра-

нием 470 Ом, 1 кОм и 2 кОм или 2,2 кОм.

ми больших размеров легче обращаться

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

6

Глава 1

Количество — не менее 100 шт., RadioShack номер детали

271–312.

Можно поискать в Интернете на аукционе eBay с запросом

«resistor assorted» (резисторы различного номинала).

Светоизлучающие диоды (светодиоды)

Светодиоды ( LED — light- emitting diodes) любого размера

или цвета (рис. 1.14 и 1.15). Количество — 10 шт. Номер детали

рис. 1.14. Типичный светодиод диа-

мет ром 5 мм

RadioShack — 276–1622 или All Spectrum Electronics — K/LED1 в

каталоге на сайте компании Mouser Еlectronics.

Подойдут и аналогичные им компоненты. Для первых экс-

периментов пригодятся любые светодиоды.

Эксперимент 1

ПрОверьте наПряжение на вКус!

Можно ли ощутить на вкус электричество? Наверное — нет,

рис. 1.15. Светодиод большого разме-

но в данном случае, похоже, что вы это сможете сделать.

ра (диаметром 10 мм) обладает боль-

Вам понадобятся:

шой яркостью свечения, которая в дан-

ном случае не нужна, и к тому же такой

• батарейка типа «Крона» с напряжением 9 В;

светодиод стоит дороже. В принципе

• разъем для подключения батарейки;

для большинства экспериментов, при-

веденных в этой книге, можно купить

• мультиметр.

любые светодиоды, которые вам боль-



ше понравятся

Порядок действий

Смочите слюной ваш язык и коснитесь его кончиком ме-

таллических контактов 9-вольтовой батарейки. Резкое быстрое

покалывание, которое вы почувствуете, будет связано с потоком

электрических зарядов, перемещающихся от одного вывода ба-

тарейки к другому (рис. 1.16) по влаге, которой смочен ваш язык.

Поскольку кожа вашего языка очень тонкая (это практически

слизистая мембрана) и нервы расположены очень близко к его

поверхности, вы можете очень легко ощутить этот поток.

Не более 9 В!

Батарейка с напряжением 9 В не представляет для вас какой- либо

угрозы. Но не пытайтесь повторять этот эксперимент с батарей-

кой с более высоким напряжением или батарейкой большего размера,

которая в состоянии поддерживать силу тока большой величины. Так-

рис. 1.16. Шаг 1 в процессе обучения

же, если у вас есть металлические коронки на зубах, то будьте очень

с помощью открытий: тестирование

внимательны, чтобы не коснуться их контактами батарейки.

9-вольтовой батарейки с помощью языка

После этого высуньте ваш язык, очень тщательно протрите

его кончик салфеткой и повторите эксперимент, не допуская по-

вторного увлажнения языка. Теперь покалывание уменьшится.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

7

Что же произошло? Нам понадобится тестер, чтобы разо-

браться в этом.

Приборы и инструменты

Выполнение настройки вашего тестера

Прочитайте инструкции, которые имеются в комплекте по-

ставки вашего мультиметра, чтобы определить нужно ли в него рис. 1.17. Вилка черного измеритель-

установить питающую батарейку или же он куплен с уже уста-

ного щупа вставляется в общее гнездо

новленной батарейкой.

«COM» (Common), а вилка красного —

в гнездо, которое обычно является са-

Большинство приборов имеют съемные измерительные про-

мым правым гнездом мультиметра

вода, известные еще, как измерительные щупы или просто щупы.

Кроме того, многие приборы имеют три гнезда на передней пане-

ли; крайнее левое обычно резервируется для измерения больших

значений токов. В данном случае это гнездо нам не понадобится.

Измерительные провода обычно бывают черного и красного

цвета (рис. 1.17). Вилка черного щупа вставляется в гнездо с от-

меткой «COM» или «Common» (общий). Вилка красного провода

вставляется в гнездо с отметкой «V» или «volts» (вольты) (рис. 1.18).

Другие концы измерительных проводов имеют металлические

острия, которые называют иглами щупа или наконечниками щупа,

которыми надо касаться компонентов при выполнении электриче-

ских измерений. Наконечники щупа предназначены для измерения

электрических параметров; они не являются источниками большо-

го электрического заряда. Поэтому они не могут нанести вам ка-

кую- нибудь травму, если только вы не поранитесь об их кончики.

Если ваш мультиметр не имеет функции автоматического вы-

бора диапазона измерений, то каждая позиция дискового пере-

ключателя режимов и диапазонов измерения соответствует опре-

деленному числу. Это число означает «не больше чем». Например,

вы хотите проверить напряжение батарейки номиналом 6 В, а у

переключателя диапазонов в разделе измерения напряжения «V»

рис. 1.18. Чтобы измерить сопротивление и напряжение, нужно вставить черный измерительный провод в гнездо «COM», а красный в гнездо «V». Почти все мультиметры имеют отдельное гнездо, в которое вставляют красный измерительный провод

только при необходимости выполнить измерение силы тока большой величины в амперах, но мы познакомимся с этой проце-

дурой позднее

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

8

Глава 1

имеется позиция 2 и следующая за ней позиция 20 (см. рис. 1.5),

позиция 2 означает, что «измеряемое напряжение не должно быть

больше 2 вольт». Поэтому в данной ситуации вам надо переклю-

читься на следующую позицию, которая означает, что «измеряе-

мое напряжение не должно быть более 20 вольт».

Если же вы сделали ошибку и пытаетесь выполнить какое-

либо неправильное измерение, то тестер отобразит сообщение

об ошибке, например, «E» (error) или «L» (lapse). Измените по-

ложение переключателя и выполните измерение снова.

Фундаментальные сведения

Омы

Мы измеряем расстояние в милях или километрах, вес в фун-

тах или килограммах, температуру в градусах Фаренгейта или

Цельсия, а электрическое сопротивление в омах. Ом является

международной единицей измерения (входит в систему СИ).

В международном обозначении сопротивления в омах ис-

пользуется греческая буква омега — «Ω», как это показано на

рис. 1.19–1.20, а в русском обозначении «Ом». Буква «K» (или аль-

тернативное обозначение «KΩ» соответственно в русском обо-

значении «кОм») означает килоом, что равно 1000 Ом (табл. 1.1).

Буква «M» (или «МΩ» — в русском обозначении «МОм») означа-

ет мегаом, что равно 1 000 000 Ом.

Таблица 1.1

Количество

Обычно

сокращение

сокращение

Ом

произносится,

в международном

в русском

как

обозначении

обозначении

1000 ом

1 килоом

1KΩ или 1K

1 кОм

рис. 1.19. Греческая буква омега ис-

пользуется в качестве международного

10 000 ом

10 килоом

10KΩ или 10K

10 кОм

обозначения сопротивления в омах

100 000 ом

100 килоом

100KΩ или 100K

100 кОм

1 000 000 ом

1 мегаом

1MΩ или 1M

1 МОм

10 000 000 ом

10 мегаом

10M Ω или 10M

10 МОм

Материал, о котором известно, что он обладает очень боль-

шим сопротивлением, называют изолятором .

Большинство пластмасс и синтетических материалов, вклю-

чая цветное покрытие проводов, являются изоляторами.

А материал, который имеет очень низкое сопротивление,

называют проводником .

Такие металлы, как медь, алюминий, серебро и золото, явля-

рис. 1.20. Вы можете встретить различ-

ные виды изображения данного символа

ются отличными проводниками.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

9

Порядок действий при измерении сопротивления

Мы собираемся использовать мультиметр для определения

сопротивления вашего языка. Сначала переключите прибор в ре-

жим измерения сопротивления. Если у него есть функция автома-

тического определения диапазона измерения, то вы увидите, что

он отображает букву «K», что означает килоомы, или букву «М»,

что означает мегаомы. Если же вы должны установить диапазон

вручную, то начинать нужно со значения не менее 100 000 Ом

(100 кОм). Примеры выбора режима и диапазона измерения по-

казаны на рис. 1.21.

а

б

в

рис. 1.21. Чтобы измерить сопротивление в омах, нужно повернуть переключатель режимов в положение для измерения сопро-

тивления. На мультиметре этот режим обозначен греческой буквой омега — Ω. При использовании прибора с функцией авто-

матического выбора диапазона измерения ( а и б) вы можете несколько раз нажать кнопку Range (диапазон) (см. рис. 1.6–1.7) для

отображения различных диапазонов измерения сопротивления или просто прикоснуться концами измерительного щупа к рези-

стору и дождаться пока прибор не выберет диапазон автоматически. В мультиметре с ручным выбором диапазона измерения ( в) требуется установить переключатель диапазонов на соответствующее значение. Чтобы измерить сопротивление кожи вы должны

установить диапазон «100K» или больше. Если же вам не удалось установить нужный диапазон, то следует попробовать другой

Коснитесь концами измерительных щупов вашего языка в

Примечание

точках, расстояние между которыми будет около одного дюйма

(25,4 мм). Посмотрите на результат измерения, он должен быть

Когда ваша кожа увлажне-

на (например, вашим потом),

около 50 кОм. Затем отложите измерительные щупы, высуньте

ее электрическое сопротив-

язык и тщательно протрите его насухо. Не допуская повторного

ление уменьшается. Этот

увлажнения языка, повторите тест, прибор в этом случае должен

принцип используется в де-

показать более высокое значение. Наконец, прикоснитесь кон-

текторе лжи, поскольку когда

кто-либо лжет, вследствие

цами измерительных щупов к вашей руке или кисти: вы можете

стресса у него начинает вы-

вообще не получить каких- либо результатов до тех пор, пока не

ступать пот.

увлажните кожу руки.

В 9-вольтовой батарейке содержатся химические вещества,

которые освобождают электроны (частицы- носители электри-

ческого заряда), создающие в результате химической реакции

внутри корпуса батарейки ток от одной клеммы к другой. Для

простоты внутреннее устройство батарейки можно представить

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

10

Глава 1

в виде двух водяных баков, один из которых полный, а другой —

пустой (рис. 1.22). Если их соединить трубой, то поток воды нач-

нет перетекать из одного в другой до тех пор, пока уровень воды

не выровняется. Аналогичным образом, как только вы между

двумя выводами батарейки подключаете какую- либо цепь для

протекания электрического тока, создается поток электронов

между полюсами, даже если этой цепью является всего лишь

влажный кончик вашего языка.

Поток электронов может легче проходить через одни прово-

дящие среды (как например, мокрый язык) по сравнению с дру-

гими (например, сухой кончик языка).

рис. 1.22. Представьте внутреннее

устройство батарейки в виде двух ци-

линдрических баков: один из них запол-

нен водой, а другой пустой. Откройте

базОвые сведения

вентиль соединительной трубки между

ними и поток воды будет проходить по

ней до тех пор, пока уровни в обеих ба-

ках не сравняются. Чем меньшее сопро-

Человек, который открыл сопротивление

тивление испытывает вода при перете-

кании, тем мощнее будет поток

Георг Симон Ом , изображенный на рис. 1.23, родился в Ба-

варии в 1787 г. И работал в безвестности большую часть своей

жизни. Он изучал природу электричества, используя металли-

ческую проволоку, которую сделал для себя сам (вы не смогли

бы спуститься в подвал дома для того, чтобы достать моток про-

волоки в начале 1800-х годов).

Несмотря на свои ограниченные ресурсы и недостаточные ма-

тематические способности, Ом в 1827 г. оказался в состоянии до-

казать, что электрическое сопротивление проводника, например

меди, имеет прямо пропорциональную зависимость от поперечно-

го сечения этого проводника, а ток, который протекает через него,

пропорционален напряжению, приложенному к нему при посто-

янной температуре. Через 14 лет Королевское научное общество

Великобритании в Лондоне окончательно признало значение его

вклада и удостоило его своей высшей наградой — медалью Коп-

ли (Copley Medal). Сегодня это открытие известно, как закон Ома .

рис. 1.23. Георг Симон Ом после на-

дальнейшие исследования

граждения за свою новаторскую работу,

большую часть которой он выполнил в

Присоедините разъем для подключения батарейки (он был

относительной безвестности

показан ранее на рис. 1.8) к 9-вольтовой батарейке типа «Кро-

на». Возьмите два провода, которые присоединены к контактам

разъема, и держите их таким образом, чтобы оголенные концы

проводов находились всего лишь в нескольких миллиметрах

друг от друга. Коснитесь ими вашего языка. Затем увеличьте рас-

стояние между проводами до нескольких дюймов и коснитесь

языка снова (рис. 1.24). Заметили разницу?

Используя мультиметр, измерьте электрическое сопротивле-

ние вашего языка, на этот раз изменяя расстояние между двумя

наконечниками измерительных щупов. Когда электрический ток

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

11

преодолевает меньшее расстояние, то он встречает на своем пути

меньшее сопротивление. В результате сила тока (количество

переносимого заряда в единицу времени) возрастает. Вы можете

попытаться провести похожий эксперимент с вашей рукой, как

это показано на рис. 1.25.

Попробуйте с помощью мультиметра измерить сопротивле-

ние воды. Растворите некоторое количество соли в воде и выпол-

ните свой опыт снова. Теперь попытайтесь измерить напряжение

в дистиллированной воде (в чистом стакане).

Мир вокруг вас полон материалов, которые проводят элек-

тричество с различной степенью сопротивления.

рис. 1.24. Изменяя опыт определения

тока с помощью языка, можно показать,

что чем меньше расстояние между про-

наведение порядка

водами источника, тем меньше сопро-

и повторное использование компонентов

тивление языка и соответственно тем

больше электрический ток, что чув-

В ходе этого эксперимента ваша батарейка не должна быть ствуется по росту болевого ощущения

повреждена или в значительной степени разряжена. Вы, разуме-

ется, можете использовать ее снова.

После выполнения всех опытов не забудьте выключить ваш

мультиметр.

Эксперимент 2

давайте сОжжем батарейКу!

Чтобы лучше понять, что такое электрическая энергия, вы

сделаете то, что в большинстве книг рекомендуется не делать. Вы

закоротите батарейку. Закоротить это значит непосредственно,

накоротко, соединить два вывода источника напряжения.

рис. 1.25. Смочите вашу кожу перед

Короткие замыкания

тем, как пытаться измерить ее сопро-

тивление. Вы должны обнаружить, что

Короткие замыкания могут быть очень опасными! Не следует за-

сопротивление увеличивается по мере

мыкать накоротко контакты сетевой розетки в вашем доме! Это

удаления друг от друга концов измери-

тельных щупов. Сопротивление будет

приведет к громкому хлопку, яркой вспышке, а провод или инструмент,

возрастать пропорционально этому

который вы использовали бы для этой цели, будут расплавлены и раз-

расстоянию

летающиеся частицы расплавленного металла могут стать причи-

ной ожога или повреждения глаз.

Если вы закоротили автомобильный аккумулятор, то сила тока

будет настолько большой, что батарея может даже взорваться, вы-

плеснув на вас кислоту (рис. 1.26).

Литиевые батарейки тоже опасны в этом смысле. Никогда не сле-

дует закорачивать литиевую батарейку! Это может привести к воз-

никновению пожара и обжечь вас (рис. 1.27).

Для этого эксперимента следует использовать только щелочную

батарейку, причем только одну и типа АА (рис. 1.28). Вам следует на-

деть защитные очки на тот случай, если у вас окажется неисправная

батарейка.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

12

Глава 1

рис. 1.26. Всякий, кто ронял разводной

рис. 1.27. Низкое внутреннее сопро-

рис. 1.28. Закорачивание щелочной ба-

ключ на оголенные клеммы аккумуля-

тивление литиевой батарейки (которая

тарейки может быть безопасным, если

торной батареи автомобиля, скажет часто используется в ноутбуках) при

вы будете точно следовать приведен-

вам, что короткое замыкание может замыкании приводит к достижению ным далее указаниям. Даже в этом слу-

быть даже очень мощным при «всего

максимального значения тока с непред-

чае батарейка может стать слишком го-

лишь» 12 В

сказуемыми результатами. Никогда не

рячей, что касание к ней может вызвать

теряйте бдительности вблизи литиевых

неприятные ощущения. Обращаю ваше

батареек!

внимание на то, что в эксперименте не

следует использовать аккумуляторы

любого типа!

Вам понадобятся:

• батарейка типа АА напряжением 1,5 В;

• держатель для одной батарейки;

• предохранитель на 3 А;

• защитные очки (для этой цели подойдут обычные очки или

солнечные);

• зажимы типа «крокодил».

Порядок действий

Возьмите щелочную батарейку. Обращаю внимание, что в

эксперименте не следует использовать какой- либо аккумулятор!

Вставьте батарейку в держатель для одной батарейки с двумя

тонкими изолированными проводами, отходящими от него, как

это показано на рис. 1.28. В данном случае не следует применять

держатель какого- либо другого типа.

Используя зажим типа «крокодил», соедините очищенные

от изоляции концы проводов так, как показано на рис. 1.28. При

этом не возникнет искры, поскольку вы используете только низ-

ковольтную батарейку с напряжением 1,5 В. Подождите одну ми-

нуту, и вы обнаружите, что провода разогрелись. Подождите еще

минуту, и батарейка тоже станет горячей.

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

13

Тепло создается за счет электрического тока, проходящего

по проводам и через электролит (проводящую жидкость) вну-

три батарейки. Если вы когда- либо пользовались ручным насо-

сом для накачивания воздуха в шины велосипеда, то вы должны

Уровень

знать, что насос при этом разогревается. Электричество во мно-

воды

гом ведет себя аналогичным образом. Вы можете представить

электрический ток в виде совокупности частиц (электронов),

Давление

которые делают провод горячим в процессе того, как они «про-

воды

Поток воды

(напря-

талкиваются» через провод. Эта аналогия неидеальна, но она до-

(сила тока)

жение)

статочно точно соответствует нашим задачам.

Химические реакции внутри батарейки создают некоторое

Сопротивление

«электрическое давление». Разумеется, правильным наименова-

нием для этого давления будет слово напряжение , которое изме-

рис. 1.29. Представим напряжение

давлением, а электрический ток в ампе-

ряется в вольтах в честь Алессандро Вольта , одного из первоот-

рах — потоком воды

крывателей электричества.

Вернемся к «водяной» аналогии. Высота уровня воды в баке

пропорциональна давлению воды, и ее можно сравнить с элек-

трическим напряжением (рис. 1.29).

Но вольты это всего лишь половина истории. Когда поток

электронов проходит через провод, то его называют током и ме-

ряют в амперах — это название введено в честь еще одного пер-

вооткрывателя электричества Андре- Мари Ампера . Этот поток

обычно называют силой тока . Это тот самый ток (поток зарядов

в единицу времени, выраженный в амперах), который приводит

к тому, что происходит выделение тепла.

базОвые сведения

Почему ваш язык не разогревается?

Когда вы языком касались контактов 9-вольтовой батарейки,

то чувствовали некоторое покалывание, но ощутимого тепла не

возникало. Когда вы закоротили батарейку, то происходит вы-

деление какого- то количества тепла даже при использовании

пониженного напряжения. Как вы можете это объяснить?

Электрическое сопротивление вашего языка достаточно

высоко, что уменьшает поток электронов. Сопротивление про-

вода, напротив, очень низкое, поэтому, как только провода под-

ключаются к выводам батарейки, ток, проходящий по ним, будет

существенно больше, что и приводит к выделению тепла. Если

все остальные факторы остаются постоянными:

• Меньшее сопротивление приводит к протеканию большего

рис. 1.30. Чем больше результирующее

значение сопротивления, тем меньше

тока (рис. 1.30).

поток — но если вы увеличиваете дав-

• Тепло, создаваемое электрическим током, пропорциональ-

ление, то вы можете преодолеть сопро-

тивление и создать больший по величи-

но количеству электричества (заряду), который перетек.

не поток

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

14

Глава 1

Далее приведены некоторые основные положения:

• Сила тока (поток электричества в секунду) измеряется в ам-

перах.

• Напряжение, которое приводит к созданию тока, измеряет-

ся в вольтах.

• Сопротивление току измеряется в омах.

• Большее сопротивление ограничивает ток.

• Более высокое напряжение приводит к преодолению сопро-

тивления и повышению силы тока.

Если вам хочется знать точное значение электрического тока

между выводами батарейки, когда вы закорачиваете ее, то это от-

носится к числу вопросов, на которые дать ответ достаточно трудно.

Если же вы для измерения попытаетесь использовать мультиметр,

то вы будете нести ответственность за перегорание предохрани-

теля внутри этого прибора. Но при этом вы можете использовать

имеющийся у вас автомобильный предохранитель на 3 А, который

не жалко и сжечь, поскольку он достаточно дешевый.

Однако сначала надо тщательно проверить предохранитель,

используя хотя бы увеличительное стекло, если конечно оно у вас

есть. При этом вы должны увидеть тонкую S- образную проволо-

ку в прозрачном окошке в центре предохранителя. Эта буква «S»

является тонкой металлической проволокой, которая может лег-

ко расплавиться при токе, превышающем номинальное значение

предохранителя.

Извлеките из держателя батарейку, которую вы немногим ранее

закорачивали. Она теперь не пригодна ни для чего, и должна быть

утилизирована, если это возможно. Установите свежую батарейку в

держатель и подсоедините предохранитель так, как это показано на

рис. 1.31, а затем понаблюдайте за ним. Вы должны в центре предо-

хранителя заметить перегорание проволочки в форме буквы «S»,

где металл будет расплавлен почти мгновенно. На рис. 1.32 показан

предохранитель до его подключения, а на рис. 1.33 — перегоревший.

рис. 1.31. Когда вы присоедините оба

рис. 1.32. Целый автомобильный пре-

рис. 1.33. Тот же самый предохрани-

провода к предохранителю, то маленький

дохранитель номиналом 3 А до прове-

тель после того, как он был расплавлен

проволочный его элемент в форме буквы

дения опыта

электрическим током

«S» будет почти мгновенно расплавлен

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

15

Это объясняет то, каким образом работает предохранитель: он

расплавятся, чтобы защитить остальную цепь. Этот небольшой

разрыв в центре предохранителя прекращает протекание электри-

ческого тока.

базОвые сведения

изобретатель батарейки

Алессандро Вольта (рис. 1.34) родился в Италии в 1745 году

задолго до того, как наука стала делиться на различные отрас-

ли. После изучения химии (он открыл метан в 1776 году) он стал

профессором физики и стал интересоваться так называемым

гальваническим откликом, который заключался в том, что нога

лягушки начинала дергаться под воздействием удара статиче-

ского электричества.

Используя стакан для вина, заполненный соленой водой,

Вольта продемонстрировал, что химическая реакция между

двумя электродами, один из которых был сделан из меди, а дру-

гой из цинка, будет приводить к возникновению постоянного

электрического тока. В 1800 году он улучшил свою конструк-

рис. 1.34. Алессандро Вольта открыл,

что химические реакции могут созда-

цию, выполнив ее в виде пластин из меди и цинка, разделенных

вать электрический ток

картоном, смоченным в соленой воде. Эта «вольтова стопка»

стала первой электрической батареей.

Фундаментальные сведения

Основные сведения о вольтах

Электрическое напряжение измеряется в вольтах. Вольт яв-

ляется международной единицей измерения (входит в систему

СИ). Один милливольт это 1/1000 вольта (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Количество

Обычно

сокращение

сокращение

вольт

произносится в международном

в русском

как

обозначении

обозначении

0,001 вольта

1 милливольт

1 mV

1 мВ

0,01 вольта

10 милливольт

10 mV

10 мВ

0,1 вольта

100 милливольт

100 mV

100 мВ

1 вольт

1000 милливольт

1 V

1 В

Электроника для начинающих

16

Глава 1

Основные сведения об амперах

Мы измеряем электрический ток в амперах. Ампер — это

международная единица, которая очень часто имеет такое

международное обозначение, как «A». Один миллиампер это

1/1000 ампера (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Количество

Обычно

сокращение

сокращение

ампер

произносится

в международном

в русском

как

обозначении

обозначении

0,001 ампера

1 миллиампер

1 mA

1 мА

0,01 ампера

10 миллиампер

10 mA

10 мА

0,1 ампера

100 миллиампер

100 mA

100 мА

1 ампер

1000 миллиампер

1 A

1 A

Фундаментальные сведения

Постоянный и переменный ток

Электрический ток, который вы получаете с помощью бата-

рейки, называется постоянным током и в английской литера-

туре обозначается, как DC (direct current ).

Как и поток воды из крана постоянный ток это поток элек-

трических зарядов, который движется в одном направлении.

Ток, который имеется в проводе под напряжением, подклю-

ченном к сетевой розетке в вашем доме, существенно отлича-

ется. Он меняет свое направление от положительного полюса

к отрицательному около 50 раз в секунду (в Великобритании

и в некоторых других странах эта величина составляет 60 раз в

секунду). Этот ток известен, как переменный ток и обозначается

в английской литературе, как AC (alternating current ), и больше

похож на пульсирующий поток воды, который вы можете на-

рис. 1.35. Этот тип сетевой розетки

можно видеть в Северной Америке,

блюдать в мощном душе.

Южной Америке, Японии и некоторых

Переменный ток очень важен при осуществлении некото-

других странах. Европейские розетки

рых задач, например при передаче электрического напряжения

выглядят несколько иначе, но принцип

их конструкции является аналогичным.

на большие расстояния. Переменный ток также используется

Контакт «А» это контакт, который нахо-

при подключении двигателей и различного домашнего обору-

дится под напряжением и называется

дования. Внешний вид сетевой розетки, используемой в США,

«фазой», он подает напряжение, кото-

рое меняется от положительного до

приведен на рис. 1.35. В некоторых других странах, например

отрицательного значения относитель-

в Японии, также используются розетки того же типа, что и в США.

но потенциала контакта «В», который

В большей части своей книги я собираюсь говорить о посто-

называется «нейтралью» или «нулем».

Если в каком-либо домашнем приборе

янном напряжении по двум причинам: во- первых, большинство

возникает неисправность, например

простейших электронных схем в качестве источников напряже-

появление фазы на корпусе, то можно

ния используют источники постоянного тока, а, во- вторых, его

защитить от этого, отведя это напряже-

ние через контакт «С» на землю

поведение гораздо легче понять.

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

17

Я не хочу больше повторять, что я использую источник по-

стоянного тока. Просто предполагается, что везде используется

именно постоянный ток, за исключением специально оговорен-

ных случаев.

базОвые сведения

Отец электромагнетизма

Родившийся в 1775 году во Франции, Андре- Мари Ампер

(рис. 1.36) был математически одаренным ребенком, который

стал преподавателем естественных наук, несмотря на то, что

большую часть своих знаний он приобрел самостоятельно —

в лаборатории своего отца. Его наиболее известной работой

была разработанная им в 1820 году теория электромагнетизма,

рис. 1.36. Андре-Мари Ампер обна-

которая позволяет объяснить, что источником магнитного поля

ружил, что электрический ток, проте-

является движущийся электрический заряд, т. е. электрический

кающий по проводу, создает магнитное

поле вокруг него. Он использовал этот

ток. Он также построил первый прибор для измерения слабого

принцип для того, чтобы создать пер-

электрического тока (сейчас этот прибор известен, как гальва-

вый надежный способ измерения того,

нометр ) и открыл такой элемент, как фтор.

что теперь известно, как сила тока

наведение порядка и повторное

использование компонентов

Первая батарейка типа AA, которая была закорочена и при-

ведена в неисправное состояние до такой степени, что ее невоз-

можно отремонтировать. Вы должны ее утилизовать. Выбрасы-

вать батарейку в мусорное ведро не представляется разумным

решением, поскольку в батарейке содержатся тяжелые металлы,

которые будут пагубно влиять на экосистему. Возможно, в вашей

области или городе осуществляется утилизация батареек в соот-

ветствии с локально действующей схемой. (Например, в штате

Калифорния в США существует закон, требующий утилизации

почти всех батареек). Вы можете изучить ваши местные законы

для получения более подробной информации.

Перегоревший предохранитель не может быть использован

повторно, поэтому его следует выбросить.

Вторая батарейка, которая была защищена предохраните-

лем, должна находиться в исправном состоянии. Кроме этой ба-

тарейки повторно можно использовать и держатель для нее.

18

Глава 1

Эксперимент 3

ваша Первая схема

Теперь настало время заставить электричество сделать что-

нибудь такое, что может принести какую- либо пользу. Для этой

цели мы будем использовать компоненты под названием рези-

сторы и светодиоды.

Вам понадобятся:

• батарейка типа АА с напряжением 1,5 В. Количество — 4 шт.;

• держатель для четырех батареек. Количество — 1 шт.;

• резисторы: 470 Ом, 1 кОм, 2 кОм или 2,2 кОм (номинал

2,2 кОм встречается гораздо чаще, чем 2 кОм, и также может

использоваться в данном эксперименте). Количество — по

одному резистору каждого номинала;

• светодиод любого типа. Количество — 1 шт.;

• зажимы типа «крокодил». Количество — 3 шт.

Предварительная подготовка

Наступило время познакомиться с одним из самых фунда-

ментальных компонентов, который будет использоваться в элек-

тронных схемах, — обычным резистором (resistor). Как указыва-

ет его наименование, он создает сопротивление электрическому

току. Как вы уже можете предположить, его величина измеряется

в омах.

Если вы приобрели недорогой набор резисторов на распро-

даже, то вы можете не найти ничего такого, что могло бы указать

на величину их сопротивлений. Это ничего; мы можем измерить

их достаточно легко. На самом деле даже, если они имеют чет-

кую маркировку, то я все равно хочу, чтобы вы сами проверили

их значения самостоятельно. Вы можете это сделать двумя спо-

собами.

• Применив ваш мультиметр. Это отличная практика для по-

нимания тех цифр, которые отображаются мультиметром.

• Изучив цветовую кодировку, которая нанесена на большин-

ство резисторов (для получения дополнительной информа-

ции см. разд. «Фундаментальные сведения — Расшифровка

маркировки резисторов»).

После проверки значений сопротивлений неплохо было бы

выполнить сортировку, разложив их по маленьким пластмассо-

вым коробочкам с нанесенными на них номиналами. Мне лично

нравятся коробки, которые продаются в сети хозяйственных су-

пермаркетов Michaels, но вы можете найти любые другие, кото-

рые вас устроят.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

19

Фундаментальные сведения

расшифровка маркировки резисторов

На некоторых резисторах их номинал сопротивления указы-

вается цифрами, которые напечатаны достаточно мелким шриф-

том (рис. 1.37). Эти значения можно без проблем прочитать с

рис. 1.37. Некоторые современные ре-

помощью увеличительной лупы. Однако в большинстве случаев

зисторы имеют нанесенные на их циф-

ровые значения сопротивления, хотя

в современных резисторах применяется маркировка с исполь-

вам для их чтения может потребовать-

зованием цветных полосок. Порядок действий для определения

ся лупа. Этот резистор номиналом 15K

номинала при цветовой маркировке следующий: во-

(15 кОм) имеет длину менее половины

первых,

дюйма (около 12 мм)

следует исключить из рассмотрения цвет корпуса резистора. Во-

вторых, нужно найти серебряную или золотую полоску. Если вы

ее найдете, то поверните резистор таким образом, чтобы эта по-

лоска находилась с правой стороны. Серебряный цвет означает,

что величина сопротивления резистора выполнена с точностью

в пределах 10%, а золотой цвет означает, что — в пределах 5%.

Если же вы не можете найти серебряную или золотую поло-

ску, то надо повернуть резистор таким образом, чтобы группа

полосок находилась с левой стороны. Вы теперь должны обра-

тить внимание на три цветных полоски, которые расположены

слева. Некоторые резисторы имеют больше полосок, но мы в

настоящий момент будем иметь дело только с трехцветной мар-

рис. 1.38. Пример трех резисторов с

кировкой (рис. 1.38, ЦВ

цветовой маркировкой. Номиналы при-

1-рис. 1.38).

веденных резисторов (сверху вниз) сле-

Начиная слева, первая и вторая полоски имеют цветовую ко-

дующие: 56 000, 5600 и 560 Ом. Размер

дировку, которая соответствует приведенной далее табл. 1.4.

резистора указывает на мощность, кото-

рую он может выдержать; эта мощность

никак не влияет на его сопротивление.

Таблица 1.4

Два крайних резистора меньшего раз-

мера имеют мощность 0,25 Вт, а резистор

цвет полоски

закодированная цифра

большего размера рассчитан на 1 Вт

Черный

0

Коричневый

1

Красный

2

Оранжевый

3

Желтый

4

Зеленый

5

Синий

6

Фиолетовый

7

Серый

8

Белый

9

Третья полоска имеет другое значение: она указывает коли-

чество нулей (табл. 1.5), которое следует добавить к полученно-

му предыдущему цифровому значению.

1 Все иллюстрации книги с обозначением «ЦВ» вынесены на цветную вклей-

ку. — Ред.

20

Глава 1

Таблица 1.5

цвет полоски

Количество нулей

закодированная цифра

Черный

Нет нулей

Коричневый

1

0

Красный

2

00

Оранжевый

3

000

Желтый

4

0000

Зеленый

5

00000

Синий

6

000000

Фиолетовый

7

0000000

Серый

8

00000000

Белый

9

000000000

Следует помнить, что цветовая маркировка является вполне

согласующейся и логичной, например, зеленый цвет означает

либо величину 5 (для первых двух полосок), либо 5 нулей (для

третьей полоски). Сама последовательность цветов совпадает с

Широкий пропуск

последовательностью цветов в радуге.

между полосами

Таким образом, резистор с маркировкой коричневая- крас-

ная- зеленая будет иметь значение 1 2 и пять нулей, что в итоге

Золотая

составляет 1 200 000 Ом или 1,2 МОм (1.2 МΩ). Резистор с марки-

или серебряная

ровкой оранжевый- оранжевый- оранжевый будет иметь значе-

полоска

ние 3 3 и три нуля, что в итоге составляет 33 000 Ом или 33 кОм

(33 KΩ). А резистор с маркировкой коричневая- черная- красная

будет иметь значение 1 0 и два дополнительных нуля, что со-

ставляет в сумме 1000 Ом или 1 кОм (1 KΩ). На рис. 1.39 (ЦВ-

рис. 1.39) приведены некоторые другие примеры.

Если на резистор нанесена группа из четырех полосок вме-

сто трех, то первые три полоски являются цифрами, а четвертая

полоска означает количество нулей. Третья цифровая полоска

дает возможность указать сопротивление резистора с более

высокой точностью.

рис. 1.39. Чтобы определить значение со-

Вы сбиты с толку? Абсолютно. Именно поэтому чтобы про-

противления резистора с цветовой марки-

ровкой, сначала надо повернуть его таким

верять значения сопротивлений резисторов лучше использо-

образом, чтобы его серебряная или золотая

вать мультиметр. Однако следует иметь в виду, что результаты

полоски находились справа, а группа других

измерений могут слегка отличаться от значений, которые ука-

полосок — слева. При этом, если смотреть

на резисторы последовательно сверху вниз:

заны на резисторе. Это может случиться, потому что ваш при-

первый резистор имеет сопротивление бор не является прецизионным прибором, или скорее потому, 1 2 и пять нулей или 1 200 000 Ом, что озна-

что сопротивление резистора при его изготовлении имеет не-

чает 1,2 МОм (1.2 МΩ). Второй резистор —

5 6 и один ноль, т. е. 560 Ом (560 Ω). Третий

который разброс параметров, или же эти обе причины имеют

резистор — 4 7 и два нуля, или 4700, что

место. Если вы обнаружили, что сопротивление отличается от

означает 4,7 кОм (4.7 KΩ). Последний име-

указанного значения не более чем на 5%, то для наших нужд это

ет 6 5 1 и два нуля — 65100 Ом, или иначе

65,1 кОм (65.1 KΩ)

вполне допустимо.

Получение опыта в изучении электроники

21

зажигаем светодиод

Теперь рассмотрим наши светодиоды. Устаревающие элек-

трические лампы накаливания потребляют слишком большую

мощность, которую к тому же в основном превращают в тепло.

Светодиоды намного «толковее»: большую часть энергии они

преобразуют в свет и, если их правильно использовать, они мо-

гут работать почти бесконечно!

Светодиод критичен к количеству энергии, которое он полу-

чает, а также к тому, каким образом он ее получает. Поэтому при

работе со светодиодами всегда нужно руководствоваться следу-

ющими правилами:

• к более длинному выводу светодиода должно быть подключе-

но более положительное напряжение, чем к короткому выводу;

• разность напряжений между длинным и коротким выводами

не должна превышать предельного значения, заданного про-

изводителем для используемого светодиода;

• ток, проходящий через светодиод, не должен превышать

предельного значения, заданного производителем.

А что будет, если вы нарушите эти правила? Отлично, давай-

те выясним это!

Прежде всего, следует убедиться, что у вас имеются свежие

батарейки. Вы можете проверить их, выбрав на мультиметре ре-

жим измерения постоянного напряжения и коснувшись концами

щупов обоих выводов каждой батарейки. Вы должны получить

результат, который указывает, что каждая из них имеет напряже-

ние, равное по меньшей мере 1,5 В.

Если полученное значение окажется несколько больше, чем

это должно быть, то это нормально. Батарейка сначала выдает

напряжение несколько больше номинального значения, а затем

по мере использования постепенно уменьшает его величину. Ба-

тарейки также теряют свое напряжение, когда просто хранятся

на полке в неподключенном состоянии.

Вставьте все 4 батарейки в держатель, проследив за тем,

чтобы они были установлены правильно — все отрицательные

выводы батареек должны находиться в контакте с пружинами в

держателе. Используйте мультиметр, чтобы проверить напряже-

ние на проводах, подключенных к держателю батареек. Это на-

пряжение должно быть по меньшей мере 6 В.

Теперь надо взять резистор с сопротивлением 2 кОм. Следует

помнить, что «2 кОм» означает «2000 Ом». Если же резистор име-

ет цветовую маркировку номинала с помощью цветных полосок,

то их последовательность должна быть следующей — красная-

черная- красная, что означает 2 0 и еще два нуля. Поскольку рези-

сторы с сопротивлением 2,2 кОм встречаются в продаже гораздо

Электроника для начинающих

22

Глава 1

чаще, чем резисторы с сопротивлением 2 кОм, то вы, разумеется,

можете применить их. Эти резисторы будут иметь маркировку —

красная- красная- красная.

Используя зажимы типа «крокодил», соберите цепь, кото-

рая показана на рис. 1.40 и рис. 1.41 (ЦВ- рис. 1.41). При этом вы

должны заметить, что светодиод будет светить, но, к сожалению,

пока очень тускло.

Теперь отключите резистор с сопротивлением 2 кОм (или

рис. 1.40. Вид собранной схемы при вы-

полнении эксперимента 3, на которой

2,2 кОм) и замените его резистором с номиналом 1 кОм, кото-

применяются резисторы с сопротивле-

рый имеет цветовую маркировку — коричневая- черная- красная,

нием 470 Ом, 1 и 2 кОм. Для выполнения

надежного контакта подсоедините за-

что означает 1 0 и еще два нуля. После этого светодиод должен

жимы типа «крокодил», как это показано

загореться более ярко.

на рисунке. Кроме того, в одном и том же

После этого удалите резистор с номиналом 1 кОм и замени-

месте цепи попробуйте по очереди по-

менять все используемые в эксперимен-

те его резистором на 470 Ом, который имеет цветовую марки-

те резисторы, наблюдая за тем, как при

ровку — желтая- фиолетовая- коричневая, что означает 4 7 и еще

этом меняется свечение светодиода

один ноль. При этом светодиод должен загореться еще ярче.

Все это выглядит очень элементарно, но при этом можно

сделать один важный вывод. На резисторе падает определенный

процент напряжения в цепи. С точки зрения «водяной» аналогии

сопротивление резистора можно рассматривать в качестве пере-

гиба или сужения в гибком шланге при подаче воды. Резистор с

более высоким значением сопротивления обеспечивает большее

падение напряжения на своих контактах, оставляя меньшее па-

дение напряжения на светодиоде.

Светодиод

Более длинный

Более короткий

вывод свето-

вывод свето-

диода (анод)

диода (катод)

Зажим

В вашем держателе

Заж

для батареек этот провод

им

может быть либо синим,

либо черным

Зажим

Блок батареек на 6 В

рис. 1.41. Здесь показано, как выглядит схема включения светодиода. Если при замыкании

цепи вы начинаете с использования резистора с б ольшим сопротивлением, то в этом слу-

чае светодиод будет гореть, но очень тускло. Объясняется это тем, что на резисторе падает

существенная часть напряжения, оставляя на светодиоде только небольшую его часть. В ре-

зультате это приводит к недостаточному по величине току, проходящему через светодиод,

для его яркого свечения

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

23

наведение порядка и повторное

использование компонентов

Батарейки и светодиод вполне можно использовать в следу-

ющих экспериментах. Кроме того, повторно могут быть исполь-

зованы и резисторы.

Эксперимент 4

рис. 1.42. Внешний вид проволочного

изменение наПряжения

потенциометра

В продаже имеется большое разнообразие типов и размеров

потенциометров, но все они выполняют одну и ту же функцию:

позволяют изменять напряжение и ток в цепи за счет изменения

сопротивления. В этом эксперименте мы сможем узнать боль-

ше о напряжении, силе тока и соотношении между ними. Здесь

вы также познакомитесь и научитесь читать справочные листы

технических данных изделий, выпускаемых фирмами-изготови-

телями.

Здесь вам пригодятся:

• те же самые батарейки, держатель для батареек, зажимы

типа «крокодил» и светодиод, которые вы использовали в

последнем эксперименте;

• потенциометр с линейной характеристикой и номиналом

2 кОм. Количество — 2 шт. Полноразмерные потенциометры,

которые выглядят так, как на рис. 1.42, встречаются реже

по сравнению с более миниатюрными версиями. Я предпо-

читаю использовать потенциометры большего размера, по-

скольку с ними намного легче работать;

• один дополнительный светодиод;

• мультиметр.

рис. 1.43. Чтобы открыть потенциометр,

сначала надо отогнуть четыре неболь-

шие металлические лапки, расположен-

заглянем внутрь вашего потенциометра

ные по краю металлического корпуса

(на нижнем рисунке видно две лапки,

Первое что я хочу сделать, это познакомить вас с тем, как ра-

отогнутые наружу — одна влево и одна

вправо). Внутри находится однослойная

ботает потенциометр. Это означает, что вы должны открыть его, спираль из проволоки, намотанной во-

именно поэтому в вашем списке необходимых покупок было ука-

круг плоской пластмассовой полоски,

зано приобретение двух потенциометров — на тот случай, если и пара подпружиненных контактов, ко-

торые проводят ток к нужной точке или

вы не сможете собрать первый из них снова.

отводят от другой нужной точки катушки

Большинство потенциометров фиксируются в собранном при вращении оси потенциометра (по-

казаны на верхнем рисунке). В зависи-

состоянии небольшими металлическими лапками. Вы наверняка мости от того, какого типа потенциометр

сумеете подцепить эти лапки вашими бокорезами (кусачками для у вас есть, относительно недорогой или

более дорогой, внутри их вы можете об-

проводов) или плоскогубцами, а затем отогнуть их вверх и не-

наружить дорожку проводящей графи-

много в стороны. Если вы сделаете это, то потенциометр должен товой пленки или проволочную спираль.

В любом случае используемый принцип

открыться, как это показано на рис. 1.43.

действия будет один и тот же

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

24

Глава 1

Провод или проводящая пленка обладают некоторым сопро-

тивлением (2 кОм в данном случае), а при повороте оси потен-

циометра обеспечивается контакт любой соответствующей точ-

ки резистивного элемента (проволочного или непроволочного)

с центральным выводом потенциометра.

После разборки потенциометра вы можете попытаться со-

брать его снова, но если это не получится, то надо взять запасной

аналогичный потенциометр.

Чтобы проверить ваш потенциометр, нужно с помощью

мультиметра измерять его сопротивление в омах, обеспечивая

при этом постоянный контакт измерительных щупов с выводами

потенциометра и вращая его ось в одну и другую сторону, как это

показано на рис. 1.44.

рис. 1.44. При проверке потенциоме-

уменьшение яркости вашего светодиода

тра постоянно измеряйте сопротивле-

Прежде всего, поверните ось потенциометра в крайнее по-

ние между двумя его выводами (один

из которых должен быть обязательно

ложение против часовой стрелки, в противном случае вы може-

средний), когда вы поворачиваете ось

те сжечь ваш светодиод еще до начала эксперимента. (Крайне

потенциометра то в одну, то в другую

сторону

малое количество потенциометров увеличивают и уменьшают

сопротивление другим способом по сравнению с тем, который

я описываю здесь, но поскольку вы применяете потенциометр,

Светодиод

Более длинный

вывод свето-

Более короткий

диода (анод)

вывод светодиода

ЗАЖИМ

ЗАЖИМ

В вашем держателе

для батареек этот провод

может быть либо синим,

либо черным

ЗАЖИМ

Изначально ось потенциометра поверните против часовой

стрелки в крайнее его положение. Затем, собрав схему,

начните плавно вращать ось в направлении, указанном

стрелкой, т. е. по часовой стрелке

Блок батареек на 6 В

рис. 1.46. Светодиод, приведенный рис. 1.45. Это вид схемы для эксперимента 4. При повороте оси потенциометра с номина-

на этой фотографии, вдруг сгорел, по-

лом 2 кОм сопротивление между используемыми его выводами будет меняться от 2000 до

скольку я излишне уменьшил сопротив-

0 Ом. Это сопротивление должно защищать светодиод от полного напряжения батарейки

ление потенциометра

величиной 6 В

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

25

показанный на рис. 1.42, то мое описание должно быть достаточ-

но подробным).

После этого выполните все подключения, как это показано

на рис. 1.45 и 1.46, следя за тем, чтобы не позволять металличе-

ским частям зажимов типа «крокодил» касаться друг друга. Те-

перь очень медленно по часовой стрелке начните поворачивать

ось потенциометра. В результате вы должны заметить, что све-

тодиод будет светиться все ярче и ярче, и, в конце концов, вдруг

погаснет. Итак, вы опытным путем увидели, как легко можно вы-

вести из строя современную электронику? Выбросите этот свето-

диод. Больше он уже никогда не загорится. Замените его новым

светодиодом, но теперь будьте гораздо внимательнее.

Для измерения напряжения в схеме, в которой используются

батарейки, надо на мультиметре выбрать режим для измерения



напряжения на постоянном токе — «V» и «DC», «V

V» или «V »,

DC

где DC (direct current) — постоянный ток, как это показано на

рис. 1.47. Теперь измерительными щупами коснитесь выводов

светодиода. Попытайтесь, удерживая щупы на месте, слегка по-

вернуть ось потенциометра сначала в одну, а затем в другую сто-

рону. Вы должны увидеть соответствующее изменение величины

напряжения на выводах светодиода. Мы называем это разностью

потенциалов между двумя выводами светодиода.

а

б

в

рис. 1.47. В разных типах мультиметров для измерения постоянного напряжения требуются соответственно различные настройки. Так, в мультиметре с ручной установкой диапазона измерения ( а) требуется установить переключатель режима работы в положение «DC», а затем с помощью дискового переключателя выбрать предельное значение напряжения, которое вы хотите измерить. В данном случае

выбранное напряжение составляет 20 (поскольку значение 2 слишком мало). Использование тестера RadioShack с функцией автома-

тического выбора диапазона измерения требует установки переключателя в положение, например, «V» ( б) или «V » ( в) и тестер сам

DC

определит, какой диапазон использовать

Если вы вместо светодиода будете использовать устаревшую

миниатюрную лампочку накаливания, то вы при измерении по-

лучите разность потенциалов, которая будет меняться в гораздо

большей степени, поскольку лампочка ведет себя, как «простое»

26

Глава 1

сопротивление, тогда как светодиод в некоторой степени осу-

ществляет самонастройку, изменяя свое сопротивление в зави-

симости от изменения напряжения питания.

Теперь, чтобы измерить разность потенциалов между вы-

водами потенциометра, коснитесь их измерительными щупами.

Потенциометр и светодиод делят между собой все имеющееся на-

пряжение таким образом, что когда разность потенциалов (паде-

ние напряжения) на потенциометре повышается, тогда разность

потенциалов между выводами светодиода падает, и наоборот

(рис. 1.48–1.50). Следует иметь в виду несколько обстоятельств.

• Если вы сложите все падения напряжения на каждом эле-

менте цепи, то сумма будет равна тому напряжению, которое

выдается батарейкой.

• При измерении напряжения вы всегда измеряете относи-

тельное напряжение между двумя точками в цепи.

• Измерительные щупы вашего прибора подсоединяйте очень

осторожно, словно стетоскоп, без каких- либо нарушений

или повреждений соединений в цепи.

Используйте ваш мультиметр,

чтобы измерить напряжение

между двумя этими точками

Затем полученное значение

сравните с напряжением

между этими двумя точками

Блок батареек на 6 В

рис. 1.48. Как измерять напряжение в простой цепи

Получение опыта в изучении электроники

27

Вольты

Вольты

Блок батареек на 6 В

Блок батареек на 6 В

рис. 1.49. Прибор показывает значение напряжения

рис. 1.50. Прибор показывает значение напряже-

на светодиоде

ния на потенциометре

измерение тока

Сейчас я хочу выполнить несколько другое измерение. Я хочу

измерить ток или силу тока в цепи, используя прибор, установив

на нем «мА» (миллиамперы). Чтобы измерить силу тока, следует

помнить, что:

• вы можете измерить ток только тогда, когда он проходит че-

рез ваш прибор;

• ваш измерительный прибор должен быть встроен в цепь;

• слишком большой ток может сжечь предохранитель внутри

вашего прибора.

Следует убедиться, что на мультиметре установлен режим

именно для измерения силы тока в миллиамперах (рис. 1.51–

1.52, а), а не напряжения, как это было ранее. В некоторых при-

борах для измерения тока в миллиамперах требуется переклю-

чить одну из вилок измерительного щупа в другое гнездо — «mA»

(см. рис. 1.52, б).

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

28

Глава 1

а

б

рис. 1.51. Если вы попытаетесь измерить слишком большой ток, то в любом приборе обя-

зательно должен сгореть внутренний предохранитель. В нашей цепи нет никакого риска,

если вы установите регулятор потенциометра в среднее положение. Для измерения силы

тока в миллиамперах выберите режим «mA» и запомните, что мультиметр при этом будет

отображать значения, которые означают тысячные доли ампер

а

б

рис. 1.52. Мультиметр с ручным выбором режима измерения такой, например, как приведен-

ный здесь, при измерении тока в миллиамперах требует от вас переключения красного изме-

рительного щупа в другое гнездо прибора. В большинстве современных мультиметров этого

делать не нужно до тех пор, пока вам не понадобится измерять большие значения токов

Подключите ваш тестер в цепь как это показано на рис. 1.53.

Не следует поворачивать потенциометр больше чем наполовину.

Сопротивление потенциометра будет защищать ваш тестер, как

и светодиод. Если через тестер пропускается слишком большой

ток, то вы сможете обнаружить себя выполняющим замену вну-

треннего предохранителя тестера.

Если вы слегка измените положение регулятора потенцио-

метра, повернув его в одну или другую сторону, то обнаружите,

что изменение сопротивления в цепи будет приводить к измене-

нию тока. Это может объяснить, почему светодиод перегорел в

предыдущем эксперименте. Слишком большой ток делает его го-

рячим, и это тепло расплавит его изнутри, как предохранитель в

приведенном ранее эксперименте 2.

Получение опыта в изучении электроники

29

Амперы

Амперы

Блок батареек на 6 В

Блок батареек на 6 В

а

б

рис. 1.53. Чтобы измерить ток в амперах, как это показано на левом ( а) и правом ( б) рисунках, измеряемый ток должен проходить через

мультиметр. Когда вы будете увеличивать сопротивление потенциометра, то это приведет к уменьшению электрического тока, а мень-

ший ток через светодиод заставит его светиться менее ярко

Более высокое сопротивление ограничивает ток или ее вели-

чину в амперах.

Теперь встройте мультиметр в другую часть исследуемой

цепи, как это показано на рис. 1.53, б. По мере поворота потен-

циометра вперед или назад вы будете получать точно такие же

результаты, что и в схеме, приведенной на рис. 1.53. Это проис-

ходит потому, что ток во всех точках такой цепи имеет одно и то

же значение. Все это именно так, поскольку у потока электронов

нет никакого другого пути.

Теперь наступило время, чтобы обратиться к некоторым

цифрам. Здесь осталось проверить одну последнюю вещь. От-

ключите светодиод и замените его резистором с сопротивлени-

ем 1 кОм, как это показано на рис. 1.54. Общее сопротивление

в цепи теперь будет равно 1 кОм плюс сопротивление потенци-

ометра, зависящее от положения оси регулятора, в которое вы

его установили. (Разумеется, мультиметр тоже имеет некоторое

30

Глава 1

сопротивление, но оно настолько мало, что мы можем им пре-

небречь).

Амперы

Блок батареек на 6 В

рис. 1.54. Если вы вместо светодиода установите резистор, то сможете проверить, что ток, который течет в цепи, будет зависеть от общего сопротивления в цепи при условии неиз-

менного питающего напряжения

Сначала поверните ось потенциометра до упора против часо-

вой стрелки, и у вас получится суммарное сопротивление в цепи,

равное 3 кОм. Ваш мультиметр при этом должен показать при-

близительно 2 мА. Затем поверните ось потенциометра в среднее

положение, и вы получите общее сопротивление в цепи порядка

2 кОм. Ток в этом случае должен быть около 3 мА. Теперь по-

верните ось потенциометра до упора по часовой стрелке. Общее

сопротивление в цепи станет равно 1 кОм, и вы получите ток, ко-

торый будет около 6 мА. Вы можете заметить, что если умножить

сопротивление на силу тока, то каждый раз получится число 6 —

что всего лишь означает величину напряжения, которое прило-

жено к цепи (табл. 1.6).

Получение опыта в изучении электроники

31

Таблица 1.6

Общее сопротивление, кОм

сила тока, ма

напряжение, в

3

2

6

2

3

6

1

6

6

Фактически мы можем сказать:

вольты = килоомы × миллиамперы.

Но подождите секунду: 1 кОм это 1000 Ом, а 1 мА это

1/1000 А. Поэтому наша формула по- настоящему должна выгля-

деть следующим образом:

вольты = (омы × 1000) × (амперы × 1/1000).

После сокращения числителя и знаменателя на 1000 полу-

чим:

вольты = омы × амперы.

Это известно, как закон Ома, см. далее разд. «Фундаменталь-

ные сведения — Закон Ома».

Фундаментальные сведения

Последовательно и параллельно

Перед тем как продолжить, вы должны узнать каким обра-

зом изменяется сопротивление цепи при последовательном

и параллельном подключении резисторов (рис. 1.55–1.57, ЦВ-

рис. 1.55–1.57). Следует запомнить, что:

• при последовательном соединении резисторов они под-

ключаются таким образом, что следуют друг за другом;

• при параллельном соединении резисторов они подключа-

ются таким образом, что располагаются рядом бок о бок.

Когда вы последовательно подключаете два резистора

одного номинала, то вы удваиваете общее сопротивление, по-

скольку электрический ток в данном случае преодолевает два

последовательных препятствия.

6 В

1000 Ом

6 В

Сопротивление цепи

1000 Ом

Ток 6 мА

рис. 1.55. К одному резистору приложено все напряжение и в соответствии с законом Ома

по нему протекает ток величиной U/R = 6 В/1000 Ом = 0,006 А = 6 мА

32

Глава 1

3 В

3 В

6 В

1000 Ом

1000 Ом

Сопротивление цепи

2000 Ом

Ток 3 мА

рис. 1.56. Когда два одинаковых резистора подключены последовательно, электрический

ток сначала должен пройти через один из них, а затем только через другой, поэтому на каж-

дом из них падает половина приложенного напряжения. Общее сопротивление теперь ста-

новится равным 2000 Ом, и в соответствии с законом Ома по цепи протекает ток величиной

U/R = 6 В/2000 Ом = 0,003 А = 3 мА

6 В

1000 Ом

6 В

1000 Ом

6 В

Сопротивление цепи

500 Ом

Ток 12 мА

рис. 1.57. Когда два одинаковых резистора подключены параллельно, то к каждому из них

приложено полное напряжение, т. е. напряжения на них составляют по 6 В. Электрический

ток проходит через них одновременно, поэтому общее сопротивление становится в два

раза меньше по сравнению с тем, что было. В соответствии с законом Ома по цепи проходит

ток, равный U/R = 6 В/500 Ом = 0,012 А = 12 мА

Когда два резистора одного номинала подключены парал-

лельно, то вы делите общее сопротивление на два, поскольку

предоставляете электрическому току два пути, по которым он

может пройти, вместо одного.

На практике нам нет необходимости устанавливать резисто-

ры параллельно, но нам часто приходится подключать компо-

ненты другого типа таким образом. Например, лампочки в ва-

шем доме подключены таким образом. Поэтому очень полезно

понимать, что сопротивление цепи уменьшается, если вы до-

бавляете в нее компоненты при параллельном подключении.

использование закона Ома

Закон Ома очень полезен. Например, он помогает нам опреде-

лить безопасно ли использовать какой- либо компонент в данной

цепи. Вместо того, чтобы подвергать воздействию повышенным

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

33

напряжением компонент до тех пор, пока он не перегорит, мы

можем предсказать, как он будет работать.

Например, вначале, когда вы поворачивали ось потенциоме-

тра, вы на самом деле не знали, как долго вы можете это делать,

чтобы светодиод не вышел из строя. Поэтому было бы полезно

точно знать, какое сопротивление надо подсоединить последова-

тельно со светодиодом, чтобы адекватно защитить его, получая

при этом свечение максимальной яркости.

Как читать справочные листы

технических данных

Как и для большинства других случаев, ответ на этот вопрос

можно найти в Интернете.

Здесь описано как можно найти справочные листы техни-

ческих данных на изделия (их технические описания), выпу-

скаемых тем или иным изготовителем (рис. 1.58). Во- первых,

найдите компонент, который вас интересует, у поставщика,

оформляющего заказы по электронной почте. Затем введите в

поисковую систему Google номер детали и имя производителя.

Обычно в числе первых результа-

тов запроса появятся справочные

листы технических данных этого

компонента. С использованием

таких источников, как сайт компа-

нии Mouser Еlectronics, поиск осу-

ществляется еще проще, поскольку

он предоставляет прямую ссылку

на справочные листы технических

данных для многих изделий.

Приведем пример. Предпо-

ложим, я хочу использовать крас-

ный светодиод типа TLHR5400,

выпускаемый компанией Vishay

Semiconductor, который стал на-

столько распространенным, что я

могу его купить отдельно по цене

$0,09 за штуку (≈2,7 руб.). Щел-

кните мышью по ссылке на лист

технических данных, который

представлен компанией Vishay

Semiconductor. Почти немедленно

на экране компьютера появится

страница файла в формате PDF.

рис. 1.58. Типичный справочный лист технических данных, в который включены

соответствующие технические характеристики изделия, в данном случае высоко-

Этот лист технических данных для

эффективного светодиода в корпусе диаметром 5 мм

34

Глава 1

светодиодов типа TLHR, TLHG и TLHY, которые соответственно

имеют свечение красного, зеленого и желтого цветов, что обо-

значается буквами «R», «G» и «Y» в наименовании светодио-

да. Пролистываю документ и нахожу таблицу «OPTICAL AND

ELECTRICAL CHARACTERISTICS» (Оптические и электриче-

ские характеристики). В ней содержится информация о том, что

при токе через светодиод величиной 20 мА он имеет типичное

значение («ТYР.») прямого напряжения (Forward voltage) равное

2 В. Слово «MAX.» в таблице означает максимальное значение,

которое составляет 3 В.

Теперь посмотрим на другой лист технических данных, по-

скольку все они имеют одну и ту же форму. Я выберу другой све-

тодиод — компонент WP7113SGC компании Kingbright. Щелчок

мышью по ссылке на сайте производителя и я получаю вторую

страницу листа технических данных, где типичное значение пря-

мого напряжения составляет 2,2 В, максимальное значение —

2,5 В, а максимальный прямой ток 25 мА. Кроме того, я нашел

некоторую дополнительную информацию: максимально допу-

стимое обратное напряжение — 5 В, а максимально допустимый

обратный ток 10 мкА (означает микроампер, который состав-

ляет величину в 1000 раз меньше ампера). Эти данные говорят

нам, что не следует прикладывать избыточное напряжение к све-

тодиоду при подключении с обратной полярностью. Если же для

светодиода превысить максимально допустимое значение обрат-

ного напряжения, то возникает опасность выхода его из строя.

Поэтому всегда старайтесь соблюдать полярность при подклю-

чении!

Компания Kingbright предоставляет сведения о том какую

температуру может выдерживать светодиод: 260 °С (500 °F) в те-

чение нескольких секунд. Это полезная информация, посколь-

ку довольно скоро мы отложим в сторону наши зажимы типа

«крокодил» и для соединения электрических компонентов бу-

дем использовать расплавленный паяльником горячий припой.

Поскольку мы уже вывели из строя батарейку, предохранитель

и светодиод при выполнении всего лишь четырех экспериментов,

поэтому возможно вы не удивитесь, что мы испортим, по мень-

шей мере, еще несколько компонентов при определении их пре-

дельных температурных значений при воздействии паяльника.

В любом случае теперь мы знаем, что необходимо для нор-

мальной работы светодиода, и мы можем сделать все соответ-

ствующие расчеты. Если у вас при вычислении возникнут какие-

либо трудности при определении места, куда нужно поставить

десятичную запятую, то перед продолжением изучения книги

обратитесь к разд. «Фундаментальные сведения — Положение де-

сятичного разделителя».

Получение опыта в изучении электроники

35

Фундаментальные сведения

закон Ома

По причинам, о которых я расскажу чуть позже, электри-

ческий ток обычно обозначается латинской буквой «I». Буквой

«U» обозначают напряжение, а буквой «R» — сопротивление,

обычно представленное в омах (поскольку с использованием

большинства клавиатур не так легко напечатать букву «Ω»). Ис-

пользуя эти символьные обозначения, вы можете написать за-

кон Ома тремя различными способами:

U = I × R.

I = U/R.

R = U/I.

Следует помнить, что U — это разность потенциалов (напря-

жение) между двумя точками простой цепи, R — сопротивление

в омах между двумя этими точками, а I — ток в амперах, кото-

рый проходит по этой цепи между двумя точками.

Буква «I» используется потому, что сила тока измеряется со-

гласно создаваемой током индукции (inductance), что означает

способность током индуцировать (создавать) магнитное поле.

Для обозначения электрического тока гораздо меньше вопро-

сов вызывало бы использование буквы «А», но, к сожалению,

уже слишком поздно что- либо менять.

базОвые сведения

Какое напряжение падает на проводе?

Обычно, мы можем не учитывать сопротивление проводов,

например, у проводов малой длины, которые соединяют сопро-

тивления, поскольку это очевидно. Однако если вы попытаетесь

пропустить ток большой величины через длинный тонкий про-

вод, то становится важным учитывать его сопротивление.

Насколько же это важно? Чтобы определить это, мы снова

можем воспользоваться законом Ома.

Предположим, что очень длинный кусок провода имеет со-

противление 0,2 Ома. Допустим по этому проводу мы хотим

пропустить ток величиной 15 А. Какое по величине напряжение

будет отобрано у цепи за счет его сопротивления?

Снова начинаем писать то уравнение, которое вам уже из-

вестно:

R = 0,2 Ом

I = 15 А

36

Глава 1

Мы хотим знать напряжение U, падение напряжения, для

провода, поэтому мы воспользуемся законом Ома, в котором

напряжение U находится в левой части уравнения:

U = I × R.

Теперь в эту формулу надо подставить значения, которые

были заданы в условии:

U = 15 А × 0,2 Ом = 3 В

Три вольта это не слишком большое значение, если у вас есть

источник питания высокого напряжения, но если вы используе-

те, например, автомобильный аккумулятор с напряжением 12 В,

то провод такой длины будет отбирать в цепи четверть доступ-

ного напряжения (рис. 1.59).

Теперь вы должны понимать, почему провода в автомобилях

достаточно толстые — это связано с тем, что их сопротивление

должно быть гораздо меньше 0,2 Ом.

Какое-то

электрическое

устройство

рис. 1.59. Когда питание какого-либо устройства осуществляется от автомобильного акку-

мулятора с напряжением 12 В, сопротивление провода отнимает у цепи некоторое напря-

жение и рассеивает в виде тепла

Получение опыта в изучении электроники

37

Фундаментальные сведения

Положение десятичного разделителя1

Легендарный британский политик Сэр Уинстон Черчилль был

знаменит тем, что жаловался на «эти чертовы точки». Он имел в

виду десятичные точки. Поскольку Черчиль был министром финан-

сов в это время и нес ответственность за все расходы государства,

то его затруднения при использовании десятичных точек создава-

ли достаточно много проблем. Тем не менее, как бы то ни было, он

всегда доводил дела до конца, что наверняка будете делать и вы.

Кроме того, вы можете воспользоваться карманным кальку-

лятором — или следующими далее двумя основными правилами.

При выполнении умножения:

перемещайте десятичные запятые

Предположим. Вам надо умножить 0,04 на 0,005:

1. Переместим десятичные запятые вправо за последние цифры

обоих чисел. В данном примере нам потребуется выполнить

всего 5 перемещений запятой, чтобы получить числа 4 и 5.

2. Умножим числа, которые у нас получились. В данном приме-

ре: 4 × 5 = 20.

3. Запишем окончательный результат, переместив в получен-

ном числе десятичную запятую влево на то количество пере-

мещений запятой, которое мы сделали в первом пункте, т. е.

на 5. Таким образом, мы получим: 0,00020 или 0,0002.

При выполнении деления:

аннулируйте десятичные запятые

Предположим. Вам надо разделить 0,006 на 0,0002:

1. Переместите десятичные запятые вправо в обоих числах на

одно и то же количество позиций, до тех пор, пока оба чис-

ла не станут больше 1. В данном случае нам надо в каждом

числе переместить запятые на 4 позиции. Таким образом, мы

получим, что число 60 надо разделить на 2.

2. Выполните деление. В данном случае результат будет равен 30.

насколько большое сопротивление

требуется для светодиода?

Предположим, что мы применяем светодиод производ-

ства компании Vishay Semiconductors. Не забыли его техниче-

ские характеристики, которые приведены в справочном листе

1 Следует заметить, что в качестве десятичного разделителя в англоязыч-

ных странах используется десятичная точка, а в большинстве остальных стран и

в том числе и в России — запятая. — Ред.

38

Глава 1

технических данных? Максимальное значение прямого напря-

жения 3 В и безопасная величина тока 20 мА.

Для повышения безопасности я собираюсь ограничиться

прямым напряжением 2,5 В. Для питания у нас есть батарейка

на напряжение 6 В. Вычтем 2,5 В из 6 и получим 3,5 В. Поэто-

му нам в данной цепи необходим резистор, падение напряжения

на котором должно составлять 3,5 В, и чтобы 2,5 В осталось для

светодиода.

Сила тока в такой простой цепи является одинаковой во всех

ее точках. Поэтому, если мы хотим, чтобы максимальное значе-

ние тока, который протекал бы через светодиод, было 20 мА, то

такой же силы ток будет протекать и через резистор.

Теперь мы можем записать то, что мы знаем о резисторе в

цепи. Однако следует помнить, что все значения должны быть

приведены к единицам измерения в вольтах, амперах и омах,

поэтому вместо 20 мА при вычислениях надо записать 0,02 А:

U = 3,5 В (падение напряжения на резисторе)

I = 0,02 А (ток, проходящий через резистор)

Нам нужно узнать сопротивление резистора R. Поэтому мы

используем вариант написания закона Ома, в котором сопротив-

ление находится в левой части уравнения:

R = U/I.

Теперь надо подставить известные значения в формулу:

R = 3,5/0,02

Выполните вычисление сопротивления с помощью вашего

карманного калькулятора, если у вас есть проблемы с определе-

нием места, куда надо поставить десятичную запятую. Вы долж-

ны получить следующий ответ:

R = 175 Ом

Итак, сопротивление 175 Ом является точным значением

для резистора. Вы можете использовать резисторы со стандарт-

ным значением сопротивления 180 или даже 220 Ом, поскольку

это достаточно близкие значения.

Очевидно, что резистор с сопротивлением 470 Ом, который

мы использовали в эксперименте 3, был выбран со слишком

большим запасом. Я предложил его именно потому, что вначале

предполагалось использовать светодиод любого типа. Я рассчи-

тал, что вне зависимости от типа используемого вами светодио-

да, резистор с сопротивлением 470 Ом вполне подойдет.

наведение порядка и повторное

использование

Сожженный светодиод должен быть выброшен. Все осталь-

ное можно использовать снова.

Получение опыта в изучении электроники

39

теОрия

выполняйте эти вычисление с повторением вслух

Я собираюсь вернуться к вопросу, который я задал ранее

при выполнении одного из предыдущих экспериментов — «По-

чему ваш язык не разогревается?»

Теперь, поскольку вы уже знаете закон Ома, вы можете сфор-

мулировать свой ответ с использованием цифр. Предположим,

что батарейка создает напряжение величиной 9 В, а ваш язык

имеет сопротивление, равное 50 кОм, или иначе 50 000 Ом. За-

пишим, что вам известно:

U = 9 В

R = 50 000 Ом

Мы хотим узнать значение электрического тока, поэтому ис-

пользуем вариант написания закона Ома, в котором сила тока

находится в левой части уравнения:

I = U/R.

Теперь надо подставить известные значения в формулу:

I = 9 В/50 000 Ом = 0,00018 А

Переместим десятичную точку на три позиции влево, чтобы

получить ответ в миллиамперах:

I = 0,18 мА

Это очень маленький ток, который не будет приводить к вы-

делению сколь- нибудь значительного количества тепла.

Что происходит, когда вы закорачиваете батарейку? Сила

тока какой величины нагревает провода? Отлично, предполо-

жим, что провода имеют сопротивление величиной 0,1 Ом (воз-

можно, оно меньше, но я хочу начать с предположения, что оно

равно именно 0,1 Ом).

Запишем, что нам известно:

U = 1,5 В

R = 0,1 Ом

Как только мы пытаемся найти величину тока, мы должны ис-

пользовать следующую формулу:

I = U/R.

Теперь надо подставить известные значения в формулу:

I = 1,5 В/0,1 Ом = 15 А

Это примерно в 100 000 раз большее значения тока, кото-

рый проходил по поверхности вашего языка. Причем этот ток

выделяет гораздо больше тепла даже при том, что используется

намного меньшее напряжение.

Однако может ли такая тоненькая и маленькая батарейка

в действительности создать ток величиной 15 А? Помните, что

батарейка разогрелась также как и провода. Это означает для

нас, что электроны при перемещении внутри батарейки также

Электроника для начинающих

40

Глава 1

встречают некоторое сопротивление, как и при перемещении

по проводам. (Иначе откуда еще может взяться тепло?) Обыч-

но мы можем забыть о внутреннем сопротивлении батарейки,

поскольку оно слишком мало. Но при высоких значениях силы

тока и оно становится достаточно существенным.

Мне не очень хотелось бы закорачивать батарейку с под-

ключением мультиметра, чтобы попытаться измерить силу тока.

Мой прибор сгорит, если проходящий через него ток будет бо-

лее 10 А. Однако я могу попытаться подключать в цепь только

добавочные предохранители, чтобы определить при каких зна-

чениях они будут перегорать. Когда я попробовал применить

предохранитель номиналом 10 А, он не расплавился. Поэтому

для используемого мною типа батарейки я совершенно уверен,

что ток при коротком замыкании будет менее 10 А. Но я точно

знаю, что этот ток будет больше 3 А, поскольку при попытке под-

ключения предохранителя на 3 А он перегорел.

Внутреннее сопротивление 1,5-вольтовой батарейки при

коротком ее замыкании препятствует протеканию тока слиш-

ком большой величины. Именно поэтому я предупреждал, что

в эксперименте нельзя использовать мощные батарейки (осо-

бенно автомобильные аккумуляторы). Мощные батареи пита-

ния имеют гораздо меньшее внутреннее сопротивление, по-

зволяющее току достигать очень большого значения, которое

соответственно приводит к выделению большого количества

тепла, приводящего в конце- концов к взрыву. Автомобильные

аккумуляторные батареи специально конструируют для вы-

дачи токов в сотни ампер для проворачивания вала двигате-

ля. Это вполне достаточная величина тока, чтобы расплавить

провода и вызвать сильные ожоги. Фактически, используя

автомобильный аккумулятор, вы можете выполнять сварку

металлов.

Литиевые батарейки также имеют низкое внутреннее сопро-

тивление, что делает их очень опасными при закорачивании.

Надо иметь в виду, что большой ток может быть столь же опас-

ным, как и высокое напряжение.

базОвые сведения

Происхождение понятия мощности

Джеймс Ватт (рис. 1.60) известен как изобретатель парового

двигателя. Он родился в 1736 году в Шотландии, где организо-

вал небольшую мастерскую при Университете в Глазго и разра-

рис. 1.60. Джеймс Ватт, изобретение ко-

торого позволяло использовать энергию

ботал эффективную конструкцию для использования пара с це-

пара, сделало возможным совершить

лью перемещения поршня в цилиндре. Финансовые проблемы

промышленную революцию. После его

и примитивное состояние технологии металлообработки отло-

смерти единице измерения электриче-

ской мощности было присвоено его имя

жили практическую реализацию изобретения до 1776 года.

Получение опыта в изучении электроники

41

Несмотря на трудности при получении патентов (которые

могли быть выданы в то время только с помощью парламент-

ского решения), Ватт и его партнер по бизнесу в конечном итоге

заработали много денег на своих инновациях. Хотя он жил рань-

ше основоположников электричества, в 1889 году (через 70 лет

после его смерти), его имя было присвоено основной единице

измерения электрической мощности, которая в электрических

цепях постоянного тока может быть определена, как произве-

дение тока в амперах на напряжение в вольтах ( см. разд. «Фун-

даментальные сведения — Основные сведения о ваттах»).

Фундаментальные сведения

Основные сведения о ваттах

До сих пор я ничего не говорил о единице измерения, с кото-

рой наверняка знаком каждый — это ватты.

Ватт это единица для измерения работы. Инженеры пользу-

ются своим собственным определением работы — они говорят,

что работа может быть выполнена человеком, животным или

машиной, которая воздействует на что- то для преодоления ме-

ханического сопротивления. Примером может служить паро-

вой двигатель, который тянет поезд по горизонтальному пути

(преодолевая трение и сопротивление воздуха), или человек,

поднимающийся по лестнице (преодолевая силу тяжести).

Когда электроны прокладывают себе дорогу в цепи, они тоже

преодолевают некоторое сопротивление и поэтому выполняют

работу, которая может быть измерена в ваттах. Имеется очень

простое определение:

ватты = вольты × амперы

Применяя обычные используемые обозначения, можно при-

вести три формулы, которые в принципе означают одно и то же:

W = U × I.

U = W/I.

I = W/U.

Для ватт используется сокращенное международное обо-

значение «W», в русском обозначении «Вт». Совместно с со-

кращенными обозначениями ватт могут быть использованы

различные приставки, такие, например, как «m» для обозначе-

ния «милли» — «mW» (в русском обозначении «мВт»), впрочем,

точно такие же, как и в случае применения вольтов или ампер

(табл. 1.7).

42

Глава 1

Таблица 1.7

Количество

Обычно

сокращение

сокращение

ватт

произносится

в международном

в русском

как

обозначении

обозначении

0,001 ватт

1 милливатт

1 mW

1 мВт

0,01 ватт

10 милливатт

10 mW

10 мВт

0,1 ватт

100 милливатт

100 mW

100 мВт

1 ватт

1000 милливатт

1 W

1 Вт

Поскольку электростанции, солнечные батареи и ветряные

электростанции генерируют гораздо большие значения мощ-

ности, то вы также можете встретить такие обозначения, как

«киловатты» (для обозначения используется буква «K» или в

русском обозначении «к») и «мегаватты» (для обозначения ис-

пользуется прописная буква «M», чтобы не спутать ее со строч-

ной буквой «м», которая применяется для обозначения милли-

ватт) (табл. 1.8).

Таблица 1.8

Количество

Обычно

сокращение

сокращение

ватт

произносится в международном

в русском

как

обозначении

обозначении

1000 ватт

1 киловатт

1 KW

1 кВт

1 000 000 ватт

1 мегаватт

1 MW

1 МВт

Мощность лампочек накаливания выражается в ваттах.

В аналогичных единицах измеряется мощность стереосистемы.

Ватт получил свое название в честь Джеймса Ватта, который

изобрел паровой двигатель. Кстати, ватты могут быть переведе-

ны в лошадиные силы и наоборот.

теОрия

расчет мощности

Ранее я уже упоминал, что резисторы изготавливают с раз-

личными стандартными значениями мощности — 0,25 Вт, 0,5 Вт,

1 Ватт и т. д. Я советовал, чтобы вы купили резисторы мощно-

стью 0,25 Вт или больше. Откуда я это узнал?

Давайте вернемся назад к цепи со светодиодом. Помните,

мы хотели, чтобы на резисторе падало напряжение 3,5 В, а ток

был бы равен 20 мА. Какое количество мощности рассеивается

на этом резисторе?

Запишите, что вам известно:

U = 3,5 В (падение напряжения на резисторе)

I = 20 мА = 0,02 А (ток, протекающий через резистор)

Получение опыта в изучении электроники

43

Мы хотим узнать мощность в ваттах, поэтому используем

формулу, где мощность располагается в левой части уравнения:

W = U × I.

Теперь надо подставить значения в эту формулу:

W = 3,5 В × 0,02 А = 0,07 Вт (мощность, которая рассеивается

резистором)

Таким образом, мы выяснили, что используемый нами рези-

стор мощностью 0,25 Вт (1/4 ватта) имеет почти 4-кратный запас

по сравнению с действительно рассеиваемой им мощностью.

На самом деле здесь мы могли бы использовать резисторы

мощностью 0,125 Вт (1/8 ватта), но для будущих экспериментов

нам понадобятся резисторы мощностью 0,25 Вт. Поэтому в дан-

ном случае применяют именно такие резисторы, поскольку нет

никаких ограничений для использования резистора, рассчитан-

ного на мощность большую, чем та, которая в действительности

на нем рассеивается.

Эксперимент 5

давайте сделаем батарейКу

Много лет назад еще до возможности совершения «путеше-

ствий» по сайтам в Интернете, обмена файлами или изобретения

сотовых телефонов детей строго наказывали, поскольку тогда

многие из них часто развлекались, устраивая эксперименты на

кухонном столе, например, такие, как изготовление примитив-

ной батарейки путем помещения гвоздя и одноцентовой монет-

ки в лимон. В это трудно поверить, но наверное, это правда!

Это достаточно старый опыт — но я в любом случае хочу

проверить его, поскольку каждый, кто хочет ощутить природу

электричества, должен знать, насколько легко получить его из

предметов, которые нас постоянно окружают в жизни. Кроме

того, если вы будете использовать достаточное количество ли-

монов, то сможете получить такое напряжение, которое даже по-

зволит зажечь светодиод.

Основными компонентами батарейки являются два метал-

лических электрода, погруженных в электролит. Здесь я не буду

давать определения используемым терминам (они будут объ-

яснены в следующем разд. «Теория — Природа электричества»).

Сейчас вам нужно уяснить, что лимонный сок у нас будет элек-

тролитом, а медь и цинк будут электродами. В одноцентовой мо-

нетке содержится достаточное количество меди, особенно если

она относительно новая и блестит. Надо понимать, что монета

не изготовлена целиком из меди, она имеет только лишь медное

покрытие, что в нашем случае вполне достаточно.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

44

Глава 1

Чтобы найти металлический цинк, вам надо посетить хозяй-

ственный магазин, где нужно спросить кровельные гвозди. Эти

гвозди имеют цинковое покрытие, что защищает их от коррозии.

Кроме того, можно воспользоваться небольшими металлически-

ми кронштейнами или крепежными пластинами, которые также

обычно покрыты цинком. Они должны иметь несколько приглу-

шенный (матовый) серебряный оттенок. Если они имеют свет-

лое покрытие, близкое к зеркальному, то скорее всего, что это

никелевое покрытие.

Разрежьте лимон пополам и выберите на вашем мультиме-

тре такой режим и предел, чтобы он мог измерять постоянное

напряжение величиной до 2 В. Затем приложите один измери-

тельный щуп к монете, а второй к кровельному гвоздю (или же

какой- либо другой детали, покрытой цинком). Теперь вставьте

монету и гвоздь в мякоть лимона так, чтобы они находились на

максимально близком расстоянии друг от друга, но все же не ка-

рис. 1.61. Батарейка, сделанная из трех

сались. Вы должны обнаружить, что ваш тестер покажет напря-

лимонов. Не очень огорчайтесь, если

жение примерно от 0,8 до 1 В.

светодиод вдруг перестал светиться.

Вы можете повторить эксперимент с другими предметами

Лимоны имеют достаточно высокое

электрическое сопротивление, поэтому

и жидкостями, чтобы определить какие из них дают лучший ре-

мы не можем подать достаточно суще-

зультат. Погружение гвоздя и монеты в лимонный сок, который

ственный ток, особенно через относи-

тельно малую площадь поверхности вы отжали в стеклянный стакан или подставку для яйца, может

гвоздя и монетки. Тем не менее батарей-

улучшить эффективность вашей батарейки, хотя вам придется

ка из лимона в состоянии генерировать

напряжение, которое вы можете изме-

достаточно тяжело при удерживании всех этих предметов в нуж-

рить с помощью вашего мультиметра

ном положении. В качестве замены лимонного сока могут ис-

пользоваться сок грейпфрута и винограда.

Чтобы заставить светиться стандартный светодиод, вам нуж-

но будет получить напряжение величиной около 1 В. Как добить-

ся большего значения электрического напряжения? Конечно же,

последовательным подключением батареек. Другими словами,

за счет использования большего количества лимонов! (Или же

большего количества стаканов и подставок под яйцо с соком.)

Вам также могут пригодиться небольшие куски проводов, чтобы

соединить несколько электродов. Здесь можно немного проли-

стать книгу вперед и обратиться к главе 2, где я описываю, как

нужно снимать изоляцию с проводов. На рис. 1.61 (ЦВ- рис. 1.61)

и рис. 1.62 показана схема данного эксперимента.

Если все элементы схемы вы соберете правильно, и убеди-

тесь, что электроды не касаются друг друга, то вы сможете за-

рис. 1.62. Лимонный сок из бутылок

ставить светиться светодиод с помощью двух или трех «лимон-

будет «работать» так же хорошо, как

ных батареек», соединенных последовательно. (Некоторые типы

и свежевыжатый. Я отрезал нижние ча-

светодиодов отличаются от большинства, обладая достаточно

сти трех бумажных стаканчиков, вста-

вил в них оцинкованные кронштейны

большой чувствительностью к низким значениям тока. Позднее

и использовал куски толстого медного

в этой книге я буду говорить о светодиодах, работающих при

многожильного провода для изготовле-

ния положительных электродов

очень низких значениях тока. Поэтому, если вы хотите улучшить

Получение опыта в изучении электроники

45

шансы вашей батарейки зажечь светодиод, то вам нужно поис-

Внимание!

кать и купить парочку именно таких светодиодов.)

Насколько же большой ток может быть создан вашей ли-

При измерении тока нико-

гда не подключайте ваш муль-

монной батарейкой? Установите на вашем мультиметре режим

тиметр между выводами на-

для измерения тока в миллиамперах и подключите его к гвоздю

стоящей батареи. Ток будет

и монете. Я измерил ток величиной порядка 2 мА. Однако я смог

настолько большим, что вы в

получить ток 10 мА, когда вместо монет использовал толстый

лучшем случае можете сжечь

медный 10-жильный провод, а вместо кровельного гвоздя —

предохранитель мультиме-

тра.

большую оцинкованную пластинку для соединения деревянных

элементов каркасного дома, которые были опущены в грейпфру-

товый сок (см. рис. 1.62). Таким образом, при увеличении по-

верхности металлического электрода, лучше контактирующего с

электролитом, можно получить соответственно и больший ток.

Каково же внутреннее сопротивление вашего лимона? Из-

влеките медный и цинковый электроды и вставьте измеритель-

ные щупы с никелевым покрытием в сок. При измерении сопро-

тивления я получал результат порядка 30 кОм, когда оба щупа

находились в тех же местах в лимоне, что и вынутые электроды.

Если же измерительные щупы были вставлены в другие места

(на большее расстояние друг от друга), то сопротивление было

40 кОм или даже больше. Меньше ли будет сопротивление, если

вы будете проверять сопротивление жидкости в чашке?

Здесь осталось еще два вопроса, которые вы можете иссле-

довать. Насколько долго ваша лимонная батарейка будет в со-

стоянии генерировать электричество? И как вы думаете, почему

покрытые цинком электроды становятся бесцветными после не-

которого времени их использования?

Электричество генерируется батареей за счет обмена иона-

ми или свободными электронами между металлами. Если же вы

хотите узнать больше об этом, то обратитесь к разд. «Теория —

Природа электричества».

теОрия

Природа электричества

Чтобы понять природу электричества, вы должны начать с

таких основ, как изучение строения атомов. Каждый атом состо-

ит из ядра, в центре которого содержатся протоны, имеющие

положительный заряд. Каждое ядро окружено электронами,

которые имеют отрицательный заряд.

Деление ядра атома требует использования большого коли-

чества энергии, но при этом может высвободиться большое ко-

личество энергии — как это случается при атомном взрыве. Но

для того, чтобы заставить пару электронов покинуть атом (или

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

46

Глава 1

присоединиться к другому атому), требуется сравнительно не-

большое количество энергии. Например, когда цинк вступает

в химическую реакцию с кислотой, он освобождает электроны.

Это то, что случается с цинковым электродом в химической ба-

тарейке при выполнении эксперимента 5.

Реакция вскоре останавливается, поскольку электроны на-

капливаются на цинковом электроде. Они отталкивают друг

друга, если им некуда двигаться. Вы можете представить их в

виде толпы враждебных друг к другу людей, каждый из которых

хочет выкинуть другого и отказывается допустить еще кого- ни-

будь присоединиться к ним, как это показано на рис. 1.63.

Теперь рассмотрим, что происходит, когда провод соединяет

рис. 1.63. Электроны, расположенные

цинковый электрод, на котором находится избыток электронов

на электроде, плохо относятся друг к

с другим электродом, изготовленным из другого материала, в ко-

другу, что заставляет их отталкивать

тором, наоборот, ощущается недостаток электронов. Электроны

друг друга

могут проходить по проводу очень легко, переходя от одно-

го атома к другому, поэтому они покидают цинковый электрод

и перемещаются по проводу, движимые сильнейшим желанием

оторваться друг от друга (рис. 1.64). Эта совместная движущая

сила и создает то, что называется электрическим током.

рис. 1.64. Как только мы открываем для переполненного электронами цинкового электро-

да путь к медному электроду, который содержит «дырки» для электронов, совместное оттал-

кивание электронов заставляет их пытаться отделиться друг от друга и добраться до своего

нового «дома» как можно быстрее

Получение опыта в изучении электроники

47

Теперь популяция электронов на цинковом электроде

уменьшается, но реакция цинка с кислотой может продолжать-

ся, заменяя ушедшие электроны новыми, которые мгновенно

начинают повторять поведение своих предшественников, от-

талкивая друг друга при перемещении по проводу. Процесс

продолжается до тех пор, пока реакция цинка с кислотой не

прекратится. Обычно это происходит из- за того, что создает-

ся слой некоторого соединения, как правило это оксид цинка,

который не реагирует с кислотой и предотвращает реакцию с

цинком, находящимся внутри электрода (Именно поэтому цин-

ковый электрод при извлечении из кислотного электролита вы-

глядит так, как будто он покрыт сажей.)

Это описание применимо к «первичной батарее», и означает,

что она готова к генерированию электрического тока, как толь-

ко соединение ее выводов дает возможность перемещаться

электронам от одного электрода к другому. То количество элек-

тричества, которое может генерировать первичная батарея,

определяется скоростью, с которой в результате химической

реакции освобождаются электроды. Когда металл электродов

полностью прореагирует, батарея не может больше продолжать

генерировать электричество и выходит из строя. Ее невозмож-

но будет легко перезарядить, поскольку химические реакции

не так- то легко заставить идти в обратном направлении, а сами

электроды могут покрыться слоем окисла.

В аккумуляторных батареях, которые также известны как

батареи с возможностью подзарядки, электроды и электролит

подобраны более разумно, что позволяет проводить реакцию в

обратном направлении.

наведение порядка

и повторное использование компонентов

Металлические детали, которые вы поместили в лимон или

лимонный сок, могут потерять свой цвет, но оставаться пригод-

ными для повторного использования. Захотите ли вы съесть этот

лимон после, зависит только от вас.

базОвые сведения

Положительный и отрицательный

Если электричество это поток электронов, которые имеют от-

рицательный заряд, то почему люди говорят, что электрический

ток течет от положительного вывода батарейки к отрицательному?

Ответ лежит в фундаментальном заблуждении, которое сфор-

мировалось в процессе изучения электричества. По различ-

ным причинам Бенджамин Франклин пытался понять природу

Электроника для начинающих

48

Глава 1

электрического тока, изучая такое явление, как молния во время

грозы. Он считал, что наблюдает «поток электрической жидко-

сти», которая течет от положительного полюса к отрицательному.

Франклин предложил эту концепцию в 1747 году.

Фактически Франклин сделал неудачную попытку объясне-

ния, которое оставалось неисправленным до тех пор, пока фи-

зик Дж. Дж. Томсон не объявил о своем открытии электрона в

1897 году, т. е. на 150 лет позже. Электрический ток на самом

деле течет из области с большим количеством отрицательного

заряда в некоторую другую область, которая «менее отрица-

тельна» — что означает, что она «более положительна». Другими

словами, электрический ток это поток отрицательно заряжен-

ных частиц. В батарее этот поток начинается на отрицательном

выводе и течет к положительному.

Вы можете подумать, что когда этот факт был установлен, то

все стали опровергать идею Франклина, что поток электриче-

ских зарядов течет от положительного вывода к отрицатель-

ному. Но когда электрон двигается по проволоке, вы можете

продолжать думать, что эквивалентный положительный заряд

перемещается в противоположном направлении. Когда же

электроны покидают свое «место жительства», они забирают с

собой небольшой отрицательный заряд; поэтому оставшееся

место становится более положительным. Когда же электрон до-

стигает своего места назначения, его отрицательный заряд де-

лает его несколько менее положительным. Должно случиться

что- то очень существенное, чтобы предположение о движении

положительных частиц в обратном направлении изменилось.

Более того, все математическое описание поведения электри-

ческих зарядов справедливо, если его применять, используя

представление о потоке положительных частиц.

Отдавая дань традиции и удобствам, мы все еще оставляем

действующей ошибочную концепцию Бена Франклина о пото-

ке положительных частиц к отрицательному полюсу, поскольку

на самом деле никакой разницы нет. В графических условных

обозначениях, которые используются для обозначения диодов

и транзисторов, вы все еще найдете стрелки, которые показы-

вают каким образом эти компоненты должны быть установле-

ны — и все эти стрелки указывают направление от положитель-

ного к отрицательному полюсу, даже если это и не соответству-

ет тому, как на самом деле функционируют эти устройства! Бен

Франклин возможно был бы удивлен, если бы узнал, что хотя

молнии представляют собой потоки отрицательного заряда в

облаках, которые разряжаются для нейтрализации на положи-

тельном заряде земли, некоторые виды молний на самом деле

представляют собой потоки электронов от отрицательно заря-

рис. 1.65. При некоторых погодных

условиях поток электронов во время

женной поверхности земли к положительно заряженным обла-

молнии может пройти с поверхности

кам. Это действительно так: и те кого «ударяет молнией» могут

земли через ваши ноги, верхнюю часть

пострадать именно от испускания электронов, как это показано

головы и далее в облака. Бенджамин

Франклин был бы этому очень удивлен

на рис. 1.65, а не от их получения.

Электроника для начинающих

Получение опыта в изучении электроники

49

теОрия

Основные измерения

Электрический потенциал измеряется за счет сложения

зарядов отдельных электронов. Основной единицей измере-

ния заряда является кулон , который равен заряду примерно

6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Если вы знаете, как много электронов проходит через кусок

провода каждую секунду, то вы можете определить поток элек-

трических зарядов, который выражается в амперах. Фактически

один ампер может быть определен, как один кулон в секунду.

Таким образом:

1 ампер = 1 кулон/сек =

= примерно 6,25 квинтильонов электронов/сек =

= 6,25 × 1018 электронов/сек.

Не существует такой возможности непосредственно «увидеть»

то количество электронов, которое протекает по проводнику

(рис. 1.66), но имеются косвенные методы получения этой инфор-

мации. Например, когда электрон перемещается по проводу, он

создает электромагнитное поле вокруг себя. Это поле может быть

измерено, и мы можем рассчитать число ампер на основе этого из-

мерения. Счетчик, установленный в вашем доме электросбытовой

компанией, может функционировать именно по этому принципу.

Если электроны двигаются свободно, то они не совершают

работы. Если у вас имеется замкнутая цепь из провода с нуле-

вым сопротивлением, и вы каким- либо образом создадите в

нем поток электронов (электрический ток), то он может пере-

мещаться по проводу бесконечно долго. (Это то, что происходит

внутри сверхпроводников — картина почти аналогична.)

В обычных условиях провод имеет то или иное значение со-

противления. Сила, которая нужна, чтобы «проталкивать» элек-

рис. 1.66. Если вы посмотрите внутрь элек-

троны по проводу, известна как « напряжение», она создает ток, трического провода с помощью достаточно

который может выделять тепло, наблюдаемое вами при зако-

мощного увеличительного устройства, а по

проводу будет протекать поток электронов

рачивании батареи питания. (Если используемый вами провод силой в 1 А в единицу времени, то вы смо-

имеет нулевое сопротивление, то поток электронов, который жете увидеть примерно 6,25 квинтильона

по нему движется, не будет создавать какую-

электронов, проходящих мимо вас каждую

либо теплоту). Мы

можем использовать тепло напрямую, как это делается при экс-

секунду

плуатации электропечи, или же мы можем использовать элек-

трическую энергию другими способами — для запуска двига-

теля, например. Тем или иным способом мы отбираем энергию

электронов для того, чтобы выполнять какую- либо работу.

Один вольт может быть представлен, как единица напряже-

ния, которая нужна для создания тока величиной 1 А, соверша-

ющего работу величиной 1 Вт. Как уже было определено ранее:

1 Вт = 1 В × 1 А. Однако эта формула может быть переписана

и по-другому:

1 в = 1 вт/1 а.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

50

Глава 1

Эта форма записи более правильная, поскольку «ватт»

в принципе может быть определен, как неэлектрическая едини-

ца измерения. Только для расширения ваших знаний мы можем

вернуться назад к метрической системе единиц:

1 ватт = 1 джоуль/сек.

1 джоуль — это единица работы (энергии), равная работе

силы величиной в 1 ньютон при перемещении тела на расстоя-

ние в 1 метр в направлении действия силы; 1 ньютон — это сила,

которая необходима, чтобы придать телу массой 1 кг скорость

1 м/сек в течение 1 секунды.

На этой основе электрические единицы могут быть связаны

с измерениями массы, времени и заряда электронов.

рассуждая с практической точки зрения

Для практических задач интуитивное понимание того, что

такое электричество, может быть более полезным, чем теория.

Лично я предпочитаю аналогии с водой, которые использовались

десятилетиями для объяснения электричества. На рис. 1.67 по-

казан высокий наполовину заполненный водой бак, в котором

почти у дна сделано отверстие. Представим, что этот бак элек-

трическая батарейка. Высоту воды можно сравнить с напряже-

нием. Объем воды, который проходит через отверстие в секунду,

можно сравнить с силой тока в амперах. Малая величина отвер-

стия сравнима с большим сопротивлением.

рис. 1.67. Если вы хотите получить

больше работы от системы …

А где же прячется мощность на этой картинке? Предполо-

жим, что рядом с баком расположено небольшое водяное колесо,

которое будет крутиться потоком воды из отверстия. Мы можем

подключить какой- либо механизм к этому водяному колесу. Те-

перь поток будет совершать некоторую работу. Имейте в виду,

что мощность это мера работы, иначе говоря, мощность равна

отношению работы к промежутку времени, в течение которого

она совершается.

Может быть, это выглядит, как будто мы получаем что- то

даром, извлекая работу из водяного колеса, не возвращая какую-

либо энергию обратно в систему. Но помните, уровень воды в

баке падает. Но как только я добавлю несколько помощников,

которые будут перетаскивать воду обратно в сосуд (рис. 1.68), вы

сможете увидеть, что мы обязательно должны совершить работу,

чтобы получить ее обратно.

Аналогичным образом батарея отдает энергию не получая

ничего, лишь только химические реакции внутри батареи будут

преобразовывать чистые металлы в металлические соединения,

рис. 1.68. …тем или иным способом,

а мощность, которую мы извлекаем из батарейки, не дает воз-

вы должны вернуть «работу» (энергию)

обратно в бак

можности изменить это состояние. Если же это аккумуляторная

Получение опыта в изучении электроники

51

батарея (аккумулятор), то мы можем «помещать» энергию обрат-

но в нее, направляя химическую реакцию в обратном направлении.

Возвращаясь обратно к сосуду с водой, предположим, что мы

не можем извлечь достаточно мощности из него, чтобы крутить

колесо. Одним способом решения проблемы будет добавление

воды. Больший уровень воды приведет к более высокому дав-

лению и соответственно большему напору воды (рис. 1.69). Это

будет то же самое, что и удвоение напряжения при последова-

тельном соединении двух батареек, когда отрицательный вывод

одной батарейки подключается к положительному выводу дру-

гой (рис. 1.70). В течение всего времени пока сопротивление в

цепи будет оставаться неизменным, увеличение напряжения бу-

дет приводить к соответствующему увеличению тока, поскольку

ток равен напряжению, деленному на сопротивление.

Высокий уровень воды

,5 В

Большее давление создает более мощный

поток, аналогично тому, как при увеличении

Более высокое

напряжения возрастает ток, в то время как

Напряжение 1

давление

сопротивление остается таким же, поскольку

(напряжение)

ток равен напряжению, деленному

на сопротивление (I = U/R)

Напряжение 3 В

Неизменное сопротивление

рис. 1.70. Когда вы подключаете две

одинаковых батарейки последователь-

рис. 1.69. Больший уровень воды создает более мощный поток, пока сопротивление ему

но, то вы тем самым увеличиваете их

остается таким же

общее напряжение

А что если нам надо крутить два колеса вместо одного? Мы

можем пробить второе отверстие в баке, и давление при этом бу-

,

дет одинаковым для каждого из отверстий. Однако уровень воды

,5 В ьше

в сосуде будет понижаться в два раза быстрее. На самом деле нам

ол лужбы

лучше бы взять точно такой же второй сосуд. По аналогии с ба-

аза б

тарейками, если вы соедините две одинаковые батарейки парал-

2 р срок с

лельно, то в результате получите точно такое же общее напряже-

Напряжение 1 но в

ние, но которое будет поддерживаться в два раза более продол-

жительного времени (рис. 1.71). Кроме того, две такие батарейки рис. 1.71. Две одинаковые батарейки, будут в состоянии выдавать соответственно больший ток, чем в соединенные параллельно, будут вы-

давать одно и то же напряжение в два

том случае, когда вы используете только одну батарейку.

раза дольше, чем одна

52

Глава 1

Итак, подведем итоги.

• Две одинаковые батарейки, соединенные последовательно,

увеличивают общее напряжение в два раза.

• Две одинаковые батарейки, соединенные параллельно, при

одном и том же значении напряжения могут в два раза уве-

личить ток.

Отлично, теперь в нашем распоряжении теоретических све-

дений более чем достаточно. В следующей главе мы продолжим

выполнять некоторые эксперименты, которые будут и далее за-

кладывать фундаментальные представления об электричестве,

постепенно продвигая нас к пониманию внутренней конструк-

ции различных электронных устройств, которые могут быть нам

интересными и полезными.

ОснОвы ПереКлюЧения

и мнОГОе друГОе Глава 2

Концепция переключения (коммутации) является фунда-

в этой главе

ментальной в электронике, и я имею в виду не только мощные

сетевые выключатели. Под «переключением» я имею в виду ис-

Список необходимых покупок

пользование одного электрического тока для переключения или

для экспериментов с 6 по 11

управления другим. Это настолько важный принцип, что ни одно

Эксперимент 6.

цифровое устройство не может существовать без него.

Очень простое переключение

Сегодня переключение в основном осуществляется полупро-

Эксперимент 7 .

водниками. До того, как я начну разбираться с этим понятием,

Включение с ветодиодов

я вернусь назад и проиллюстрирую вам принцип работы реле,

с помощью реле

которые легче для понимания, поскольку можно увидеть, что

Эксперимент 8 .

происходит у них внутри. И еще до того, как я перейду к реле

Релейный генератор

я хочу обсудить обычные переключатели, которыми мы пользу-

Эксперимент 9 .

емся очень часто. Эти переключатели, выглядя очень простыми,

Время и конденсаторы

помогут нам определить и понять основные принципы.

Эксперимент 1 0.

Также в этой главе рассмотрим электрическую емкость, по-

Транзисторное переключение

скольку емкость и сопротивление являются фундаментальными

Эксперимент 1 1.

понятиями в электронных схемах. В конце данной главы вы по-

Модульный проект

лучите основные сведения об электронных элементах, которые

позволят вам построить схему, генерирующую звук в простой си-

стеме сигнализации, предназначенной для защиты от проникно-

вения. Это будет ваша первая схема, которая будет делать что- то

гениально полезное!

сПисОК неОбхОдимых ПОКуПОК

для эКсПериментОв с 6 ПО 11

Как и в случае с первым списком закупок, вам надо будет

с помощью Интернета посетить несколько различных сайтов

поставщиков электронных изделий и определить цены компо-

нентов и устройств. Как правило, производители редко прода-

ют небольшие партии изделий напрямую. Полный список сай-

тов компаний, которые здесь будут упоминаться, представлен

в приложении.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

54

Глава 2

устройства

• Блок питания или универсальный сетевой адаптер, на вы-

ходе которого имеется напряжение от 3 до 12 В при токе до

1 А (1000 мА) (рис. 2.1). Компонент 273–029 от компании

RadioShack, или PH-62092 от Philips, или аналогичные им.

• Макетная плата, пригодная для установки на нее интеграль-

ных схем. Количество — 1 шт. (рис. 2.2–2.3). Компонент

276–002 от компании RadioShack, компонент 383-X1000, из-

рис. 2.1. Этот сетевой адаптер на вы-

готовленная PSP, деталь 923252-I от 3M или аналогичные

ходе выдает напряжение от 2 до 12 В

и является идеальным устройством

им. Макетная плата, которая имеет клеммы с винтовым кре-

для реализации электронных проектов

плением, находящиеся на краю платы, которыми несколько

легче пользоваться, но они гораздо дороже тех, которые не

имеют таких клемм.

Приборы и инструменты

Инструменты для снятия изоляции с проводов

Идеальный инструмент для снятия изоляции с проводов

(зачистки проводов), которые согласно американскому обозна-

чению AWG (American Wire Gauge — американский сортамент

проводов или иначе « калибр проводов») имеют значения от 16 до

26. Инструмент 45–121 или аналогичные ему (рис. 2.4). Поня-

тие « сортамент проводов» или « калибр проводов» указывает на

совокупность проводов, отличающихся по толщине (диаметру)1.

рис. 2.2. Эта макетная плата предназна-

чена для быстрого сбора электронных

Большее значение по американскому стандарту (AWG) означает

схем; она имеет металлическое осно-

более тонкий провод. В этой книге мы будем в основном при-

вание, а также клеммы с винтовым кре-

менять тонкие провода от 20 до 24 AWG, что соответствует диа-

плением для подключения проводов от

источника питания

метру от 0,81 до 0,51 мм для одножильного провода.

Вы конечно для использования можете рассматривать и ав-

томатические устройства для снятия изоляции с проводов компа-

нии Kronus компонент 64–2981 с сайта компании RadioShack или

компании GB — компонент SE-92 с сайта компании Amazon.com

(рис. 2.5).

По своим функциональным возможностям инструменты для

снятия изоляции компаний Kronus и GB идентичны. Преимуще-

ством такой конструкции инструментов является то, что она дает

возможность снимать изоляцию, используя только одну руку.

Однако такие устройства не слишком хороши для очень тонкого

провода.

1 За техническими обозначениями проводов обычно следуют метрические

обозначения проводов — это диаметр в миллиметрах, суммарная площадь сече-

рис. 2.3. Макетная плата без клемм почти

ния в квадратных миллиметрах для одножильных проводов или число жил, их

такая же удобная, но немного дешевле

диаметр и площадь сечения для многожильных. — Ред.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

55

рис. 2.4. Для того чтобы использовать

рис. 2.5. Такие автоматические уст-

рис. 2.6. Использование монтажных

такой инструмент для снятия изоляции,

ройства для снятия изоляции дают воз-

проводов с разным цветом изоляции

надо вставить конец изолированного

можность выполнять эту операцию, поможет вам в ваших схемах отличать

провода в отверстие соответствующего

используя только одну руку, но непри-

один провод от другого

размера между губками инструмента,

годны для снятия изоляции с проводов

а затем сжать рукоятки и снять изоля-

малой толщины (см. подразд. «Инстру-

цию

менты» разд. Эксперимент 6. Очень

простое переключение» этой главы)

расходуемые материалы

Монтажный провод

Одножильный провод 22 AWG (диаметром 0,64 мм), мини-

мальной длиной 7,6 м каждого цвета (рис. 2.6). Компонент 278–

1222 с сайта компании RadioShack, номер по каталогу 9948T17 от рис. 2.7. Для выполнения эксперимен-

McMaster-

тов этой главы лучше всего подойдет

Carr или проверьте похожие предложения, которые

одножильный провод 22 AWG (диаметр

есть на интернет- аукционе eBay.

0,64 мм) или 24 AWG (0,51 мм)

Очень просто можно купить не тот провод, что требуется.

Для экспериментов вам понадобится одножильный провод, ко-

торый имеет один проводник внутри синтетической изоляции,

а не многожильный, который содержит много скрученных про-

водящих проводов меньшего диаметра (рис. 2.7–2.8). Поскольку

вам понадобится проталкивать провода в маленькие отверстия

макетной платы, а многожильные провода из скрученных про-

водков вам этого сделать не позволят. Вы также будете иметь

проблемы, если приобретете толстый провод с размером меньше

22 AWG. Следует помнить, что: чем меньше значение в амери-

канском обозначении AWG, тем толще провод.

За небольшие дополнительные деньги вы можете купить

набор уже предварительно нарезанных проводов и со снятой

на концах изоляцией, которые будут готовы для использова-

рис. 2.8. Многожильные провода, состо-

ния (рис. 2.9). Попробуйте ознакомиться с позицией JW-140 ящие из скрученных проводков, облада-

ют большей гибкостью, но их не всегда

(ассортимент проводов для перемычек) в каталоге компании легко вставлять в макетные платы

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

56

Глава 2

All Electronics или поищите в интернет- аукционе eBay по запросу

«провод для макетной платы» («breadboard wire»).

Соединительные провода

Такие соединительные провода не являются обязательными,

но они очень удобны. Вам не потребуются провода, предназна-

ченные для аудио- и видеооборудования, которые обычно име-

ют разъемы на обоих концах, а пригодятся провода с обычными

рис. 2.9. Предварительно нарезанные

зажимами типа «крокодил» с каждого конца, которые также ино-

провода с уже зачищенными концами

гда называют «проверочными концами» (test leads). Попробуйте

помогут вам сохранить много времени

и уменьшить количество проблем, если

посмотреть позицию 461–1176-ND из каталога компании Digi-

конечно вы готовы потратить на прово-

Key или позицию MTL-10 из каталога компании All Electronics

да несколько большую сумму

(рис. 2.10).

Компоненты

Кнопки

Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный

однопозиционный ( SPST — single- pole single- throw switch), ко-

торый иногда называют переключатель типа Выкл.-(Вкл.) или

(Вкл.)-Выкл. (в англ. обозначении OFF-(ON) или (ON)-OFF).

рис. 2.10. Соединительные провода, Он должен быть пригоден для монтажа на печатной плате или

иногда называемые проверочными кон-

в ПК, что означает, что он должен быть с небольшими штырь-

цами, состоят из проводов с присоеди-

ковыми выводами в нижней части (рис. 2.11). Количество —

ненными зажимами типа «крокодил» на

обоих концах. Это еще один удобный не-

1 шт.

большой предмет «роскоши», который

Примерами могут служить кнопка AB11AP от компа-

наверняка станет вам очень полезным

нии NKK switches, или MPA103B04 от Alco- switch, или кнопка

EP11SD1CBE от компании C&K switch. Если у вас есть выбор, то

покупайте самые дешевые, поскольку мы собираемся использо-

вать кнопочные переключатели, спроектированные на очень ма-

лые значения тока.

Переключатели

Перекидной переключатель или просто тумблер (рис. 2.12),

однополюсный на два положения или переключатель на одно

направление и два положения (SPDT — single- pole, double-

throw), иногда обозначается, как переключатель типа Вкл.- Вкл.

(англ. ON- ON). Количество — 2 шт.

Тумблер типа S302T- RO от компании NKK switches является

идеальным выбором; он имеет выводы с винтовым соединени-

рис. 2.11. Контактные выводы этого ем, которые устраняют необходимость использования «кроко-

маленького кнопочного переключателя

выступают на 0,2'' (5 мм), что делает его

дилов». Другими возможными вариантами могут быть пере-

идеальным для крепления на макетной

ключатель MTS-4PC от компании All Electronics или компонент

плате, которую вы собираетесь исполь-

зовать

275–603 от RadioShack.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

57

Мы не собираемся переключать большие токи или высокие

напряжения, поэтому выбор конкретной модели переключате-

ля не играет большой роли. Однако выводы на переключателях

большого размера расположены соответственно на большем рас-

стоянии друг от друга, что упрощает их использование.

Реле

Электромеханическое силовое реле с двумя направления-

ми и двумя положениями переключения ( DPDT — double- pole

double- throw) или иначе двухполюсное двухпозиционное, с са-

мовозвратом (без фиксации), на постоянное рабочее напряже-

ние 12 В. Количество — 2 шт.

Очень важно использовать правильный тип реле — а именно

такое, которое аналогично изображенному далее на картинках

для эксперимента 7 и которое использую я. Обратите внимание рис. 2.12. Это относительно большой

на реле FTR-

тумблер, изготовленный компанией NKK,

F1CA012V или FTR- F1CD012V от компании Fujitsu,

имеет выводы с винтовым соединением,

G2RL-24-DC12 от Omron или OMI-

которые более удобны для крепления

SH-212D от Tyco. Следует из-

бегать использовать другие.

к ним коммуникационных проводов

Потенциометр

Потенциометр с линейной характеристикой на 1 МОм, но-

мер компонента № 271–211 от компании RadioShack, компонент

№ 24N-1M-15R- R от Jameco или аналогичные им.

Транзисторы

Биполярный транзистор n- p-n- типа общего назначе-

ния (рис. 2.13), например, такой как 2N2222 от компании

STMicroelectronics, PN2222 от Fairchild или 2N2222 от Radio-

рис. 2.13. Транзисторы обычно прода-

ются либо в маленьких металлических

Shack. Количество — 4 шт.

корпусах, либо в небольших герметич-

Однопереходный транзистор с управляемым порогом 2N6027, ных пластиковых полуцилиндрах. Для

нашей цели форма, в которую «упако-

произведенный компанией On Semiconductor или Motorola. Коли-

ваны» транзисторы, не имеет никакого

чество — 4 шт.

значения

Конденсаторы

Электролитические конденсаторы в ассортименте (рис. 2.14).

Конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение мини-

мум 25 В и, по меньшей мере, один из них должен иметь емкость

1000 мкФ (микрофарад). Если вы осуществляете поиск деталей

на интернет- аукционе eBay, то необходимо убедиться в том, что

вы нашли именно электролитические конденсаторы.

Если они имеют рабочее напряжение больше указанного

значения, то это нормально, хотя их физические размеры и будут рис. 2.14. Электролитические конден-

больше, чем это вам необходимо.

саторы в ассортименте

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

58

Глава 2

Керамические конденсаторы в ассортименте (рис. 2.15). Сле-

дует убедиться, что у вас есть, по меньшей мере, один конденса-

тор номиналом 0,0047 мкФ (который также можно записать, как

47 нФ (нанофарады)).

Резисторы

Если вы купили только минимальный набор резисторов

для экспериментов с 1 до 5, то теперь наступает момент приоб-

ретения более широкого ассортимента, чтобы вы не попадали в

затруднительное положение при наличии всего одной позиции

рис. 2.15. Керамические конденсаторы

в основном выглядят так, как этот, хотя

данного номинала. Мощность резисторов должна быть минимум

многие из них являются круглыми или

0,25 Вт.

имеют полукруглую форму вместо ква-

дратной. Внешняя форма конденсатора

для нас не имеет никакого значения

Динамик

Подойдет любой миниатюрный динамик сопротивлением

8 Ом и диаметром около 2,5 см, как например, компонент номер

273–092 от компании RadioShack (рис. 2.16).

Эксперимент 6

ОЧень ПрОстОе ПереКлюЧение

Вам понадобятся:

1. Батарейки типа AA напряжением 1,5 В. Количество — 4 шт.

2. Держатель для 4 батареек типа АА. Количество — 1 шт.

3. Светодиод. Количество — 1 шт.

4. Тумблер на одно направление (однополюсный) (см.

рис. 2.16. Этот миниатюрный динамик

рис. 2.12). Количество — 2 шт.

диаметром немногим более 1'' (2,54 см)

5. Резистор сопротивлением 220 Ом или близкий к этому зна-

применяется в транзисторных цепях

для проверки аудиовыхода

чению мощностью минимум 0,25 Вт. Количество — 1 шт.

6. Зажимы типа «крокодил». Количество — 8 шт.

7. Провод или коммуникационные провода (см. рис. 2.10).

8. Кусачки для проводов и инструмент для снятия изоляции с

проводов (см. рис. 2.4), если вы не собираетесь использовать

коммуникационные провода.

В эксперименте 3 вы зажигали светодиод за счет подключе-

ния батарейки, а также выключали его, отключая батарейку. Для

большего удобства наши цепи должны иметь подходящие пере-

ключатели для управления напряжением питания, а поскольку

я использую переключатели общего назначения, то собираюсь

пустить в ход все их разновидности, используя цепь, которая

предоставляет такие возможности.

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

59

Соедините все компоненты так, как это показано на

рис. 2.17 и рис. 2.18. Длинный вывод светодиода должен быть

подключен к резистору, поскольку в этой точке цепи будет более

положительный потенциал, чем в точке подключения короткого

вывода.

Длинный вывод

Короткий вывод

светодиода

светодиода

Блок батареек на 6 В

рис. 2.17. Если светодиод горит, то переключение любого из тумблеров приведет к его вы-

рис. 2.18. Полноразмерные тумблеры с

ключению. Если светодиод выключен, то переключение любого из тумблеров будет вклю-

выводами, имеющими винтовые соеди-

чать его. Для присоединения проводов друг к другу следует использовать зажимы типа

нения, спроектированы именно для

«крокодил». Некоторые провода подключаются прямо к тумблерам, и поэтому будет лучше,

того, чтобы можно было легче их вклю-

если их выводы будут иметь винтовые соединения. Будьте внимательны, чтобы оголенные

чать в цепь

части «крокодилов» не касались друг друга

Вы можете заметить, что в этой схеме добавлена пара неболь-

ших отрезков проводов, подключаемых к тумблерам. Я предлагаю

для этого использовать зеленый провод, чтобы напомнить, что

эти части схемы не имеют прямого соединения с положительным

или отрицательным выводом источника питания. В принципе вы

можете использовать провод любого цвета. Кроме того, для этой

цели вы можете использовать коммуникационные провода с уже

подсоединенными «крокодилами», если они у вас, конечно, есть.

В противном случае вам наверняка придется удалять часть изо-

ляции с проводов, что, безусловно, потребует от вас некоторого

навыка, поэтому сейчас давайте потренируемся с этим.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

60

Глава 2

инструменты

Если автоматический инструмент для снятия изоляции

(рис. 2.19) не захватывает провод 22 AWG (диаметром 0,64 мм)

достаточно эффективно, то попробуйте инструменты компании

Kronus, которые показаны ранее на рис. 2.4, или используйте

удобные и простейшие инструменты для снятия изоляции, кото-

рые показаны на рис. 2.20. При использовании простых кусачек

для проводов надо держать провод одной рукой и, удерживая ин-

струмент другой рукой, слегка сжать рукоятки — с таким расче-

том, чтобы этого усилия было достаточно только для снятия изо-

ляции, и в то же время надо не переусердствовать, чтобы не пере-

резать провод. Затем потяните за провод, одновременно отводя в

противоположную сторону кусачки. После небольшой практики

рис. 2.19. Использование автоматиче-

ского инструмента для удаления изо-

вы научитесь легко снимать изоляцию, оголяя концы проводов.

ляции, когда вы сжимаете рукоятки,

Некоторые крутые компьютерные фанаты для снятия изо-

губки слева зажимают провод, а острые

лезвия с вырезами справа надкусывают

ляции с проводов используют свои зубы (рис. 2.21). Когда я был

изоляцию. Увеличение сжатия приводит

молод, я тоже использовал такой способ. У меня были два слегка

к тому, что губки и лезвия отходят друг

раздвинутых зуба, чтобы делать это. На самом деле такую работу

от друга, снимая изоляцию с провода

лучше всего доверить соответствующему инструменту.

Проблемы подключения

В зависимости от размера тумблера, который вы используе-

те, у вас могут возникнуть проблемы при закреплении «кроко-

дилов» на выводах тумблера для подключения к ним проводов.

С миниатюрными тумблерами, которые встречаются в наше вре-

мя гораздо чаще, чем полноразмерные, может быть особенно

хлопотно (рис. 2.22).

рис. 2.20. Чтобы снять изоляцию с кон-

ца провода, вы можете использовать

простые кусачки для проводов, но для

рис. 2.21. Те, кто склонен забывать место, куда они положили свой инструмент, и кто

этого вам потребуется немного попрак-

чувствует, что искать его бесполезно, могут успокоить себя, используя свои зубы для снятия

тиковаться

изоляции с провода. Однако это может оказаться не слишком хорошей идеей…

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

61

Потерпите, очень скоро мы будем использовать макетную

плату, которая почти совсем не требует использования «кроко-

дилов».

тестирование

Следует убедиться, что вы подключили более длинный вывод

светодиода так, что он соединен с точкой, расположенной ближе

к положительному выводу источника напряжения (в данном слу-

чае к резистору). Теперь щелкните любым тумблером. Если све-

тодиод находился во включенном состоянии — светил, то он от-

ключится, а если был в выключенном состоянии, то включится.

Переключите другой тумблер, вы получите тот же самый эффект.

Если же светодиод вообще никак не загорается, то возможно вы

неверно собрали схему. Другая опасность заключается в том, что

при использовании «крокодилов» можно случайно закоротить рис. 2.22. Можно, конечно, использо-

батарейку.

вать миниатюрные тумблеры, лучше, ко-

нечно, соответственно с миниатюрными

Предположим, что все получилось, и два переключателя вы-

зажимами типа «крокодил», но при этом

полняют работу так, как я описывал ее. Что же в данном случае надо быть очень внимательным, чтобы

не допустить короткого замыкания

происходит? Подошло время разобраться с несколькими основ-

ными фактами.

Фундаментальные сведения

все о переключателях

Когда вы переключаете тумблер, который используется в экс-

перименте 6, то вы соединяете центральный вывод тумблера с

одним из его выводов на краю. Переключение назад приводит

к тому, что центральный вывод соединяется с другим крайним

выводом, как это показано на рис. 2.23.

Центральный контакт называют полюсом переключателя .

Поскольку вы можете выполнить переключение или вернуть

его обратно, то этот переключатель имеет только два возмож-

ных положения, поэтому он называется двухпозиционным пере-

ключателем или переключателем на два положения.

Как указывалось ранее, однополюсный двухпозиционный пе-

реключатель имеет аббревиатуру SPDT (single- pole, double- throw).

Некоторые переключатели являются переключателями типа

Вкл./Выкл. (англ. ON/OFF), что означает, что они могут выпол-

нить только одно соединение в одном положении, а в другом

положении нет. Большинство из выключателей света в вашем

доме являются именно переключателями такого типа. Они из-

Соединены

Соединены

вестны как однопозиционные переключатели .

рис. 2.23. Центральный вывод называ-

Однополюсный однопозиционный переключатель имеет аб-

ют полюсом переключателя. Когда вы

перемещаете тумблер, полюс меняет

бревиатуру SPST (single- pole single- throw).

позицию подключения

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

62

Глава 2

Некоторые переключатели имеют два совершенно независи-

мых полюса, поэтому вы можете одновременно делать два неза-

висимых подключения, когда переключаете переключатель. Та-

кой переключатель называется двухполюсным переключателем.

Обратитесь к фотографиям на рис. 2.24–2.26, где показаны пе-

рекидные переключатели «ножевого» типа устаревшей конструк-

ции (рис. 2.27) (они все еще используются на уроках электроники в

школах), и вы получите начальное представление об одно- и двух-

полюсных, а также об одно- и двухпозиционных переключателях

и тумблерах. Различные виды тумблеров, контактные группы ко-

торых находятся внутри корпуса, показаны на рис. 2.28.

рис. 2.24. Эта простейшая конструк-

рис. 2.25. Однополюсный однопозици-

рис. 2.26. Двухполюсный однопозици-

ция однополюсного двухпозиционного

онный переключатель выполняет под-

онный переключатель выполняет два

переключателя выполняет в точности

ключение только одного полюса. У него

раздельных включения / выключения

то же самое, что и тумблеры, которые

имеется только два простых состояния:

одновременно

показаны на рис. 2.23 и 2.28

замкнуто и разомкнуто, т. е. Вкл. и Выкл.

КОНТАКТ

ПОЛЮС

КОНТАКТ

рис. 2.27. Этот сошедший с ума ученый готов подать

рис. 2.28. Все эти переключатели

напряжение на свою экспериментальную установку.

являются тумблерами. Как правило,

С этой целью он использует однополюсный двухпози-

чем большие размеры имеет пере-

ционный переключатель ножевого типа, удобно смон-

ключатель, тем больший ток он может

тированный на стене в его подвальной лаборатории

коммути ровать

Основы переключения и многое другое

63

Для интереса вы можете приобрести переключатели, у кото-

рых три или четыре полюса. (Некоторые поворотные переклю-

чатели имеют даже большее количество полюсов, но мы их не

будем использовать.) Кроме того, некоторые двухпозиционные

переключатели имеют дополнительное «среднее выключен-

ное» положение.

Собрав их все вместе, я составил таблицу возможных типов

переключателей (табл. 2.1). Когда вы читаете каталог деталей,

вы можете легко проверять по этой таблице и вспоминать, что

означает каждая аббревиатура.

Таблица 2.1

Обобщенная таблица всех возможных вариантов

тумблерных переключателей и нажимных кнопок

Одно­

двух­

трех­

Четырех­

полюсный полюсный полюсный полюсный

Однопозиционные

SPST

DPST

3PST

4PST

Вкл- Выкл

Вкл- Выкл

Вкл- Выкл

Вкл- Выкл

(ON- OFF)

(ON- OFF)

(ON- OFF)

(ON- OFF)

двухпозиционные

SPDT

DPDT

3PDT

4PDT

Вкл- Вкл

Вкл- Вкл

Вкл- Вкл

Вкл- Выкл- Вкл

(ON- ON)

(ON- ON)

(ON- ON)

(ON- ON)

двухпозиционный

SPDT

DPDT

3PDT

4PDT

со средним выклю­

Вкл- Выкл- Вкл

Вкл- Выкл- Вкл

Вкл- Выкл- Вкл

Вкл- Выкл- Вкл

ченным (нейтраль­

(ON- OFF- ON)

(ON- OFF- ON)

(ON- OFF- ON)

(ON- OFF- ON)

ным) положением

Теперь выясним, что такое кнопочный переключатель? Когда

вы нажимаете кнопку дверного звонка, вы замыкаете электриче-

ский контакт, поэтому это какой- то тип переключателя; на самом

деле корректным названием для этого переключателя является

« переключатель с самовозвратом» или « переключатель без

фиксации», поскольку он осуществляет кратковременное соеди-

нение контактов. Любой подпружиненный переключатель или

кнопка, которые «хотят» вернуться в свое исходное положение,

называется переключателем без фиксации. При обозначении

переключателя его кратковременное состояние будем заклю-

чать в скобки. Далее приведем некоторые примеры.

• Выкл.-(Вкл ) — поскольку состояние Вкл. (ON) заключено в

скобки, то это означает, что в этом состоянии переключатель

пребывает кратковременно. Поэтому это однополюсный

переключатель, который выполняет замыкание контактов

только тогда, когда вы на него нажимаете, и возвращается об-

ратно, выполняя отключение, когда вы его отпускаете. Он так-

же известен, как переключатель без фиксации с «нормально

разомкнутыми» контактами, сокращенно «НР» (англ. NO —

normally open).

64

Глава 2

• Вкл.-(Выкл.) — противоположный ему по свойствам однопо-

люсный переключатель без фиксации. В нормальном состоя-

нии он включен — Вкл. (ON), но когда вы нажимаете на него,

он размыкает цепь. Поэтому выключенное состояние —

Выкл. (OFF) — является его кратковременным состоянием.

Он также известен, как переключатель без фиксации с «нор-

мально замкнутыми» контактами, сокращенно «НЗ» (англ.

NС — normally closed).

• (Вкл.)-Выкл.-(Вкл.) — этот переключатель имеет среднее вы-

ключенное (нейтральное) положение. Когда вы меняете его

положение в любую сторону, он мгновенно выполняет сое-

динение, а затем возвращается в среднее положение, когда

вы его отпускаете.

Другими возможными версиями переключателей такого

типа могут быть: Вкл.- Выкл.-(Вкл.) или Вкл.-(Вкл.). Так как вы те-

перь понимаете, что состояние в скобках означает, что в нем

переключатель находится кратковременно, то вы можете поду-

мать, зачем нужны такие переключатели.

Искрение

Когда вы замыкаете или размыкаете электрический контакт,

возникают условия, способствующие возникновения искры.

Искрение пагубно влияет на контакты переключателей. Оно

«поедает» их до тех пор, пока переключатель уже не сможет вы-

полнить нормальное соединение. По этой причине вы должны

использовать переключатель, который рассчитан именно на те

значения напряжения и тока, с которыми вы будете работать.

Электронные цепи обычно относятся к цепям с относительно

низкими значениями тока и напряжения, поэтому вы можете

использовать практически любой переключатель. Однако если

вы с его помощью включаете двигатель, то у него есть свойство

создавать в момент подключения начальный импульс тока, кото-

рый, по меньшей мере, будет в два раза больше номинального

тока двигателя, когда он вращается с постоянной скоростью. По-

этому для включения и выключения двигателя, потребляющего

ток 2 А, вам, возможно, понадобится переключатель на 4 А.

Проверка переключателя

Для проверки переключателя вы можете использовать муль-

тиметр. С его помощью вы можете определить: какие именно

контакты переключателя замыкаются, когда вы выполняете

переключение в одну или другую сторону. Прибор будет так-

же полезен, если у вас есть кнопочный переключатель, и вы не

можете вспомнить какого он типа — нормально разомкнутый

(вы нажимаете на кнопку, чтобы замкнуть контакт) или нормаль-

но замкнутый (вы нажимаете на кнопку, чтобы разорвать кон-

такт). На приборе выберите режим измерения сопротивления

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

65

и коснитесь измерительными щупами выводов переключателя,

когда вы его включаете/выключаете.

Примечание

При этом возникает некоторая трудность, которая связана с

В мультиметре режим

тем, что для того чтобы получить точный результат измерения,

прозвона можно использовать

нужно ожидать некоторое время после изменения положения

только при измерении в цепях

или на компонентах, которые

переключателя. Поэтому, если вы всего лишь хотите узнать о на-

не находятся под напряжени-

личии или отсутствии контакта, то на мультиметре надо выбрать

ем в момент выполнения их

режим «прозвона» (continuity tester) (рис. 2.29). При этом при-

прозвона.

бор будет выдавать звуковой сигнал при замыкании контактов

и хранить молчание, если замыкания нет. На рис. 2.30 приведен

пример выполнения прозвона тумблера.

рис. 2.29. Чтобы прозвонить цепь, нужно в вашем мультиметре повернуть переключатель режимов в положение, обозначенное

символом, показанным на рисунке. Функцией прозвона следует пользоваться только тогда, когда на компоненты или в цепи, которые вы проверяете, напряжение не подано

рис. 2.30. Когда переключатель замкнет контакты, то между соответствующими его

выводами, к которым подсоединены измерительные щупы мультиметра, установлен-

ного в режим прозвона, прибор будет показывать нулевое сопротивление, и при

этом еще будет раздаваться звуковой сигнал

Электроника для начинающих

66

Глава 2

базОвые сведения

старые системы переключателей

Переключатели относятся к настолько фундаментальному

явлению, существующему в нашем мире, а их концепция на-

столько проста, что очень легко забыть, что они прошли мно-

гоступенчатый процесс развития и улучшения конструкции.

Примитивные ножевые переключатели вполне устраивали

основоположников электричества, которые просто хотели вы-

полнить или разорвать электрическое соединение каких- либо

аппаратов в лаборатории, но затем, когда стали развиваться

телефонные системы, потребовался более сложный подход.

Обычно оператор на «коммутаторе» должен был найти способ

подключить любую из 10 000 линий на своей панели. Как это

можно было сделать?

В 1878 Чарльз Е. Скрибнер (Charles E, Scribner) (рис. 2.31)

разработал «гнездовой ножевой переключатель» («jack- knife

switch»), названный так, поскольку часть этого переключателя

оператор держал как ручку складного ножа. Выступающей ча-

стью в нем был штырь, и когда этот штырь вставлялся в гнездо,

то он замыкал контакт внутри гнезда. Гнездо, по сути, и было

переключателем (коммутатором).

Аудиоразъемы гитар и усилителей все еще работают по тому

же принципу, а когда мы говорим про них «вставить в гнездо»

(«jacks»), то этот термин относится к изобретению Скрибнера.

Контакт переключателя все еще находится внутри гнезда.

В настоящее время, конечно, телефонные коммутаторы ста-

ли такой же редкостью, как и телефонные операторы. Сначала

их заменили реле — переключатели с электрическим управ-

лением, о которых я расскажу далее в этой главе. А затем реле

были заменены транзисторами, которые осуществляют подклю-

чения не имея подвижных частей. Еще до конца этой главы мы,

используя транзисторы, научимся выполнять переключения.

рис. 2.31. Чарльз Е. Скрибнер (Charles

E. Scribner) изобрел «перекидной но-

введение в графическое отображение схем

жевой переключатель», который удо-

влетворял потребностям телефонных

На рис. 2.32 я схему эксперимента 6 нарисовал несколько

систем в начале 1900-х. Сегодня вилки

иначе, в более упрощенном виде, который известен, как «графи-

для подключения аудиоустройств рабо-

тают по тому же принципу1

ческий» или «схематический». Начиная с этого места и далее,

я буду иллюстрировать цепи, изображая их графически, посколь-

1

ку это делает их более простыми для понимания. Вам надо бу-

Фотография, на основе ко-

торой был сделан этот рисунок,

дет запомнить несколько символов, чтобы их интерпретировать.

появилась первый раз в «Истории

Сравним это схематическое представление с изображением

телефона», написанной Гербре-

цепи, приведенной на рис. 2.17. Они оба иллюстрируют одну и ту

том Ньютоном Кассоном (Herbert

же цепь: компоненты и соединения между ними. Серые прямо-

Newton Casson) в 1910 году (Чика-

го: A. C. McClurg & Co.).

угольники на графическом отображении означают переключатели,

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

67

а точнее тумблеры, зигзагообразной линией показан резистор,

а символом в виде черного треугольника с поперечной линией,

размещенных в небольшом кружке, и с двумя параллельными

стрелками, направленными от него, показан светодиод.

В условном графическом изображении светодиода эти две

стрелки показывают, что этот элемент излучает свет, поскольку

таким же символом, но без стрелок, изображаются обычные дио-

ды, к которым мы еще обратимся позднее. Черный треугольник

внутри символа диода всегда направлен от более положительно-

рис. 2.32. Эта схема отображает ту же

го к отрицательному выводу.

самую цепь, приведенную ранее на

Проследим путь, который проходит электрический ток в цепи, рис. 2.17. На этой схеме более понятны

функции используемых переключате-

и мысленно представим, что переключатели установлены в то или лей (тумблеров)

иное положение. Вы теперь ясно должны понимать, почему тум-

блеры изменяют состояние светодиода при их переключении.

Та же самая цепь используется в домах, когда для подсветки

Примечание

ступенек один выключатель находится внизу, а другой, который

редактора

управляет той же лампочкой, находится вверху пролета лестницы

Обратите внимание, что

(рис. 2.33). Провода в доме, конечно, значительно длиннее и они пе-

все графические условные обо-

реплетаются друг с другом прямо в стене, но поскольку их соедине-

значения в России должны ото-

ния аналогичны, они могут быть представлены той же самой схемой.

бражаться согласно принятым

В этой схеме не указано конкретно, где вы должны установить

ГОСТ'ам. При этом надо иметь в

виду, что некоторые российские

компоненты цепи. Она только показывает, каким образом нужно

условные обозначения отли-

выполнить соединения. При графическом отображении схем име-

чаются от американских обо-

ется одна проблема: разные люди несколько по-

значений. В книге же рисунки

иному изобража-

ют различные схематические символы, которые имеют один и тот

и соответственно все графи-

ческие обозначения оставлены

же смысл. Обратитесь к расположенному несколько далее разд.

без изменений, т. е. в исходном

«Фундаментальные сведения — Основные графические условные

виде.

обозначения», где эти сведения приведены более подробно.

Примечание

Версии большего размера

фотографий всех схем и макет-

ных плат можно найти в Ин-

тернете на сайте издатель-

ства английского варианта

этой книги: http://oreilly.com/

catalog/9780596153748

рис. 2.33. Схемы с двумя переключателями (выключателями) на рис. 2.17 и рис. 2.32 часто

используются в электросети дома, особенно, когда надо установить выключатели для од-

ного и того же светильника в нижней и верхней частях пролета лестницы. На эскизе показа-

но, что можно найти внутри стен. Провода подключены к специальным клеммам, находящим-

ся внутри распределительных коробок, которые скрыты от повседневного наблюдения

Электроника для начинающих

68

Глава 2

Фундаментальные сведения

Основные графические условные обозначения

Графические условные обозначения (символы) элементов

схем это все равно, что слова в языке: они меняются с годами,

проходя иногда ряд превращений. Например, простой выклю-

чатель типа Вкл.- Выкл. (ON- OFF) (однополюсный, однопозици-

онный или иначе SPST) может быть представлен одним из сим-

волов, которые приведены рис. 2.34. Все они имеют одно и то

же значение.

Контакт

Полюс

рис. 2.34. Вариации графического рис. 2.35. Некоторые различные виды

представления одного и того же одно-

отображения двухполюсного двухпо-

полюсного однопозиционного пере-

зиционного переключателя. В данной

ключателя на схемах. Нижний вариант

книге используется нижний вариант

используется в данной книге

справа

Основы переключения и многое другое

69

На рис. 2.35 показаны двухполюсные двухпозиционные

переключатели. Штриховая линия показывает механическую

связь внутри переключателя — таким образом, при его пере-

ключении из одного состояния в другое вы влияете на пере-

ключение обоих полюсов одновременно. Помните, что полюсы

электрически изолированы один от другого.

Иногда вы можете обнаружить на схеме несколько переклю-

чателей, которые размещены в разных местах, но буквенные, ис-

пользуемые для их обозначения, выглядят очень похожими (на-

пример: S1A, S1B, S1C и т. д.). Это говорит о том, что они представ-

ляют собой один переключатель, но с несколькими полюсами.

На схемах в данной книге каждый переключатель выделен

серым прямоугольником вокруг него. Этот серый прямоуголь-

ник не является стандартным символом; вы не найдете его в

других книгах. Я включил его просто для напоминания того,

что все элементы внутри него физически расположены в одном

корпусе.

Очень важные стилистические вариации в схемах являются

способом отображения, каким образом провода соединяются

друг с другом. На устаревших схемах для обозначения пересече-

ния проводов, выполненного под прямым углом и не имеющего

контакта между проводами, используется небольшой полукруг

в изображении одного из проводов. Поскольку современное

программное обеспечение для рисования схем не поддержива-

ет такой стиль отображения, то теперь он используется доста-

точно редко. Современный стиль, который вы, вероятно, може-

те найти, если будете смотреть схемы, выложенные в Интернете,

можно обобщить следующим образом:

• точка, соединяющая два провода, означает электрическое

соединение;

• отсутствие точки означает отсутствие соединения.

Проблема заключается в том, что эти обозначения не отно-

сятся к интуитивно понятным, когда вы только начинаете осваи-

вать схемы. Когда вы видите два пересекающихся провода, вы

можете просто представить, что между ними есть соединение,

даже если на пересечении этих линий нет точки. Поэтому с точ-

ки зрения ясности я выбрал «старомодный полукруг» для схем,

приведенных в этой книге (рис. 2.36, нижнее правое изображе-

ние). Итак, можно обобщить и подытожить графическое обозна-

чение пересекающихся проводов следующим образом:

• точка, соединяющая два провода, означает электрическое

соединение;

• полукруг в изображении провода, который пересекает другой

провод, означает, что между этими проводами соединения нет.

В данной книге вы не найдете проводов, которые пересека-

ются друг с другом и между которыми нет контакта, без изоб-

ражения этого полукруга.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

70

Глава 2

рис. 2.36. На современных схемах точка всегда означает наличие соединения. Однако изо-

бражение пересечения проводов, которое приведено в верхнем ряду справа, на мой взгляд,

считается плохим стилем. Дело в том, что если будет случайно пропущена или плохо пропеча-

тана точка, то пересечение может быть ошибочно принято за пересечение, которое показано

внизу слева и в котором между проводами нет соединения. Все три варианта, которые при-

ведены в нижнем ряду, означают отсутствие соединения между пересекающимися провода-

ми, первый пример это наиболее распространенный стиль. Пример, приведенный в центре,

применяется реже, а третий вариант относится к «старомодному» стилю, хотя с точки зрения

четкости отображения принят в качестве обозначения, используемого в данной книге

В цепи, в которой в качестве источника напряжения исполь-

зуется батарейка, гораздо чаще вы сможете найти маленький

знак, обозначающий в каком месте положительный вывод под-

ключен к цепи, в то время как отрицательный вывод обознача-

ется символом «заземления». На практике символ заземления

может быть изображен в разных местах схемы. Вы должны за-

помнить, что, когда вы рисуете схему, все провода и точки, ко-

торые будут подключены к земле, фактически соединены друг с

другом и с отрицательным выводом источника питания.

Идея указывать символ заземления относится к тем време-

нам, когда электронные изделия монтировались на металли-

ческих шасси, которые были подключены к отрицательному

полюсу источника питания. Символ заземления означает «под-

ключено к шасси». Некоторые варианты изображения символа

заземления показаны на рис. 2.37.

рис. 2.37. Все эти символы используются для обозначения одного и того же, т. е. подклю-

рис. 2.38. Два способа отображения чения провода к «земле» или к «шасси» или к отрицательному полюсу источника питания.

резистора номиналом 220 Ом. Верхний

В данной книге используется крайний справа символ

способ — используется в США, а ниж-

ний — в Европе1

В данной книге на многих рисунках используется цвет1, поэто-

1

му я буду показывать красным положительный полюс, а синим

В России так же использует-

ся такое графическое обозначение

1

резистора, но с той разницей, что

Следует заметить, что цвет использован в рисунках исходной книги. В пе-

номинал изображается рядом с

реводном издании всюду представлены только черно- белые рисунки. При жела-

обозначением, а не внутри, как это

нии цветные рисунки можно посмотреть на сайте издательства «БХВ- Петербург»

показано на рисунке. — Ред.

http://www.bhv.ru. — Ред.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

71

отрицательный, чтобы различать, каким образом подключено

напряжение питания, а символы заземления я использовать не

буду. Кроме того, моей задачей является снижение риска непра-

вильного понимания схемы, поскольку я знаю, насколько угне-

тающе действует изготовление схемы, которая не работает.

Большие различия в обозначениях присутствуют при отобра-

жении резисторов. Традиционный зигзагообразный символ, на-

пример, был запрещен в Европе. Вместо этого используется пря-

моугольник с цифровым обозначением номинала сопротивления

(рис. 2.38). Европейцы также изменили способ отображения де-

сятичной точки: они стараются убрать ее там, где это возможно,

поскольку она очень плохо отображается при печати, маленькая

точка имеет тенденцию теряться (или может появиться из- за на-

личия пыли и грязи). Поэтому резистор номиналом 4,7 кОм может

быть обозначен, как 4K7, а резистор номиналом 1,2 МОм, как 1M2.

Мне нравится такое обозначение, поэтому я тоже буду его исполь-

зовать, но я оставлю изображение резистора зигзагообразной ли-

рис. 2.40. Существуют три способа обо-

нией, т. е. символ, который широко используется в США.

значения кнопочного переключателя

Обозначение потенциометров тоже имеет различие в их изо-

бражении в США и Европе, но в любом случае вы всегда обнару-

жите стрелку, которая показывает в каком месте движок (обыч-

но центральная клемма) касается сопротивления (рис. 2.39).

рис. 2.41. Символ для графического

обозначения батарейки обычно пока-

зывают без символов «+» и «–». Я же их

привожу для ясности и однозначного

рис. 2.39. Символы для условного графического обозначения потенциометра: слева это

толкования

традиционное и повсеместно используемое в США, а справа европейский вариант. В обоих

случаях стрелка означает движок (обычно центральная клемма)

Условное графическое обозначение кнопочного переключа-

теля, батареи источника питания, а также лампы накаливания

показаны, соответственно, на рис. 2.40, 2.41 и 2.42. В некоторых

случаях светодиоды изображают внутри кружков, а некоторые

нет. Я предпочитаю использовать кружки (рис. 2.43).

рис. 2.42. Символ для графического изо-

рис. 2.43. Иногда светодиоды изображают с кружком вокруг символа диода; иногда нет.

бражения лампы накаливания

В этой книге я везде добавляю кружок. Стрелки означают излучение света

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

72

Глава 2

Далее в книге я буду использовать и другие символы. В дан-

ный же момент наиболее существенно запомнить следующее:

• не является особо важным положение компонентов на схеме;

• не очень важен так же способ отображения компонентов;

• очень важно — соединение между компонентами схемы.

Например, для трех светодиодов, которые я включил в от-

дельную соответствующую схему, на рис. 2.44 показаны с раз-

личным расположением компонентов и с использованием

разных символов, но функции всех этих трех цепей одинаковы,

поскольку все их элементы имеют одни и те же соединения. Фак-

тически это изображение одной и той же схемы (см. рис. 1.45),

которую вы уже собирали при выполнении эксперимента 4.

Часто символы на схеме расположены таким образом, чтобы

можно было интуитивно понять их назначение вне зависимо-

сти от того каким образом вы можете соединить реальные ком-

поненты. Сравним пример на рис. 2.45, на котором показаны

два двухполюсных двухпозиционных переключателя (DPDT),

с вариантом, который был показан ранее на рис. 2.32. Первая

версия более близка к реальному исполнению схемы на вашем

столе, зато на рис. 2.45 четко виден путь протекания тока.

рис. 2.44. Все эти три схемы отображают рис. 2.45. Это всего лишь другое изоб-

одну и ту же схему. Это схема, которую вы ражение, представляющее собой более

уже собирали при выполнении экспери-

четкий и простой способ изображения

мента 4

схемы, приведенной на рис. 2.32

Основы переключения и многое другое

73

На многих схемах положительный полюс источника питания по-

казан в верхней части схемы, а отрицательный или «земля» — в ниж-

ней. Многие люди предпочитают рисовать вход (например, аудио-

вход в цепи усилителя) с левой стороны схемы, а выход — с пра-

вой. Поэтому обычно «положительное напряжение» «перетекает»

сверху вниз, в то время как сигнал проходит по цепи слева направо.

Когда я планировал эту книгу, то изначально рисовал схемы в

соответствии с этим соглашением — «сверху вниз» и «слева напра-

во», но когда я начал собирать и тестировать цепи, то изменил свое

мнение. Для сбора схем предполагается использовать макетную

плату, а ее внутренние соединения потребуют от нас расположе-

ния на ней компонентов, которое будут отличаться от типичного

графического изображения схемы. А поскольку вы только начи-

наете изучать электронику, то вам, скорее всего, будет несколько

затруднительно осуществлять соответствие между взаимным рас-

положением компонентов, изображенных на схеме, с расположе-

нием их на макетной плате.

Поэтому в этой книге вы найдете такое графическое изображе-

ние схем, которое позволит достаточно легко перенести их на ма-

кетную схему при монтаже. Я считаю, что такие преимущества вы-

полнения работы при сборе схем перевесят те недостатки, которые

возникают из- за отказа рисовать схемы в соответствии со стандарт-

ными стилями изображения схем, принятыми повсеместно.

Эксперимент 7

вКлюЧение светОдиОдОв

с ПОмОщью реле

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, кусачки для проводов и инструмент для

снятия изоляции.

2. Реле с двумя направлениями и двумя положениями пере-

ключения ( DPDT — double- pole double- throw), с самовозвра-

том (без фиксации). Количество — 2 шт.

3. Светодиоды. Количество — 2 шт.

4. Резистор с сопротивлением около 680 Ом. Количество — 1 шт.

5. Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный

однопозиционный ( SPST — single- pole single- throw switch).

Количество — 1 шт.

6. Одножильный провод 22 AWG (диаметром 0,64 мм) или

коммутационные провода с зажимами типа «крокодил».

7. Зажимы типа «крокодил». Количество — 8 шт.

8. Универсальный нож.

74

Глава 2

Следующим шагом в нашем исследовании концепции пере-

ключения является использование переключателей с дистанци-

онным управлением. Под термином «дистанционное управле-

ние» я имею в виду переключатель, которому вы можете послать

сигнал на включение или выключение. Этот тип переключателя

известен как реле (от английского слово «relay» — передавать,

транслировать). Это связано с тем, что реле передает некоторое

управляющее воздействие из одной части цепи к другой. Часто

реле управляется относительно низким напряжением или малы-

ми токами, а вот переключает или иначе коммутирует оно до-

вольно большие напряжения или токи.

Такая организация его работы может быть наиболее эконо-

мичной. Когда вы запускаете ваш автомобиль, например, отно-

сительно небольшой, дешевый переключатель посылает неболь-

шой сигнал по относительно длинному, тонкому, недорогому ку-

ску провода на реле, которое находится возле двигателя стартера.

Реле запускает двигатель, используя короткий, толстый более

дорогой провод, который в состоянии выдержать ток до 100 А.

Аналогичное происходит тогда, когда вы во время враще-

ния стиральной машины с вертикальной загрузкой поднимаете ее

крышку. При этом вы замыкаете маленький выключатель и по-

сылаете небольшой сигнал по тонкому проводу на реле, которое в

свою очередь выполняет более сложную задачу отключения боль-

шого мотора, вращающего барабан, заполненный мокрой одеждой.

До начала этого эксперимента вам потребуется заменить ваш

источник питания. Мы больше не собираемся применять бата-

рейки, поскольку для использования реле требуется напряже-

ние величиной более 6 В, и поэтому вы должны иметь источник

питания, который будет в состоянии при необходимости выдать

разные по величине напряжения. Самый простой способ реше-

ния этой задачи — это использование сетевого адаптера.

Сначала вам надо подготовить сетевой адаптер. После того,

как он будет нормально включен, вы сможете использовать его

напряжение для подачи питания на реле. Изначально реле будет

просто включать один из двух светодиодов, но затем мы моди-

фицируем цепь, чтобы заставить светодиоды мигать автоматиче-

ски. В конце концов, мы соберем схему на макетной плате и ска-

жем «прощайте» зажимам типа «крокодил», по меньшей мере,

в большинстве наших экспериментов.

Подготовка сетевого адаптера

Вилка сетевого адаптера вставляется в сетевую розетку

и преобразует относительно высокое переменное напряжение

вашей домашней электросети в безопасное низкое постоянное

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

75

напряжение, предназначенное для использования в электронных

схемах. Любое зарядное устройство, которые вы используете для

подзарядки сотового телефона, айпода (iPod) или ноутбука, по

своей сути представляет собой сетевой адаптер, который пред-

назначен для выдачи одного напряжения через специальный

разъем. Я просил вас приобрести адаптер общего назначения,

который выдает на выходе много различных значений напряже-

ния, и сейчас мы должны начать с того, чтобы избавиться от его

разъема.

1. Прежде всего, убедитесь, что ваш сетевой адаптер не под-

ключен к сетевой розетке!

2. Отрежьте маленький разъем на конце его провода

(рис. 2.46).

3. Используя монтажный нож, универсальный нож или ножни-

цы, сделайте разрез между двумя проводами длиной около

13 мм, а затем разделите эти два провода примерно на 50 мм.

4. Используя кусачки для проводов, отрежьте провода так, что-

рис. 2.46. Подготовка сетевого адапте-

бы один из них был короче другого. Это делается для того, ра. Сначала надо отрезать низковольт-

чтобы сместить между собой концы проводов, с которых в ный выходной разъем и отправить его

в мусорную корзину

дальнейшем будет снята изоляция. Эта предосторожность

необходима для предотвращения короткого замыкания в

выходной цепи вашего сетевого адаптера, что может приве-

сти к его выходу из строя (перегоранию).

5. Удалите изоляцию с концов проводов, используя инструмент

для снятия изоляции. Скрутите медный многожильный про-

вод на концах двух проводов, захватив указательным и боль-

шим пальцами их так, чтобы на концах оголенных жил не

торчали отдельные проволочки (рис. 2.47).

6. Убедитесь, что два провода не касаются друг друга, а затем

вставьте ваш сетевой адаптер в сетевую розетку. Затем на

мультиметре выберите режим измерения постоянного на-

пряжения и коснитесь измерительными щупами концов про-

водов адаптера. Если на дисплее прибора будет отображаться

напряжение со знаком минус, то вы подключили пробники к

проводам в неправильной полярности. Нужно поменять их

местами и знак минус на дисплее должен пропасть. Это под-

скажет вам, какой из этих двух выходных проводов является

положительным.

рис. 2.47. Затем, чтобы уменьшить риск

7. Пометьте положительный провод адаптера. Если провод соприкосновения оголенных частей

имеет изоляцию белого цвета, вы можете пометить его крас-

проводов, нужно обрезать и зачистить

ным маркером. Если же изоляция черного цвета, то вы мо-

провода, сделав один из них короче

другого. Чтобы впредь было легче ори-

жете пометить его белым цветом. Положительный провод ентироваться в проводах, один из них, будет оставаться положительным вне зависимости от того, на котором имеется положительное вы-

ходное напряжение, пометьте красным

каким образом вы вставили адаптер в сетевую розетку.

маркером

Электроника для начинающих

76

Глава 2

реле

То реле, которое я хочу использовать, имеет небольшие за-

остренные выводы внизу при однозначном их расположении

между собой. Если же вы приобретете реле другого типа, то вам

придется самому определить, какие выводы внутри корпуса реле

подключены к катушке, а какие выводы являются полюсами вну-

треннего переключателя. Кроме того, нужно будет выяснить какие

выводы переключателя являются нормально замкнутыми, а какие

нормально разомкнутыми. Вы, конечно, можете без проблем ре-

шить эту задачу с помощью справочного листа технических дан-

ных на ваше реле, но я настоятельно рекомендую использовать

одно из тех реле, которые приведены в списке закупок, чтобы вам

было проще следовать инструкциям, приведенным в этой книге.

Я просил вас купить именно два реле с тем расчетом, что-

бы вы могли использовать их для исследовательских целей. Это

значит, что одно из них можно будет разобрать и посмотреть его

внутреннее устройство (рис. 2.48). Если вы сделаете все очень

аккуратно, то реле после сборки можно будет еще использовать.

Если нет, ничего страшного, у вас есть еще одно в запасе.

Самый простой способ вскрыть реле это использовать мон-

тажный или универсальный нож. На рис. 2.49, 2.50 и 2.51 показана

рис. 2.48. Один из вариантов внутреннего расположения элементов реле. Катушка с обмоткой «A»

создает магнитное поле, которое притягивает якорь «B» к сердечнику электромагнита. Пластмас-

совый толкатель «C», соединенный с якорем, выталкивает наружу упругие металлические полоски

с закрепленными на них контактами и перемещает полюса «D» переключателя реле, соединяя их с

нормально разомкнутыми контактами

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

77

последовательность вскрытия. Сначала срежьте края пластмас-

сового корпуса, в котором находятся все элементы реле, делая

скосы до тех пор, пока вы не увидите узкий просвет толщиной

примерно с человеческий волос. Поскольку все внутренние эле-

менты реле расположены очень близко к стенкам корпуса, то

далее продолжать не нужно и на этом следует остановиться. По-

сле этого надо вскрыть верх корпуса. Чтобы удалить оставшуюся

его часть, можно воспользоваться остроносыми плоскогубцами.

рис. 2.49. Чтобы посмотреть внутрен-

рис. 2.50. Вставьте лезвие ножа в узкий

рис. 2.51. Если вы будете очень осто-

нее устройство реле, нужно срезать просвет и, пользуясь ножом, как рыча-

рожны, то после того как вы вскроете

края пластмассового корпуса до тех гом, отделите верхнюю часть корпуса,

реле, оно может остаться в рабочем со-

пор, пока не появится узкий просвет

затем повторите эту процедуру для бо-

стоянии

ковых сторон

Не торопитесь и старайтесь делать все очень аккуратно

(рис. 2.52).

После вскрытия корпуса реле оно может выглядеть так, как

это показано на рис. 2.51 и 2.53.

рис. 2.53. Четыре различных реле на

рабочее напряжение 12 В для наглядно-

сти показаны в корпусах и без них. Авто-

мобильное реле (крайнее левое) самое

простое из них и его принцип работы

легко понять, поскольку оно спроек-

тировано без особого стремления сде-

лать все максимально компактно. Ми-

ниатюрные реле небольшого размера

сконструированы с высокой степенью

а

б

изобретательности, они имеют более

сложную конструкцию, которую не так-

рис. 2.52. При вскрытии корпуса реле очень важно не торопиться и выполнять все очень

то просто понять. Обычно, но не всегда,

аккуратно. Более быстрые методы, такие как использование томагавка ( а) или огнемета ( б), реле небольшого размера спроектиро-

как показано на этом рисунке, с эмоциональной точки зрения очень выигрышны и не требу-

ваны соответственно для меньших зна-

ют длительной концентрации внимания, но результаты могут оказаться непредсказуемыми

чений тока, чем большие

Электроника для начинающих

78

Глава 2

Прежде чем на реле подать напряжение питания, надо, пре-

жде всего, понять, как оно работает. Для этого прочитайте сле-

дующий разд. «Фундаментальные сведения — Внутри реле».

Фундаментальные сведения

внутри реле

Реле состоит из катушки с обмоткой, выполненной изоли-

рованным проводом. Внутри катушки расположен сердечник.

Когда электрический ток проходит по обмотке, то в сердечнике

создается магнитное поле, которое притягивает якорь, соеди-

ненный с толкателем из непроводящего материала. Толкатель в

свою очередь выталкивает или втягивает гибкие пружинистые

полоски металла с размещенными на них контактами, замыкая

два из них. Контакты остаются замкнутыми до тех пор, пока

электрический ток протекает по обмотке, а реле находится под

напряжением.

Когда же электрического тока в обмотке реле не будет, то ме-

таллические пластинки с контактами возвращаются в свое исхо-

дное положение, размыкая контакты. (Исключение составляют

реле с фиксацией (самоудерживанием ), которые требуют допол-

нительного импульса, проходящего через отдельную обмотку

для того, чтобы вернуть реле обратно в исходное положение;

но мы пока такие реле использовать не собираемся).

Реле с точки зрения коммутирования могут быть разделе-

ны на аналогичные типы, что и переключатели. Таким образом,

имеются однополюсные однопозиционные реле (SPST), двухпо-

люсные однопозиционные (DPST), однополюсные двухпозици-

онные (SPDT) и т. д.

Сравните условное графическое обозначение реле, пред-

ставленных на рис. 2.54, с обозначениями переключателей на

рис. 2.35. Основное отличие реле заключается в наличии в них

обмотки электромагнита, который и осуществляет переключе-

ние. Контакты реле показаны в своем исходном положении, ко-

гда по обмотке не протекает ток срабатывания.

Контакты на графических условных обозначениях реле по-

казаны в виде маленьких черных треугольников. Когда у реле

имеется два полюса, то электромагнит управляет их одновре-

менным подключением к соответствующим контактам.

Большинство реле являются неполяризованными , что озна-

рис. 2.54. Различные виды условных графи-

чает, что по их обмоткам вы можете пропускать ток в любом на-

ческих обозначений реле на схемах. Верхнее

правлении и это никак не повлияет на работу реле. Чтобы узнать

слева реле — однополюсное однопозици-

наверняка, какого типа то или иное реле, вы можете обратить-

онное (SPST). Верхнее справа и нижнее слева

реле — однополюсные двухпозиционные ся к листу технических данных. Некоторые обмотки реле могут

(SPDT). Нижнее справа реле — двухполюсное

работать от переменного напряжения, но большинство реле

двухпозиционное (DPDT). В этой книге исполь-

малого напряжения используют постоянный ток, аналогичный

зуются только показанные в нижнем ряду

Основы переключения и многое другое

79

тому, который можно получить от батарейки. В данной книге мы

будем применять только реле постоянного тока.

На реле накладываются те же самые ограничения, что и на

переключатели. Их контакты также будут портиться из- за ис-

крения, если вы будете пытаться с их помощью осуществлять

коммутацию слишком большого напряжения. Не стоит эконо-

мить деньги, используя реле, которое предназначено для ком-

мутирования меньшего тока или напряжения, чем это требует-

ся. Реле может подвести вас в тот момент, когда оно вам боль-

ше всего необходимо, и будет крайне сложно осуществить его

замену.

Поскольку существует такое огромное количество реле раз-

личных типов, то нужно очень внимательно читать технические

характеристики перед тем, как приобретать их. Надо обязатель-

но обратить внимание на такие основные характеристики, как:

номинальное напряжение обмотки или иначе рабочее

напряжение

Напряжение, которое предполагается подавать на реле, что-

бы заставить его сработать.

минимальное напряжение срабатывания

Минимальное напряжение, которое требуется, чтобы срабо-

тало реле, т. е. замкнуло контакты реле. Это напряжение будет

несколько меньше напряжения, чем идеальное значение на-

пряжения на обмотке реле.

номинальный рабочий ток

Когда через обмотку реле проходит ток, то обычно он со-

ставляет несколько миллиампер. Иногда мощность реле выра-

жается в милливаттах.

Коммутируемый ток и напряжение

Максимальные значения тока и напряжения, которые с по-

мощью контактов могут коммутировать реле. Обычно в качестве

нагрузки имеется в виду «резистивная нагрузка», что означает

некое пассивное устройство типа обычной лампочки накалива-

ния. Когда же вы используете реле для включения, например,

двигателя, надо учитывать, что в момент разгона двигателя в

цепи будет присутствовать мощный импульс тока. В этом случае

вы должны выбирать реле, рассчитанное на двойное значение

тока, по сравнению тем током, который потребляет двигатель,

когда он уже вращается.

Порядок действий

Поверните реле таким образом, чтобы его выводы были на-

правлены вверх, и присоедините к ним провода и светодиоды так,

как это показано на рис. 2.55, с резистором 680Ω (резистор на 1K

также можно использовать, если у вас нет сопротивления именно

такого номинала). Также следует присоединить кнопочный пере-

ключатель. (Ваш кнопочный переключатель может отличаться

80

Глава 2

от того, который показан, но если это кнопочный переключатель

типа SPST с двумя контактами внизу, то он будет работать таким

же образом.) Когда вы нажимаете кнопку, реле будет заставлять

гаснуть первый светодиод и включать второй. Когда вы отпустите

кнопку, первый светодиод загорится, а второй погаснет.

Как это работает

Следует собрать цепь, показанную на рис. 2.55, и сравнить ее

с электрической схемой на рис. 2.56.

680

12 В

постоянного

тока

12 В

постоянного тока

от сетевого адаптера


рис. 2.55. Вместо некоторых соединений, выполненных

рис. 2.56. Одна из схем, выполненная с использова-

проводами, которое показаны на этом рисунке, вы, как

нием условных графических обозначений

и раньше, можете использовать коммутационные провода

с зажимами типа «крокодил», если они у вас, конечно, есть

Примечание

Версии фотографий большего размера для всех схем и макетных плат

можно найти в Интернете на сайте издательства англоязычного вари-

анта этой книги: http://oreilly.com/catalog/9780596153748

Обратитесь также к рис. 2.57–2.58, на которых показано рас-

положение выводов реле и контакты, замыкаемые внутри реле,

когда через катушку пропускается электрический ток и когда

этот ток отключен.

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

81

Ко

К

н

о

т

н

а

т

к

а

т

к

ы з

т

амкнуты

ы з

амкнуты

ам

а

к

м

н

к

у

н

т

у

ы

ты

Контакты з

Контакты з


рис. 2.57. Расположение выводов реле, нанесенных на сетку с шагом

рис. 2.58. На рисунке показаны выводы, замкнутые при по-

1/10'' (2,54 мм). Это именно тот тип реле, который вам потребуется для

даче рабочего напряжения на обмотку реле (справа) и ко-

выполнения эксперимента 8

гда напряжение не подано (слева)

Это двухполюсное двухпозиционное реле (DPDT), но мы

используем только один полюс, игнорируя другой. Почему же

нам тогда было не купить однополюсное двухпозиционное реле

(SPDT)? Потому что я хочу, чтобы контакты реле были располо-

жены именно таким образом, чтобы в дальнейшем было проще

осуществить перенос данной цепи на макетную плату, что слу-

чится очень и очень скоро.

На графическом представлении схемы (см. рис. 2.56) я по-

казал переключаемые контакты реле в состоянии, когда напря-

жение на обмотку реле не подано. Если же напряжение подать,

то полюс реле замкнется с верхним контактом, что выглядит не-

много противоестественно, но часто это бывает именно так, по-

тому что реле изготовлено именно таким образом.

Итак, когда вы будете уверены, что понимаете, как работает

эта схема, наступит время перехода к следующему шагу, а именно

выполнению небольшой модификации схемы в эксперименте 8,

чтобы получить реле, которое должно само по себе включаться

и выключаться.

Эксперимент 8

релейный ГенератОр

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, макетная плата, провод, кусачки для отре-

зания проводов и инструменты для снятия изоляции.

2. Реле с двумя направлениями и двумя положениями пере-

ключения ( DPDT — double- pole double- throw) или, иначе,

двухполюсное двухпозиционное, с самовозвратом (без фик-

сации). Количество — 1 шт.

3. Светодиоды. Количество — 2 шт.

82

Глава 2

4. Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный

однопозиционный( SPST — single- pole single- throw switch).

Количество — 1 шт.

5. Зажимы типа «крокодил». Количество — 8 шт.

6. Резистор с сопротивлением близким к 680 Ом. Количество —

1 шт.

7. Конденсатор электролитический емкостью 1000 мкФ на ра-

бочее напряжение не менее 25 В. Количество — 1 шт.

Посмотрите на откорректированное изображение цепи,

показанное на рис. 2.59, и исправленную электрическую схе-

му на рис. 2.60 и сравните их с предыдущими вариантами

(см. рис. 2.55 и 2.56). Изначально в схеме было прямое соедине-

ние кнопки и обмотки реле. В новой версии напряжение питания

поступает на обмотку, проходя сначала через контакты реле.

680

12 В

постоянного

тока

12 В

постоянного тока

от сетевого адаптера

рис. 2.59. Небольшое изменение предыдущей рис. 2.60. Схема релейного генератора, выполненная с ис-

цепи заставляет реле генерировать колебания, ко-

пользованием условных графических обозначений

гда к нему приложено напряжение питания

Теперь, когда вы нажмете на кнопку, положительное напря-

жение источника питания с помощью изначально замкнутых

контактов реле поступает на ее обмотку и одновременно на левый

по схеме светодиод. Но как только на обмотку реле будет пода-

но напряжение, оно сработает, а изначально замкнутые контак-

ты реле размыкаются. Это приводит к разрыву цепи, по которой

Основы переключения и многое другое

83

напряжение питания подается на обмотку, поэтому реле возвра-

щается в исходное состояние и контакты замыкаются снова. При

этом напряжение питания опять будет подано на обмотку реле,

которое снова разомкнет контакты. Такой периодический про-

цесс будет повторяться бесконечно.

Поскольку мы используем очень маленькое реле, оно включа-

ется и выключается очень быстро. Фактически частота этих колеба-

ний будет составлять 50 раз в секунду (слишком быстро для свето-

диода, чтобы увидеть то, что собственно делает реле). Прежде всего,

надо убедиться, что цепь выглядит именно так, как это показано на

схеме, а затем ненадолго нажать на кнопку. При этом вы услышите,

что реле издает жужжащий звук. Если же вы плохо слышите, то слег-

ка коснитесь реле пальцем, и вы почувствуете, что реле вибрирует.

Когда вы заставляете реле колебаться таким образом, то вы

подвергаете риску сгорания или выходу из строя его контактов.

Именно поэтому советую нажимать на кнопку в течение очень

короткого промежутка времени. Чтобы сделать цепь более прак-

тичной, нам нужно нечто такое, что замедлило бы работу реле

и защитило его от саморазрушения. Этим необходимым компо-

нентом будет конденсатор.

добавление емкости

Добавьте электрический конденсатор емкостью 1000 мкФ

параллельно катушке реле, как это показано на схеме, которая

приведена на рис. 2.61 и соответственно на рис. 2.62. Если вы

не уверены, что конденсатор выглядит так, как он изображен на

рисунке, то обратитесь к рис. 2.14. Значение «1000 μF» должно

быть нанесено на его боковой стороне, а что это значит, я объ-

ясню несколько позже.

680

12v

DC

12 В

постоянного тока

от сетевого адаптера

рис. 2.61. Конденсатор подключается в нижней части

рис. 2.62. Добавление конденсатора заставляет реле ви-

этой схемы

брировать с меньшей частотой

84

Глава 2

Следует убедиться, что короткий вывод конденсатора подклю-

чен к отрицательному полюсу цепи; в противном случае он не будет

работать. Дополнительно к короткому выводу на корпусе конденса-

тора имеется знак минуса, который напомнит вам, какой его вывод

имеет отрицательную полярность. При подключении электролити-

ческих конденсаторов надо обязательно учитывать их полярность .

Теперь, когда вы нажмете на кнопку, реле должно медленно щел-

кать вместо генерирования жужжащего звука. Что же произошло?

Конденсатор похож на маленькую батарейку, которую можно

подзаряжать. Он настолько мал, что заряжается за доли секунды,

за это время у реле достаточно времени, чтобы разомкнуть ниж-

нюю пару контактов. Затем, когда контакты разомкнуты, конден-

сатор начинает работать, как батарейка, подавая свое накопленное

напряжение на реле. Это поддерживает реле в состоянии, когда на

его контакты подается напряжение в течение 1 с. После того как

конденсатор израсходует свой резерв энергии, реле переходит в ис-

ходное состояние и процесс повторяется.

Фундаментальные сведения

Основные сведения о фарадах

Фарада это международная единица измерения емкости. Со-

временные цепи обычно требуют небольших емкостей. Следова-

тельно, обычно мы видим, что емкость измеряется в микрофара-

дах (одна миллионная фарады) и даже в пикофарадах (одна мил-

лиардная фарады). Нанофарады чаще используются в Европе, чем

в США. Посмотрите на приведенную таблицу пересчета (табл. 2.2).

Таблица 2.2

сокращение в между­

сокращение в рус­

народном обозначении ском обозначении

0,001 нанофарады 1 пикофарада

1 pF

1 пФ

0,01 нанофарады

10 пикофарад

10 pF

10 пФ

0,1 нанофарады

100 пикофарад

100 pF

100 пФ

1 нанофарада

1000 пикофарад

1000 pF

1000 пФ

0,001 микрофарады 1 нанофарада

1 nF

1 нФ

0,01 микрофарады 10 нанофарад

10 nF

10 нФ

0,1 микрофарады

100 нанофарад

100 nF

100 нФ

1 микрофарада

1000 нанофарад

1000 nF

1000 нФ

0,000001 фарады

1 микрофарада

1 µF

1 мкФ

0,00001 фарады

10 микрофарад

10 µF

10 мкФ

0,0001 фарады

100 микрофарад

100 µF

100 мкФ

0,001 фарады

1000 микрофарад

1000 µF

1000 мкФ

(Вы, конечно, можете столкнуться с емкостью величиной бо-

лее 1000 мкФ, но такое значение встречается крайне редко.)

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

85

Фундаментальные сведения

Основные сведения о конденсаторе

Постоянный ток не проходит через конденсатор, но напря-

жение на его контактах накапливается очень быстро, затем оно

остается после отключения напряжения питания. Помочь вам

понять то, что происходит внутри конденсатора, когда он пол-

ностью заряжен, могут рис. 2.63 и 2.64.

рис. 2.63. Когда постоянное напряжение достигает конденсатора, по нему ток не протекает, но конденсатор заряжается, как маленькая батарейка. Положительный и отрицательный за-

ряды на конденсаторе будут равны и противоположны по знаку

рис. 2.64. Вы можете представить, что положительные «заряженные частицы», которые на-

капливаются на одной стороне конденсатора, притягивают отрицательные «заряженные

частицы» на противоположной стороне

В большинстве электролитических конденсаторов пласти-

ны представляют собой две полоски очень тонкой, гибкой, ме-

таллической пленки, часто обернутых вокруг друг друга и раз-

деленных равномерным слоем тонкого изолятора. Дисковые

керамические конденсаторы часто состоят из одного диска не-

проводящего материала с металлической краской, нанесенной

на обе стороны, и припаянными к ней проводами.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

86

Глава 2

К двум наиболее распространенным типам конденсаторов

относятся керамические (они способны накапливать относи-

тельно небольшой заряд) и электролитические (которые могут

Быть пораженным

быть намного большего размера). Керамические конденсато-

конденсатором

ры обычно имеют форму диска и окрашиваются в желтый цвет;

Если большие конденсаторы

электролитические конденсаторы обычно выглядят как миниа-

заряжены с помощью большого зна-

тюрные консервные банки и могут быть практически любого

чения напряжения, то они могут

цвета. Посмотрите примеры на рис. 2.14 и 2.15, приведенные

удерживать это напряжение до-

ранее.

статочно длительное время. По-

Керамические конденсаторы не имеют полярности, что озна-

скольку цепи в данной книге исполь-

зуют низкие напряжения, то вы не

чает, что вы можете приложить отрицательное напряжение к

должны видеть здесь какой-либо

любому его контакту. Электролитические конденсаторы имеют

опасности, но если вы настоль-

полярность и не будут работать, если их подключить наоборот.

ко безрассудны, чтобы открыть

Условное графическое обозначение, изображающее конден-

корпус старого телевизора и на-

сатор, может быть в виде одного из двух вариантов: двух прямых

чать копаться внутри него (что

параллельных линий (обозначающих пластины внутри конден-

я настоятельно не рекомендую де-

сатора) или одной прямой и одной закругленной линии, как это

лать), то вы можете напороться

на очень неприятный сюрприз. Не-

показано на рис. 2.65. Когда вы увидите такую линию, то знайте,

разряженные высоковольтные кон-

что эта пластина конденсатора должна быть более отрицатель-

денсаторы могут даже убить вас,

ной, чем другая. Условное графическое обозначение полярного

так же легко, как и в том случае,

конденсатора может также включать символ «+». К сожалению,

когда вы сунете пальцы в электри-

некоторые не утруждают себя рисованием изогнутой скруглен-

ческую сетевую розетку. Никогда

ной пластины полярного конденсатора, а другие используют

не следует касаться больших кон-

такое изображение и для неполярных конденсаторов.

денсаторов, если вы четко не пред-

ставляете, что именно делаете!

Полярность конденсатора

Вы можете подключить электролитический конденсатор таким

образом, чтобы более длинный его вывод был бы более положительным,

рис. 2.65. Слева приведено общее гра-

рис. 2.66. Танталовый конденсатор был вставлен в макетную пла-

фическое условное обозначение кон-

ту. Случайно он был неправильно подключен к источнику напря-

денсатора. Изображение справа демон-

жения, который был способен выдавать достаточно большой ток.

стрирует обозначение полярного кон-

Через минуту или около того после такой ошибки конденсатор

денсатора, которое требует, чтобы левая

взорвался, выдав небольшую вспышку пламени, которая сожгла на

пластина конденсатора была более по-

своем пути пластик макетной платы. Поэтому, чтобы не получить

ложительной, чем правая. Обратите аналогичный результат, следите за правильным соблюдением по-

внимание, знак «+» зачастую опускается

лярности

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

87

чем короткий. Корпус конденсатора обычно маркируется знаком ми-

нус возле короткого его вывода.

Некоторые конденсаторы не работают, если вы не соблюдаете

полярность их подключения. Однажды я подключил танталовый по-

лярный конденсатор к цепи, используя источник напряжения, который

был в состоянии обеспечить достаточно большой ток, и стал смо-

треть на схему, удивляясь, почему она не работает, как вдруг конден-

сатор взорвался и выдал небольшой поток горящих фрагментов своих

внутренностей в радиусе около 3'' (7,62 см). Я просто забыл, что тан-

таловые конденсаторы обязательно требуют правильного соблюде-

ния полярности при их подключении. На рис. 2.66 показана макетная

плата с последствиями этого взрыва.

базОвые сведения

майкл Фарадей и конденсаторы

Первые конденсаторы состояли из двух металлических пла-

стин с очень тонким зазором между ними. Принцип работы это-

го устройства очень прост.

• Если одна пластина подключена к положительному выводу

источника, то положительные заряды притягивают отрица-

тельные заряды к другой пластине.

• Если одна пластина подключена к отрицательному выводу

источника, то отрицательные заряды притягивают положи-

тельные заряды к другой пластине.

Обратитесь к рис. 2.63 и 2.64, на которых изображена основ-

ная идея работы конденсатора.

Способность конденсатора хранить определенный по вели-

чине заряд называют его емкостью .

Она измеряется в фарадах в честь Майкла Фарадея (Michael

Faraday) (рис. 2.67) — еще одного представителя пионеров

электричества. Он был английским химиком и физиком и жил

с 1791 по 1867 г.

Хотя Фарадей был относительно необразованным челове-

ком и имел очень ограниченные познания в математике, у него

была возможность читать большое количество книг, работая в

течение семи лет в качестве помощника переплетчика и таким

образом повышать свой образовательный уровень. Кроме того,

он жил во времена, когда относительно простые эксперименты

могли раскрыть фундаментальные свойства электричества. Та-

ким образом, он сделал большие открытия, в том числе электро-

магнитной индукции, что привело к созданию электромоторов.

Он также открыл, что магнетизм может влиять на поток света.

Его работа была отмечена многочисленными премиями,

а его портрет помещен на английскую 20-фунтовую банкноту,

которая была в обороте с 1991 по 2001 год.

рис. 2.67. Майкл Фарадей (Michael Faraday)

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

88

Глава 2

сбор схемы на макетной плате

Я обещал освободить вас от тех неудобств, которые связаны

с использованием «крокодилов», и вот это время пришло. Пожа-

луйста, обратите ваше внимание на пластиковый блок с большим

количеством маленьких отверстий в нем, который я просил вас

купить. По причинам, о которых мне неизвестно, его называют

макетной платой.

Когда вы вставляете различные электронные компоненты в

отверстия этой платы, скрытые металлические полоски внутри

макетной платы соединяют компоненты, давая возможность со-

брать ту или иную схему, протестировать ее, а затем также лег-

ко модифицировать. В заключение вы можете просто снять все

компоненты с макетной платы и отложить их для будущих экс-

периментов.

Без сомнения, использование макетной платы это наиболее

удобный путь проверить что- либо прежде, чем вы решите это

сделать.

Почти все макетные платы сконструированы совместимыми

с корпусами интегральных микросхем (которые мы будем ис-

пользовать в главе 4 данной книги). Место для установки микро-

схемы это пустое пространство в центре макетной платы с ряда-

ми небольших отверстий с любой стороны — обычно 5 отвер-

рис. 2.68. Типичная макетная плата. Вы

стий в каждом ряду. В эти отверстия можно вставлять и другие

можете вставить компоненты в отвер-

стия для очень быстрого сбора и после-

компоненты.

дующего тестирования схемы

Кроме того, макетная плата должна иметь две колонки от-

верстий, проходящих вдоль двух сторон платы. Они используют-

ся для подключения положительных и отрицательных выводов

источника питания.

Посмотрите на рис. 2.68, на котором показана верхняя часть

типичной макетной платы, а на рис. 2.69 соответствующее изоб-

ражение этой же самой платы в рентгеновских лучах, где видны

металлические полоски внутри пластика под отверстиями.

Важное замечание!

На некоторых макетных платах каждая вертикальная колонка

отверстий с левой и правой стороны разделена еще на две отдельные

секции — верхнюю и нижнюю. Нужно использовать мультиметр в ре-

жиме прозвона для того, чтобы определить имеется ли между ними

контакт или нет. На вашей макетной плате таких секций нет. Если

же у вас плата с такими секциями, то, при необходимости их соедине-

рис. 2.69. Это изображение той же ма-

ния, следует добавить перемычки из проводов.

кетной платы, но в рентгеновских лучах.

Оно показывает положение медных

проводящих полосок, которые находят-

На рис. 2.70 показано, как вы можете использовать макетную

ся внутри пластика платы. Эти полоски

плату для сбора схемы генератора на основе реле (см. рис. 2.62).

позволяют соединять между собой все

электронные компоненты схемы

Чтобы выполнить эту работу вам понадобится подключить

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

89

отрицательный и положительный выводы от вашего сетевого

адаптера. Поскольку провода сетевого адаптера почти всегда

выполнены из многожильного провода, то у вас, наверняка, воз-

никнут затруднения при проталкивании их в маленькие отвер-

стия макетной платы. Для решения этой проблемы к монтажной

плате можно присоединить пару одножильных проводов 22 AWG

(диаметром 0,64 мм) с оголенными концами, а затем исполь-

зовать их в качестве клемм, к которым присоединить много-

жильные провода вашего сетевого адаптера, как это показано на

рис. 2.71. (К сожалению, вам все еще потребуется пара «кроко-

дилов» для этой цели.) В качестве альтернативы вы можете ис-

пользовать макетную плату со встроенными в нее клеммами для

подключения напряжения питания, что, конечно, более удобно.

Вам понадобится небольшой отрезок одножильного прово-

да 22 AWG (диаметром 0,64 мм) или какой- либо готовый комму-

никационный провод для подачи напряжения питания на ваши

компоненты, которые установлены на макетную плату, как это

показано на рис. 2.72 и 2.73. Если вы выполнили соединения пра-

вильно, то цепь должна функционировать точно также, как и та,

которая была изготовлена ранее.

12 В

постоянного тока

R1

D2

D1

S1

S2

C1

рис. 2.70. Если вы разместите компоненты на вашей макетной плате в тех ме-

рис. 2.71. Если ваша макетная плата не

стах, которые показаны на рисунке, то получите ту же самую схему, которую вы

имеет винтовых клемм, то надо к ней

сделали из проводов и «крокодилов» в эксперименте 8. Обозначения компо-

присоединить два коротких одножиль-

нентов схемы: D1, D2 — светоизлучающие диоды; S1 — двухполюсное двухпо-

ных провода с оголенными концами,

зиционное электромагнитное реле; S2 — кнопочный однополюсный однопо-

а уже к ним с помощью «крокодилов»

зиционный переключатель без фиксации; C1 — электролитический конденса-

подключать многожильные провода се-

тор на 1000 мкФ; R1 — резистор с минимальным сопротивлением 680 Ом

тевого адаптера

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

90

Глава 2

Геометрия металлических соединительных полосок в макет-

ной плате часто заставляет вас соединять компоненты каким-

либо «окольным» путем. Кнопочный переключатель, например,

должен подавать напряжение на полюс реле, но он не может быть

установлен на плату прямо напротив реле, поскольку в этом слу-

чае другой его вывод попадет на один из контактов реле.

Следует помнить, что полоски внутри макетной платы, к ко-

торым не подключены провода или в них не вставлены компо-

ненты, останутся не использованными; они не будут оказывать

рис. 2.72. На макетную плату следует какого- либо влияния на схему.

установить два светодиода большого раз-

Я и далее буду приводить возможные варианты расположе-

мера, один резистор и все необходимые

провода для изготовления перемычек

ния элементов на макетных платах для схем, которые вы будете

собирать в дальнейшем при усвоении материала этой книги, но,

в конечном счете, вам придется начинать осваивать самостоя-

тельную компоновку деталей на платах, поскольку это одна из

существенных частей такого хобби, как электроника.

Примечание

Версии фотографий большего размера для всех схем и макетных плат

можно найти в Интернете на сайте издательства англоязыч ного вари-

анта этой книги: http://oreilly.com/catalog/9780596153748

рис. 2.73. Теперь следует добавить

кнопочный переключатель, реле и кон-

денсатор, чтобы завершить сбор схемы,

Эксперимент 9

которая показана на рис. 2.62 и 2.70.

Когда кнопка нажата, реле начинает время и КОнденсатОры

переключаться, а светодиоды мигать

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, макетная плата, провод, кусачки для отре-

зания проводов и инструменты для снятия изоляции.

2. Мультиметр.

3. Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный

однопозиционный (SPST). Количество — 1 шт.

4. Резисторы и электролитические конденсаторы в ассортименте.

В эксперименте 8, когда вы устанавливали конденсатор па-

раллельно обмотке реле, конденсатор заряжался практически

мгновенно перед тем, как разрядиться через обмотку реле. Если

бы вы последовательно к конденсатору добавили резистор, то

длительность разряда конденсатора, безусловно, возросла бы.

Изменяя длительность разряда конденсатора, вы можете изме-

рять время, что является очень важным.

Снимите все компоненты с вашей макетной платы и исполь-

зуйте ее для сбора другой очень простой схемы, монтаж которой

показан на рис. 2.74, где C1 — электролитический конденсатор

Основы переключения и многое другое

91

емкостью 1000 мкФ, R1 — резистор 100 кОм, R2 — резистор

100 Ом и S1 — кнопочный переключатель, который вы уже ис-

пользовали ранее. Установите на вашем мультиметре режим для

измерения постоянного напряжения, подсоедините наконечни-

ки измерительных щупов к контактам конденсатора и нажмите

на кнопку. Вы должны увидеть, как прибор будет увеличивать

показания по мере того, как конденсатор будет накапливать за-

ряд. (Это легче сделать с мультиметром, который не имеет авто-

матического определения диапазона, поскольку вам не придется

ждать до тех пор, пока тестер определит используемый диапа-

зон). Резистор R1 будет замедлять время заряда конденсатора.

12 В

постоянного тока

S1

R1

C1

рис. 2.74. Посмотрите, как кон-

денсатор накапливает заряд (уве-

Вольты

личивает напряжение на выводах)

после того, как вы нажали кнопку.

R2

Замените резистор R1 резисто-

ром другого номинала, разрядите

конденсатор, замкнув его выводы

резистором R2, и повторите про-

цесс измерения. S1 — кнопочный

переключатель типа Выкл. (Вкл.);

R1 — резистор 100 кОм; R2 — ре-

зистор 100 Ом; C1 — конденсатор

1000 мкФ

Отпустите кнопку, отсоедините ваш мультиметр и разрядите

конденсатор, замкнув его выводы резистором R2 в течение одной

или двух секунд. Теперь замените резистор R1, установив рези-

стор номиналом 50 кОм, и повторите измерение. Тестер должен

завершить отсчет за время, по меньшей мере, в два раза меньшее,

чем в предыдущем варианте схемы.

напряжение, сопротивление и емкость

Представьте, что резистор, имеющий некоторое сопротивление

(resistance), это водопроводный кран, а конденсатор это некоторый

надувной баллон (balloon) — емкостью (capacitance), которую вы

Электроника для начинающих

92

Глава 2

СОПРОТИВЛЕНИЕ

хотите заполнить водой. Когда вы закрываете кран до такой степе-

ни, что через него течет маленькая струйка, емкость будет напол-

няться дольше. Тем не менее медленный поток воды все равно за-

ДАВЛЕНИЕ

полнит всю емкость, если вы будете ждать достаточно долго (пред-

БАЛЛОН

полагая, что баллон не будет разорван) и процесс закончится, когда

давление внутри емкости не станет равным давлению (pressure)

внутри трубопровода, который подает воду через кран (рис. 2.75).

Аналогичное происходит и в нашей схеме, если вы ждете до-

ЕМКОСТЬ

статочно долго, то напряжение на выводах конденсатора должно

достичь того же значения, которое имеет источник напряжения.

рис. 2.75. Когда кран закрыт наполо-

В цепи с напряжением питания 12 В конденсатор должен достичь

вину, емкость будет заполняться доль-

напряжения 12 В (хотя это в итоге займет гораздо больше време-

ше, но все равно она может «принять»

такое же количество воды, которое бу-

ни, чем вы думаете).

дет равно ее объему и которое создаст

Это может показаться удивительным, поскольку ранее вы

давление, равное давлению внутри тру-

усвоили, что когда вы подаете напряжение на один конец резисто-

бопровода

ра, то вы получаете меньшее напряжение по мере прохождения

тока через него. Почему резистор передает полное напряжение,

когда соединен с конденсатором?

Забудьте на некоторое время о конденсаторе и вспомните,

как вы тестировали два одинаковых резистора с сопротивлением

1 кОм, соединенных последовательно (см. рис. 1.56). В этой си-

туации каждый резистор представляет собой половину общего со-

противления цепи, поэтому на каждом резисторе падает половина

общего напряжения цепи. Если вы подсоедините наконечник изме-

рительного щупа черного цвета, подключенного к общей клемме

(COM) вашего мультиметра, к отрицательному выводу источника

напряжения, а затем другим щупом красного цвета, подключен-

ным к гнезду для измерения напряжения (V), коснетесь централь-

ной точки цепи, расположенной между двумя резисторами, то вы

получите результат измерения, равный 6 В (рис. 2.76).

Теперь предположим, что вы убрали один резистор номиналом

1K (на рисунке он справа) и заменили его резистором 9K. Общее со-

противление цепи теперь станет равным 10K и поэтому на резисто-

ре номиналом 9K будет падать 90% общего напряжения 12 В. Оно

будет равным 10,8 В. Вы должны проверить это с помощью свое-

го мультиметра. (Вряд ли вам удастся найти резистор с сопротив-

лением 9K, поскольку это нестандартное значение. Замените его

ближайшим по величине сопротивлением, которое вы найдете.)

Затем предположим, что вы убрали резистор номиналом 9K

и заменили его резистором на 99K. Падение напряжения на нем

станет равным 99% возможного напряжения или 11,88 В. Теперь

вы можете заметить общую закономерность: чем больше сопро-

тивление резистора, тем больше его вклад в падение напряжения.

Однако, как я уже отмечал ранее, конденсатор полностью

блокирует все постоянное напряжение. Он может аккумулиро-

вать электрический заряд, но при этом никакого тока через него

Основы переключения и многое другое

93

не проходит. Поэтому конденсатор ведет себя, как резистор, ко-

торый по постоянному току имеет бесконечное сопротивление.

(В действительности изоляционные материалы внутри кон-

денсатора допускают небольшие токи «утечки», а вот идеальный

конденсатор обладает бесконечным сопротивлением.)

Величина сопротивления любого резистора, который вы

подключаете последовательно конденсатору, по сравнению с его

сопротивлением практически равна нулю. Вне зависимости от

того, насколько велико сопротивление резистора, конденсатор

обладает гораздо большим сопротивлением. Это означает, что

на конденсаторе падает практически все напряжение источника

питания, а разность напряжений на одном и другом выводе рези-

стора будет равна нулю (в предположении, что мы пренебрежем

некоторой неидеальностью используемых компонентов).

Помочь прояснить это может изображение на рис. 2.76.

Используя реальные резисторы и конденсаторы, вы можете

проверить это, хотя наверняка столкнетесь с небольшой пробле-

мой. Когда вы для измерения постоянного напряжения будете ис-

пользовать мультиметр, который должен при этом находиться в

соответствующем режиме, то он будет слегка влиять на ток, проте-

кающий по цепи в процессе измерения, хотя это влияние и очень

мало. Прибор отбирает небольшое значение тока на себя, и это не

оказывает существенного влияния на показания, в том случае, когда

1K

1K

12 В

постоянного

тока

6 В

6 В

12 В

1K

9K

постоянного

тока

1,2 В

10,8 В

рис. 2.76. Когда два резистора

1K

99K

соединены последовательно, то

12 В

на большем сопротивлении будет

постоянного

падать большее напряжение, чем

тока

на меньшем. Если резистор будет

иметь бесконечно большое со-

0,12 В

11,88 В

противление (как это будет в слу-

чае конденсатора), то меньшее

сопротивление больше не будет

Бесконечное

давать какой-либо вклад в паде-

12 В

1K

сопротивление

ние напряжения, а напряжение

постоянного

на его выводах будет одинаковым

тока

(т. е. между этими точками раз-

ность потенциалов будет равна

0 В

12 В

нулю)

94

Глава 2

вы измеряете падение напряжения на резисторе. Внутреннее сопро-

тивление мультиметра намного больше, чем величина сопротивле-

ния большинства резисторов. Однако следует помнить, что вну-

треннее сопротивление конденсатора почти равно бесконечности.

В этом случае внутреннее сопротивление мультиметра уже будет

иметь значение. Поскольку вы никогда не сможете иметь идеаль-

ный мультиметр, даже тогда, когда у вас будет идеальный конден-

сатор и резистор, ваш прибор всегда будет немного влиять на схему,

и вы, наверняка, получите приблизительный результат измерения.

Если же вы попытаетесь измерить напряжение на конденса-

торе, который был заряжен, но в данный момент не подключен к

какой- либо цепи, то вы увидите, что значение напряжения будет

медленно уменьшаться, поскольку конденсатор будет разряжать-

ся через подключенный мультиметр.

теОрия

Постоянная времени

Вы можете удивиться, если узнаете, что существует способ

точно предсказать время, в течение которого будут заряжаться

различные конденсаторы, когда они подключены к различным

резисторам. Существует ли формула для расчета этого?

Естественно, ответ будет — «да», но способ, которым мы

будем измерять это время, будет несколько замысловатым, по-

скольку конденсаторы не заряжаются с постоянной скоростью.

Они достигают значения напряжения равного 1 В очень быстро,

значения 2 В уже не так быстро, а 3 В еще медленнее и т. д. Вы

можете представить себе электроны, накапливающиеся на пла-

стине, людьми, которые прогуливаются в аудитории и которые

ищут место для того, чтобы сесть. Чем меньше мест остается,

тем больше людям нужно времени, чтобы найти их.

Величина, которая описывает это, называется « постоянная

времени» . Определение этой величины очень простое:

τ = R C,

где τ — это постоянная времени; C — емкость конденсатора в

фарадах, который заряжается через резистор сопротивлением

R в омах.

Возвращаясь к цепи, которую вы только что тестировали, ис-

пользуем резистор на 1 кОм и конденсатор емкостью 1000 мкФ.

Мы должны перевести эти значения в фарады и омы прежде,

чем использовать их в формуле. Отлично, 1000 мкФ это 0,001 Ф

и 1 кОм это 1000 Ом, поэтому формула будет выглядеть следую-

щим образом:

τ = 1000 × 0,001

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

95

Другими словами, τ = 1 — вывод, который просто нельзя

упростить еще больше для лучшего запоминания:

Резистор с сопротивлением 1 кОм, подсоединенный по-

следовательно с конденсатором емкостью 1000 мкФ, име-

ет постоянную времени τ равную 1.

Означает ли это, что конденсатор будет полностью заряжен

в течение 1 сек? Нет, все не так просто. τ — это постоянная вре-

мени, которая указывает время, нужное конденсатору, чтобы

достичь 63% от напряжения, которое подается на него, если

в начале процесса конденсатор бел полностью разряжен, т. е.

имел напряжение равное 0 В.

(Почему именно 63%? Ответ на этот вопрос слишком сложен

для того, чтобы его объяснить в рамках этой книги, и если вы

хотите узнать больше о постоянной времени, то вам надо изу-

чить другую литературу. При этом вам надо быть готовыми раз-

бираться в дифференциальных уравнениях.) Здесь приведено

формальное определение для сведения в будущем:

Постоянная времени τ — это время, которое необходимо

конденсатору, чтобы он зарядился до значения, равного 63% от

разности между текущим напряжением на конденсаторе и на-

пряжением подключенного источника питания. Когда τ = 1, кон-

денсатор заряжается до значения 63% от полной величины в

течение 1 сек. Когда τ = 2, конденсатор заряжается до значения

63% от полной величины в течение 2 сек. И т. д.

Что произойдет, если продолжить подавать напряжение?

История повторится снова. Конденсатор зарядится на следую-

щие 63% оставшейся разности между текущим значением на-

пряжения и напряжением, которое будет к нему приложено.

Представим, что некто ест торт. Когда он первый раз куса-

ет его и при этом еще голоден, то съедает 63% за одну секун-

ду (рис. 2.77). В течение второго откусывания он не хочет вы-

глядеть слишком жадным и съедает только следующие 63% от

оставшейся части торта, и поскольку он уже не так голоден,

рис. 2.77. Если наш гурман каждый раз съедает только 63% от торта, который в данный

момент находится на тарелке, он «заряжает» свой желудок точно так же, как это делает кон-

денсатор, когда заряжается. Не имеет значения, как много времени это займет, его желудок

никогда не будет заполнен полностью

96

Глава 2

ему потребуется столько же времени, сколько он потратил на

поглощение первого куска. В течение третьего «подхода» он

съедает еще 63% от оставшейся части торта и потратит на это

тоже количество времени и т. д. Он ведет себя точно так же, как

конденсатор, когда «поедает» электричество.

Любитель тортов всегда будет оставлять что- то, что можно

еще съесть, поскольку он никогда не отправляет в рот все 100%

оставшегося торта. Точно также, как и конденсатор никогда не

может зарядиться полностью. В идеальном мире, состоящем из

идеальных компонентов, этот процесс будет продолжаться бес-

конечное время.

В реальном времени мы можем произвольно сказать:

После периода, равного 5 × τ, конденсатор будет заряжен

практически полностью, и мы будем считать, что разница между

имеющимся зарядом и полным зарядом ничтожно мала.

В табл. 2.3 приведен расчет (округлен до двух цифр после за-

пятой), который показывает накопление заряда конденсатора

в цепи с источником питания 12 В, когда постоянная времени

равна 1 сек.

Таблица 2.3

время,

V1:

V2:

V3:

V4:

сек

напряжение на

конденсаторе, В

12 — V1, В

63% от V2, В

V1 + V3, В

0

0,00

12,00

7,56

7,56

1

7,56

4,44

2,80

10,36

2

10,36

1,64

1,03

11,39

3

11,39

0,61

0,38

11,77

4

11,77

0,23

0,15

11,92

5

11,92

Здесь приведены пояснения к содержимому таблицы. V1 это

текущее значение напряжения на конденсаторе в вольтах. Нуж-

но вычесть это значение из напряжения источника питания

(12 В), чтобы определить разность. Обозначим эту разность, как

V2. Теперь возьмем 63% от V2 (это V3) и добавим это значение к

текущему значению напряжения (V1) и получим результат, кото-

рый обозначим V4. Это новое значение напряжения, до которо-

го конденсатор зарядится через 1 сек, поэтому мы копируем это

значение в следующую строку таблицы и оно становится новым

текущим значением напряжения на конденсаторе V1.

Теперь повторим этот процесс снова и снова. На рис. 2.78 это

показано в графической форме. Заметим, что через 5 сек кон-

денсатор достигнет значения 11,92 В, что составляет 99% от

напряжения источника питания. Это должно быть достаточно

близко, чтобы удовлетворить любым требованиям, которые мо-

гут встретиться в реальной ситуации.

Основы переключения и многое другое

97

0

1

2

3

τ

τ

τ

τ

+63%

+63%

+63%

рис. 2.78. Конденсатор начинает заряжаться, начиная с напряжения 0 В. Через промежуток

времени, равный постоянной времени, он добавит 63% от приложенного напряжения. По-

сле окончания второго периода такой же длительности будет добавлено еще 63% остав-

шейся разности напряжений и т. д.

Если вы хотите проверить эти цифры путем измерения на-

пряжения на конденсаторе по мере его зарядки, то следует пом-

нить, что поскольку ваш тестер «приворовывает» немного тока,

поэтому будет небольшое различие между реальным и расчет-

ным приращением напряжения. Однако для практических це-

лей эта система работает достаточно удовлетворительно.

Эксперимент 10

транзистОрнОе ПереКлюЧение

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, макетная плата, провод и мультиметр.

2. Светодиоды. Количество — 1 шт.

3. Резисторы различного номинала.

4. Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный

однопозиционный (SPST). Количество — 1 шт.

5. Транзистор типа 2N2222 или аналогичный ему. Количе-

ство — 1 шт.

Транзистор может переключать электрический ток точно так

же, как и реле. Но он является более чувствительным и универ-

сальным устройством по сравнению с тем, что было продемон-

стрировано в первом очень простом эксперименте.

Электроника для начинающих

98

Глава 2

Мы начнем с использования транзистора типа 2N2222, ко-

торый является наиболее широко используемым полупроводни-

ком (он был представлен компанией Motorola еще в 1962 году

и находится в производстве, начиная с этого времени).

Но прежде всего вы должны познакомиться с транзистором.

Поскольку патент на транзистор 2N2222 был получен компани-

ей Motorola очень давно, то любая компания в настоящее время

может производить собственную версию этого транзистора. Не-

которые модели помещают в небольшой пластмассовый черный

корпус; другие упаковывают в небольшие металлические корпуса

(рис. 2.79). В любом случае он содержит внутри кристалл крем-

ния, который разделен на три части, известные как коллектор, база

и эмиттер. Я опишу его функционирование более подробно, но из-

начально вам всего лишь требуется знать, что в этом типе транзи-

стора на коллектор подается ток, напряжение на базе управляет

им, а эмиттер выдает на выходе окончательное значение тока.

Коллектор

Коллектор

База

База

Эмиттер

Эмиттер

рис. 2.79. Типичный транзистор может быть

рис. 2.80. Транзистор 2N2222 может иметь

помещен либо в небольшой металлический,

один из двух приведенных здесь типов корпу-

либо в черный пластмассовый корпус. В листе

са. Слева: в пластмассовом корпусе, а справа

технических данных производителя указыва-

в металлическом (следует иметь в виду, что

ется, каким образом идентифицировать три

лепесток для этого корпуса должен находить-

вывода транзистора при его подключении ся слева внизу). Если вы используете другую

относительно плоской стороны, если корпус

марку транзистора, то вы должны определить

выполнен из пластмассы, или относительно

назначение его выводов по листу технических

небольшого выступающего лепестка (ключа),

данных. Вставьте транзистор в вашу макетную

который находится в нижней части металли-

плату так, чтобы плоская сторона пластмассо-

ческого корпуса (рис. 2.80)

вого корпуса была справа, как это показано на

рисунке, или чтобы лепесток (ключ) металличе-

ского корпуса был направлен вниз и влево

Для сбора схемы используйте макетную плату, пример мон-

тажа которой приведен на рис. 2.81. Будьте аккуратны, чтобы

с самого начала использовать транзистор правильно! Для тех

видов транзистора, которые я упомянул ранее в списке необхо-

димых закупок, плоская часть должна быть направлена вправо,

если транзистор выполнен в корпусе из черной пластмассы, или

лепесток (ключ) должен находиться внизу слева, если корпус

транзистора изготовлен из металла (см. рис. 2.80).

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

99

12 В

постоянного тока

R1

R2

Q1

S1

R3

D1

рис. 2.81. В исходном состоянии транзистор не пропускает ток, блокируя напряжение, ко-

торое подается на него через резистор R1. Но когда нажата кнопка S1, на базу транзистора

подается сигнал, который разрешает пройти току через него. Следует запомнить, что тран-

зисторы на монтажных и принципиальных схемах всегда обозначаются буквой Q1: S1 — кно-

почный переключатель без фиксации, типа Выкл. (Вкл.); R1 — резистор с сопротивлением

180 Ом; R2 — резистор с сопротивлением 10 кОм; R3 — резистор с сопротивлением 680 Ом;

Q1 — транзистор 2N2222 или аналогичный ему; D1 — светодиод

Изначально светодиод гореть не будет. Теперь нужно на-

жать кнопку S1 и светодиод ярко загорится. Электрический ток

в данной схеме имеет два пути. Посмотрите на схему, которая

приведена на рис. 2.82. Я изобразил вверху часть схемы, имею-

щую более положительное напряжение, а более отрицательное

напряжение — внизу (как это делается на большинстве схем), по-

скольку такое изображение помогает лучше понять их функцио-

нирование. Если вы посмотрите на схему сбоку, то будет легче

увидеть совпадение схемы с компоновкой ее на макетной плате.

Через резистор R1 напряжение подается на верхний вывод

(коллектор) транзистора. Транзистор практически не пропуска-

ет ток, поэтому светодиод остается темным. Когда же вы нажмете

на кнопку S1, для тока появляется еще один отдельный путь, че-

рез резистор R2 на средний вывод (базу) транзистора. Это при-

каз транзистору «замкнуть контакты» его «твердотельного пере-

ключателя», что позволяет току протекать через третий вывод

(эмиттер) транзистора, резистор R3 на светодиод.

1 В России используется такое же графическое обозначение транзистора,

рис. 2.82. Здесь показана та же самая

но обозначают его двумя буквами VT. Однако в данной книге обозначения всех

схема, что собрана на макетной плате

элементов сохранены, т. е. соответствуют оригиналу. — Ред.

и приведена на рис. 2.81

Электроника для начинающих

100

Глава 2

Чтобы проверить напряжение в этих точках цепи, вы можете

использовать мультиметр в режиме измерения постоянного на-

пряжения. Подключите общий (COM) отрицательный измери-

тельный щуп мультиметра к отрицательному выводу источника

напряжения, затем другим щупом последовательно коснитесь

верхнего, среднего и нижнего вывода транзистора. Когда вы на-

жмете на кнопку, то вы заметите изменения этих напряжений.

Переключение кончиками пальцев

Теперь обратимся к некоторым более значимым вещам. Удали-

те резистор R2 и кнопку S1, а вместо них установите два провода,

как это показано на рис. 2.83, а. Верхний провод будет подключен

к положительному полюсу источника напряжения; нижний провод

подключается к среднему выводу транзистора (к его базе). Теперь

кончиком вашего пальца коснитесь двух проводов. Снова загорится

светодиод, хотя не так ярко, как это было ранее. Смочите свой палец

и попробуйте снова, теперь светодиод будет гореть более ярко.

Никогда не следует использовать обе руки

Демонстрация с переключением кончиком пальца безопасна толь-

ко в том случае, когда электрический ток проходит только через ваш

палец. Вы даже ничего не почувствуете, поскольку 12 В постоянного

напряжения источника питания может создать ток величиной 1 А1

или меньше. Но прикладывать один палец одной руки к одному проводу,

а палец другой руки к другому проводу не лучшая идея. Это даст воз-

можность электрическому току пройти через ваше тело. Хотя шанс

получить серьезную травму таким образом крайне мал, никогда не

позволяйте электрическому току проходить от одной руки к другой

через ваше тело. Кроме того, при прикосновении к проводам не допу-

скайте, чтобы они проникали в вашу кожу.

Ваш палец подключает положительное напряжение на базу

транзистора. Даже, несмотря на то, что ваша кожа имеет высо-

кое сопротивление, транзистор будет реагировать. В данном

случае имеет место не только простое включение и выключение

светодиода, здесь осуществляется усиление силы тока, который

подается на базу транзистора. Поэтому в данном случае следует

отметить очень важный вывод: транзистор усиливает любые из-

менения тока, который проходит через его базу.

Посмотрите на рис. 2.83, б, чтобы понять более четко, что

происходит.

1 Автор скорее всего ошибся, поскольку в этом случае сопротивление паль-

ца должно быть 12 Ом, а такой большой ток в 1 А нельзя считать безопасным,

т. к. постоянный ток более 50 мА считается опасным для жизни. На самом деле

даже влажная кожа человека имеет сопротивление не менее 1000 Ом, а при этом

условии ток будет менее 12 мА. — Ред.

Основы переключения и многое другое

101

12 В

постоянного тока

Кончик

R1

пальца

R1

Q1

Кончик

Q1

пальца

R3

б

D1

R3

а


рис. 2.83. На этих рисунках ( а и б) показаны те же компоненты, что и ранее на рис. 2.82, с заменой резистора R2 и кнопки S1 кончиком пальца. Хотя только небольшая часть на-

пряжения теперь достигает базы транзистора, его вполне достаточно, чтобы транзистор на

него отреагировал

Если вы изучили разд. «Базовые сведения — Положительный

и отрицательный» в главе 1, то вы понимаете, что в реальности

не существует такой вещи, как положительное напряжение (из-

быток положительных зарядов в одном месте). Все, что у нас есть

это отрицательное напряжение (создаваемое избытком свобод-

ных электронов) и отсутствие отрицательного напряжения (та-

кое место, где мало свободных электронов). Но, поскольку идея

о потоке электрических зарядов от положительного полюса к

отрицательному была настолько широко распространена до от-

крытия электрона и поскольку внутренний механизм «работы»

транзистора включает в себя «дырки», которые представляют

собой отсутствие электронов и могут считаться положительны-

ми зарядами, мы все еще можем считать, что положительные за-

ряды перемещаются от положительного полюса к отрицательно-

му. Для более подробного описания смотрите следующий разд.

«Важные сведения — Все о n- p-n- и p- n-p-транзисторах».

важные сведения

все о n-p-n­ и p-n-p­транзисторах

Транзистор это полупроводник , что значит нечто, что иногда

проводит электрических ток, а иногда нет. Его внутреннее со-

противление меняется в зависимости от напряжения, которое

приложено к его базе.

102

Глава 2

Транзисторы n- p-n и p- n-p являются биполярными полупро-

водниками. Они содержат два слегка различных варианта крем-

ния и проводят ток, используя носители обеих полярностей —

дырки и электроны.

Транзистор n- p-n- типа представляет собой некоторый сэнд-

вич с кремнием p- типа в середине, а транзистор p- n-p- типа —

кремнием n- типа. Если вы хотите в большей степени овладеть

терминологией и узнать о поведении электронов, когда они

пытаются пересечь n- p-переход или p- n-переход, вы должны

обратиться к другим источникам технической информации, по-

священным этому предмету. Это слишком сложная техническая

тема, выходящая за рамки этой книги. Все, что необходимо за-

помнить вам, это:

К

• все биполярные транзисторы имеют три вывода: коллектор,

базу и эмиттер, которые обозначаются соответствующими

буквами «К» (C), «Б» (B) и «Э» (E) в листах технических данных,

где описано, как определить назначение выводов;

Б

• транзисторы n- p-n- типа управляются (активируются) поло-

жительным напряжением, которое прикладывается к базе

транзистора относительно эмиттера;

• транзисторы p- n-p- типа управляются отрицательным напря-

жением, которое создается на базе относительно эмиттера.

В пассивном состоянии оба типа транзисторов препятствуют

Э

прохождению тока от коллектора к эмиттеру точно также, как

и однополюсное однопозиционное реле (SPST), у которого в

рис. 2.84. Вы можете представить себе

биполярный транзистор устройством,

обычном состоянии контакты нормально разомкнуты. (Факти-

внутри которого находится кнопоч-

чески транзисторы пропускают очень небольшой ток, который

ный переключатель, позволяющий

известен, как « ток утечки». )

соединять коллектор и эмиттер. В n-p-n-

транзисторах кнопку нажимает неболь-

Вы для простоты понимания можете представить, что бипо-

шой положительный потенциал

лярный транзистор внутри имеет очень маленький кнопочный

переключатель, как это показано на рис. 2.84 и 2.85. Когда кноп-

ка нажата, это дает возможность проходить большому току. Что-

Э

бы нажать эту кнопку, вы должны дать возможность пройти че-

рез базу очень небольшому по величине току путем подачи на

базу небольшого напряжения. В n- p-n- транзисторе управляю-

Б

щее напряжение является положительным. В p- n-p- транзисторе

управляющее напряжение является отрицательным.

Основные сведения о n- p-n- транзисторах

• Чтобы пропустить электрический ток от коллектора к эмит-

теру транзистора, надо относительно эмиттера приложить к

К

базе более положительное напряжение.

рис. 2.85. В p-n-p-транзисторах неболь-

• На условном графическом обозначении транзистора стрел-

шой отрицательный потенциал создает

ка указывает направление тока от базы к эмиттеру и пока-

такой же эффект. Стрелки показывают

зывает направление перемещения потока положительных

направление «потока положительных

зарядов»

зарядов.

Основы переключения и многое другое

103

• Чтобы через транзистор начал проходить ток, потенциал его

базы должен быть, по меньшей мере, на 0,6 В «более положи-

тельным», чем потенциал эмиттера.

• Коллектор должен быть «более положительным», чем эмиттер.

Основные сведения о p- n-p- транзисторах

• Чтобы пропустить электрический ток от эмиттера к коллек-

тору транзистора, надо приложить к базе относительное от-

рицательное напряжение.

• На условном графическом обозначении транзистора стрелка

указывает направление тока от эмиттера к базе и показывает

направление перемещения потока положительных зарядов.

• Чтобы через транзистор начал проходить ток, потенциал его

базы должен быть, по меньшей мере, на 0,6 В «более отрица-

тельным», чем потенциал эмиттера.

• Эмиттер должен быть «более положительным», чем коллектор.

Основные сведения о всех транзисторах

• Никогда не следует прикладывать питающее напряжение

напрямую к транзистору. Вы можете сжечь его током слиш-

ком большой величины.

• Транзистор следует защищать резистором точно так же, как

вы защищали светодиод.

• Следует избегать подключения транзистора в обратной по-

лярности.

• Бывает, что в некоторых схемах использование n- p-n- тран-

зисторов более удобно; в других случаях проще установить

p- n-p- транзистор. Оба они работают, как переключатели

и усилители; единственное различие между ними состоит

в том, что к базе n- p-n- транзистора прикладывается более

положительное напряжение, а к базе p- n-p- транзисторов —

более отрицательное.

• Транзисторы p- n-p- типа применяются относительно редко;

в основном это связано с тем, что их производство требу-

ет использования более сложной современной технологии

производства полупроводников. Люди привыкли проекти-

ровать схемы на основе n- p-n- транзисторов.

• Следует помнить, что биполярные транзисторы это усилите-

ли тока, а не напряжения. Небольшое изменение тока через

базу дает возможность проходить большому току от эмитте-

ра к коллектору.

• На схемах транзисторы иногда изображаются с кружком,

а иногда без него. В этой книге я всюду использую обозначе-

ние с кружками (рис. 2.86–2.87).

104

Глава 2

• На схемах допускается указывать эмиттер вверху и коллек-

тор внизу, возможен также и обратный вариант. База может

находиться слева или справа в зависимости от того, каким

образом удобнее рисовать схему. Будьте внимательны, рас-

сматривая стрелки в транзисторах, чтобы увидеть каким

образом идет ток, а также транзистор какого типа имеется

в виду: n- p-n или p- n-p. Вы можете вывести из строя транзи-

стор, если подключите его неправильно.

• Транзисторы могут иметь различные размеры и конфигура-

ции. Во многих из них нет способа определить, какие про-

вода подключены к эмиттеру, коллектору или базе, а неко-

торые транзисторы даже не имеют обозначений на корпусе.

Перед тем, как выбросить упаковку, в которой были приоб-

ретены транзисторы, следует проверить не указано ли на

ней обозначение контактов (ножек).

• Если вы забыли, какой провод к чему подключен, то неко-

торые мультиметры имеют функцию, которая дает возмож-

ность определить эмиттер, коллектор и базу. Более подроб-

но эта функция изложена в руководстве пользователя муль-

тиметра.

К

Э

Б

Б

Э

К

рис. 2.86. На этом условном графиче-

рис. 2.87. На этом условном графиче-

ском обозначении биполярного n- p-n-

ском обозначении биполярного p- n-p-

транзистора стрелка всегда направлена

транзистора стрелка всегда направлена

от базы к эмиттеру. Иногда символ тран-

от эмиттера к базе. Иногда символ тран-

зистора заключают в кружок, а иногда

зистора помещают в кружок, а иногда

нет. Стиль изображения стрелки может

нет. Стиль изображения стрелки может

варьироваться. Но направление для варьироваться. Но значение всегда

данного типа должно быть всегда одно

одно и то же. Для использования в дан-

и то же. Для использования в данной

ной книге я выбрал вариант отображе-

книге я выбрал вариант отображения

ния транзистора вверху слева

транзистора на рисунках сверху слева

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

105

базОвые сведения

изобренеие транзисторов

Хотя некоторые историки проводят линию происхождения

транзистора к изобретению диодов (устройств, которые дают

возможность проходить току только в одном направлении

и не дают в обратном), не существует расхождений в том, что

первый работающий транзистор был разработан в компании

Bell Laboratories в 1948 году Джоном Бардиным (John Bardeen),

Уильямом Шокли (William Shockley) и Уолтером Браттейном

(Walter Brattain) (рис. 2.88).

рис. 2.88. На фотографии, представленной Нобелевским фондом, слева направо

Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн. За их сотрудничество в разработке

первого в мире действующего транзистора в 1948 году они разделили Нобелев-

скую премию 1956 года

Уильям Шокли был лидером этой группы, который пред-

видел насколько важным потенциалом могут обладать «твер-

дотельные переключатели». Джон Бардин был теоретиком,

а Уолтер Браттейн практически выполнил эту работу. Это было

исключительно продуктивное сотрудничество до тех пор, пока

они не добились успеха. После этого Уильям Шокли пытался за-

патентовать транзистор только под своим именем. Когда же он

уведомил об этом своих соавторов, то они, естественно, не об-

радовались этой идее.

Широко распространенная публичная фотография не могла

помочь Шокли, на ней он сидел в центре перед микроскопом,

что выглядело так, как будто он сделал всю черновую работу,

в то время как остальные стоят позади него, показывая, что они

играют меньшую роль. На самом деле фактически Уильям Шок-

ли был куратором, который редко присутствовал в лаборато-

рии, когда выполнялась основная работа.

Продуктивное сотрудничество быстро распалось. Уолтер

Браттейн попросил о переводе в другую лабораторию в компа-

нию AT&T, а Бардин перешел на работу в Университет Иллинойса,

106

Глава 2

чтобы заняться теоретической физикой. Шокли вскоре покинул

Bell Labs и основал компанию Shockley Semiconductor в том ме-

сте, которое впоследствии стало называться Силиконовой доли-

ной (Silicon Valley), но его амбиции превосходили возможности

технологии, существовавшей на тот момент времени. Компания

Уильяма Шокли так и не произвела ничего такого, что могло бы

приносить прибыль.

Восемь сотрудников компании Уильяма Шокли вскоре пре-

дали его, уволившись и основав свой собственный бизнес, т. е.

компанию Fairchild Semiconductor, которая впоследствии ста-

ла необычайно успешной, как производитель транзисторов,

а позднее и интегральных схем.

важные сведения

транзисторы и реле

Одно из ограничений, которое накладывается на биполяр-

ные транзисторы n- p-n- и p- n-p- типа, заключается в том, что они

естественным образом находятся в состоянии «выключено» до

тех пор, пока вы не переведете их в положение «включено». Они

ведут себя как нормально разомкнутые кнопки, которые прово-

дят электрический ток только тогда, когда находятся в нажатом

состоянии. Они не похожи на обычные переключатели, которые

находятся во включенном состоянии до тех пор, пока сигнал их

не переведет в состояние выключено.

Реле обладает большими возможностями переключения.

Оно может быть нормально разомкнутым, нормально замкну-

тым или может быть двухпозиционным переключателем, кото-

рый предоставляет вам возможность выбора из двух позиций

«включено». Оно также может быть двухполюсным, что делает

возможным соединять (или разрывать) два полностью раздель-

ных контакта, когда вы подаете на реле напряжение. Устройства,

состоящие из одного транзистора, не могут обеспечить двухпо-

зиционные и двухполюсные функции, хотя вы можете сделать

более сложную схему на основе транзисторов, которая будет

выполнять и эти функции.

Далее в табл. 2.4 приведен обобщенный список некоторых

сравнительных характеристик транзистора и реле.

Основы переключения и многое другое

107

Таблица 2.4

транзистор реле

Период надежной эксплуатации

Отличный

Ограниченный

Возможность использования конфигурации с

Нет

Да

Более положительное

двухпополюсным и двухпозиционным переключением

напряжение

Способность переключать большие токи

Ограниченная

Хорошая

Способность переключать переменное напряжение (AC)

Обычно нет

Да

Может ли включаться подачей переменного напряжения (АС) Обычно нет

Опция

Некоторое

К

Б

Пригодность к миниатюрному исполнению

Отличная

Очень ограничена

промежуточное

значение

Чувствительность к окружающей температуре

Высокая

Средняя

Э

Способность переключения на высоких частотах

Отличная

Ограниченная

Ценовое преимущество для малых токов, низких напряжений Да

Нет

Ценовое преимущество для больших токов, высоких

Нет

Да

Более отрицательное

напряжений

напряжение

Утечка тока в состоянии «выключено»

Да

Нет

рис. 2.89. Для правильного функциони-

рования n- p-n- транзисторов требуется

Выбор между реле или транзистором будет зависеть от каж-

поддерживать это соотношение между

дого конкретного случая использования.

потенциалами точек

теОрия

12 В

постоянного тока

наблюдение тока

Если вы хотите получить более точное представление о том,

как работает транзистор, то вам нужно попытаться выполнить

R2

R1

приведенный далее опыт. Он показывает точное поведение

и ограничения транзистора 2N2222, который вы использовали

в эксперименте 10.

P1

A1

Q1

Я уже говорил, что в n- p-n- транзисторах коллектор должен

быть всегда более положительным, чем эмиттер, а база долж-

A2

на иметь потенциал где- то между этими двумя значениями на-

пряжения. На рис. 2.89 показано это приблизительное соотно-

R4

R3

шение. Теперь я хочу добавить некоторые цифры в эти общие

заявления.

Посмотрите на схему на рис. 2.90 и проверьте значения ком-

понентов. Следует заметить, что общее сопротивление резисто-

ров R1 + R2, расположенных выше транзистора, является таким

рис. 2.90. Это практически та же самая

же, что и суммарное сопротивление резисторов R3 + R4. Поэто-

схема только с добавленным потенцио-

метром и удаленным светодиодом. Зна-

му потенциал базы транзистора должен быть где- то посереди-

чения компонентов: R1 — резистор с

не между двумя максимумами, до тех пор, пока вы не будете с

сопротивлением 180 Ом; R2 — резистор

помощью потенциометра P1 регулировать напряжение на базе

с сопротивлением 10 кОм; R3 — рези-

стор с сопротивлением 180 Ом; R4 —

транзистора.

резистор с сопротивлением 10 кОм;

Два резистора R1 и R3 сопротивлением 180 Ом защищают

P1 — потенциометр с линейной харак-

транзистор от избыточного тока. Два резистора R2 и R4 сопро-

теристикой и сопротивлением 1 МОм;

Q1 — транзистор типа 2N2222

тивлением 10 кОм защищают базу транзистора, когда движок

108

Глава 2

потенциометра перемещен в крайнее верхнее или в крайнее

нижнее положение.

Я хотел бы посмотреть, что делает транзистор. Сделать это

можно путем измерения тока, протекающего через базу в месте,

помеченном, как A1 (см. рис. 2.90), а также измерить суммарный

ток, который протекает через эмиттер в месте, обозначенном,

как A2. Для этого было бы очень хорошо иметь два прибора, но

поскольку это не совсем практично, то на рис. 2.91 и 2.92 пока-

зано, как вы можете, переключая один мультиметр на макетной

плате, выполнить измерения в двух этих местах.

Амперы

Амперы

12 В

12 В

постоянного тока

постоянного тока

R1

R1

Q1

Q1

R2

A1

R2

A2

R3

R3

R4

R4

рис. 2.91. Мультиметр, измеряющий ток через базу тран-

рис. 2.92. Один конец резистора R3 был отсоединен от макетной

зистора в точке А1 (см. рис. 2.90)

платы, поэтому мультиметр в настоящий момент измеряет ток, кото-

рый проходит через эмиттер транзистора, и сопротивление R3, т. е.

в точке А2 (см. рис. 2.90)

Помните, что при измерении тока вы должны сделать так,

чтобы ток проходил через мультиметр. Это означает, что при-

бор должен быть включен в разрыв цепи, а как только вы отклю-

чите его, вы должны восстановить соединение между точками,

к которым был подключен мультиметр. Из приведенных рисун-

ков легко понять, как это можно было бы сделать на макетной

плате. К счастью, на макетной плате очень легко и просто от-

ключать и снова подключать провода и комноненты. Там, где

Основы переключения и многое другое

109

измерительные провода подключаются к потенциометру и во

втором случае к резистору R3, вам могут потребоваться зажи-

мы типа «крокодил».

Начинайте вращать потенциометр, повернув его примерно

до половины. Измерьте ток в точках A1 и A2. Переместите дви-

жок немного вверх и измерьте ток в этих же точках снова. Далее

приведена табл. 2.5, в которой показаны реальные результаты

измерений, которые я получил, одновременно используя два

цифровых мультиметра.

Таблица 2.5

ток, проходящий через прибор,

ток, проходящий через прибор,

размещенный в точке A1,

размещенный в точке A2,

ма

ма

0,01

1,9

0,02

4,9

0,03

7,1

0,04

9,9

0,05

12,9

0,06

15,5

0,07

17,9

0,08

19,8

0,09

22,1

0,10

24,9

0,11

26,0

0,12

28,3

Получается довольно очевидное соотношение. Ток, прохо-

дя щий через эмиттер, измеренный в точке А2, в 24 раза боль-

ше тока, проходящего через базу, и измеренного в точке А1.

Соотношение между током, проходящим через эмиттер

n- p-n- транзистора, к току, проходящему через базу этого же тран-

зистора, называется бета- параметром для транзистора. Вели-

чина этого параметра выражает величину усиления транзистора.

Это достаточно постоянная величина до тех пор, пока базо-

вый ток не становится более 0,12 мА, когда транзистор перехо-

дит в состояние насыщения, что означает, что его внутреннее

сопротивление не может более уменьшаться.

В моем маленьком эксперименте я обнаружил, что макси-

мальный ток, который может быть достигнут при измерении в

точке А2, равен 33 мА.

Простое вычисление с помощью закона Ома показало, что

при этом значении тока внутреннее сопротивление транзисто-

ра стало практически равно нулю. Именно поэтому- то вы долж-

ны защищать транзистор каким- либо дополнительным резисто-

ром, установленным в цепь. Если вы этого не сделаете, то малое

110

Глава 2

значение внутреннего сопротивления транзистора приведет к

такому большому значению эмиттерного тока, что это станет

причиной сгорания транзистора.

А что можно сказать про другой конец диапазона? В этом

случае, когда через эмиттер проходит ток, равный 1,9 мА, тран-

зистор имеет внутреннее сопротивление, равное примерно

6000 Ом. Из этого можно сделать следующий вывод: в зависи-

мости от того, какой ток вы прикладываете к данному тран-

зистору, его внутреннее сопротивление меняется от нуля до

приблизительно 6000 Ом.

Вот и вся теория. Что бы теперь мы могли сделать такое с

транзистором, что нас бы развеселило, или было бы полезно,

или бы сделало и то и другое? Итак, мы можем приступить к вы-

полнению эксперимента 11.

Эксперимент 11

мОдульный ПрОеКт

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, макетная плата, провода и мультиметр.

2. Светодиоды. Количество — 1 шт.

3. Резисторы различного номинала.

4. Конденсаторы различного номинала.

5. Биполярный транзистор 2N2222 или аналогичный ему. Ко-

личество — 2 шт.

6. 2N6027 программируемый однопереходный транзистор. Ко-

личество — 2 шт.

7. Миниатюрный динамик сопротивлением 8 Ом. Количе-

ство — 1 шт.

До сих пор я описывал небольшие схемы, которые выпол-

няли очень простые функции. Теперь наступило время для соз-

дания модуля, на основе которого можно соорудить устройство,

способное на гораздо большее.

Конечным продуктом данного эксперимента будет схема,

генерирующая звуковой сигнал, подобный небольшой сирене,

которую можно будет использовать для создания сигнализации

несанкционированного проникновения. Вас может интересовать

или не интересовать обладание таким сигнальным устройством,

но четыре этапа этого процесса очень важны, поскольку нагляд-

но демонстрируют каким образом можно заставить отдельные

группы компонентов обмениваться данными друг с другом.

Я начну с того, что покажу вам, как нужно использовать тран-

зистор, чтобы создать схему генератора, которую мы построили

Основы переключения и многое другое

111

ранее на основе реле при выполнении эксперимента 8. Реле, вы

наверно помните, было подключено так, что напряжение пита-

ния на его обмотку поступало через контакты реле. Как только на

обмотку подавалось напряжение, реле размыкало контакт, одно-

временно отключая подачу напряжения питания на обмотку. Как

только контакты освобождались, они возвращались в исходное

состояние, снова замыкая контакты и подавая напряжение пита-

ния на обмотку.

Не существует способа сделать это на основе одного бипо-

лярного транзистора. Для этого вам потребуется два таких тран-

зистора, которые будут включать и выключать друг друга, и то,

как они это делают, будет довольно сложно понять. Более про-

стой способ — это использование другого компонента, который

известен под названием программируемый однопереходный тран-

зистор ( PUT — programmable unijunction transistor).

Однопереходные транзисторы были разработаны в середине

1950-х годов, но оставались невостребованными, пока дешевые

кремниевые кристаллы выполняли те же самые функции более

надежно и точно. Однако программируемые однопереходные

транзисторы широкодоступны, поскольку часто используются

в регуляторах света и устройствах управления двигателями. По-

скольку их основная задача генерировать поток импульсов, они

идеальны и для нашей задачи.

Если вы соедините компоненты так, как показано на рис. 2.93,

то светодиод начнет мигать сразу же после включения напряже-

ния питания.

6 В

постоянного тока

R1

R2

C1

Q1

R3

D1

рис. 2.93. Соберите эти компоненты, приложите напряжение питания и светодиод начнет

мигать. Значения компонентов: R1 — резистор с сопротивлением 470 кОм; R2 — резистор

с сопротивлением 15 кОм; R3 — резистор с сопротивлением 27 кОм; C1 — электролитиче-

ский конденсатор емкостью 2,2 мкФ; D1 — светодиод; Q1 — программируемый однопере-

ходный транзистор 2N6027

112

Глава 2

Следует заметить, что цепь работает от источника питания

с напряжением 6 В. Вы не сможете повредить что- либо в этой

схеме, если в качестве напряжения питания будете использовать

12 В, но при добавлении следующих компонентов вы поймете,

что напряжение 6 В лучше, чем 12 В. Для того чтобы разобраться

в том, каким образом работает эта схема, прочтите следующий

разд. «Важные сведения — Все о программируемых однопереход-

ных транзисторах».

важные сведения

все о программируемых

однопереходных транзисторах

Схематическое изображение программируемого одно-

Анод

переходного транзистора ( PUT — programmable unijunction

transistor) существенно отличается от обозначения обычного

Управляющий

биполярного транзистора, а его части имеют другое название.

электрод

Тем не менее он обладает теми же самыми функциями, что

и твердотельный полупроводниковый переключатель. Услов-

ное графическое обозначение и три наименования его выводов

приведены на рис. 2.94.

Следует заметить, что это очень редкий случай (может быть

единственный во всей электронике), когда компонент везде

обозначается на схемах одним и тем же символом. Программи-

Катод

руемый однопереходный транзистор выглядит всегда так, как

рис. 2.94. Условное графическое обо-

я его нарисовал здесь. Лично мне хотелось бы поместить этот

значение программируемого однопе-

символ в кружок, но больше никто этого не делает, поэтому я

реходного транзистора

тоже не буду это делать.

Программируемый однопереходный транзистор 2N6027 яв-

ляется наиболее распространенным транзистором такого типа,

поэтому он имеет стандартный корпус и стандартное назна-

чение выводов. Мне такие транзисторы попадались только в

пластмассовых корпусах, а вот в металлических корпусах я их не

встречал. На рис. 2.95 показаны названия выводов транзистора,

если транзистор 2N6027 был произведен компанией Motorola

Анод

или On Semiconductor. Если вы приобрели этот компонент от

другого производителя, то вам следует уточнить назначение

Управляющий

его выводов по листу технических данных.

электрод

Следует отметить, что плоская часть пластмассового кор-

пуса биполярного транзистора 2N2222 направлена в противо-

Катод

положную сторону по сравнению с положением плоской части

рис. 2.95. Название и расположение

корпуса однопереходного транзистора, что важно, когда эти

выводов программируемого однопере-

два устройства используются вместе.

ходного транзистора 2N6027, выпускае-

Однопереходный транзистор препятствует прохождению

мого компаниями On Semiconductor

и Motorola

тока до тех пор, пока его внутреннее сопротивление не падает

Основы переключения и многое другое

113

до такого значения, что ток начинает протекать от «анода» к «ка-

Анод

тоду». В этом он кажется похожим на n- p-n- транзистор, но суще-

ствует большая разница в условиях, которые заставляют одно-

переходный транзистор снизить свое сопротивление. Так, для

того, чтобы программируемый однопереходный транзистор от-

крылся для прохождения тока, определяется напряжением на

Управляющий

электрод

его аноде.

Предположим вы начали, скажем, с напряжения 1 В, прило-

женного к аноду. Затем постепенно и медленно повышаете это

напряжение. Транзистор остается закрытым до тех пор, пока

напряжение на аноде не станет близким к 6 В. Внезапно это на-

пряжение падает, поскольку падает сопротивление и импульс

тока поступает на катод. Если напряжение снова снижается, то

Катод

однопереходный транзистор возвращается в свое исходное со-

стояние и снова препятствует прохождению тока.

рис. 2.96. Когда напряжение на аноде

однопереходного транзистора пре-

Я добавил новый вариант рисунка с изображением «пальца

вышает пороговое значение, которое

на кнопке» для того, чтобы упрощенно объяснить поведение

определяется напряжением на управ-

однопереходного транзистора (рис. 2.96). Напряжение на аноде

ляющем электроде, транзистор начина-

ет пропускать ток и создается импульс,

само несет ответственность за нажатие на кнопку, которая от-

проходящий от анода к катоду. В этом

крывает путь прохождения тока на катод.

случае ситуация выглядит так, как будто

Для вас может оказаться проблемой определение того, ка-

напряжение на аноде само нажимает на

кнопку для замыкания контакта внутри

кую функцию выполняет управляющий электрод. Вы можете

транзистора при некоторой помощи на-

считать его неким компонентом, «помогающим» пальцу нажи-

пряжения на управляющем электроде

мать на кнопку. Фактически управляющий электрод это «про-

граммируемый» элемент однопереходного транзистора. Изме-

няя уровень напряжения на этом электроде, вы можете задать

точку срабатывания, при которой транзистор начинает пропу-

скать ток.

Итак, приведем простое обобщение.

• Анод должен быть более положительным, чем катод, а на-

пряжение на управляющем электроде должно находиться

между этими двумя значениями.

• Если напряжение на аноде становится больше некоторого

порогового уровня, то через однопереходный транзистор

начинает проходить ток, и течет он от анода к катоду.

• Если напряжение на аноде снова становится меньше поро-

гового уровня, то транзистор прекращает пропускать ток.

• Напряжение, приложенное к управляющему электроду,

определяет уровень порогового напряжения.

• Напряжение на управляющем электроде транзистора зада-

ется с помощью двух резисторов, которые обозначены, как

R1 и R2 на схеме, приведенной на рис. 2.97. Обычно сопро-

тивление каждого из этих резисторов составляет 20 кОм. Од-

нопереходный транзистор защищен от полного напряжения

питания с помощью резистора R3, сопротивление которого

может быть 100 кОм или выше, поскольку для напряжения

смещения транзистора требуется очень небольшой ток.

114

Глава 2

• Вы подаете на анод транзистора входной сигнал в форме

положительного напряжения. Когда сигнал превысит поро-

говое значение напряжения, то через катод начинает про-

текать ток, который может использоваться в качестве управ-

ляющего выходным устройством.

Единственно оставшийся вопрос, как мы заставим однопере-

ходный транзистор генерировать колебания, чтобы создавать

импульсы включения/выключения. Ответ заключается в нали-

чии конденсатора, который вы включали в цепь, собранную на

макетной плате в начале эксперимента 11 (см. рис. 2.93).

R1

R3

шаг 1. Колебания с малой частотой

Входной

На рис. 2.98 приведено графическое изображение схемы, со-

управляющий

бранной на макетной плате с использованием однопереходного

сигнал

транзистора и показанной на рис. 2.93; оно выполнено так, что

R2

компоновка условных обозначений компонентов в максималь-

Выходное

ной степени соответствовала бы их расположению на макетной

управляемое

устройство

плате.

Резисторы с сопротивлениями 15 кОм и 27 кОм задают на-

пряжение на управляющем электроде. Через резистор сопротив-

лением 470 кОм напряжение подается на анод однопереходного

рис. 2.97. На этой простой схеме по-

транзистора, а он начинает свою «работу» с состояния «выклю-

казано каким образом можно исполь-

чено» (заперт), в котором он не пропускает ток. Напряжение,

зовать однопереходный транзистор. Со-

поступающее на анод транзистора, будет равно напряжению на

противления резисторов R1 и R2 опре-

деляют напряжение на управляющем электролитическом конденсаторе емкостью 2,2 мкФ, который

электроде, которое в свою очередь за-

вначале начинает заряжаться.

дает пороговое значение для входного

напряжения на аноде. Как только вход-

Вы наверно помните, что резистор замедляет скорость заря-

ное напряжение становится больше по-

да конденсатора. Причем чем больше сопротивление резистора

рогового значения, транзистор начина-

ет пропускать ток от анода к катоду

и/или емкость конденсатора, тем будет больше длительность

полного заряда конденсатора. В этой схеме, чтобы зарядиться до

значения 6 В, конденсатору требуется примерно 0,5 сек.

6 В

Но не следует забывать, что однопереходный транзистор

постоянного тока

2N6027 подключен параллельно с конденсатором. Поэтому все

напряжение, которое накопилось на конденсаторе, также будет

2.2μF

влиять и на транзистор. Так, по мере увеличения этого напря-

470K

жения наступит момент, когда оно превысит уровень порогового

напряжения, и однопереходный транзистор переключается в со-

стояние «включено» (открыт), в котором он пропускает ток. При

15K

27K

этом конденсатор через транзистор и светодиод (который в это

время будет светиться) начнет немедленно разряжаться током,

2N6027

поступающим на отрицательный вывод источника питания.

Импульс тока разряжает конденсатор. Напряжение на аноде

транзистора падает, и он возвращается в исходное состояние. Те-

рис. 2.98. Такое изображение схемы об-

перь конденсатор снова начнет заряжаться до тех пор, пока весь

легчает восприятие того, что находится

на макетной плате

процесс не повторится снова.

Основы переключения и многое другое

115

Если вы замените конденсатор на конденсатор емкостью

22 мкФ, то время заряда/разряда увеличится в 10 раз и вы смо-

жете его измерить. Установите на вашем мультиметре режим из-

мерения постоянного напряжения и прикоснитесь измеритель-

ными щупами к контактам конденсатора. Вы реально увидите

процесс повышения напряжения до порогового уровня, а затем

разряд конденсатора и повторное уменьшение напряжения.

Теперь мы получили генератор. Что дальше?

шаг 2. за пределами возможностей

визуального наблюдения

Если вы выполните замену на конденсатор малой емкости,

то он будет заряжаться быстрее, а светодиод чаще мигать. Пред-

положим, вы установили конденсатор емкостью 0,0047 мкФ (ко-

торую можно записать так же, как 47 нФ). Это значение емкости

использует нечетное число, но это одно из стандартных значе-

ний емкостей выпускаемых конденсаторов. Установка такого

конденсатора уменьшает емкость более чем в 500 раз, поэтому

светодиод в этом случае будет мигать с частотой в 500 раз боль-

шей, что будет соответствовать частоте колебаний, равной при-

мерно 1000 раз в секунду. Человеческий глаз уже не в состоянии

заметить мигание с такой частотой. Однако ухо человека может

слышать частоту до 10 000 колебаний в секунду и даже выше.

Поэтому, если мы заменим светодиод небольшим динамиком, то

будем в состоянии услышать сгенерированные колебания.

На рис. 2.99 показано, как я хочу, чтобы вы это сделали.

Пожалуйста, оставьте вашу предыдущую схему с низкой часто-

той колебаний нетронутой и соберите ее копию в нижней части

макетной платы, заменив пару элементов на указанные ранее.

В схеме на рис. 2.100 новая часть схемы изображена сплошными

черными линиями, а старая серыми.

Я хочу, чтобы вы оставили предыдущую схему, работающую

с низкой частотой, нетронутой, потому, что у меня есть идея ис-

пользовать ее несколько позднее. Вы можете оставить светодиод

мигающим.

Динамик подключается последовательно с резистором но-

миналом 100 Ом для ограничения тока, который протекает через

однопереходный транзистор. Динамик не имеет полярности, тем

не менее, у него один провод красного, а другой черного цвета.

Вы можете подключать его любым способом.

Изначально вы будете разочарованы, поскольку будет ка-

заться, что схема ничего не делает. Однако если вы приложите

ухо очень близко к динамику, и если вы все выполнили правиль-

но, то услышите негромкое жужжание, похожее на писк комара.

116

Глава 2

6 В

постоянного тока

6 В

постоянного тока

470K

2.2μF

R1

R2

C1

15K

27K

Q1

2N6027

R3

D1

.0047μF

470K

R4

C2

33K

27K

R5

Q2

R6

R7

2N6027

L1

100

рис. 2.99. Дополнительные компоненты, которые смон-

рис. 2.100. Та часть схемы, которая

тированы в нижней части макетной платы, имеют те же

была выполнена ранее, показана

функции, что и компоненты, установленные выше, но

серым цветом. Просто добавьте ту

при этом параметры некоторых компонентов несколько

часть схемы, которая выполнена чер-

изменены: R4 — резистор с сопротивлением 470 кОм;

ным цветом

R5 — резистор с сопротивлением 33 кОм; R6 — резистор

с сопротивлением 27 кОм; R7 — резистор с сопротивле-

нием 100 Ом; C2 — конденсатор емкостью 0,0047 мкФ;

Q2 — программируемый однопереходный транзистор

2N6027; L1 — миниатюрный динамик с сопротивлением

8 Ом диаметром 1'' (25,4 мм)

Очевидно, что такая громкость совершенно недостаточна, чтобы

иметь какую-либо практическую ценность. Нам нужно увели-

чить эту громкость. Другими словами, мы должны ее усилить.

Может быть, вы еще не забыли, что транзистор 2N2222, кото-

рый вы применяли ранее, может использоваться в качестве усили-

теля. Поэтому давайте попробуем использовать его в этом качестве.

базОвые сведения

монтаж динамика

Диафрагменный или конический динамик спроектирован

для того, чтобы воспроизводить звук, но когда он колеблется

взад и вперед, он излучает звук от своей задней панели точно

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

117

так же, как и от передней. Поскольку эти звуковые колебания

находятся в противофазе, то наблюдается тенденция приглуше-

ния звука.

Воспринимаемый сигнал от динамика может быть суще-

ственно увеличен, если добавить к нему рупор в виде трубы для

отделения колебаний от передней и задней частей динамика.

Для миниатюрного динамика диметром около 1'' (25,4 мм)

вы можете изготовить рупор из листа картона (рис. 2.101).

Еще лучше установить динамик в корпус, в котором звук от

задней панели динамика будет поглощаться. Для задач, связан-

ных с такими простыми экспериментами, я не буду беспокоить-

ся о таких деталях, как применение корпуса с акустическим фа-

зоинвертором.

шаг 3. усиление

рис. 2.101. Динамик излучает звук от

своей нижней поверхности точно так

Отсоедините динамик и установленный последовательно с же, как и от верхней. Чтобы увеличить

полезную составляющую аудиосигнала,

ним резистор с сопротивлением 100 Ом. Затем добавьте транзи-

можно использовать картонную трубку

стор 2N2222, который для защиты от избыточного тока должен для разделения источников звука или

установить динамик в небольшой корпус

быть подключен к однопереходному транзистору через резистор

с сопротивлением 1 кОм (рис. 2.102).

6 В

6 В

постоянного тока

постоянного тока

470K

2.2μF

R1

R2

C1

Q1

R3

15K

27K

D1

2N6027

R4

.0047μF

470K

C2

R5

Q2

R6

33K

27K

R8

R7

2N6027

Q3

L1

100

1K

рис. 2.102. Добавив биполярный транзистор

2N2222 общего назначения, мы усиливаем сигнал, по-

2N2222

ступающий от однопереходного транзистора Q2: R8 —

резистор с сопротивлением 1 кОм ; Q3 — биполярный

транзистор 2N2222. Другие компоненты аналогичны

рис. 2.103. Электрическая схема, со-

тем, которые использовались ранее при монтаже этой

ответствующая собранной на макетной

схемы

плате и показанной на рис. 2.102 схеме

118

Глава 2

Эмиттер транзистора 2N2222 подключается к «земле» (от-

рицательному выводу источника питания), а коллектор к дина-

мику и установленному последовательно с ним резистору но-

миналом 100 Ом. Теперь небольшие колебания тока на выходе

однопереходного транзистора будут улавливаться базой транзи-

стора 2N2222, который будет преобразовывать их в большие ко-

лебания между коллектором и эмиттером, а соответственно и в

большие колебания тока в динамике. Проверьте соединения по

схеме, приведенной на рис. 2.103.

Теперь звук в динамике будет несколько мощнее, чем жуж-

жание насекомого, но все еще недостаточно мощным. Что же де-

лать?

Отлично, если вы подумали о подключении еще одного тран-

зистора 2N2222. Биполярные транзисторы устанавливаются по-

следовательно, поэтому выход одного транзистора подключается

к базе другого. Усиление первого, равное 24 : 1, будет умножать-

ся на усиление следующего, которое также равно 24 : 1, что даст

общее усиление, равное более 500 : 1.

6 В

6 В

постоянного тока

постоянного тока

470K

2.2μF

R1

R2

C1

Q1

R3

15K

27K

2N6027

D1

.0047μF

470K

R4

C2

R5

Q2

33K

27K

R6

R8

2N6027

R9

Q3

2K2

1K

R7

100

Q4

L1

2N2222

2N2222

рис. 2.104. Q4 это другой биполярный транзистор рис. 2.105. Эта схема анало-

2N2222, который производит дальнейшее усиление гична собранной на макет-

сигнала. Он получает питание через резистор R9 с со-

ной плате и показанной на

противлением 2,2 кОм

рис. 2.104

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

119

Но при использовании такой технологии существуют ограни-

Напряжение питания

чения. Транзистор 2N2222 может проводить такой большой ток

только до того момента, пока не достигнет тока насыщения, а из-

быточное усиление может привести к искажениям. Когда я соз-

Быстрый генератор

давал эту схему, я использовал мультиметр, чтобы проверить, что

мы находимся в пределах проектных значений; кроме того, в дан-

ном случае искажения звука для меня не имели особого значения.

Усилитель

Добавление второго биполярного транзистора 2N2222 (Q4)

показано на рис. 2.104. На рис. 2.105 ранее собранная схема при-

Динамик

ведена серым цветом, а черным те изменения, которые сделаны.

Если накопление количества компонентов на плате приводит

к затруднениям восприятия, то следует помнить, что каждая со-

вокупность деталей имеет свою отдельную определенную функ-

Напряжение питания

цию. Для иллюстрации наглядности работы отдельных блоков

схемы можно нарисовать соответствующую блок- схему, которая

Медленный генератор

для данного случая приведена в верхней части на рис. 2.106.

При использовании второго транзистора 2N2222 вы долж-

ны заметить, что выходной звук стал более громким, по меньшей

Быстрый генератор

мере, в пределах возможностей вашего небольшого динамика

диаметром 1'' (25,4 мм). Сложите ладони вокруг динамика, и вы

услышите, что громкость звучания увеличилась (см. рис. 2.101).

Усилитель

Кроме того, вы можете попробовать использовать динамик диа-

метром 3'' (76,2 мм), который будет генерировать выходной сиг-

Динамик

нал лучшего качества, оставаясь в рамках предельных возмож-

ностей транзистора 2N2222 (рис. 2.107).

рис. 2.106. Верхняя часть рисунка:

блок- схема генератора звуковых коле-

шаг 4. Прерывистые выходные сигналы

баний, работающего на относительно

высокой частоте («быстрый» генератор).

Нижняя часть рисунка: блок-

Если вы хотите использовать выходной сигнал в качестве

схема ге-

нератора, в котором добавлен относи-

сигнала охранной сигнализации, то непрерывный жужжащий тельно низкочастотный («медленный») генератор для управления другим («бы-

звук не относится к числу тех, которые удовлетворительно вы-

стрым») генератором, работающим на

полняют эту задачу. Прерывистый сигнал будет привлекать го-

более высокой частоте

раздо больше внимания.

Отлично, первая часть схемы, которая была создана ранее,

генерирует сигнал с частотой порядка двух импульсов в секунду,

вы использовали его для включения светодиода (см. рис. 2.98).

Может быть нам убрать светодиод и использовать выход первой

части схемы во второй части схемы генератора? Эту идею может

пояснить блок- схема, приведенная в нижней части на рис. 2.106.

Однако можно ли это сделать так просто? И да, и нет. Слож-

ность заключается в том, чтобы согласовать выход первой части

схемы с входом второй. Если вы просто подключите провод от ка-

рис. 2.107. Биполярный транзистор

тода первого программируемого однопереходного транзистора к 2N2222 в состоянии подать сигнал до-

аноду второго, то это не будет работать, поскольку второй транзи-

статочной мощности на динамик диаме-

тром 3'', который может выдать звуковой

стор уже выполняет генерацию колебаний, изменяя напряжение сигнал более высокого качества

120

Глава 2

от низкого до высокого значения с частотой порядка 1000 раз в

секунду. Добавьте еще напряжение, и в результате вы нарушите

баланс, который дает возможность создавать колебания.

Однако мы помним, что напряжение на управляющем электро-

де однопереходного транзистора влияет на пороговое значение,

при котором меняется его проводимость. Может быть, если мы

при соединим выход транзистора Q1 к управляющему электроду

транзистора Q2, мы будем в состоянии регулировать изменение по-

рогового значения автоматически? Напряжение будет находиться в

диапазоне, который все еще остается приемлемым для однопереход-

ного транзистора. Мы можем попробовать различные транзисторы,

чтобы найти тот, который лучше всего подходит для этой цели.

Это выглядит как метод проб и ошибок, чем на самом деле

и является. Выполнение математических расчетов для предсказа-

ния поведения такой цепи, как эта, выглядит достаточно сложной

задачей, для меня во всяком случае. Я всего лишь посмотрел на

справочные листы технических данных, чтобы выбрать именно

те транзисторы, диапазон значений которых будет приемлем для

однопереходных транзисторов, и выбрал из них тот, который, ка-

залось, должен работать.

Если убрать светодиод и заменить его сопротивлением R10, как

это показано на схеме, собранной на макетной плате и приведенной

на рис. 2.108, то вы обнаружите, что выходной переменный сигнал

однопереходного транзистора Q1 заставляет другой транзистор

Q2 генерировать двухтональный сигнал. Это достаточно интересно,

но все же не то, что мне нужно. Я думаю, что, если мы сделаем вы-

ходные импульсы транзистора Q1 менее резко прерывающимися,

то результат мог бы быть лучше, а способом сглаживания выход-

ных импульсов должно быть подключение другого конденсатора,

который будет заряжаться в начале каждого импульса и разряжать-

ся в его конце. В этом- то и заключается назначение конденсатора

С3 емкостью 2,2 мкФ на рис. 2.109, и это будет завершающим эле-

ментом схемы, который приведет к генерированию «воющего» сиг-

нала, который будет звучать почти как настоящий сигнал тревоги.

Если вы не получите на выходе никакого аудиосигнала, то

очень тщательно проверьте подключение проводов в вашей схе-

ме. Очень легко сделать неправильное подключение на макетной

плате, особенно, если имеешь дело с тремя выводами транзисто-

ров. Для проверки того, что каждая часть схемы питается поло-

жительным напряжением, следует использовать мультиметр в

режиме измерения постоянного напряжения, и выполнить изме-

рения относительно отрицательного вывода источника питания.

На рис. 2.110 показано каким образом должна выглядеть

ваша окончательная схема, полностью смонтированная на ма-

кетной плате.

Электроника для начинающих

Основы переключения и многое другое

121

6 В

6 В

постоянного тока

постоянного тока

470K

2.2μF

R1

R2

C1

Q1

15K

27K

R3

C3

2N6027

2.2μF

R10

10K

.0047μF

R4

C2

470K

R5

Q2

27K

R6

33K

R8

2N6027

R9

Q3

2K2

1K

R7

100

Q4

L1

2N2222

2N2222

рис. 2.108. Резистор R10 соединяет «медленный» гене-

рис. 2.109. На этой схеме при-

рис. 2.110. На этой фотографии при-

ратор в верхней части макетной платы с управляющим

ведена та же самая схема, что

ведена полностью собранная схема

электродом однопереходного транзистора Q2, уста-

и на макетной плате, приведен-

охранной звуковой сигнализации, смон-

новленный в центре макетной платы. Это приводит к

ной на рис. 2.108: R10 — рези-

тированная на макетной плате

модулированию колебаний акустического генератора

стор с сопротивлением 10 кОм;

с дальнейшим изменением звука за счет добавления

C3 — электролитический кон-

сглаживающего конденсатора

денсатор емкостью 2,2 мкФ

Тонкая настройка схемы

Здесь существует огромное пространство для творчества.

• Отрегулируйте частоту звука — используйте конденсато-

ры меньшей или большей емкости вместо конденсатора

C2 (в два раза больше или меньше текущего значения); ис-

пользуйте большее или меньшее сопротивление для рези-

стора R5.

• Отрегулируйте параметры генерирования — используйте

конденсаторы меньшей или большей емкости вместо кон-

денсатора C1 (в два раза больше или меньше текущего значе-

ния); используйте большее или меньшее сопротивление для

конденсатора R2.

• Настройки общих эксплуатационных характеристик — по-

пытайтесь увеличить сопротивление резистора R1; попытай-

тесь уменьшить или увеличить емкость конденсатора С3.

122

Глава 2

• Попытайтесь включить схему, используя в качестве напря-

жения питания значения 7,5 В, 10 и 12 В.

Предполагается, что все схемы в этой книге приведены в ка-

честве начальной идеи. Вы должны всегда пытаться изменять

их так, чтобы создавать собственные схемы. До тех пор пока вы

будете следовать общему правилу защиты транзисторов и све-

тодиодов с помощью резисторов и соблюдать соответствующие

правила при подключении положительного и отрицательного

напряжения, вам вряд ли удастся их сжечь. Конечно, инциденты

будут иметь место — я лично был не слишком внимателен и сжег

пару светодиодов, работая над этой схемой, поскольку я их под-

ключал неправильно.

шаг 5. усовершенствования

Схема для генерирования сирены является всего лишь вы-

ходным каскадом системы охранной сигнализации. Вам же, что-

бы сделать эту схему полезной, нужно выполнить ряд следующих

требований по усовершенствованию:

1. Нужен какой- либо датчик регистрации проникновения. Мо-

жет быть, магнитные переключатели1 для окон и дверей?

2. Необходим какой- то способ для включения звука, если ка-

кой- либо из датчиков сработал. Способ, как это сделать, уже

существует. Надо пропустить небольшой постоянный ток

через все датчики (магнитные переключатели), подключен-

ные последовательно. Если любой из этих переключателей

размыкается или если провод сам по себе обрывается, то это

приводит к разрыву токовой цепи, что будет приводить к

включению сигнализации. Вы могли бы это сделать, исполь-

зуя двухпозиционное реле, поддерживая реле в состоянии

срабатывания до тех пор, пока цепь не будет разорвана, ко-

гда реле переходит в исходное состояние, замыкая контакты,

которые включают напряжение питания устройства генери-

рования сирены.

Проблема заключается в том, что реле потребляет достаточно

большую мощность, когда на нее подается напряжение пита-

ния и одновременно разогревается. Я бы хотел сделать свою

систему сигнализации, потребляющую очень малый ток, ко-

гда она находится в режиме «готовности», и чтобы она мог-

ла питаться от батарейки. Системы сигнализации никогда не

должны полностью зависеть от сетевого напряжения дома.

1 Автор имеет в виду герконы, т. е. герметизированные переключатели с

пружинными контактами из ферромагнитного материала, срабатывающие под

действием магнитного поля. — Ред.

Основы переключения и многое другое

123

Если же мы не используем реле, то можем ли мы применить

транзистор для включения остальной части схемы, когда на-

пряжение питания отключено? Разумеется; практически до-

статочно одного транзистора, чтобы сделать это.

3. Но каким образом нашу систему сигнализации ставить на

охрану? На практике нам понадобится трехэтапная процеду-

ра. Сначала надо проверить небольшую индикацию, которая

включается, когда все двери и окна закрыты. Затем, нажа-

тие на кнопку должно включать 30-секундный отчет, давая

вам время выйти из помещения, если это то, что вам надо

сделать. И, наконец, после этих 30 сек сигнализация должна

встать на охрану сама.

4. Если сигнализация сработала, что должно произойти далее?

Если какая- либо сила открывает окно, должна ли сигнали-

зация отключить звук, как только окно будет закрыто? Нет,

сигнализация должна оставаться включенной до тех пор,

пока вы ее не отключите.

5. Как надо отключать ее? Ввод какого- либо кода с помощью

клавиатуры был бы неплохим решением.

6. Но следует избегать нервировать кого- либо, если сигнали-

зация будет срабатывать ложно, поэтому когда вы не нахо-

дитесь дома, она должна отключаться сама, например, через

10 мин. В этом случае она не должна генерировать звуковой

сигнал, но при этом светодиод должен вам показывать, что

произошло. Вы можете затем нажать кнопку перезагрузки

для того, чтобы отключить светодиод.

реализация перечня требований

Итак, я подготовил перечень требований, которые, вероят-

но, сделают проект, по меньшей мере, в пять раз более сложным,

чем он есть в настоящий момент. Отлично, это именно то, что

должно случиться, когда вы идете дальше, отталкиваясь от не-

большой демонстрационной схемы, и пытаетесь спроектировать

нечто такое, что окажется полезным в повседневной жизни. Вне-

запно вы обнаружите, что самостоятельно пытаетесь учесть все

возможные обстоятельства и ситуации.

Действительно, я могу и покажу, как позаботиться обо всех

усовершенствованиях, приведенных в этом перечне, но я думаю,

что они потребуют от нас сначала использования несколько бо-

лее серьезного общего подхода к электронным проектам. Если

вы собираетесь изготовить нечто амбициозное, то вы должны

сделать это более надежным и возможно более компактным, чем

просто макетная плата с размещенными на ней компонентами.

124

Глава 2

Вам надо будет узнать, как, используя пайку, соединить все

компоненты на перфорированной печатной плате, которую вы

затем можете установить в аккуратном небольшом корпусе с пе-

реключателями и индикаторными лампочками снаружи.

Я собираюсь уделить внимание пайке и размещению деталей

схемы в главе 3. После этого мы опять вернемся к проекту охран-

ной сигнализации.

Обращение

К бОлее серьезным вещам Глава 3

Я не знаю насколько глубоко вы хотите погрузиться в об-

в этой главе

ласть электроники, но знаю, что я вам открою все, что смогу, с ис-

пользованием всего лишь нескольких компонентов, некоторого

Список необходимых покупок

количества проводов, макетной платы и небольшого количества

для экспериментов с 12 по 15

приборов и инструментов. Чтобы продолжить, вам понадобятся:

Эксперимент 12.

• несколько большее количество инструментов и материалов;

Соединение двух проводов вместе

• основные навыки в пайке;

Эксперимент 13.

Сжигание светодиода

• дополнительные знания о:

Эксперимент 14.

 интегральных микросхемах;

Пульсирующий свет

 цифровой электронике;

Эксперимент 15.

 микроконтроллерах;

Переработанная с хема

охранной сигнализации

 двигателях.

Инструменты не относятся к чему- либо экзотическому или

очень дорогому, а навыки пайки приобретаются достаточно лег-

ко. Научиться соединять провода с помощью пайки намного

проще, чем освоить высокоуровневые ремесла такие, например,

как создание ювелирных или сварных изделий.

Что касается дополнительных областей знаний об электрони-

ке, то они ничем не сложнее тех, которые уже обсуждались ранее.

В конце данной главы вы должны будете перенести все

компоненты с макетной платы на перфорированную печатную

плату, на которой их надо будет соединить между собой с помо-

щью пайки, а затем эту плату с переключателями, светодиодами

и клеммами окончательно установить в небольшой корпус для

последующего повседневного использования.

сПисОК неОбхОдимых ПОКуПОК

для эКсПериментОв с 12 ПО 15

Оборудование и инструменты

Все последующее оборудование и инструменты разделе-

ны на три классификационные группы, которые помечены как

«основное», «рекомендуемое» и «необязательное». Все основное

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

126

Глава 3

оборудование и инструменты будут обязательно использоваться

в данной главе. Если же вы приобретете их вместе с «рекомен-

дуемыми» инструментами, то их будет вполне достаточно, чтобы

добраться до конца книги. Необязательное (вспомогательное)

оборудование и инструменты, безусловно, упростят вашу работу,

но стоит ли тратить на них деньги — это ваше решение. Напом-

ню, что адреса веб- сайтов, а также соответствующие наименова-

ния производителей и поставщиков приведены в приложении.

Я полагаю, что вы уже имеете некоторые основные навыки

работы в мастерской, знаете, например, как обращаться с электро-

дрелью.

Основное

Миниатюрный паяльник-карандаш мощностью 15 Вт

Примерами могут служить RadioShack компонент 64–2051,

McMaster- Carr, позиция в каталоге № 7016A34 или Xytronic модель

252 (рис. 3.1). Паяльники мощностью 15 Вт используются реже,

чем паяльники мощностью 25 Вт или более мощные. Хотя паяль-

ник мощностью 15 Вт желательно использовать только для выпол-

нения работ, связанных с пайкой деталей малого размера, он зна-

чительно снижает риск повреждения деталей за счет их перегрева.

При сравнении цен следует помнить, что паяльник с гальва-

нически покрытым жалом, который стоит несколько дороже, бу-

рис. 3.1. Низкая мощность этого ми-

ниатюрного паяльника-карандаша дает

дет служить вам дольше и его легче будет очистить; кроме этого,

возможность применять его без риска

он более надежно подает тепло, чем паяльник с обычным мед-

повреждения чувствительных компо-

нентов, а тонкое его жало помогает осу-

ным жалом. Если же технические характеристики производите-

ществлять выборочный разогрев

ля не содержат упоминания о долговечном жале, то скорее всего

паяльник его не имеет.

Паяльник общего назначения мощностью 30–40 Вт

Хотя большинство экспериментов в данной книге требуют ис-

пользования термочувствительных компонентов малого размера

и тонких проводов, в некоторых случаях вам может понадобиться

сделать пайку больших компонентов и/или толстых проводов. Па-

яльник с мощностью 15 Вт в этом случае не сможет подать требуемое

количество тепла. Поэтому для работы вам следует иметь паяльни-

рис. 3.2. Этот паяльник достаточно ки и большей мощности, тем более что их цена не слишком высока.

большой мощности создает дополни-

Лично я предпочитаю паяльник Weller Therma- Boost, пока-

тельный разогрев, который необходим

для пайки толстых проводов и компо-

занный на рис. 3.2, поскольку он имеет дополнительную кнопку,

нентов большого размера. При посто-

которая дает возможность увеличить подачу тепла. Это очень

янном использовании паяльника он со

полезно, когда вы хотите быстро разогреть паяльник или пытае-

временем теряет свой первоначальный

вид, что никоим образом не сказывает-

тесь спаять очень толстый провод с большим теплоотводом.

ся на его эксплуатационных характери-

Если вы не можете найти или не хотите использовать такой

стиках, если поддерживать его жало в

чистом состоянии

паяльник, то вам может подойти почти любой мощностью 30 или

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

127

40 Вт. Зайдите на интернет- аукцион eBay или в ближайший хо-

зяйственный магазин.

Держатель

Так называемый держатель (или «третья рука») имеет два

зажима типа «крокодил», которые предназначены для удержи-

вания компонентов или проводов точно в том положении, в ко-

тором вам требуется их спаять. Некоторые модели держателей

дополнительно оснащены увеличительной линзой (лупой), спи-

ральной подставкой для паяльника и небольшим куском губки,

которую следует использовать для очистки жала паяльника, ко-

рис. 3.3. Держатель оснащен двумя

«крокодилами» для фиксации вашего

гда оно загрязняется (рис. 3.3). Все эти дополнительные элемен-

изделия. Металлическая спираль это

ты крайне желательны. Держатели можно найти в Интернете в держатель для фиксации вашего разо-

гретого паяльника, а губка предназна-

ресурсах, посвященных электронике, как хобби. Примерами мо-

чена для очистки его жала

гут служить позиция в каталоге № HH55 компании Elenco или

модель 64–2991 компании RadioShack.

Увеличительные линзы

Вне зависимости от качества вашего зрения небольшие, удоб-

ные, мощные увеличительные линзы имеют важное значение, ко-

гда вы проверяете паяные соединения на перфорированной печат-

ной плате. Набор из трех линз, приведенный на рис. 3.4, спроекти-

рован так, чтобы располагаться вблизи вашего глаза, и он обладает

гораздо более мощными линзами (лупами), чем линзы на держа-

теле. Линзы с подставкой на рис. 3.5 могут быть установлены на рис. 3.4. Набор дешевых пластиковых

рабочий стол и ими можно пользоваться, не применяя рук. Оба увеличительных линз великолепно вы-

типа устройств можно приобрести у компании RadioShack, а ана-

полняет свои функции при правильном

логичные устройства можно приобрести в магазинах для художе-

их использовании. Ручная увеличитель-

ная линза очень важна при проверке

ственного творчества и хобби. Следует отметить, что при условии качества пайки соединений, которые вы

правильного использования пластмассовые линзы более удобны.

будете выполнять на перфорированной

печатной плате

Измерительные провода для мультиметра с клипсами

Наконечники измерительных проводов, которые имеются в

комплекте вашего мультиметра, при считывании показаний при-

бора требуют постоянного их удерживания в контакте со схемой.

Это предполагает использование обеих рук, что не дает вам воз-

можности делать еще что- либо одновременно.

Когда же вы используете измерительные провода со специ-

альными клипсами (или иначе «мини-захватами») с небольшими

подпружиненными наконечниками на концах провода, то вы мо-

жете присоединить общий провод (обычно черного цвета) вашего

мультиметра к отрицательному выводу вашей цепи и оставить его рис. 3.5. Этот тип увеличительной лин-

в таком состоянии, и в этот же момент можете другим наконеч-

зы с держателем можно устанавливать

ником измерительного щупа касаться любой другой точки схемы, на рабочем столе, и он очень удобен

для проверки номиналов компонентов

или же присоединить другую клипсу к любой другой точке схемы.

маленького размера

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

128

Глава 3

Модель Pomona 6244–48–0 (показана рис. 3.6) от компании

Meter Superstore и некоторых других поставщиков это именно то,

что вам нужно. Если же у вас возникли проблемы с поиском или

для вас имеет значение стоимость используемых измеритель-

ных проводов, то вы можете сами выбрать штырьковые вилки

типа «банан» (например такие, как деталь 274–721 от компа-

нии RadioShack), которые соответствуют гнездам вашего муль-

тиметра, а затем использовать многожильный провод 16 AWG

(1,43 мм2) или более толстый провод с плетеной жилой для того,

чтобы подсоединить зажимы для контрольных проводов, пред-

назначенных для проверки интегральных схем, как например,

рис. 3.6. Эти клипсы (мини-захваты) Kobiconn 13IC331 или RadioShack «мини», деталь № 270–372C

измерительных проводов мультиметра

(рис. 3.7 и 3.8).

значительно упрощают процесс из-

мерения. Нажатие подпружиненной

кнопки клипсы будет приводить к вы-

Специальный промышленный фен

движению небольшого медного контак-

тирующего крючка. После подключения

После того как вы соединили два провода паяльником, вам

им к оголенному выводу или проводу

часто необходимо изолировать место соединения. Изоляционная

надо отпустить кнопку. После этого

руки освобождаются для выполнения

лента, которую часто называют просто изолентой, в этой ситуации

других задач. Для меня это какая-то за-

не очень эффективна и часто в такой изоляции образуются разры-

гадка, почему мультиметры изначально

вы. Вы будете использовать термоусадочную трубку, которая фор-

не поставляются с измерительными

проводами с этими клипсами в качестве

мирует оболочку вокруг оголенного металлического соединения.

стандартного оборудования

Чтобы заставить трубку сжиматься, следует использовать специ-

альный промышленный фен, который представляет собой очень

мощный вариант фена для волос. Его можно приобрести в любом

хозяйственном супермаркете, и я полагаю, что вы приобретете для

себя самую дешевую версию, которую найдете (рис. 3.9).

рис. 3.7. Чтобы изготовить собственные

рис. 3.8. Затем другой конец провода

рис. 3.9. Похожий на мощный фен для

измерительные провода для мультиме-

вставьте в боковое отверстие снятого

волос промышленный фен использует-

тра с клипсами, сначала следует при-

пластмассового колпачка клипсы. Зачи-

ся для теплового воздействия на тер-

соединить вилку типа «банан» к прово-

щенный конец провода нужно припаять

моусадочную трубку, за счет которой

ду, протянув его через пластмассовый

к контактам клипсы. После этого завин-

создается прочная изолированная обо-

корпус вилки

тите колпачок клипсы

лочка вокруг оголенного провода

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

129

Отсос для припоя

Это небольшое простое устройство отсасывает горячий, рас-

плавленный припой, когда вам необходимо очистить паяное со-

единение, которое вы сделали в ненужном месте. Доступно сре-

ди изделий от All Electronics (позиция в каталоге № SSR-1) или

можно выбрать RadioShack 64–2086 (рис. 3.10).

Лента для удаления припоя

Также известна, как оплетка для удаления припоя

(англ. desoldering braid) (рис. 3.11). Вы можете использовать

это средство для удаления припоя вместе с отсосом для очист-

ки места пайки от припоя. Доступна среди изделий компании

All Electronics (позиция в каталоге SWK) или можно приобрести рис. 3.10. Чтобы очистить паяное соеди-

нение, вы можете нагреть припой до тех

RadioShack (компонент 64–2090).

пор, пока он не станет жидким, а затем с

помощью резиновой груши (этого про-

Набор миниатюрных отверток

стейшего устройства) отсосать его

Небольшие электронные изделия и детали часто имеют та-

кие же миниатюрные винты, и в том случае, когда вы попытае-

тесь использовать отвертку неправильного размера, то можете

испортить шлиц головки винта. Я предпочитаю использовать на-

бор прецизионных отверток Stanley, компонент № 66–052, пока-

занный на рис. 3.12. Но любой набор будет полезен только в том

случае, если в нем есть одновременно крестообразные отвертки

и наборы с плоским жалом.

рекомендуемое

Подставка для паяльника

рис. 3.11. Дополнительной возможно-

Подобно пистолету, помещаемому в кобуру, вы можете вста-

стью для удаления припоя является его

вить паяльник в эту подставку, когда паяльник разогрет, но в сбор с помощью этой медной оплетки

данный момент вам не нужен (рис. 3.13). Примерами могут слу-

жить позиция № 50B-205 в каталоге компании All Electronics,

RadioShack модель 64–2078 или можно поискать аналогичные

на интернет- аукционе eBay. Эта поставка может быть встроена

в держатель (см. рис. 3.3), но вам может понадобиться еще одна

дополнительная подставка для вашего второго паяльника.

Миниатюрная ручная пилка

Я полагаю, что вы наверняка захотите выполнять монтаж за-

конченных электронных устройств в корпусах достаточно «про-

фессионального» вида. Соответственно вам, вероятно, понадо-

бится инструмент для того, чтобы резать и обрабатывать тонкую

пластмассу или пластик. Например, вам может понадобиться вы-

резать квадратное отверстие таким образом, чтобы в этом корпу-

рис. 3.12. Набор отверток малого раз-

мера относится к числу очень важных

се можно было установить прямоугольный переключатель.

инструментов

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

130

Глава 3

Мощный инструмент для выполнения этой деликатной рабо-

ты не подойдет. Миниатюрная ручная пилка (иначе называемая

«пилка для хобби») является идеальным инструментом для вы-

полнения такого рода работ. Компания X- Acto предлагает набор

маленьких полотен для пилок. Я предлагаю полотно размером

№ 15, вставленное в ручку, как это показано на рис. 3.14. Этот ин-

струмент можно приобрести через Интернет на сайтах компаний

Tower Hobbies, Hobbylinc, ArtCity, а также на многих других ис-

точниках инструментов для художественных работ и хобби. Так-

же следует обратить внимание на полотна X- Acto под номерами

234 и 239, которые можно использовать для разрезания перфо-

рированной печатной платы.

рис. 3.13. Безопасная и простая под-

Миниатюрные тиски

ставка для паяльника

Миниатюрные тиски предоставляют возможность выполнять

такие работы, которые нельзя сделать с помощью держателя для

плат и элементов (см. рис. 3.3). Я, например, использую свои ти-

ски, когда отрезаю маленькие кусочки пластика и когда фиксирую

перфорированную печатную плату во время работы (рис. 3.15).

Поискать чугунные тиски, которые имеют размер 1” или не-

сколько больший, можно в Интернете на Megahobby, eBay и дру-

гих сайтах с инструментами для художественных работ и хобби.

Также можно подумать о тисках компании PanaVise, которые

имеют наклонную головку, что позволяет поворачивать объект

обработки под любым углом.

Инструмент для удаления заусениц

рис. 3.14. Компания X-Acto предлагает

Инструмент для удаления заусениц скругляет острые гра-

диапазон полотен малого размера, ко-

ни и делает фаски на любом грубом краю (когда вы прорезали

торые идеальны для вырезания квадрат-

ных отверстий и для установки компо-

или просверлили отверстие в пластике, например) и также дает

нентов на пластмассовые панели

возможность несколько увеличить отверстия. Этот инструмент

может оказаться необходимым, поскольку некоторые компонен-

ты изготавливаются с использованием метрических размеров,

которые не входят в отверстия, просверленные американскими

сверлами. Ваш небольшой местный хозяйственный магазин мо-

жет не иметь инструментов для удаления заусениц, но их можно

очень недорого приобрести в Интернете на таких ресурсах, как

Sears, McMaster- Carr, KVM Tools или Amazon (рис. 3.16).

необязательное

Ручная коническая зенковка

Вам понадобится зенковка для выполнения фасок на кра-

рис. 3.15. Эти тиски размером 1’’ мож-

ях отверстий для винтов, чтобы они подходили для винтов с

но заказать по каталогу компании

McMaster-Carr

плоскими головками. Если вы будете использовать зенковку,

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

131

установленную в электрическую дрель, то у вас не будет возмож-

ности точно контролировать выполнение этой процедуры, когда

будете работать с тонким мягким пластиком.

Ручную зенковку, которую можно удерживать в руках и по-

ворачивать как отвертку, найти легче, но компания McMaster-

Carr (позиция в каталоге № 28775A61) это единственный ис-

точник, где я нашел ручной инструмент, который намного легче

использовать. Он продается вместе с набором зенковок, которые

показаны на рис. 3.17.

Набор крючков и шил

Изготовленный компанией Stanley набор, позиция № 82–

115, доступен в интернет-

рис. 3.16. Это небольшой режущий ин-

магазине Amazon и хозяйственных ма-

струмент оригинальной конструкции с

газинах. Вы можете найти похожие импортные изделия, которые закруглением в целях безопасности и с

будут на несколько долларов дешевле (рис. 3.18).

изгибом на конце может помочь уве-

личить отверстия, которые достаточно

большие по размеру, но их не совсем

Штангенциркули

хватает для установки компонентов

Это может показаться некоторой роскошью, но это очень

полезный инструмент для измерения наружных диаметров кру-

глых объектов (например, резьбы винта на переключателе или

потенциометре) или внутренних диаметров отверстий (в кото-

рые вы может быть захотите установить переключатель или по-

тенциометр).

Мне нравятся штангенциркули компании Mitutoyo, а недоро-

гая модель 505–611 (рис. 3.19) выполняет все, что мне требуется.

Вы можете найти более дешевые бренды, но экономия на изме-

рительных инструментах может оказаться не слишком мудрым рис. 3.17. Вы должны вращать этот ин-

решением при использовании этого устройства длительное вре-

струмент для раззенковки отверстия,

мя. На веб-

подобно ручному инструменту для вы-

сайте производителя представлены все имеющиеся

полнения фаски, чтобы в него вошел

модели; кроме этого, вы можете использовать поисковик Google винт с плоской головкой заподлицо

для выполнения поиска «Mitutoyo», чтобы найти розничного

продавца этих изделий.

расходуемые материалы

Припой

Это такой легкоплавкий сплав, который вы должны будете

расплавить, чтобы затем соединить между собой нужные компо-

ненты схемы. Вам потребуется очень тонкий припой диаметром

0,022'' (0,6 мм) для очень маленьких компонентов и толстый

припой диаметром 0,05'' (1,27 мм) для больших. Надо следить

за тем, чтобы не купить припой, который предназначен для

сантехнических или художественных работ, например ювелир-

рис. 3.18. Набор шил и крючков очень

полезен в самых разнообразных и даже

ного дела. Несколько катушек с припоем различной толщины неожиданных ситуациях

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

132

Глава 3

показаны на рис. 3.20. Вам следует убедиться, что вы купили,

припой без примеси свинца.

Припой для электроники внутри прутка содержит сердцеви-

ну из безкислотной канифоли, которая пригодна для электрон-

ных компонентов. Катушки припоя можно приобрести на ресур-

сах «электроника, как хобби», включая такие ресурсы, как All

Electronics, RadioShack и Jameco, или выполнить поиск «припой

для электроники» в интернет- магазине Amazon.

Провода

Вам потребуется некоторое количество многожильного про-

вода, чтобы сделать внешние соединения для монтирования схе-

мы. Надо найти многожильный провод 22 AWG (0,76 мм) с изо-

рис. 3.19. Штангенциркули могут быть

ляцией красного, черного и зеленого цвета длиной минимум

цифровыми, которые автоматически

преобразовывают миллиметры в доли

10 футов (3 м) каждого цвета.

дюймов от 1/64 до 1/1000, или анало-

Если вы хотите смонтировать сигнализацию для защиты от

говыми как тот, который приведен на

фотографии. В этом случае вам, разуме-

проникновения после завершения эксперимента 15, то вам по-

ется, не придется беспокоиться о заме-

требуется двужильный телефонный провод с белой изоляцией

не батарейки

такого типа, который используется для дверных звонков. Его

можно найти в таких магазинах, как Lowe's, Home Depot, Ace

Hardware и аналогичных.

Вам надо рассчитать общее количество провода, которое

нужно покупать, после измерения расстояния до герконов, кото-

рые вы решите установить.

Термоусадочная трубка

Термоусадочная трубка предназначена для использования

вместе с промышленным феном, который был описан ранее. Вам

рис. 3.20. Катушки с припоем различ-

потребуется некоторое количество этих трубок разного цвета

ной толщины

и разных диаметров (рис. 3.21). Посмотрите на сайте RadioShack

позицию 278–1627, у других поставщиков электронных компо-

нентов и в хозяйственных магазинах. Цены будут различать-

ся в достаточно широких пределах. Вы можете покупать самые

дешевые.

Медные зажимы типа «крокодил»

Эти зажимы могут отводить тепло, когда вам надо будет

спаять очень маленькие компоненты. Зажимы Mueller BU-30C

представляют собой полноразмерные «крокодилы», предназна-

рис. 3.21. Наденьте отрезок термо-

ченные для максимального отвода тепла. Компания RadioShack

усадочной трубки на место соединения

проводов без изоляции и, чтобы сде-

предлагает зажимы малого размера (позиция № 270–373, при-

лать прочную изоляцию вокруг этого

ведена на рис. 3.22), которые можно использовать при спайке

соединения, прогрейте его с помощью

промышленного фена

деталей малого размера.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

133

Перфорированная печатная плата

Когда вы будете готовы перенести вашу схему с макетной

платы на более постоянное место расположения, то вам может

понадобиться припаять практически все компоненты схемы к

перфорированной печатной плате, которую часто называют «пе-

чатной макетной платой», а также «печатной макетной платой с

контактными отверстиями».

рис. 3.22. Эти маленькие зажимы отво-

Вам нужен такой тип платы, в которой медные соедини-

дят тепло, защищая компоненты во вре-

мя их припаивания

тельные проводники вытравлены на задней поверхности таким

образом, что расположение компонентов будет аналогично рас-

положению элементов при их компоновке на макетной плате.

Проводники скрыты внутри макетной платы, а вы должны пере-

нести ту же компоновку компонентов, которую вы использова-

ли, припаивая их на место в перфорированную печатную плату.

Примером может служить плата 276–150 компании RadioShack,

показанная на рис. 3.23, для небольших проектов, и плата 276–

170 (рис. 3.24) для относительно больших схем, как это показано

в эксперименте 15.

Для очень маленьких проектов, в которых вы будете соеди-

рис. 3.23. Эта перфорированная печат-

ная плата имеет расположение медных

нять компоненты, используя только их выводы, вам потребует-

соединительных проводников, похожее

ся монтажная плата, которая не имеет протравленных печатных на расположение проводников внутри

ранее используемой макетной платы. По-

проводников. Я лично предпочитаю плату 7100 компании Twin этому вы можете расположить все ком-

Industries, доступную на сайте Mouser.com и показанную на поненты на перфорированной печатной

плате с минимальным риском появления

рис. 3.25. Вы можете использовать пилку для вырезания малых ошибок при выполнении соединений

отверстий такой величины, которая вам будет необходима. Бо-

лее дешевые это платы 276–147 от компании RadioShack, пока-

занные на рис. 3.26, или PC-1 от компании All Electronics. Они

имеют небольшие медные проводящие кружочки вокруг каждо-

го отверстия, которые не являются необходимыми для наших за-

дач, но в любом случае они не создают каких- либо проблем.

Фанера

Когда вы будете использовать паяльник, то горячие капли

припоя могут упасть на ваш стол или верстак. При этом припой

будет застывать почти мгновенно, а затем у вас возникнут труд-

ности при его удалении, а на рабочем месте в любом случае будут

оставаться следы. Поэтому надо позаботиться о применении ку-

ска фанеры площадью, равной примерно половине квадратного

метра, и толщиной примерно 0,5'' (12 мм), чтобы обеспечить за-

рис. 3.24. Пример перфорированной

щиту. Вы можете приобрести предварительно нарезанный кусок печатной платы большего размера, ко-

торая имеет геометрию расположения

фанеры в магазине Home Depot или Low.

проводников как на макетной плате

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

134

Глава 3

Мелкие крепежные винты

Для крепления платы и некоторых компонентов в корпусе

устройства вам понадобятся мелкие крепежные винты. Они бу-

дут выглядеть более прилично, если будут иметь плоские голов-

ки, которые будут находиться заподлицо с поверхностью платы.

Я предлагаю использовать крепежные винты из нержавеющей

стали размера M4 длиной 0,5'' (12 мм), 5/8'' (16 мм), 3/4'' (19 мм)

и 1'' (25,4 мм). Вам потребуется 100 штук каждого вида плюс

400 шайб и 400 контргаек размером под винты М4. Для приоб-

ретения винтов по разумной цене можно обратиться к компании

McMaster- Carr или какой- либо другой, торгующей крепежом.

рис. 3.25. Обычная перфорированная

плата (без медных соединительных про-

водников) может быть использована Корпус для устройства

для крепления компонентов, когда вы

хотите выполнить соединение навес-

Корпусом для устройства может быть небольшая коробка

ным монтажом

(обычно из пластмассы) со съемной крышкой. Вы можете устано-

вить ваши переключатели, потенциометры и светодиоды в отвер-

стия, которые будут просверлены в крышке корпуса, и установить

вашу перфорированную плату внутрь корпуса. Для поиска корпу-

са можно обратиться к компании All Electronics или RadioShack.

Вам может понадобиться корпус размером примерно 6''

(125 мм) длиной, 3'' (76 мм) шириной и 2'' (50 мм) высотой, на-

пример, позиция 270–1805 на сайте компании RadioShack или

что- либо аналогичное этому. Я предлагаю вам сразу же купить

пару корпусов другого размера, если вы серьезно решили занять-

ся электроникой, и они вам понадобятся в будущем.

Компоненты

Сетевые разъемы, монтажные колодки и клеммы

рис. 3.26. Небольшая перфорирован-

ная печатная плата с отдельными мед-

После завершения проекта и реализации схемы в корпусе вам

ными контактными площадками для

припаивания компонентов

может понадобиться некоторый удобный способ для подачи внутрь

этого корпуса напряжения питания. Купите пару изолированных

клемм, например, в компании RadioShack это компоненты с номе-

ром 274–661, которые показаны на рис. 3.27. Также посмотрите гнез-

до для установки на панели, размер N, например, компонент номер

274–1583 в компании RadioShack, и штекер для подключения по-

стоянного напряжения, размера N, например, компонент 274–1573.

Пара из соответствующего штекера и гнезда приведена рис. 3.28.

И наконец, вам понадобятся внутренние соединители, кото-

рые по размеру будут соответствовать перфорированной плате,

в которой отверстия выполнены с шагом 0,1'' (2,54 мм). Ино-

рис. 3.27. Эти клеммы позволяют вы-

полнять подключение с помощью про-

гда их называют «монтажными многоконтактными колодка-

водов с оголенными концами без ис-

ми», также они известны как «штыревые линейками», которые

пользования пайки. Клеммы могут быть

красного и черного цвета

предлагаются блоками по 36 контактов или более. Вы можете

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

135

отделять от блока столько групп, сколько вам необходимо. В ка-

честве примера можно привести компоненты с номерами 800–

10–064–10–001000 и 801–93–050–10–001000 от компании Mill-

Max или компоненты 929974–01–36-RK и 929834–01–36-RK

компании 3M. Вы можете приобрести эти изделия и у обычных

поставщиков электронных компонентов. На рис. 3.29 показаны

монтажные колодки до и после отделения маленьких секций.

Следует убедиться, что эти внутренние соединители имеют рас-

стояние между выводами 0,1'' (2,54 мм).

рис. 3.28. Гнездо справа может быть

Батарейка

вмонтировано в корпус проектируемо-

го устройства для подачи напряжения

После завершения эксперимента 15 в конце этой главы кни-

питания от штекера, показанного на

ги, если вы захотите использовать этот проект на практике, то рисунке слева

вам понадобится батарейка напряжением 12 В. Выполните поиск

в Интернете «батарейка 12 В» и вы найдете много герметичных,

аккумуляторных, свинцово- кислотных батареек, которые спро-

ектированы для систем охранной сигнализации, которые имеют

небольшие размеры, например, 1''×2''×3'' (25×50×75 мм) и сто-

ят менее $10 (около 300 руб). Вам понадобится еще и зарядное

устройство, которое тоже стоит порядка $10 (300 руб).

рис. 3.29. Монтажная многоконтактная

Переключатели и реле

колодка с гнездами (вверху) и штырька-

ми (в середине) дает возможность вы-

Вам потребуется такое же двухполюсное двухпозиционное полнять очень компактные соединения.

реле и такой же однополюсный однопозиционный тумблер, ко-

Их можно распилить или разрезать,

разделив на маленькие секции (вни-

торый был упомянут в списке необходимых закупок в главе 2.

зу). Расстояние между контактами 0,1''

Для эксперимента 15 вам понадобятся герконы (магнитные (2,54 мм)

переключатели), которые можно установить на окна или две-

ри, например такие, как модель 8601 производства компании

Directed Electronics, которые можно найти в Интернете и на де-

сятках других сайтов.

Вам также потребуется кнопочный двухполюсный двухпози-

ционный переключатель, типа Вкл.-(Вкл.) с выводами для пай-

ки. Примерами могут служить кнопка MPG206R04 от компании

Tyco или кнопка MB2061SS1W01-RO компании NKK switches

(колпачком по заказу). Кроме того, кнопку можно поискать и на

интернет- аукционе eBay по запросу «DPDT pushbutton» (Кнопка

двухполюсная двухпозиционная).

Диоды

Купите, по меньшей мере, полдюжины красных светодиодов

диаметром 5 мм с прямым напряжением приблизительно 2 В,

как например, компонент № OVLFR3C7 компании Optek, компо-

нент № SSL- LX-5093IT компании Lumex или светодиод HLMP-

D155 компании Avago. Одновременно надо купить столько же рис. 3.30. Этот диод 1N4001 длиной

примерно 0,25'' (6,35 мм) в состоянии

зеленых светодиодов такого же типа.

выдерживать напряжение до 50 В

136

Глава 3

Дополнительно вам потребуется импульсный диод

1N4001 (подойдет любой производитель). На рис. 3.30 приве-

ден пример диода с большим увеличением. Эти диоды довольно

дешевые и наверняка вам еще потребуются в будущем, поэтому

купите их сразу 10 шт.

Динамик

Чтобы завершить проект в эксперименте 15 вам понадо-

бится динамик небольшого размера, чтобы он вошел в ваш кор-

пус, но существенно более мощный, чем динамик диаметром 1''

(25,4 мм), который вы уже использовали ранее. Динамик должен

быть диаметром 2'' или 2,5'' (от 50 до 60 мм). Если же вы сможе-

те найти динамик с внутренним сопротивлением 100 Ом, то это

будет вполне достаточно по мощности, но больше все же подой-

дет более мощный динамик с сопротивлением 8 Ом.

Эксперимент 12

сОединение двух ПрОвОдОв вместе

Ваши приключения с пайкой начинаются с прозаической за-

дачи — соединить два провода друг с другом, но потом мы бы-

стро перейдем к созданию полной электронной схемы на перфо-

рированной плате. Итак, начнем.

Вам понадобятся:

1. Паяльник мощностью 30 или 40 Вт.

2. Паяльник- карандаш мощностью 15 Вт.

3. Тонкий припой диаметром 0,022'' (0,56 мм) или около того.

4. Средний припой диаметром 0,05'' (1,3 мм) или около того.

5. Инструмент для снятия изоляции и кусачки для проводов.

6. Держатель типа «третья рука», предназначенный для удер-

живания ваших компонентов.

7. Термоусадочные трубки в ассортименте.

8. Специальный промышленный фен.

9. Что- нибудь, что позволит защитить вашу рабочую зону от

капель расплавленного припоя.

ваше первое паяное соединение

Мы начнем работать с паяльником общего назначения, мощ-

ность которого 30 или 40 Вт. Включите его в сеть, установите

его на подставку для паяльника и найдите себе занятие на пять

минут до тех пор, пока паяльник не разогреется. Если же вы не

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

137

дадите паяльнику разогреться до максимальной температуры, то

в результате вам не удастся сделать хорошее соединение.

Снимите изоляцию с концов двух кусков одножильного про-

вода 22 AWG (0,64 мм) и соедините их так, чтобы они пересекали

друг друга и находились в контакте друг с другом, как это пока-

зано на рис. 3.31.

Чтобы убедиться, что паяльник готов, нужно попробовать

расплавить кусочек тонкого припоя кончиком жала паяльника.

Паяльник должен выполнить это моментально. Если же процесс

расплавления происходит медленно, то это значит, что паяльник

еще не готов.

рис. 3.31. На рисунке показан дер-

жатель типа «третья рука», когда в нем

зафиксированы два провода с касаю-

щимися друг друга оголенными прово-

Паяльник разогрелся!

дами. Увеличительное стекло должно

быть убрано в сторону в течение всего

Пожалуйста, соблюдайте приведенные здесь основные предосто-

процесса выполнения пайки

рожности.

Используйте подходящую подставку для паяльника (как например,

ту, которая имеется в подставке типа «третья рука»). Не оставляй-

те его лежащим на рабочем столе!

Если у вас дома есть дети или домашние животные, то помните,

что они могут захотеть поиграть с проводом вашего паяльника или

попытаться схватить и потянуть за него. Они могут нанести трав-

му себе или вам.

Будьте внимательны и не касайтесь разогретым жалом паяльни-

ка его сетевого шнура. Он может вмиг расплавить изоляцию провода

и это может привести к серьезному короткому замыканию!

Если вы выронили паяльник, не делайте из себя героя, не пытайтесь

его поймать на лету. Велика вероятность того, что вы ухватитесь

за разогретую его часть, что приведет к травме. (Я это говорю из

собственного горького опыта.) Если же вы обожжете руку, то инстин-

ктивно бросите его, поэтому лучше предоставить паяльнику падать

свободно, без промежуточной стадии, которая будет состоять в на-

несении вам ожога на пути его падения на пол. Естественно, вы долж-

ны поднять паяльник сразу же после его падения на пол, но при этом вы

должны сделать необходимую паузу, чтобы осознанно определить, как

его взять за холодную часть.

Всегда следует иметь в виду, что любые люди, которые находятся

в вашем доме, в большей степени подвержены риску получения травмы

от горячего паяльника, чем вы, поскольку они не знают, что паяльник

разогрет. В большинстве паяльников нет контрольной лампочки, ко-

торая предупреждает, что вы подключили паяльник к сети. Общим

правилом для вас должно стать утверждение, что паяльник всегда на-

ходится в разогретом состоянии, даже в том случае, когда его сетевой

шнур отключен от розетки. Он может сохранять тепло достаточно

долго, чтобы стать причиной ожога, в значительно более длительное

время, чем вы ожидаете.

Теперь выполните следующие действия (показаны на

рис. 3.32–3.33):

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

138

Глава 3

а

б

в

г

рис. 3.32. На этом рисунке показаны четыре этапа выполнения паяного соединения проводов: разогрев проводов ( а), подача припоя с

одновременным поддерживанием тепла ( б), ожидание момента пока припой не начнет расплавляться ( в) и когда сформируется полно-

стью расплавленный шарик припоя ( г). Весь процесс должен занять от 4 до 6 сек

1. Убедитесь, что жало паяльника находится в чистом состоя-

нии (протрите его смоченной губкой, которая имеется в

основании вашего держателя типа «третья рука», если это

необходимо), затем снова коснитесь пересечения проводов

и сохраняйте этот контакт в течение трех секунд, чтобы ра-

зогреть его. Если у вас в водопроводе жесткая вода, то сле-

дует использовать дистиллированную воду, чтобы избежать

накопления минеральных отложений на жале вашего паяль-

ника.

2. Удерживая паяльник в этом положении, добавьте небольшое

количество припоя на пересечение проводов, одновременно

рис. 3.33. Правильно выполненное

касаясь этого пересечения жалом паяльника. Таким образом,

соединение должно быть блестящим,

равномерным и круглым по форме

два провода, припой и жало паяльника должны встретиться

вместе в одной точке. При этом припой должен распреде-

литься по проводам в течение двух секунд.

3. Удалите паяльник и припой. Подуйте на соединение, чтобы

охладить его. В течение 10 сек место соединения остынет

вполне достаточно, чтобы его можно было касаться.

4. Освободите провода из «крокодилов» держателя и попы-

тайтесь разъединить их. Соединение должно быть прочным!

Если они выдерживают все ваши попытки разделить их, то

провода соединены с сохранением электрического контакта

и этот контакт будет обеспечен. Если вы не сделаете каче-

ственного соединения, то вы относительно легко разъедини-

те проволочки, что может произойти, если вы недостаточно

сильно разогрели провода или не добавили достаточное ко-

личество припоя, чтобы соединить их.

Причина, из- за которой я попросил вас использовать паяль-

ник большей мощности, заключается в том, что он отдает гораз-

до большее количество тепла, что упрощает процесс выполнения

пайки.

Обращение к более серьезным вещам

139

базОвые сведения

мифы о пайке

Миф № 1: Выполнять пайку очень трудная задача

Миллионы людей освоили это дело и очень маловероятно с

точки зрения статистики, что у вас хуже координация и способ-

ности, чем у большинства из них. У меня в течение всей моей

жизни имелась и имеется проблема с дрожанием моих рук, ко-

торое создает для меня проблему с неподвижным удержанием

мелких предметов. Я также не способен выполнять повторяю-

щуюся скрупулезную работу. Поэтому, если уж я могу соединять

пайкой компоненты, то практически любой другой человек это

сделать сможет.

Миф № 2: В процессе пайки выделяются ядовитые химические вещества

Современный припой не содержит свинца. Вы должны из-

бегать вдыхания паров в течение продолжительных периодов,

но это также относится к другим продуктам повседневного ис-

пользования, таких как отбеливатель и краска. Если бы пайка

создавала значительную угрозу для здоровья, то мы должны

были бы видеть в течение десятков лет высокий уровень смер-

тей среди людей, хобби которых является электроника.

Миф № 3: Пайка является опасным занятием

Паяльник менее опасен, чем утюг, который используется при

глажении рубашек, поскольку он выделяет меньшее количество

тепла. На практике, по моему опыту, пайка более безопасна, чем

типичные домашние работы или работы в мастерской. Однако

это не означает, что вы должны быть беззаботны!

альтернативы пайки

В начале 1950-х годов соединения внутри электронных из-

делий, таких, как например, радиоприемники, выполнялись с

помощью ручной пайки рабочими на производственных лини-

ях. Но рост телефонных коммутаторов создал необходимость

использования более быстрого способа надежного соединения

проводов типа навесного монтажа, а вот «монтаж проводов на-

круткой» был действенной альтернативой.

В электронных устройствах, компоненты которых при уста-

новке на печатную плату имели длинные покрытые золотом зао-

стренные штырьковые выводы прямоугольного сечения, высту-

пающие на задней поверхности платы, использовался монтаж

накруткой . В случае монтажа накруткой используется специаль-

ная проволока, покрытая серебром, со снятой изоляцией при-

мерно на 1'' (25,4 мм) от концов. Ручное или автоматизированное

Электроника для начинающих

140

Глава 3

устройство скручивает концы выводов проводом вокруг одной

из ножек, прилагая достаточное усилие. Чтобы выполнить «хо-

лодную сварку» нужна достаточно мягкая, покрытая серебром

проволока. В процессе скрутки нужно приложить достаточное

усилие, чтобы выполнить очень надежное соединение, особен-

но если используется от 7 до 9 оборотов проволоки, причем

каждый виток касается всех четырех углов ножки.

В течение 1970-х и 1980-х годов эта система была адаптирова-

на любителями хобби, которые изготавливали самостоятельно

домашние компьютеры. Печатная плата с соединением проводов

накруткой в компьютере, изготовленном в домашних условиях,

показана рис. 3.34 (ЦВ- рис. 3.34). Эта технология использовалась

Американским космическим агентством NASA для подключения

проводов компьютера в космическом корабле Аполло, который

был послан к Луне, но в настоящее время соединение накруткой

очень редко применяется в серийных изделиях.

рис. 3.34. На этом рисунке показаны соединения накруткой, которые были выполнены

Стивом Чемберлином (Steve Chamberlin) в самодельной старой 8-битовой ОЗУ и ком-

пьютере. «Возвращение в старые времена», при использовании соединения такой массы

проводов пайкой, занимало безумное количество времени и способствовало возникно-

вению неисправностей. Фото предоставлено Стивом Чемберлином (Steve Chamberlin)

Широкое промышленное использование компонентов, кото-

рым для установки требовались «сквозные отверстия», например,

интегральных микросхем в ранних настольных компьютерах, спо-

собствовало развитию « пайки волной», когда предварительно на-

гретая печатная плата, в которую уже были вставлены микросхемы,

проходила над волной или водопадом, касаясь расплавленного

припоя. Использование масочной технологии помогла исключить

прилипание припоя к тем местам, где он был не нужен.

Обращение к более серьезным вещам

141

Сегодня элементы с поверхностным монтажом (которые

существенно меньше, чем их аналоги, которые вставляются в

сквозные отверстия) приклеиваются к печатной плате пастой,

которая содержит припой, а затем блок целиком нагревается,

расплавляя пасту и создавая постоянное соединение.

ПрибОры и инструменты

восемь наиболее распространенных ошибок

при выполнении пайки

Можно назвать восемь следующих самых распространенных

ошибок при выполнении пайки:

1. недостаточный разогрев.

Соединение внешне выглядит прекрасно, но из- за того, что

разогрев был недостаточным, припой не растворился достаточ-

но, чтобы изменить его внутреннюю молекулярную структуру.

Он остался гранулированным вместо того, чтобы стать сплош-

ным блоком с равномерно распределенным веществом, и вы

заканчиваете работу, создавая непропаянное соединение, ко-

торое также иногда называют « холодная пайка» и которое раз-

валивается, если вы потянете провода друг от друга. Нужно сно-

ва тщательно прогреть соединение и нанести новый припой.

Основная причина возникновения недостаточно разогрето-

го припоя — это искушение использовать паяльники для пере-

носки припоя на соединение. Это приводит к тому, что холод-

ные провода уменьшают треугольник припоя. То что вам нужно

сделать, это сначала нагреть провода, а затем положить на них

припой. В этом случае провода будут горячими и будут помо-

гать разогреться припою, который будет к ним «прилипать».

Поскольку это достаточно универсальная проблема, я для

себя повторяю:

Никогда не расплавляйте металл жалом паяльника, чтобы

затем использовать этот припой для выполнения соединения.

Вы не должны наносить горячий припой на холодные прово-

да. Припой всегда надо помещать на горячие провода.

2. слишком большой разогрев.

Возможно это не приведет к повреждению соединения, но

разрушит все, что находится вокруг него. Виниловая изоляция

будет расплавляться, обнажая провода, что в дальнейшем мо-

жет быть причиной возникновения короткого замыкания. Силь-

ный нагрев легко может вывести из строя полупроводниковые

компоненты и даже расплавить внутренние части пластиковых

переключателей и разъемов.

Поврежденные компоненты должны быть обязательно вы-

паяны и заменены, что требует времени и может создавать

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

142

Глава 3

дополнительные трудности (см. далее разд. «Приборы и инстру-

менты — Выпаивание», где описано, как это делать).

3. недостаточное количество припоя.

Соединение двух проводников с малым количеством при-

поя может оказаться недостаточно прочным. При соединении

проводов всегда проверяйте обратную сторону соединения,

чтобы убедиться, что припой полностью заполнил соединение

на другой стороне.

4. Перемещение компонентов соединения до того, как при­

пой затвердел.

Так, вы можете создать микротрещину, которая может оказать-

ся для вас незаметной. Это, может быть, и не приведет к наруше-

нию контакта, но со временем из- за наличия вибрации или терми-

ческого воздействия такая трещина может развиться и привести к

нарушению электрического контакта. Поиск этой неисправности

может оказаться достаточно нудной процедурой. Если же вы при-

жимали компоненты друг к другу еще до выполнения их соедине-

ния или использовали перфорированную плату для постоянной

установки компонентов, то вы можете избежать этой проблемы.

5. Грязь или смазка.

Электрический припой содержит канифоль, которая очищает

металл перед тем, как вы начинаете работать с ним, но загрязнения

могут не давать «прилипать» припою. Поэтому, если какой- либо

компонент выглядит загрязненным, то его надо очистить мелкой

наждачной шкуркой еще перед выполнением соединения.

6. нагар на жале вашего паяльника.

Паяльник в процессе эксплуатации постепенно покрывается

крапинками черного нагара, а они в свою очередь могут созда-

вать барьер при теплопередаче. Протирайте кончик паяльни-

ка небольшой губкой, установленной в основании держателя с

рис. 3.35. Результат испытания некаче-

подставкой для вашего паяльника.

ственного паяного соединения

7. неподходящие материалы.

Припой для электроники создан специально для соедине-

ния электронных компонентов. Он не будет работать с алюми-

нием, нержавеющей сталью или другими металлами. Вы можете

попытаться соединить детали, покрытые хромом, но это вызо-

вет значительные затруднения.

8. забывчивость проверки места соединения.

Не следует заранее считать, что соединение выполнено пра-

вильно. Всегда следует проверять его, прикладывая небольшое

усилие вручную, если это, конечно, возможно (рис. 3.35 и 3.36, где

показано, как это должно быть), а если захватить соединение ру-

ками нельзя, то попробуйте поддеть его жалом отвертки и слегка

сдвинуть его, или использовать маленькие плоскогубцы, чтобы

попытаться вытащить присоединенный элемент. Не беспокойтесь

о том, что вы можете испортить свою работу. Если же ваше соеди-

рис. 3.36. Результат испытания каче-

ственного паяного соединения

нение не пройдет жесткого контроля, то оно некачественное.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

143

Из всех восьми ошибок холодная пайка относится к наи-

более распространенной, поскольку ее очень легко допустить

и при этом соединение внешне будет выглядеть качественным.

ваше второе паяное соединение

Теперь наступило время проверить в деле ваш паяльник- ка-

рандаш. Снова нужно оставить его на пять полных минут под-

ключенным к сети, чтобы дать ему время достаточно разогреть-

ся. Одновременно не забудьте отсоединить от розетки другой

ваш паяльник и положить его в какое- либо безопасное место по-

сле того, как он остынет.

Теперь я хочу совместить провода параллельно друг другу.

Соединение их таким образом несколько более сложная зада-

ча, чем соединение пересекающихся проводов; для этого нужно

приобрести некоторый навык. В противном случае у вас не будет

возможности надеть термоусадочную трубку на готовое соедине-

ние, чтобы выполнить его изоляцию.

рис. 3.37. Этот рисунок показывает четыре этапа соединения двух параллельно расположенных проводов, что сделать несколько боль-

шее сложно, а использование маломощного паяльника- карандаша потребует большего времени для достаточного разогрева и получе-

ния качественного соединения. В данном случае можно применить припой меньшего диаметра

На рис. 3.37–3.38 показано успешное выполнение соедине-

ния такого типа. Два провода при соприкосновении не имеют

плотного контакта друг с другом; припой будет заполнять любые

маленькие зазоры. Но провода должны разогреться до нужной

температуры, чтобы создать условия для затекания припоя, а это

может занять дополнительные несколько секунд при использо-

вании маломощного паяльника- карандаша.

Нужно проверить, что вы подаете припой именно так, как

это показано на рисунках. Следует напомнить, чтобы вы не пы-

тались переносить припой в выполняемое соединение на жале

паяльника. Сначала прогрейте провода, а затем коснитесь при-

поем проводов и жала паяльника, удерживая их в контакте. По-

рис. 3.38. Окончательное соединение

дождите пока припой не расплавится, и вы увидите, как быстро имеет достаточно припоя для удержи-

он проникает в соединение. Если это не происходит, то будьте вания проводов, но его не слишком

много, чтобы не дать надеть термо-

терпеливыми и подольше прогрейте провода.

усадочную трубку

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

144

Глава 3

теОрия

теория пайки

Чем лучше вы понимаете процесс пайки, тем легче вам будет

выполнять качественные паяные соединения.

Пусть жало паяльника разогрето, и вы хотите передать его

тепло соединению, которое пытаетесь выполнить. В этой ситуа-

ции вы можете считать тепло в каком- то смысле жидкостью. Чем

больше площадь контакта между паяльником и соединением,

тем создается большее количество тепла в секунду, которое мо-

жет перетечь от него.

По этой причине вам надо отрегулировать угол положения па-

яльника таким образом, чтобы площадь контакта была максималь-

но большой. Если он касается проводов только в точке с малой

площадью контакта, то вы будете ограничивать величину тепло-

вого потока. Этот принцип показан на рис. 3.39–3.40 (ЦВ- рис. 3.39–

3.40). Как только припой начинает расплавляться, он увеличивает

площадь контакта, что помогает передаче большего количества

тепла и в свою очередь ускоряет этот процесс естественным об-

разом. Инициирование этого процесса вещь более сложная.

рис. 3.39. При небольшой поверхно-

рис. 3.40. Большая площадь контакта

сти контакта между паяльником и рабо-

между паяльником и поверхностью

чей поверхностью будет передаваться

пайки будет сильно увеличивать пере-

недостаточное количество тепла

дачу тепла

Другое свойство теплового потока, которое вы должны учи-

тывать, заключается в том, что этот поток может быть отведен

от нужного вам места и направлен в те места, которые вы вовсе

не хотите подвергать тепловому воздействию. Если вы попы-

таетесь припаять очень толстый кусок медного провода, соеди-

нение никогда не будет достаточно горячим, чтобы расплавить

припой, поскольку толстые провода будут отводить тепло от

места соединения. Вы можете обнаружить, что даже паяльник

мощностью 40 Вт не обладает достаточной мощностью, чтобы

решить эту проблему, и, если вам приходится выполнять работу

Обращение к более серьезным вещам

145

по соединению массивных частей, то возможно вам потребует-

ся более мощный паяльник.

В качестве общего правила следует помнить, что если вы не

можете выполнить соединение пайкой в течение 10 сек, то у вас

нет возможности разогреть соединение до нужной степени.

ПрибОры и инструменты

выпаивание

Выпаивание деталей даже более трудная задача, чем их пай-

ка. Для выполнения этого имеются два простых инструмента.

1. Отсос для припоя.

Сначала вам надо приложить паяльник, чтобы расплавить

припой. Затем вы должны применить простое устройство для

того, чтобы попытаться отсосать максимально возможное коли-

чество припоя (см. рис. 3.10). Как правило, после использования

только этого отсоса не будет удалено такое большое количество

припоя, чтобы можно было выполнить разъединение, и вам по-

требуется применить следующий инструмент.

2. Оплетка или лента для удаления припоя.

Оплетка для удаления припоя , которая предназначена для

удаления припоя из соединения (см. рис. 3.11), но при этом

следует понимать, что она тоже не может полностью очистить

соединение, и вы окажетесь в неудобном положении, пытаясь

использовать обе руки для разъединения компонентов и од-

новременно продолжать разогрев, чтобы не дать припою за-

твердеть.

У меня, к сожалению, нет больше советов по осуществлению

выпаивания деталей. Это негативный опыт (по меньшей мере,

я так думаю), и он вполне может привести к безвозвратному по-

вреждению компонентов.

добавление изоляции

После того как вы успешно выполнили пайку соединения

двух, расположенных в линию, проводов, наступило время для

выполнения более легкой задачи. Выберите термоусадочную

трубку достаточно большого диаметра, чтобы можно было на-

деть ее на соединение, но при этом должно оставаться совсем не-

большое пространство.

Наденьте трубку на выполненное соединение так, чтобы

стык находился в середине трубки, удерживайте ее перед вашим

промышленным феном, после чего включите его (держите ваши

пальцы так, чтобы они не могли попасть под струю горячего

воздуха).

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

146

Глава 3

Промышленный фен сильно разогревается,

слишком сильно!

Обратите внимание на хромированную стальную трубку на рабочем

конце вашего промышленного фена. Сталь стоит гораздо дороже пласт-

массы, а поэтому производители используют для этой детали именно

сталь, наверное, по очень важной причине. И причина эта заключается

в том, что воздух, который проходит сквозь трубку, разогревает ее на-

столько, что может просто расплавить, если она сделана из пластмассы.

Металлическая трубка остается достаточно горячей, чтобы

стать причиной ожога в течение нескольких минут после использова-

ния фена. Как и в случае паяльника, все домашние (и животные тоже)

очень уязвимы, поскольку они необязательно знают, что промышлен-

ной фен горячий. Прежде всего, надо убедиться, что никто в вашем доме

рис. 3.41. Остальные члены вашей

никогда не сделает ошибки и не будет использовать ваш промышлен-

семьи должны понимать, что хотя про-

ный фен для сушки волос (рис. 3.41).

мышленный фен и выглядит, как фен для

Это устройство несколько более опасно, чем может показаться

укладки волос, внешний его вид может

сначала.

быть обманчив

Поверните провод таким образом, чтобы выполнить прогрев

с обеих сторон. Трубка должна плотно обжать соединение в те-

чение полминуты. Если трубку перегреть, то она может так силь-

но обжать провода, что это приведет к ее разрыву. После этого

ее можно снять и начать процесс снова. Как только ваша труб-

ка достаточно плотно обожмет провода, чтобы перестать вра-

щаться, то это будет означать, что больше греть ее не нужно. На

рис. 3.42. Наденьте трубку на ваше рис. 3.42–3.44 показаны необходимые этапы выполнения этого

соединение проводов

процесса. В данном случае я использовал трубку белого цвета,

поскольку ее хорошо видно на фотографиях. Следует заметить,

что трубки другого цвета действуют совершенно одинаково.

Я предлагаю продолжить повышение ваших навыков в пай-

ке, выполнив несколько следующих практических устройств.

В первом случае вы сможете добавить одножильные цветные

провода к проводу вашего сетевого адаптера, а во втором случае

вы сможете укоротить сетевой шнур блока питания вашего ноут-

бука. Для выполнения обеих этих задач вы можете использовать

рис. 3.43. С помощью промышленного

ваш более мощный паяльник.

фена начните разогрев трубки

модификация сетевого адаптера

В предыдущей главе я упоминал о раздражении, которое

возникает из- за невозможности вставить провода от вашего се-

тевого адаптера в отверстия вашей макетной платы. Поэтому по-

пробуем исправить это прямо сейчас.

1. Отрежьте два кусочка одножильного провода 22 AWG

(0,64 мм) — один красного цвета, а другой черного или сине-

го. Каждый должен быть длиной около 2'' (50 мм). Удалите

рис. 3.44. Продолжайте греть трубку

изоляцию с обоих концов каждого провода на длину при-

до тех пор, пока она плотно не обожмет

соединение

мерно 0,5'' (12,7 мм).

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

147

2. Снимите изоляцию и зачистите две жилы провода вашего

сетевого адаптера. Вы должны хорошенько очистить мед-

ные провода, чтобы максимально повысить шансы хороше-

го «прилипания» к ним припоя.

Я предполагаю сделать одну жилу немного длиннее, чем дру-

гую, чтобы снизить возможность касания очищенных кон-

цов друг друга и возникновения из- за этого короткого замы-

кания. Следует использовать ваш мультиметр в режиме из-

мерения постоянного напряжения, если у вас есть сомнения

в том, какая из жил является положительной.

рис. 3.45. Одножильные провода раз-

3. Спаяйте цветные провода с проводами сетевого адаптера ного цвета, припаянные к проводам

и добавьте термоусадочную трубку, как это вы делали, ко-

сетевого адаптера, для удобной подачи

гда тренировались пользоваться термоусадочной трубкой. напряжения на макетную плату. Следует

помнить, что они имеют разную длину,

Учтите, что к положительной жиле следует припаять провод чтобы уменьшить риск касания друга в

красного цвета, а к отрицательной — черного или синего.

месте соединения

Результат должен быть таким, как это показано на рис. 3.45.

уменьшение длины сетевого шнура

Когда я путешествую, мне нравится минимизировать все,

что я беру с собой. Меня всегда раздражает, что сетевой шнур для

блока питания моего ноутбука длиной более 1 м. Тонкий провод,

который соединяет блок питания с компьютером, тоже длиной

1,25 м, а мне такой длинный провод не нужен.

После проведения основательного поиска я не смог найти

сетевого шнура для ноутбука короче 1 м, поэтому я решил уко-

ротить этот шнур самостоятельно. Если у вас нет необходимо-

сти это делать, то вы можете выполнить эту процедуру со старым

удлинителем просто для тренировки. Вам нужно проделать эти

шаги, чтобы приобрести некоторые навыки в пайке толстых од-

ножильных проводов и в применении термоусадочной трубки.

1. С помощью кусачек укоротите сетевой шнур до необходи-

мых размеров (рис. 3.46, а—в). Затем универсальным ножом

разделите две жилы шнура между собой, а потом откусите

их таким образом, чтобы одна жила была короче другой

(рис. 3.46, г—д). При сращивании сетевого шнура или анало-

гичного кабеля, который содержит две или более жил, следует

избегать ситуации, когда места соединения двух жил будут

находиться рядом. Провода лучше монтировать, если места

соединений будут смещены относительно друг друга, к тому

же при этом уменьшается риск короткого замыкания, если

вдруг изоляция будет повреждена.

2. С концов проводов снимите минимальное количество изо-

ляции — на 1/8'' (3 мм) будет вполне достаточно. Особенно

удобны автоматические устройства для снятия изоляции,

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

148

Глава 3

которые я приводил в списке необходимых покупок в гла-

ве 1, но и обычные устройства для снятия изоляции тоже от-

лично справятся с этой задачей.

3. Отрежьте два кусочка термоусадочной трубки, каждый дли-

ной 1'' (25 мм), что по длине вполне достаточно для закры-

вания разделенных жил вашего шнура. Кроме того, отрежь-

те еще кусочек трубки большего диаметра длиной около 2''

(50 мм). Этого хватит, чтобы изолировать оба участка раз-

резанных проводов (рис. 3.46, е).

Выбирайте подходящую

термоусадочную трубку

Если вы используете термоусадочную трубку для сетевого шнура

переменного напряжения 110 В1, как это имеет место в настоящем

эксперименте, то следует убедиться, что трубка, которую вы ис-

пользуете, имеет номинал, пригодный для создания изоляции напряже-

ния 110 В.

4. Теперь нужно выполнить самую трудную часть — включить

вашу память. Вы должны запомнить, что надо надеть трубку

на провод до того, как будете выполнять пайку (рис. 3.46, ж),

поскольку позднее вилки на концах проводов не дадут вам

возможности надеть какую- либо термоусадочную трубку.

Если вы так же забывчивы, как и я, то для вас будет очень за-

труднительно вспоминать об этом каждый раз, когда в этом

есть необходимость.

а

б

в

г

д

е

ж

рис. 3.46. Этот рисунок показывает последовательность подготовительных шагов при укорачивании сетевого шнура блока питания

ноутбука

1 Следует учесть, что напряжение в электросети в США равно 110 В, а в Рос-

сии 220 В. Поэтому трубка должна быть рассчитана именно на 220 В. — Ред.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

149

5. Используйте ваш держатель с «крокодилами» для совме-

щения проводов первого соединения. Совместите два про-

вода вместе таким образом, чтобы многожильные провода

жил переплелись друг с другом, а затем сдавите их сильно

большим и указательным пальцами, чтобы они не торчали

в разные стороны. Выступающие концы проводков жил мо-

гут впоследствии проколоть термоусадочную изоляцию, ко-

гда трубка разогрета и находится в размягченном состоянии,

а затем сжимается вокруг соединения.

6. Провод, который вы сейчас соединяете, намного толще одно-

жильного провода 22 AWG (0,64 мм), с которым вы имели

дело ранее, поэтому он отводит гораздо больше тепла. Имен-

но по этой причине при выполнении пайки следует держать

разогретый паяльник в соприкосновении с проводом более

продолжительное время. Надо убедиться, что расплав затека-

ет на всю длину соединения, а затем после охлаждения соеди-

нения проверить наличие припоя с другой стороны. Велика

вероятность того, что вы обнаружите там оголенные концы

медных проводков жилы. Соединение должно быть сплош-

ным, закругленным и представлять собой блестящий шарик.

Нужно следить за тем, чтобы термоусадочная трубка находи-

лась как можно дальше от места пайки соединения, когда вы

используете паяльник, таким образом, чтобы нагрев паяль-

ника не вызвал преждевременную усадку трубки, что может

позднее помешать при ее надевании на место соединения.

а

б

в

г

д

е

ж

рис. 3.47. Завершающие этапы соединения укороченного сетевого шнура для блока питания ноутбука

150

Глава 3

7. Когда соединение остынет, на него надо надеть термоуса-

дочную трубку, а затем нагреть промышленным феном. По-

сле этого следует повторить этот процесс и с другой жилой.

Наконец нужно надеть трубку большего размера на оба эти

соединения. Вы ведь не забыли надеть трубку большего диа-

метра на провод в начале работы, не так ли?

На рис. 3.47 показан весь процесс выполнения соединения

укороченного сетевого шнура.

Если вы успешно завершили упражнения с пайкой, то теперь

у вас достаточно навыков для того, чтобы спаять вашу первую

электронную схему. Но сначала я хочу проверить устойчивость

используемых компонентов к нагреву.

Эксперимент 13

сжиГание светОдиОда

В главе 1 вы видели, каким образом может быть повреж-

ден светодиод, если через него протекает слишком большой ток.

Электрический ток выделяет тепло, которое расплавляет свето-

диод. Неудивительно, что вы можете очень легко вывести его из

строя, нагревая слишком сильно один из его выводов паяльни-

ком. Вопрос только в том, какой же нагрев будет избыточным?

Давайте выясним это.

Вам понадобятся:

1. Паяльник мощностью 30 или 40 Вт.

2. Паяльник- карандаш мощностью 15 Вт.

3. Пара светодиодов, которые в ходе эксперимента будут вы-

ведены из строя.

4. Резистор с сопротивлением 680 Ом.

5. Кусачки для проводов и тонкогубцы.

6. Держатель с зажимами типа «крокодил», предназначенный

для удерживания ваших компонентов.

Я не хочу использовать зажимы типа «крокодил» для под-

ключения светодиодов к источнику питания, поскольку «кроко-

дилы» будут отводить и поглощать некоторое количество тепла

от паяльника. Вместо этого, пожалуйста, используйте тонкогуб-

Источник питания

цы для изгиба выводов светодиода, чтобы сделать на их концах

с напряжением 12 В

небольшие крючки, а затем такую же операцию выполните с на-

постоянного тока

грузочным резистором сопротивлением 680 Ом. Наконец, надо

таким же образом согнуть новые провода вашего сетевого адап-

рис. 3.48. За счет зацепления проводов

тера, чтобы их концы тоже были в форме небольших крючков.

резистора и светодиода белого цвета мы

Теперь можно соединить крючки вместе, как звенья цепочки, как

минимизируем пути отвода тепла при вы-

полнении последующего испытания

это показано рис. 3.48.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

151

Захватите корпус светодиода «крокодилом» вашего держате-

ля. Пластик не обладает хорошей теплопроводностью, поэтому

держатель не будет отводить слишком много тепла от выводов

нашего светодиода. Для создания контакта резистор может быть

подвешен на крючке одного из выводов светодиода, а выходной

провод сетевого адаптера может быть подвешен на другом вы-

воде. Силы тяжести будет вполне достаточно, чтобы выполнить

эту работу (создание контакта). Установите на вашем сетевом

адаптере выходное напряжение 12 В перед тем, как включить его

в сеть, после чего светодиод должен загореться ярким светом.

В этом эксперименте я использовал белый светодиод, потому что

его легче фотографировать.

Следует убедиться, что два паяльника по- настоящему разо-

грелись. Они могут быть включены, по меньшей мере, в течение

пяти минут. Теперь нужно взять паяльник- карандаш и, прочно

удерживая его жало у одного из выводов светящегося светодио-

да, по часам вести отсчет времени. На рис. 3.49 показано, каким

в этом случае должно быть расположение элементов.

Я готов поспорить, что вы сможете продолжать такой нагрев

в течение полных трех минут без каких- либо последствий для

светодиода, именно поэтому- то я использую паяльник мощно-

стью 15 Вт для тонких работ с электроникой, поскольку он не

представляет опасности для электронных компонентов.

рис. 3.49. Разогрев вывода светодиода

Дайте светодиоду остыть, а затем приложите более мощный паяльником мощностью 15 Вт. Стандарт-

паяльник к той же части вывода, что и ранее. Перед этим, раз-

ный светодиод должен выдерживать та-

умеется, надо убедиться, что паяльник разогрет до максимума. кое воздействие в течение 2–3 мин, но

если вы поменяете паяльник на 30-ватт-

В итоге вы обнаружите, что ваш светодиод продержится не бо-

ный, то вероятнее всего светодиод сго-

лее 10 сек (замечу, что некоторые светодиоды более устойчивы к рит уже через 15 сек

высоким температурам, чем другие). Именно поэтому- то я и не

использую 30-ваттный паяльник для выполнения деликатных

работ с электронными компонентами.

Паяльник большего размера необязательно при разогреве

достигает более высокой температуры, чем паяльник меньшего

размера. Он просто за тот же промежуток времени отдает больше

тепла. Другими словами, большее количество тепла и с большей

скоростью может быть им отдано.

Выбросите ваш перегоревший светодиод, замените его но-

вым и подключите точно так же, как и предыдущий, но дополни-

тельно подсоедините медный «крокодил» к одному из выводов

светодиода возле его корпуса, как это показано на рис. 3.50. При-

ложите жало вашего паяльника мощность 30 или 40 Вт к этому рис. 3.50. Когда используется зажим

типа «крокодил» в качестве теплоот-

выводу несколько ниже «крокодила». На этот раз вы сможете вода, вы смело можете пользоваться

удерживать паяльник на этом месте не менее двух минут без ка-

30-ваттным паяльником (установлен-

ным ниже зажима) не опасаясь повре-

ких- либо последствий для светодиода.

дить светодиод

152

Глава 3

Представьте себе тепловой поток, который отходит от жала

вашего паяльника и поступает по выводу к светодиоду. Только

теперь на его пути будет медный зажим типа «крокодил», как

это показано на рис. 3.51. Зажим ведет себя как пустая емкость,

которая готова к заполнению. Он меньше «сопротивляется» по-

ступлению тепла, чем оставшаяся часть вывода, которая идет к

Теплоотвод

светодиоду, поэтому поток тепла «предпочитает» направиться в

медный зажим, оставляя светодиод не поврежденным. В конце

Тепловой поток

вашего эксперимента, если вы коснетесь зажима, то обнаружите,

что он разогрелся, в то время как светодиод остался относитель-

Жало паяльника

но холодным.

Зажим типа «крокодил», который известен, как теплоотвод.

Он изготовлен из меди, потому что медь является одним из наи-

лучших проводников.

Поскольку 15-ваттный паяльник не может повредить свето-

диод, то вы можете решить, что он полностью безопасен и при

рис. 3.51. Теплоотвод ограничивает по-

этом нет необходимости использовать теплоотвод. Что ж, это мо-

дачу тепла, отводя его и защищая свето-

жет быть и так. Проблема состоит в том, что вы на самом деле

диод от повреждения

точно не знаете, является ли ваш полупроводник более термо-

устойчивым, чем светодиод. Поскольку последствия от перегора-

ния компонента являются столь существенными, я полагаю, что

вы должны следить за тем, чтобы они функционировали нормаль-

но и использовать теплоотводы в следующих обстоятельствах:

1. Если вы прикладываете 15-ваттный паяльник слишком близ-

ко к полупроводнику в течение 20 сек или более.

2. Если вы 30-ваттным паяльником касаетесь резистора или

конденсатора в течение 10 сек или более. (Никогда не следу-

ет использовать его вблизи полупроводников.)

3. Если вы прикладываете 30-ваттный паяльник к чему- либо

плавкому в течение 20 сек или более. К плавким деталям от-

носятся изоляция проводов, пластиковые разъемы и компо-

ненты внутри переключателей.

Правила для отвода тепла

1. Полноразмерные медные «крокодилы» будут «работать»

лучше.

2. Устанавливать «крокодил» нужно как можно ближе к ком-

поненту и как можно дальше от места соединения пайкой.

(Вы не должны отводить слишком много тепла от места сое-

динения.)

3. Следует убедиться, что между «крокодилом» и выводом ком-

понента устанавливается соединение типа «металл— металл»,

чтобы обеспечить эффективный отвод тепла.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

153

Фундаментальные сведения

все о перфорированных платах

В оставшейся части книги вы будете использовать только

перфорированные платы, каждый раз, когда вам потребуется

собирать действующую схему, соединяя ее элементы пайкой.

Существует три способа монтажа деталей на плате.

а

1. Навесной монтаж. В этом случае вы используете перфори-

рованную плату, у которой нет соединений между отверстиями.

Это может быть, когда плата не имеет медных контактов вооб-

ще, как это показано на рис. 3.52, а, либо когда на плате имеются

небольшие медные кружки вокруг каждого отверстия, как на

рис. 3.52, б. Эти печатные контакты не соединяются друг с дру-

гом, а используются только для прикрепления устанавливаемых

компонентов схемы, которую вы собираете.

Навесной монтаж дает возможность расположить компонен-

ты в удобной компактной форме, которая будет очень похожа на

расположение компонентов на электрической схеме. На другой

б

стороне платы вы должны будете согнуть выводы компонентов

для их соединения между собой, добавляя при необходимости

рис. 3.52. Для навесного монтажа при

соединительные провода нужной длины. Преимущество такого

выполнении эксперимента 14 может

монтажа заключается в том, что он может быть выполнен очень

быть использована либо эта представ-

ленная здесь простая перфорирован-

компактно, а недостаток в том, что компоновка может быть

ная плата ( а), либо перфорированная

очень сложной, и возможно приводящей к ошибкам.

плата с медными контактами ( б)

2. Монтаж в стиле макетной платы. В этом случае следует ис-

пользовать перфорированную печатную плату, на которой име-

ются медные проводящие дорожки с точно таким же располо-

жением, что и проводники внутри макетной платы. Как только

вы собрали работающую схему на макетной плате, вы переме-

щаете все ее компоненты на перфорированную плату один за

другим, сохраняя то же самое их расположение относительно

друг друга. Если вы правильно припаяли выводы компонентов

к соответствующим медным проводящим дорожкам на плате,

то вы завершили установку компонента. После этого надо от-

кусить избыточные, торчащие концы выводов. Преимущество

этого способа монтажа заключается в том, что он выполняется

очень быстро, требует минимального планирования и миними-

зирует вероятность ошибки. Недостаток этого монтажа в том,

что он имеет тенденцию к образованию неиспользуемого про-

странства. Пример недорогой перфорированной печатной пла-

ты для такого использования показан на рис. 3.53.

3. Монтаж на специально разработанной перфорированной

печатной плате. Вы можете с помощью травления изготовить

рис. 3.53. Перфорированная плата с

свою собственную плату с медными проводящими дорожка-

протравленными медными дорожками,

ми, которые необходимы для соединения всех компонентов

расположенными таким же образом, как

между собой. Это наиболее профессиональный способ завер-

и на макетной плате. Это пример платы,

которая может быть использована при

шения проекта, но требует больше времени, создает проблемы

выполнении эксперимента 15

154

Глава 3

и требует наличия оборудования, описание которого выходит

за рамки данной книги.

Навесной монтаж, описанный в первом пункте приведен-

ного ранее списка, работает аналогично зажимам типа «кро-

кодил», но по занимаемой площади имеет гораздо меньший

размер. В первом проекте с использованием пайки мы будем

использовать именно этот способ монтажа.

Эксперимент 14

Пульсирующий свет

Вам понадобятся:

1. Макетная плата.

2. Паяльник- карандаш мощностью 15 Вт.

3. Тонкий припой диаметром 0,022'' (0,6 мм) или около того.

4. Инструмент для снятия изоляции и кусачки.

5. Простая перфорированная плата (без медных протравлен-

ных проводящих соединений между отверстиями).

6. Небольшие тиски или струбцина для удерживания вашей

перфорированной платы.

7. Резисторы различного номинала.

8. Конденсаторы электролитические емкостью 100 мкФ и 220 мкФ,

по одному каждого номинала.

9. Красный светодиод диаметром 5 мм, с прямым напряжением

около 2 В.

10. Программируемый однопереходный транзистор 2N6027.

В вашей первой схеме с использованием однопереходного

транзистора для генератора низкой частоты, который заставлял

мигать светодиод дважды каждую секунду. Мигания выглядели

очень «электронными», под которыми я имею в виду то, что све-

чение светодиода было типа «включен/выключен» без постепен-

ного перехода между этими состояниями. Мне кажется, что мы

сможем модифицировать эту схему так, чтобы сделать мигания

светодиода более плавными и интересными, как предупреждаю-

щее мигание компьютера Apple MacBook, когда он переходит в

«спящий» режим. Мне кажется, что что- то подобное можно ис-

пользовать в качестве украшения одежды, если оно будет доста-

точно небольшое и элегантное.

Я также думаю, что этот первый проект с использованием

пайки будет служить трем другим целям. Это приведет к провер-

ке и закреплению ваших навыков соединения проводов, научат

вас выполнению навесного монтажа на перфорированной плате,

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

155

а также даст вам некоторые дополнительные знания о том, каким

образом могут быть использованы конденсаторы для настройки

временных параметров.

Посмотрите снова на исходную монтажную схему экспери-

мента 11 (см. рис. 2.93). Освежите вашу память, вспомнив, каким

сть

образом она работает. Конденсатор C1 через резистор R1 заря-

Ярко

жается до тех пор, пока не достигнет достаточного напряжения,

Время

которое преодолеет внутреннее сопротивление однопереходного

транзистора Q1 и через него потечет ток. В результате через от-

рис. 3.54. График зависимости яркости

свечения светодиода во времени

крытый транзистор Q1 конденсатор C1 разряжается, а светодиод

вспыхнет.

Если вы нарисуете график зависимости изменения яркости

свечения светодиода во времени, то увидите узкий прямоуголь-

ный импульс, такой как на рис. 3.54. Можем ли мы сделать его

таким, чтобы он был похож на более пологую кривую (рис. 3.55),

сть

когда светодиод включался и выключался постепенно, подобно

Ярко

сердцебиению?

Одна вещь является очевидной: в течение каждого цикла

Время

светодиод должен светить ярче. Поэтому нам потребуется более рис. 3.55. Схема генератора на базе

высокое напряжение питания. Это означает, что конденсатор, однопереходного транзистора в экспе-

показанный на рис. 3.56, должен обладать большей емкостью.

рименте 11 заставляет мигать свето-

диод короткими резкими вспышками.

График на рис. 3.54 показывает, что мы

могли бы получить, если провести изме-

рения яркости светодиода во времени.

На этом рисунке показано более плав-

ное начало и окончание каждой вспыш-

ки. Для реализации этого эффекта могут

быть использованы конденсаторы

рис. 3.56. Первый шаг по направлению создания эффекта плавного мигания это использо-

вание в качестве конденсатора C1 большой емкости и его разряда через резистор R4. Для

достаточно быстрого разряда конденсатора потребуется резистор с относительно неболь-

шим сопротивлением. R1 — резистор c сопротивлением 33 кОм; R2 — резистор c сопротив-

лением 1 кОм ; R3 — резистор c сопротивлением 1 кОм; R4 — резистор c сопротивлением

1 кОм; C1 — электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ; Q1 — однопереходный

транзистор 2N6027

156

Глава 3

Когда мы будем использовать конденсатор большей емкости,

то он будет заряжаться в течение большего времени. Чтобы уве-

личить частоту мигания светодиода, нам потребуется резистор

R1 с меньшим сопротивлением, чтобы заряжать этот конденса-

тор достаточно быстро. Дополнительно мы должны уменьшить

значения сопротивлений резисторов R2 и R3, чтобы однопере-

ходный транзистор делал импульс более длительным.

Более важно то, что я хочу разряжать конденсатор через ре-

зистор таким образом, чтобы это происходило постепенно, а не

одномоментно. Следует помнить, что, когда резистор подключен

последовательно с конденсатором, конденсатор не только более

медленно заряжается, но и разряжается более медленно.

На рис. 3.56 показаны все эти три особенности. Сравните

их с рис. 2.98. Теперь сопротивление резистора R1 33 кОм вместо

470 кОм. Сопротивления резисторов R2 и R3 уменьшены до 1 кОм.

Сопротивление резистора R4 также становится равным 1 кОм, что

увеличивает время разряда конденсатора через него. Кроме этого,

конденсатор C1 теперь становится 100 мкФ вместо прежних 2,2 мкФ.

Соберите эту схему на макетной плате и сравните результаты

с теми, которые будут получены при включенном и при закоро-

ченном резисторе R4. Это несколько сглаживает импульс, но мы

можем продолжить работу по его дальнейшему сглаживанию.

C1

Напряжение 9 В

На выходе однопереходного транзистора мы можем добавить

постоянного тока

другой конденсатор. Он будет заряжаться от импульса, который

возникает на выходе однопереходного транзистора Q1, а затем

R4

постепенно разряжаться через другой резистор R5, поэтому све-

R1

тодиод будет гаснуть более медленно.

На рис. 3.57 показана соответствующая электрическая схе-

ма. Конденсатор C2 имеет большую емкость — 220 мкФ, поэтому

R2

R3

он относительно быстро заряжается от импульса, поступающего

Q1

от транзистора Q1, а затем постепенно разряжается через рези-

C2

стор R5 с сопротивлением 330 Ом и светодиод. Вы заметите, что

поведение светодиода будет несколько другим. Он теперь вместо

R5

быстрого выключения будет постепенно гаснуть. Однако сопро-

тивления, которые я добавил, приведут к тому, что свечение све-

тодиода становится менее интенсивным, поэтому я должен уве-

личить напряжение источника питания с 6 до 9 В.

рис. 3.57. Вторым шагом к достижению

более плавного мигающего эффекта

Помните, что конденсатор создает эффект сглаживания

является использование дополнитель-

только в том случае, если один из его выводов подключен к от-

ного конденсатора C2, который быстро

заряжается каждым импульсом от тран-

рицательному выводу источника питания. Присутствие отрица-

зистора Q1, а потом медленно разря-

тельного заряда на этой обкладке конденсатора приводит к при-

жается через резистор R5 и светодиод.

тягиванию положительного заряда к другой.

Те же самые компоненты, что и ранее,

плюс: R5 — резистор с сопротивлени-

Мне нравится внешний вид такого пульсирующего свечения

ем 330 Ом; C2 — электролитический

светодиода. Я могу себе представить небольшое электронное юве-

конденсатор емкостью 220 мкФ. Напря-

жение питания увеличено до 9 В

лирное украшение для одежды, которое будет пульсировать таким

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

157

чувственным образом (рис. 3.58), сильно отличающимся от резко

обрывающегося и возникающего на короткое время свечения, вы-

зываемого схемой простого генератора. Единственная проблема,

которая здесь возникает — это компактная упаковка всех компо-

нентов схемы, такая, чтобы корпус устройства мог быть достаточ-

но мал для того, чтобы можно было его носить.

изменение размеров схемы

В качестве первого шага для этого следует взглянуть на фи-

зические размеры всех компонентов схемы и представить, как

их можно разместить в небольшом объеме. На рис. 3.59 показан

пример трехмерного изображения компактного расположения рис. 3.58. Такое мигающее устройство

компонентов. Тщательно проверьте эту компоновку, определив с частотой сердцебиения ночью в сель-

ской местности может быть непредска-

все пути соединений, и вы увидите, что все здесь выполнено в зуемо привлекательным

соответствии со схемой. Проблема состоит в том, что, если ком-

поненты спаять представленным образом, то они не будут до-

статочно прочно зафиксированы. Все соединительные провода

могут легко сгибаться, и поэтому не существует очень простого

способа для монтажа схемы.

рис. 3.59. Такая компоновка компонентов полностью повторяет их подключение на изо-

бражении схемы, и при этом они размещены в очень малом объеме

Ответ состоит в том, чтобы разместить все компоненты на

некоторой основе, которая является одним из тех элементов, ко-

торыми предпочитают пользоваться люди, занятые в электрони-

ке, возможно потому, что тогда монтаж выглядит более солидно,

чем «макетная плата». Перфорированная плата это именно то,

158

Глава 3

что нам нужно. На рис. 3.60 показаны компоненты, перенесен-

ные на кусок такой платы размером всего лишь 25×10 мм.

Левая часть платы

Правая часть платы

Левая часть платы

Правая часть платы

Правая часть платы

Левая часть платы

рис. 3.60. Перфорированная плата может быть использована для крепления и компоновки

компонентов. Для создания работающей схемы выводы компонентов под платой припаива-

ются друг к другу. На рисунке в середине пунктирными линиями показано расположение

выводов элементов на обратной стороне платы. На рисунке внизу представлена обратная

сторона платы после переворачивания ее слева направо. Небольшие кружки показывают те

места, где должны быть выполнены соединения пайкой

На центральном варианте изображения платы штриховыми

линиями показано каким образом компоненты будут соединены

друг с другом. Большинство выводов компонентов схемы, кото-

рые выходят на нижнюю сторону перфорированной платы, по

своей длине достаточны для выполнения таких соединений.

Наконец на нижнем изображении показана перфорирован-

ная плата после ее переворота обратной стороной слева направо

(следует заметить, что для изображения обратной стороны платы

я использовал более темные цвета). Небольшие кружки на этом

изображении показывают те места, где должны быть выполнены

соединения пайкой.

Светодиод должен быть легко отсоединяем, поскольку вы мо-

жете захотеть сделать так, чтобы светодиод находился на некотором

Обращение к более серьезным вещам

159

расстоянии от платы. Точно также должен легко отсоединяться

и источник питания. К счастью, мы имеем возможность купить ми-

ниатюрные разъемы, которые устанавливаются прямо в перфори-

рованную плату. Вы можете обратиться к одному из крупных роз-

ничных поставщиков в Интернете, например к компании Mouser

Еlectronics, для приобретения таких разъемов. Некоторые произво-

дители называют их «однорядными линейками гнезд и штырьков»,

в то время как другие называют «однорядной многоконтактной ко-

лодкой гнезд или штырьков для установки на плату». Посмотрите на

приведенный ранее рис. 3.29 и проверьте список необходимых за-

купок компонентов для выполнения экспериментов в данной главе.

Это достаточно компактное размещение элементов схемы,

которое требует внимательной работы, исполняемой с помощью

паяльника- карандаша. Поскольку отрезок перфорированной пла-

ты настолько мал, что ее будет трудно удержать, я предлагаю вам

использовать миниатюрные тиски, чтобы зафиксировать в них

плату, которую тем не менее можно будет легко поворачивать.

Когда выполняются такого рода проекты, я люблю устанав-

ливать плату (с присоединенными тисками) на мягкий кусок

полиуретановой губки — это тип уплотнения, который обычно

используется в качестве набивки для мягких кресел. Губка за-

щищает компоненты от повреждения, когда плата находится в

перевернутом состоянии, а также помогает предотвратить пере-

мещение платы непредсказуемым образом.

шаг за шагом

Далее приведена последовательность изготовления и монта-

жа схемы на приведенной плате.

1. Отрежьте небольшой кусок перфорированной платы от ли-

ста, на котором нет медных контактирующих дорожек. Вы

можете отрезать такой кусок платы, используя пилку для

ручного творчества, или попробовать сломать плату вдоль

линии перфорированных отверстий, если будете при этом

очень аккуратны. В качестве альтернативы следует исполь-

зовать готовую к изготовлению перфорированную плату с

медными контактными кружками на ней, которые однако не

имеют между собой соединений. В этом проекте вы можете

использовать простейшую перфорированную плату даже без

медных контактных кружков. (В следующем эксперимен-

те вы будете иметь дело с дополнительной возможностью

выбора в изготовлении соединений между компонентами

и медными перемычками на перфорированной плате.)

2. Подберите все компоненты и аккуратно вставьте их через от-

верстия на плату, подсчитывая отверстия, чтобы убедиться,

Электроника для начинающих

160

Глава 3

что все компоненты установлены правильно (рис. 3.61).

Переверните плату и загните выводы компонентов, что-

бы закрепить их таким образом на плате и создать линии

соединения, которые показаны на рисунке (рис. 3.62). Если

некоторые из выводов компонентов недостаточно длинные,

то вы можете удлинить их, чтобы добавить дополнитель-

ный отрезок одножильного провода 22 AWG (0,64 мм). Вы

можете снять с провода всю изоляцию, поскольку он будет

установлен на перфорированную плату в той части, где на-

ходится пластик, т. е. изолятор.

3. С помощью кусачек откусите лишние части выводов и провода.

Летающие куски провода

Губки ваших кусачек, сдавливая провода или выводы компонентов,

создают значительное усилие, которое нарастает, а затем внезапно

уменьшается до нуля, когда провод перекусывается. Это усилие может

быть трансформировано в неожиданные отскакивания отрезанного

куска провода или вывода. Некоторые из них являются относитель-

но мягкими и не представляют особой опасности, но более жесткие,

твердые провода могут улетать в непредсказуемом направлении с

высокой скоростью и, следовательно, могут повредить ваши глаза.

В этом отношении особенно опасны выводы транзисторов.

Я думаю, что при откусывании выводов и проводов было бы непло-

хой идеей одевать защитные очки.

4. Выполните все соединения паяльником- карандашом. Нужно

помнить, что это схема, в которой вы всего лишь соединяе-

те выводы друг с другом. Компоненты находятся так близко

друг к другу, что у них нет возможности перемещаться вбли-

зи места установки. Если вы используете плату с медными

площадками (что в данном примере делал и я), то некоторые

паяные соединения с ними будут обеспечивать нормальное

крепление компонентов, не приводя к пересечению выводов

друг с другом и не создавая короткое замыкание между бли-

жайшими компонентами.

5. Проверьте соединения путем их осмотра с помощью увели-

чительной лупы, а затем попробуйте их прочность тонкогуб-

цами. Если припоя недостаточно для выполнения по- насто-

ящему прочного соединения, то надо подогреть соединение

и добавить еще припоя. Если припой создал контакт, которо-

го в данном месте быть не должно, то следует использовать

универсальный нож для того, чтобы сделать параллельные

разрезы в припое, чтобы убрать небольшую часть припоя

между ними.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

161

Обычно я устанавливаю три или четыре компонента, отку-

сываю выводы, оставляя примерно необходимую их длину, затем

припаиваю выводы друг к другу, откусываю выводы окончатель-

но, затем делают паузу, чтобы проверить прочность соединения

и место его расположения. В случае последовательного припаи-

вания большого количества компонентов возникает большая ве-

роятность пропуска плохого соединения, и, если я делаю ошибку

при установке какого- либо компонента, то возвращение ситуа-

ции в исходное состояние будет гораздо более проблематичным,

если я уже добавил много компонентов вокруг него.

На рис. 3.61 и 3.62 показан пример реализации данного про-

рис. 3.61. Компоненты, установленные

екта, который я выполнял до того, как обрезал плату до мини-

на отрезке перфорированной платы

мального размера.

завершение работы

Я всегда пользуюсь сильным освещением; это не дань ро-

скоши, это необходимость. Купите дешевую настольную лампу,

если у вас еще нет такой. Я использую флуоресцентную лампу

со спектром, который близок к спектру дневного освещения, по-

скольку это помогает мне лучше идентифицировать цветные по-

лоски на транзисторах. Следует помнить, что такого типа лампы

излучают достаточно сильно ультрафиолетовые лучи, которые

не очень хороши для хрусталиков ваших глаз. Следует избегать рис. 3.62. Собранная схема на плате —

смотреть на лампу прямо и с близкого расстояния, и если вы на-

вид с обратной стороны. Медные кон-

денете очки, то только они будут обеспечивать дополнительную тактные кружки вокруг каждого отвер-

защиту.

стия платы не являются обязательными

для данного проекта. На некоторые из

Вне зависимости от того, насколько у вас хорошее зрение них попадает какое- то количество при-

на близком расстоянии, вам все равно для проверки понадобит-

поя, но это не имеет значения, посколь-

ку при этом не создаются неумышлен-

ся рассмотреть каждое соединение с помощью увеличительной ные короткие замыкания

линзы. Вы будете удивлены, насколько несовершенны эти соеди-

нения. Удерживайте увеличительное стекло максимально близ-

ко вблизи вашего глаза, затем направьте его на объект, который

надо изучить, а затем приближайтесь к объекту, чтобы сфокуси-

роваться на нем.

В конце концов, вы должны закончить монтаж рабочей схе-

мы. Вы должны вставить провода от вашего источника питания

в два маленьких гнезда разъема, которые предназначены для по-

дачи питающего напряжения, а затем установить красный све-

тодиод в оставшихся два гнезда. Помните, что два центральных

гнезда имеют отрицательный потенциал, а два наружных гнезда

положительный, они расположены так, поскольку в этом случае

компоненты схемы легче соединить проводами. Вы должны вы-

полнить цветную кодировку проводов, чтобы избежать ошибок.

162

Глава 3

Итак, вы наконец собрали небольшую схему, которая генери-

рует световые импульсы с частотой, подобной пульсациям серд-

ца. Или нет? Если у вас появились трудности при выполнении

этой работы, то надо проверить правильность всех соединений

и сравнить их со схемой. Если вы не найдете ошибки, то на схему

надо подать напряжение питания, затем присоединить черный

общий провод вашего мультиметра к отрицательному выводу

источника питания, а затем другим измерительным щупом крас-

ного цвета проверить напряжение в разных точках схемы. При

работающей схеме на каждом ее компоненте должно наблюдать-

ся хотя бы минимальное падение напряжения. Если вы найдете

обесточенное соединение (когда на разных выводах компонента

имеется одинаковое значение напряжения), то может быть вы

сделали плохую пайку или не выполнили ее вообще.

Наконец- то вы все сделали, что дальше? Хорошо, теперь вы

можете прекратить свое пребывание в образе любителя элек-

тронных схем и заняться художественным промыслом. Вы мо-

жете попытаться придумать каким образом сделать так, чтобы

это устройство можно было бы носить.

Сначала вы должны подумать об источнике питания. По-

скольку вы применяли компоненты, которые использовал и я,

то вам также понадобится источник с напряжением питания

9 В. Итак, требуемое напряжение питания можно получить от

достаточно объемной 9-вольтовой батарейки, а как же тогда но-

сить такое громоздкое устройство? Я думаю, что на этот вопрос

имеется три ответа.

1. Вы можете положить батарейку в карман и установить «ми-

галку» за пределами вашего кармана, соединив их тонким

проводом под одеждой. Следует помнить, что небольшой

разъем для подачи напряжения на перфорированную плату

пригоден для подключения с помощью проводов 22 AWG,

если они имеют одну или множество плетеных жил (как про-

вода, идущие от разъема для батарейки 9 В), но при этом по-

крытых тонким слоем припоя.

2. Вы можете установить батарейку внутри верхней части бейс-

болки, но с «мигалкой» на козырьке.

3. Вы можете соединить вместе три 3-вольтовые пальчиковые

батарейки в один блок, закрепив их пластиковой стяжкой.

Если вы попробуете таким образом решить проблему, то

это не слишком хорошее решение, поскольку придется при-

паивать провода к батарейке. Вам нужно будет подогревать

химические реактивы внутри батарейки, что может ока-

заться не слишком полезным для них, а также не слишком

полезным для вас, если эти реактивы закипят и батарейка

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

163

взорвется. Кроме того, припой плохо скрепляется с металли-

ческими выводами батареек.

Большинство светодиодов создают четко очерченный пучок

света, который вы можете захотеть сделать более размытым для

более предпочтительного внешнего вида. В качестве одного из

способов можно использовать кусок акрилового пластика тол-

щиной не менее 6,5 мм, как это показано на рис. 3.63. Обработ-

ка наждачной бумагой лицевой поверхности акрила с помощью

шлифовальной машинки не будет оставлять заметных следов.

Обработка наждачной бумагой сделает акрил более замутнен-

ным, чем прозрачным.

Высверлите полость с обратной стороны акрила сверлом, ди-

аметр которого несколько больше диаметра светодиода. Будьте

аккуратны, не следует просверливать пластик насквозь. Удалите рис. 3.63. Это поперечное сечение ли-

все фрагменты и пыль из полости сжатым воздухом или промой-

ста прозрачного акрилового пластика,

в котором просверлено несквозное от-

те эту полость, если у вас нет компрессора. После того как по-

верстие с обратной стороны. Поскольку

лость полностью высушена внесите в нее немного силиконового сверло создает дно конической формы, герметика или некоторое количество прозрачного эпоксидного а светодиод имеет закругленный кор-

пус, то перед установкой светодиода в

клея, который затвердевает в течение 5 мин. Затем вставьте све-

отверстие следует добавить немного

тодиод, вдавив его таким образом, чтобы клей несколько высту-

прозрачного эпоксидного клея или си-

ликонового герметика

пил наружу, сделав герметичное соединение (см. рис. 3.63).

Попробуйте включить светодиод и, если это потребуется,

дополнительно обработайте поверхность шкуркой. В заключе-

ние вы можете решить куда установить схему — на заднюю часть

акрилового пластика или протянуть провод куда- либо еще.

Поскольку светодиод будет мигать примерно с частотой

сердцебиения человека, во время его отдыха, то это может вы-

глядеть, как измерение пульса, особенно, если вы установите

его в середине груди или на запястье. Если вам нравится вводить

людей в заблуждение, то вы можете продемонстрировать, что

находитесь в отличной форме, поскольку частота вашего пульса

будет оставаться постоянной даже при энергичном выполнении

физических упражнений.

Чтобы сделать привлекательный внешний вид корпуса для

схемы, я могу предложить варианты от заливки всей схемы эпок-

сидной смолой до поиска соответствующего медальона Виктори-

анской эпохи. Я оставляю вам возможность поразмышлять над

альтернативными вариантами, поскольку эта книга посвящена

электронике, а не художественным промыслам.

Однако я хочу задать вам один заключительный вопрос: «как

же долго будет мигать ваше устройство?»

Если вы обратитесь к следующему разд. «Важные сведения —

Срок службы батарейки», то обнаружите, что обычная 9-вольто-

вая батарейка должна поддерживать мигание светодиода в тече-

ние примерно 50 час.

164

Глава 3

важные сведения

срок службы батарейки

Каждый раз при завершении схемы, питание которой вы со-

бираетесь осуществлять от батарейки, вам может понадобиться

расчет вероятного срока службы батарейки. Сделать это до-

статочно легко, поскольку производители указывают емкость

батареек в соответствии с «ампер- часами», которые они могут

выдавать. Имейте в виду следующее:

• сокращением для ампер- часов является Ah (А- час), иногда

его сокращают до AH (англ. AH — Ampere- hour). Соответ-

ственно для миллиампер- часов — mAh (мА- час;

• емкость батарейки в ампер- часах равна току в амперах,

умноженному на количество часов, в течение которых бата-

рейка в состоянии его поддерживать.

Таким образом теоретически 1 А- час означает, что батарейка

может выдавать ток в 1 А в течение 1 часа или ток 0,1 А в течение

10 часов или 0,01 А в течение 100 часов и т. д. На практике все не

так просто, как кажется, поскольку химические вещества вну-

три батарейки расходуются гораздо быстрее, когда они выдают

больший по величине ток, особенно, если батарейка при этом

нагревается. Вы будете ограничены предельными значениями,

которые определяются физическими размерами батарейки.

Например, если у вас есть маленькая батарейка на 0,5 А- час,

то вы не можете ожидать получить от нее ток величиной 30 А в

течение даже одной минуты. Но будете в состоянии получить

0,005 А (т. е. 5 мА) в течение 100 часов без проблем. При этом

следует помнить, что напряжение, которое выдает батарейка,

будет несколько больше номинального значения, когда она

свежая, но по мере использования оно будет уменьшаться и в

конце концов станет меньше номинального значения.

В соответствии с некоторыми данными испытаний, кото-

рым я доверяю (я думаю, они несколько более реалистичны,

чем оценки производителей батареек), для типичных батареек

справедливы следующие цифры.

• Типичная щелочная батарейка 9 В — емкость 0,3 А- час, при

выдаче тока 100 мА.

• Типичная щелочная батарейка размера AA на напряжение

1,5 В — емкость 2,2 А- час, при выдаче тока 100 мА.

• Аккумуляторная никель- кадмиевая гидридная батарейка —

служит примерно в два раза больше по сравнению со ще-

лочной батарейкой такого же размера.

• Литиевая батарейка — может служить примерно в три раза

больше, чем щелочная батарейка.

Обращение к более серьезным вещам

165

базОвые сведения

измерения, от которых можно сойти с ума

В большей части материала этой книги я использовал измере-

ния в дюймах, хотя некоторые цифры я приводил в метрической

системе, например, когда указывал «светодиод диаметром 5 мм».

Это не является проявлением непоследовательности с моей сто-

роны; это отражение конфликтного состояния в электронной

промышленности, когда можно встретить дюймы и миллиметры

одновременно, часто в одном и том же листе технических данных.

США остается единственной большой страной, в которой

все еще используется старая система измерений, которая была

создана в Англии. (Есть еще две страны — это Либерия и Бирма,

согласно справочнику ЦРУ World Factbook («Мир в фактах»)).

Поскольку США все еще сохраняют лидирующие позиции в

электронике, особенно в производстве кремниевых микросхем,

которые имеют расстояния между контактами 1/10'' (2,54 мм),

эти стандарты являются постоянно действующими, и нет ника-

ких признаков, что они будут отменены.

Дальнейшее усложнение предмета заключается в том, что

даже в США вы можете найти две разные системы для выраже-

ния долей дюймов. Например, сверла измеряются в значениях,

кратных 1/64'' (0,4 мм), в то время, как толщины металлических

листов измеряются в десятичных дробях, таких как 0,06'' (1,5 мм),

что примерно равно 1/16''.

Метрическая система не обязательно является более удоб-

ной, чем система мер США. Изначально, когда система была

официально представлена в 1875 г., было определено, что метр

является 1/10 000 000 расстояния от Северного Полюса до эква-

тора по меридиану, который проходит через Париж — типич-

ное французское зазнайство. После этого значение метра было

переопределено трижды в ходе последовательных усилий до-

стижения более высокой точности при использовании в науке.

С точки зрения удобства десятичная система, в которой надо

перемещать положение десятичной точки, определенно проще,

чем выполнение вычислений в 64-х долях дюйма, но, по сути, есть

всего лишь одна причина, по которой мы считаем в десятичной си-

стеме, это то, что число 10 совпадает с количеством пальцев на на-

ших руках. Система, в основе которой лежит число 12, более удоб-

на, поскольку числа в этой системе без остатка делятся на 2 и 3.

Раз уж мы остановились на таком экзотическом аспекте, как

измерение длины, я привожу диаграммы на рис. 3.64–3.65, что-

бы помочь вам выполнять переход из одной системы в другую.

Из них вы можете заметить, что, когда вам надо просверлить от-

верстие для светодиода диаметром 5 мм, то подойдет сверло

размером 3/16'' (4,8 мм). (Фактически результат будет лучше для

такой более плотной установки, чем при выполнении отверстия

диаметром точно 5 мм.)

166

Глава 3

Сотые дюйма Миллиметры Доли дюйма

Тысячные дюйма Миллиметры Доли дюйма

рис. 3.64. Поскольку единицы измерения в электронике не имеют одного стандарта, часто приходится выполнять преоб-

разование. Диаграмма справа это увеличение в 5 раз нижней части диаграммы, представленной слева

Обращение к более серьезным вещам

167

Десятичные эквиваленты долей дюйма

Доли дюйма

Сотые дюйма

рис. 3.65. Эта диаграмма дает возможность преобразовать сотые доли дюйма, принятые в США, в доли дюйма, выраженные в тысячных долях дюйма

168

Глава 3

Эксперимент 15

ПерерабОтанная схема

ОхраннОй сиГнализации

Теперь наступило время, когда надо внести улучшения в

охранную сигнализацию, о которой я рассуждал в конце экспери-

мента 11. Я собираюсь показать, как будет срабатывать сигнали-

зация, если вы установите различные датчики на окна и двери в

вашем доме. Я также покажу, как может быть подключена охран-

ная сигнализация, чтобы она сама вставала на охрану и продол-

жала выдавать сигнал даже в том случае, когда дверь или окна

закрыты.

В этом эксперименте будет приведена процедура переноса

проекта с макетной платы на перфорированную плату, которая

имеет медные проводящие соединительные дорожки, располо-

женные идентично перемычкам внутри макетной платы, и как

было показано ранее на рис. 3.53. В конце главы вы установите

законченную схему в корпус, разместив переключатели и разъе-

мы на его переднюю панель.

Когда все вышесказанное будет проделано, вы будете гото-

вы к сборке электронных схем в законченном виде. Пояснения в

оставшейся части будут постепенно становиться короче, а темп

усвоения материала будет возрастать.

Вам понадобятся:

1. Паяльник- карандаш мощностью 15 Вт.

2. Тонкий припой диаметром 0,022'' (0,6 мм) или около того.

3. Инструмент для снятия изоляции и кусачки для проводов.

4. Перфорированная плата с вытравленными проводящими

дорожками, как на макетной плате.

5. Небольшие тиски или струбцина для удерживания вашей

перфорированной платы.

6. Те же самые компоненты, которые вы использовали в экс-

перименте 11, плюс:

 биполярный n- p-n- транзистор 2N2222. Количество — 1 шт.;

 двухполюсное двухпозиционное реле. Количество — 1 шт.;

 однополюсный двухпозиционный тумблер. Количество —

1 шт.;

 диод 1N4001. Количество — 1 шт.;

 красный и зеленый светодиоды диаметром 5 мм. Количе-

ство — 1 шт. каждого типа;

 корпус для схемы размера 6''×3''×2'' (152×76×51 мм). Ко-

личество — 1 шт.;

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

169

 вилка для подключения напряжения питания, типа N

и соответствующее ей гнездо;

 соединительные клеммы;

 многожильные провода 22 AWG (0,76 мм) трех различ-

ных цветов;

 магнитные переключатели (герконы), в количестве, необ-

ходимом для вашего дома;

 провода для сети охранной сигнализации, в количестве,

необходимом для вашего дома.

датчики охранной сигнализации

Типичный датчик системы охранной сигнализации состоит

из двух частей: магнитного модуля и модуля магнитного пере-

ключателя (геркона), как это показано на рис. 3.66 и 3.67. Маг-

нитный модуль состоит только из постоянного магнита в пласт-

массовом корпусе. Модуль магнитного переключателя состоит

из герконового переключателя (геркона), который под действием

магнита замыкает или размыкает контакты (аналогично кон-

тактам внутри реле). Когда вы перемещаете магнитный модуль рис. 3.66. В этом простом датчике

вблизи магнитного переключателя, вы можете услышать едва охранной сигнализации в нижнем моду-

различимый щелчок герконового переключателя, который пере-

ле находится магнит, который замыкает

и размыкает герконовый переключа-

ходит из одного состояния в другое.

тель, расположенный в верхнем модуле

датчика

рис. 3.67. На этом рисунке в разрезе показан датчик охранной сигнализации с герконовым

переключателем (внизу) и магнитом (вверху), который замыкает контакты переключателя.

Переключатель содержит две упругих магнитных полоски, верхняя полоска с южным по-

люсом прикреплена к электрическому контакту, нижняя полоска с северным полюсом при-

креплена к другому электрическому контакту. Когда южный полюс магнита приближается

к переключателю, магнитная сила (показана пунктирными линиями) отталкивает южный

контакт и прижимает северный контакт, сжимая их друг с другом. Два винта на наружной

поверхности корпуса подключены к полоскам, расположенным внутри

170

Глава 3

Как и все переключатели, герконовые переключатели могут

быть нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми. Для

данного устройства вам понадобится нормально разомкнутый

переключатель, который замыкает контакт, когда магнит нахо-

дится вблизи него.

Установите магнитный модуль на подвижной части двери или

окна, а модуль переключателя на раме окна или дверном налич-

нике. Когда окно или дверь закрыты, магнитный модуль почти

касается модуля переключателя. Магнит удерживает переключа-

тель в замкнутом состоянии до тех пор, пока дверь или окно не

будут открыты, после чего контакты переключателя разомкнутся.

У нас только один вопрос: как мы будем использовать этот

компонент для срабатывания нашей сигнализации? Пока не-

большой ток будет проходить через герконовый переключатель,

сигнала тревоги быть не должно, но если цепь будет разомкнута,

сигнал должен сработать.

Напряжение 12 В

Мы можем использовать реле, которое «всегда включено»,

постоянного тока

когда сигнализация поставлена на охрану. Когда цепь разорвана,

реле переходит в свободное состояние и другая пара его контак-

тов замыкается, эти контакты могли бы подавать ток в устрой-

ство звуковой сигнализации.

Но мне эта идея не нравится. Постоянно работающее реле

потребляет довольно большую мощность и разогревается. По-

680

10K

этому в большинстве случаев таких схем с реле в состоянии «все-

гда включено» не проектируется. Я предпочитаю для этой цели

использовать транзистор.

Q1

разрыв в транзисторной цепи

Сначала надо вспомнить, как работает биполярный n- p-n-

транзистор. Когда база имеет недостаточный по величине поло-

жительный потенциал, транзистор препятствует прохождению

1K

тока через его коллектор и эмиттер, но когда база становится бо-

лее положительной, транзистор начинает пропускать ток.

Посмотрим на схему на рис. 3.68, которая построена на

базе нашего старого друга — на биполярном n- p-n- транзисторе

2N2222. Когда переключатель замкнут, база транзистора через

резистор с сопротивлением 1 кОм подключается к отрицатель-

рис. 3.68. В этой цепи, которая предна-

ному выводу блока питания. Кроме того, база транзистора через

значена для демонстрации, когда пере-

резистор 10 кОм подключена к положительному выводу блока

ключатель разомкнут, он прекращает

подачу отрицательного потенциала питания. Из- за разности сопротивлений этих резисторов и от-

на базу транзистора, заставляя тран-

носительно высокого напряжения включения светодиода база

зистор уменьшить свое сопротивле-

ние, что приводит к увеличению тока,

находится ниже порога включения, в результате транзистор бу-

который проходит через светодиод. дет пропускать небольшой ток. При этом светодиод, если и будет

Таким образом, когда переключатель

разомкнут, то он включает светодиод

гореть, то в лучшем случае очень тускло.

Обращение к более серьезным вещам

171

Что же происходит, если переключатель размыкается?

База транзистора отсоединяется от отрицательного потенциала

и остается подключенной только к положительном выводу блока

питания. Это делает базу более положительной, в данном случае

выше порога срабатывания транзистора, что заставляет тран-

зистор уменьшить свое сопротивление и соответственно пропу-

стить ток большей величины. Светодиод теперь загорится ярко.

Таким образом, когда переключатель разрывает цепь, светодиод

включается.

Это именно то, что нам и нужно. Теперь представим себе груп-

пу переключателей вместо одного, как это показано на рис. 3.69.

Цепь будет продолжать работать точно так же, как если бы пере-

ключатели были расположены по всему вашему дому, поскольку

сопротивление проводов, соединяющих переключатели, будет

минимальным по сравнению с сопротивлением резистора 1 кОм.

Напряжение 12 В

постоянного тока

680

10K

Герконовые

Q1

переключатели

размыкаются

при открывании

дверей

или окон

1K

рис. 3.69. Группа переключателей, соединенных последовательно, может быть заменена

одним переключателем, как это показано на рис. 3.68. Теперь любой переключатель может

разорвать цепь и заставить сработать транзистор

Я показал все переключатели разомкнутыми, поскольку

это тот способ, которым переключатель обычно изображается

на схеме, но давайте представим, что они замкнуты. База тран-

зистора тогда будет подключена к отрицательному потенциалу

172

Глава 3

через длинный провод, соединяющий все замкнутые переключа-

тели. В этом случае транзистор будет закрыт, а светодиод будет

оставаться темным. Теперь, если размыкается хотя бы один пе-

реключатель или же кто- либо разрывает провод, соединяющий

все переключатели со схемой, то база транзистора отключается

от отрицательного потенциала, что приводит к созданию усло-

вий, при которых транзистор открывается и начинает проводить

ток, а светодиод загорается.

Пока все переключатели остаются замкнутыми, цепь потре-

бляет очень небольшой ток — примерно порядка 1,1 мА, поэто-

му в качестве источника питания можно использовать батарейку

системы сигнализации с напряжением 12 В.

Теперь предположим, что мы удалили светодиод и устано-

вили вместо него электромагнитное реле, как это показано на

рис. 3.70. Я не против использования реле в этом месте, посколь-

ку оно не постоянно находится в состоянии «всегда включено».

В исходном состоянии контакты реле должны быть нормально

разомкнуты и будут подавать напряжения питания на сигнал

тревоги только тогда, когда сигнализация сработает.

Напряжение 12 В

постоянного тока

10K

Герконовые

Q1

переключатели

размыкаются

при открывании

дверей

или окон

1K

R1

рис. 3.70. Если удалить светодиод и резистор с сопротивлением 680 Ом, которые были по-

казаны на рис. 3.69, и вместо диода подключить обмотку реле, то реле сработает, когда хотя

бы один из переключателей в цепи датчиков будет разомкнут

Обращение к более серьезным вещам

173

Попробуем применить одно из реле на рабочее напряжение

12 В, которое мы использовали ранее. При этом вы обнаружите,

что если разомкнуть хотя бы один переключатель, то по обмотке

реле потечет ток, и реле сработает. Когда же вы замкнете пере-

ключатель, реле возвратится в исходное состояние ожидания.

Следует заметить, что я из схемы удалил резистор с сопротивле-

нием 680 Ом, поскольку реле не нуждается в какой- либо защите

от источника питания с напряжением 12 В.

схема самофиксации реле

в состоянии его срабатывания

Теперь осталась только одна проблема: мы хотим заставить

охранную сигнализацию подавать предупреждающий сигнал

даже после того, как кто- то открыл дверь или окно, а затем их

быстро закрыл. Другими словами, когда реле сработало, то оно

должно зафиксироваться в этом состоянии.

Один из способов — это реализовать схему с использовани-

ем реле без самовозврата в первоначальное состояние (с фикса-

цией) после срабатывания. При этом возникает только одна про-

блема, нам понадобится еще одна цепь, которая могла бы вернуть

реле в первоначальное состояние. Я предпочитаю показать вам,

как можно заставить обычное реле с самовозвратом (без фикса-

ции) оставаться в состоянии срабатывания после того, как оно

получило всего лишь один импульс напряжения питания. Идея

и далее будет вам полезна при последующем изучении электро-

ники и данной книги.

Секрет состоит в том, чтобы подавать напряжение питания

на обмотку реле через два контакта реле, которые нормаль-

но разомкнуты. (Следует заметить, что это прямая противопо-

ложность релейному генератору, выполненному на основе реле,

и который подает напряжение питания на обмотку реле через

нормально замкнутые контакты. Такое подключение заставляет

реле отключать себя почти так же же быстро, как оно себя вклю-

чает.) Рассматриваемая далее схема позволяет обычному реле с

самовозвратом контактов (без фиксации) после его первого же

срабатывания поддерживать себя в этом состоянии.

На рис. 3.71 приведены четыре схемы, которые это иллю-

стрируют. Вы можете представить их, как кадры в фильме, сфо-

тографированные в течение микросекунд. На первой картинке

переключатель размокнут, реле не запитано и ничего не проис-

ходит. На второй — переключатель замкнут и напряжение пита-

ния подается на обмотку реле. На третьей — реле срабатывает,

переключая контакты, поэтому напряжение питания поступает

на обмотку двумя путями (через переключатель и замкнутые

174

Глава 3

контакты реле). На четвертой — переключатель разомкнут, но

реле продолжает подавать напряжение питание на обмотку через

свои замкнутые контакты. Реле остается в этом состоянии до тех

пор, пока не будет отключено напряжение питания.

Напряжение 12 В

Напряжение 12 В

Напряжение 12 В

Напряжение 12 В

постоянного тока

постоянного тока

постоянного тока

постоянного тока

A

а б в г

рис. 3.71. Эта последовательность схем демонстрирует события, которые происходят до

и после того, как реле будет запитано. Изначально переключатель разомкнут и на обмотку

реле питание не поступает ( а). Затем переключатель замкнут ( б). Это приводит к срабаты-

ванию реле, и оно запитывает себя через свои замкнутые контакты ( в). В этом случае реле

остается запитанным даже тогда, когда размыкается переключатель ( г). Напряжение пита-

ния, которое включает реле, теперь может быть получено в точке «А»

Все, что нам нужно это использовать данную идею и заме-

нить переключатель на транзистор, протянув провод к модулю

звуковой сигнализации от точки «А».

На рис. 3.72 показано, как это может работать. Когда тран-

зистор открывается после размыкания любого из переключате-

лей датчиков, как это было описано ранее, транзистор начинает

подавать напряжение питания на обмотку реле. Реле блокирует

себя в состоянии срабатывания, независимо от состояния пере-

ключателей и, соответственно, транзистора.

Поскольку я добавил некоторые детали к исходной схеме

звуковой сигнализации, я обновил блок- схему, которая была

приведена рис. 2.106, чтобы показать, что мы можем разделить

всю эту задачу на отдельные модули с простыми функциями. От-

редактированная блок- схема показана рис. 3.73.

Обращение к более серьезным вещам

175

Напряжение питания

на устройство

звуковой сигнализации

Напряжение 12 В

Напряжение питания

постоянного тока

Магнитные переключатели

10K

Реле с самофиксацией

Q1

Медленный генератор

Герконовые

переключатели

размыкаются

при открывании

Быстрый генератор

дверей

или окон

1K

Усилитель

R1

Динамик

рис. 3.72. Эта схема самофиксации реле в состоянии его срабатывания может быть вклю-

рис. 3.73. Это обновленная блок- схема

чена в схему охранной сигнализации таким образом, что, если после размыкания любого из

с рис. 2.106. На ней добавлены магнит-

переключателей датчиков сигнализации срабатывает реле R1, то оно будет продолжать по-

ные переключатели датчиков охранной

давать напряжение питания на устройство звуковой сигнализации даже тогда, когда пере-

сигнализации и схема самофиксации

ключатель будет снова замкнут

реле в состоянии его срабатывания

блокирование «плохого» напряжения

Остается одна маленькая проблема. В новой версии схемы

при закрытом транзисторе Q1, когда реле R1 все еще будет на-

ходиться в состоянии срабатывания, ток от реле может потечь в

обратную сторону, т. е. на эмиттер транзистора. Этот ток попыта-

ется пройти обратно через эмиттер транзистора на его базу, ко-

торая будет «более отрицательна», поскольку подключена через

все замкнутые магнитные переключатели датчиков и резистор

с сопротивлением 1 кОм к отрицательному выводу источника

питания.

Подача напряжения питания в обратном направлении это

неприятная вещь, которой следует избегать. Поэтому в оконча-

тельной схеме показан еще один компонент, который вы ранее не

встречали — полупроводниковый диод, который на схеме имеет обо-

значение D1 (рис. 3.74). Графическое условное обозначение диода

176

Глава 3

выглядит почти как обозначение светодиода и во многом это дей-

ствительно именно так, хотя некоторые диоды являются гораздо

более надежными устройствами. Он дает возможность электриче-

скому току протекать только в одном направлении от положитель-

ного к отрицательному потенциалу, как это показано на его услов-

ном графическом обозначении стрелкой.

Напряжение питания

на устройство

звуковой сигнализации

Напряжение 12 В

постоянного тока

10K

Q1

Герконовые

D1

переключатели

размыкаются

при открывании

дверей

или окон

1K

R1

рис. 3.74. Диод D1 был добавлен для защиты эмиттера транзистора Q1 от положительного

напряжения, когда обмотка реле подключена к источнику напряжения

Если ток пытается течь в противоположном направлении, то

диод препятствует этому. Единственная цена, которую вы запла-

тите за такую услугу, это небольшое падение напряжения на дио-

де, когда ток будет протекать через него в прямом направлении.

Поэтому электрический ток от положительного вывода источ-

ника питания может пройти через транзистор, затем диод и обмот-

ку реле, чтобы заставить его сработать. Когда реле сработает, оно

через свои замкнутые контакты подает напряжение питания на

свою же обмотку, а диод при этом предотвращает попадание поло-

жительного напряжения на транзистор в обратном направлении.

Обращение к более серьезным вещам

177

Может быть, более элегантным решением проблемы было

бы подключение нормально разомкнутого контакта реле через

резистор 10 кОм к базе транзистора. Когда реле не запитано, нор-

мально разомкнутый контакт не имеет напряжения и ведет себя

просто как небольшая паразитная емкость в данной точке. Когда

же на реле подается напряжение питания, нормально разомкну-

тый контакт шунтирует напряжение +12 В через общую клемму

и резистор 10 кОм на базу транзистора. В этой конфигурации

цепи транзистор никогда не будет подвергнут воздействию опас-

ного напряжения и не будет зависимости от токов утечки, воз-

никающих из- за неидеальности элементов защиты.

Однако в данном случае мне нужно было познакомить вас с

работой диодов. Чтобы узнать о них больше вы можете посмо-

треть следующий разд. «Важные сведения — Все о диодах».

важные сведения

все о диодах

Диод относится к очень «старому» типу полупроводников.

Он позволяет пропускать электрический ток только в одном

направлении и препятствует его прохождению в противопо-

ложном направлении. (Светодиод это гораздо более позднее

изобретение.) Как и светодиод, диод может быть поврежден

напряжением другой полярности и избыточной амплитуды, но

большинство диодов в состоянии выдерживать гораздо боль-

шие напряжения, чем светодиоды. Корпус диода со стороны

вывода, который препятствует положительному напряжению

(катод диода), маркируется круговой полоской, в то время как

другой конец корпуса остается немаркированным. Диоды осо-

бенно полезны в логических схемах, а также могут преобразо-

вывать переменный ток (AC ) в постоянный ток (DC ).

Стабилитрон — это диод специального типа, который в

данной книге мы использовать не будем. Стабилитрон полно-

стью препятствует прохождению тока в одном направлении,

а также в другом направлении до тех пор, пока не будет достиг-

нуто определенное пороговое значение, подобно тому, как это

делает однопереходный транзистор.

Сигнальные диоды могут иметь различные номиналы по на-

пряжению и мощности. Диод 1N4001, который я рекомендую

для использования в схеме охранной сигнализации, в состоя-

нии выдерживать гораздо большие нагрузки при гораздо более

высоком напряжении, но я использую его потому, что он имеет

низкое внутреннее сопротивление. Я хотел, чтобы на диоде па-

дало минимальное напряжение, чтобы соответственно на реле

поступало максимально возможное напряжение.

Электроника для начинающих

178

Глава 3

Практика использования диода при напряжениях, которые

меньше их номинального значения, является разумной. Как

и любой другой полупроводник, диоды могут перегреваться

и сгорать, если их используют ненадлежащим образом.

Условное графическое обозначение диода может иметь

только одно существенное изменение: иногда треугольник изо-

бражают линиями, а не закрашивают черным цветом (рис. 3.75).

рис. 3.75. Для графического обозначе-

завершение схемы охранной сигнализации

ния диода может использоваться любой

на макетной плате

из этих символов, но то изображение,

которое справа, более распростране-

Теперь наступило время собрать устройство управления зву-

но, чем то, которое слева

ковой сигнализацией для охранной сигнализации на макетной

плате. На рис. 3.76 показано, как это может быть сделано. Я по-

лагаю, что у вас уже имеется устройство звуковой сигнализации,

которое функционирует так, как это было указано ранее. Я пола-

гаю, что мы имеем соответствующие ему компоненты, установ-

ленные в верхней половине макетной платы. Чтобы сохранить

пространство, а я всего лишь собираюсь показать дополнитель-

ные компоненты, установленные в нижней половине той же са-

мой макетной платы.

Напряжение питания в схему устройства звуковой сигнализации в верхней части макетной платы

R1

Q1

S1

R2

D1

К герконовым

переключателям

датчиков

рис. 3.76. Здесь показано как может быть выполнена монтажная схема устройства, разработанного на предыдущих

страницах. S1 на схеме обозначено двухполюсное двухпозиционное реле. Кроме того, здесь показано куда должны

быть добавлены провода, идущие к герконовым переключателям датчиков охранной сигнализации, куда следует

подключить источник питания и схему звуковой сигнализации

Обращение к более серьезным вещам

179

Очень важно помнить, что вы не должны подавать напряжение

питания напрямую на левую и правую вертикальные линии (шины

питания) на макетной плате. Напряжение питания следует подать

на ту часть схемы, где находятся реле, транзистор и диод, а уже реле

будет подключать его к шинам питания звуковой сигнализации.

Таким образом, отключите напряжение питания от шин питания

на макетной плате и подключите его так, как показано на рис. 3.76.

Поскольку это двухполюсное реле, то я использую это реле

для подключения как отрицательного, так и положительного вы-

вода блока питания. Это означает, что когда контакты реле ра-

зомкнуты, то часть схемы, на которой выполнено устройство зву-

ковой сигнализации, полностью отделена от остального мира.

Схема на макетной плате является точно такой же, как и схе-

ма, представленная на рис. 3.74. Все компоненты схемы были рас-

пределены в компактной форме таким образом, чтобы они были

расположены вдоль реле. Два провода в нижнем левом углу ведут

к герконовым переключателям датчиков, которые будут приво-

дить к срабатыванию охранной сигнализации. Для проверки вы

можете просто соединить два оголенных конца этих проводков

вместе, чтобы смоделировать нормальное состояние датчика,

и разделить их, чтобы смоделировать размыкание цепи.

Два провода, которые подают напряжение питание на плату,

находятся с двух сторон от реле. Это именно то место, к которому

нужно подключить напряжение питания во время тестирования.

С помощью двух перемычек из проводов — одной вверху слева,

а другой вверху справа — выход от реле через два его верхних кон-

такта подключается к вертикальным шинам питания макетной

платы. Не забудьте добавить их! Еще одна небольшая перемычка

в нижнем левом углу (ее можно легко заметить) подключается к

шине питания с левой стороны и к левому выводу обмотки реле.

Поэтому когда это реле подает напряжение питания на схему зву-

ковой сигнализации, оно также запитывает и свою обмотку.

Когда вы будете устанавливать диод, следует помнить, что

тот его вывод, который на корпусе помечен круговой полоской,

является выводом (катодом диода), который препятствует про-

хождению тока при подаче положительного напряжения. В мон-

тажной схеме это нижний вывод диода.

Попробуйте убедиться, что схема работает. Закоротите прово-

да, которые должны идти к датчикам, и затем подайте напряжение

питания. Сигнализация должна оставаться безмолвной. Вы можете

использовать свой мультиметр, чтобы проверить, что нет напряже-

ния между двумя боковыми вертикальными шинами. Теперь надо

разомкнуть провода, которые должны быть подключены к датчи-

кам, при этом реле должно сработать (щелкнуть), подавая напря-

жение питания на боковые шины питания, которые активируют

180

Глава 3

устройство звуковой сигнализации. После этого, даже если вы сно-

ва соедините вместе эти провода, реле все равно будет оставаться

в состоянии срабатывания. Есть только один способ вернуть его в

исходное состояние — это отключить напряжение питания.

Когда цепь будет в активном состоянии, транзистор с уста-

новленным за ним диодом будут создавать небольшое падение

напряжения, но реле на рабочее напряжение 12 В должно про-

должать работать.

В контрольной цепи попробуйте три различных реле, они

могут срабатывать при различном значении тока от 27 до 30 мА

при напряжении 9,6 В. Некоторое количество тока будет «ухо-

дить» на утечки через транзистор, когда он будет закрыт, но это

всего лишь несколько миллиампер при напряжении 0,5 В. Это

небольшое напряжение ниже порогового значения, которое не-

обходимо для срабатывания реле.

схема готова для печатной платы

Если схема работает, то следующим шагом надо «увековечить»

это творение на перфорированной плате. Нужно использовать тот

тип платы, у которой расположение вытравленных медных печат-

ных проводников такое, как показано на рис. 3.53. Для определе-

ния наилучшего способа выполнения паяных соединений на такой

плате обратитесь к следующему разд. «Важные сведения — Порядок

выполнения паяных соединений на перфорированной плате» — и со-

ответствующему разделу для решения наиболее общих проблем.

важные сведения

Порядок выполнения паяных соединений на перфорированной плате

На вашей макетной плате аккуратно заметьте положение компонента, а затем переместите его

в то же самое относительное место на перфорированной плате, вставив его выводы в отверстия.

Переверните перфорированную плату обратной стороной, при этом следует убедиться, что ком-

поненты установлены прочно, и проверьте отверстие, в которое вставлен вывод, как это показано

на рис. 3.77, а. Вокруг этого отверстия будет круглая медная контактная площадка и ее соединение

с другими площадками вокруг соседних отверстий. Ваша задача расплавить припой таким образом, чтобы он прилегал к меди и выводу, формируя сплошное, надежное соединение между ними.

Возьмите ваш паяльник- карандаш в одну руку и некоторое количество припоя в другую. Нуж-

но удерживать паяльник у вывода компонента и медной дорожки, а затем поднести небольшое

количество припоя на их пересечение. Через 2–4 сек припой расплавится и растечется.

Чтобы выполнить соединение между выводом компонента и медной контактной площадкой на

перфорированной плате, вывод пропускается через отверстие и припой (для большей заметности

показан белым цветом) завершает соединение. Лишняя часть вывода затем может быть отрезана.

Припоя должно быть достаточное количество, чтобы в итоге сформировать круглый шарик, сое-

диняющий вывод и медную контактную площадку, как это показано на рис. 3.77, б. Подождите, пока

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

181

припой не затвердеет, а затем захватите контакт тонкогубцами и по-

трясите его, чтобы убедиться, что соединение выполнено прочно.

Если все сделано хорошо, то кусачками отрежьте выступающий вывод

(рис. 3.77, в).

Поскольку паяные соединения очень трудно сфотографировать, я ис-

пользую рисунки, чтобы показать провода до и после выполнения доста-

точно надежных соединений, где они приведены белым цветом и обве-

дены контурной черной линией.

Как выглядит реальная перфорированная плата с выполненными па-

яными соединениями можно увидеть на фотографиях на рис. 3.78 и 3.79.

а

б

в

рис. 3.77. Чтобы выполнить соединение между выводом и медным печатным контактом на перфорированной плате, вывод вставляется в

отверстие платы ( а) и припой (на рисунке показан чисто белого цвета) завершает соединение ( б). Вывод после выполнения пайки может

быть укорочен ( в)

рис. 3.78. Эта фотография была сделана в процессе переноса

рис. 3.79. После припаивания излишки выводов и проводов

компонентов с макетной платы на перфорированную. Два или

откусывают, а качество выполненных соединений проверяют с

три компонента последовательно вставляются в отверстия пла-

помощью увеличительного стекла. Затем могут быть вставлены

ты, а их выводы с обратной стороны платы загибаются для пре-

следующие два или три компонента и процесс повторяется

дотвращения выпадения компонентов

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

182

Глава 3

ПрибОры и инструменты

Четыре наиболее часто встречающиеся ошибки

при работе с перфорированными платами

1. Слишком много припоя

Вы можете столкнуться с этим, когда капли припоя, располз-

шиеся по плате, будут касаться соседних медных полосок как

это, например, показано на рис. 3.80. Когда это случится, вам

надо подождать охлаждения припоя, а затем отрезать лишний

припой универсальным ножом. Вы также можете попытаться

удалить его простейшим отсосом для припоя с резиновой гру-

рис. 3.80. Если вы использовали слиш-

шей или оплеткой для удаления припоя, но некоторое количе-

ком много припоя, то это может создать

ство лишнего припоя все же может остаться.

некачественный вид и нежелательные

соединения с другими проводниками

Даже микроскопические следы припоя вполне достаточны

для создания короткого замыкания. Проверьте монтаж с помо-

щью увеличительного стекла, перевернув плату таким образом,

чтобы лучи света падали под разными углами (или используйте

ваши инструменты для удаления лишнего припоя), чтобы разъ-

единить замыкание.

2. Недостаточное количество припоя

Если соединение выполнено с недостаточным количеством

припоя, то вывод может отделиться от припоя при охлаждении.

Даже микроскопической трещины достаточно для того, чтобы

сделать схему нерабочей. В крайнем случае припой присоеди-

няется к выводу компонента, но не «липнет» к медной контакт-

ной площадке вокруг вывода, что не приводит к созданию на-

дежного электрического соединения между элементами схемы,

оставляя вывод компонента луженым, но фактически без кон-

рис. 3.81. Слишком мало припоя (или

такта с платой, как это показано на рис. 3.81. Вы легко можете не

недостаточный прогрев) может приве-

сти к покрытию вывода компонента при-

заметить и пропустить эту неисправность, если не рассмотрите

поем без соединения его с покрытой

соединение под увеличительным стеклом.

припоем медной площадкой на перфо-

Вы можете добавить еще припоя к любому такому типу со-

рированной плате. Даже зазор толщи-

ной с человеческий волос достаточен

единения с недостаточным количеством припоя, но при этом

для отсутствия электрического контакта

надо снова тщательно прогреть участок соединения.

3. Неправильное расположение компонентов

При монтаже компонентов схемы на перфорированной пла-

те очень просто можно ошибиться и вставить компонент не в

то отверстие, в которое он должен быть вставлен. Также очень

легко можно забыть сделать нужное соединение.

Я предлагаю вам всегда делать копию схемы и каждый раз

после выполнения соединения на перфорированной плате вы-

черкивать соответствующий элемент на вашей копии с помощью

маркера.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

183

4. Мусор обрезки

Когда вы откусываете лишние части выводов компонентов, не-

большие фрагменты, которые вы откусываете, не исчезают бесслед-

но. Они постепенно начинают засорять вашу рабочую зону, а один из

них может легко попасть на перфорированную плату, создавая элек-

трическое соединение в том месте, где оно совершенно не нужно.

Это еще одна причина, по которой нужно выполнять работу на

чем- нибудь мягком вроде полиуретановой губки, рекомендуемой

мною для подкладывания ее под перфорированную плату. Это

ведет к накоплению или удерживанию небольших откусываемых

частей выводов, уменьшая риск их прилипания к вашей схеме.

Еще до подачи на схему напряжения питания с помощью ста-

рис. 3.82. Устройство звуковой сигна-

лизации было перенесено с макетной

рой (сухой) зубной щетки очистите нижнюю часть платы, а так-

платы на перфорированную без вы-

же содержите вашу рабочую область в максимальной чистоте.

полнения каких- либо дополнительных

Чем большую щепетильность вы проявите в этом отношении,

изменений

тем меньше проблем у вас будет в дальнейшем.

Итак, с помощью увеличительного стекла еще раз проверь-

те, что все ваши соединения выполнены правильно.

Перенос компонентов с макетной платы на перфорирован-

ную плату достаточно простая процедура, но только до тех пор,

пока вы не будете пытаться переносить сразу много компонен-

тов за один раз. Выполняйте все рекомендации, которые были

приведены в предыдущем разд. «Важные сведения — Порядок

выполнения паяных соединений на перфорированной плате»,

а также часто делайте паузы для проверки уже сделанных сое-

динений. Невнимательность почти всегда приводит к ошибкам

при выполнении такого вида работ.

На рис. 3.82 показана часть монтажной схемы с устройством

звуковой сигнализации, выполненной на перфорированной пла-

те таким образом, что компоненты для максимальной экономии

пространства расположены на минимальном расстоянии друг от

друга. На рис. 3.83 показана вся перфорированная плата с реле

и подключенными к нему компонентами. Два черных скручен-

ных провода в средней левой части платы будут подсоединены

к динамику, а другая пара из черного и красного проводов (чуть

правее первых двух проводов) будет подавать напряжение пи-

тания на плату. Два скрученных зеленых провода, показанные в

левой нижней части платы, которые в дальнейшем должны быть

рис. 3.83. Монтажная схема системы

подключены к герконовым переключателям датчиков. Каждый

охранной сигнализации с добавленной

схемой управления реле, выполненной

провод со снятой изоляцией с его конца, вставлен в соответству-

на биполярном транзисторе. С концов

ющее отверстие на перфорированной плате, а его конец припа-

проводов внешних устройств была сня-

ян к медной контактной площадке с обратной стороны платы.

та изоляция, провода вставлены в пер-

форированную плату и затем припаяны

Теперь проверьте схему точно таким же образом, каким вы те-

к ней. Два зеленых скрученных между

стировали схему на макетной плате. Если она не работает, то вы-

собой провода (показаны внизу слева)

полните проверку руководствуясь положениями, приведенными

соединяют схему с датчиками, два чер-

ных скрученных провода (находятся в

в следующем разд. «Важные сведения — Выявление неисправно-

центре платы) подключены к динамику,

стей на практике». Если же схема работает, то вы теперь готовы

а красный (припаян слева) и черный

обрезать лишнюю часть платы и установить схему в корпус.

провод (припаян справа от реле) под-

ключены к источнику питания

184

Глава 3

важные сведения

выявление неисправностей на практике

Здесь приведены практические инструкции по выявлению

неисправностей.

После того как я собрал вариант схемы вместе с устройством

звуковой сигнализации и реле на перфорированной плате,

я проверил работу всего устройства в целом. Я подал напряже-

ние питания — и, хотя реле срабатывало, не было слышно звука.

Разумеется на макетной плате все работало безупречно.

Прежде всего, я проверил расположение компонентов на

перфорированной плате, поскольку это самый простой способ

проверки. Ошибок я не нашел. После этого я аккуратно изогнул

плату, когда на нее было подано напряжение питания — и дина-

мик выдал короткий звуковой сигнал. Каждый раз, когда такое

случается, вы можете быть уверены, что в каком- либо вашем

соединении есть небольшая трещина.

Следующим шагом было присоединение черного измери-

тельного провода моего мультиметра к отрицательному выво-

ду источника питания. Затем я включил напряжение питания,

и с помощью красного измерительного провода моего муль-

тиметра проверил каждую точку схемы сверху вниз, измеряя

напряжение в каждой точке. В такой простой схеме, как эта, на

выводах каждой детали должно присутствовать некоторое па-

дение напряжения.

Но когда я добрался до второго транзистора 2N2222, через

который подается напряжение питания на динамик, то на его

выходе ничего не было. Либо я перегрел транзистор во время

его припаивания (что маловероятно), либо я плохо выполнил

соединение. Я проверил перфорированную плату под тран-

зистором с помощью увеличительной лупы и обнаружил, что

припой распределился вокруг вывода транзистора без факти-

ческого соединения с ним. Ширина зазора была меньше 0,001''

(0,025 мм), но все- таки этого было достаточно. Возможно, про-

блема была вызвана наличием грязи или жира.

Это один из видов тщательного исследования, который нуж-

но провести, когда схема не работает. Проверьте, чтобы все

ваши компоненты были размещены правильно, проверьте ис-

точник питания, проверьте напряжение на плате, проверьте на-

пряжение в каждой точке. Если вы достаточно настойчивы, то

вы обязательно найдете причину неисправности.

Переключатели и входы для сигнализации

Теперь вам нужно сделать так, чтобы вашу систему можно было

легко, без каких- либо проблем использовать. Так, блок- схема, при-

веденная на рис. 3.84, имеет дополнительный блок в верхней ее

Обращение к более серьезным вещам

185

части, внутри которого написано: «Пользовательские элементы

Напряжение

управления». Это означает: те или иные переключатели, светодио-

питания

ды и любые соединения с внешним миром. Чтобы выполнить пла-

нирование этой части работы, я, прежде всего, обобщил те требо-

вания, которые предъявляются к системе сигнализации на данном

Пользовательские

элементы управления

этапе ее разработки.

Система домашней охранной сигнализации с полным набо-

ром функций обычно имеет два режима: в доме и вне дома.

Магнитные

переключатели

• При использовании системы в режиме «в доме» вы включае-

те ее таким образом, чтобы она предупредила вас, если не-

прошеный посетитель открыл дверь или окно.

Реле

с самофиксацией

• При использовании системы в режиме «вне дома» обычно

вам нужно ввести некоторую кодовую комбинацию, после

чего у вас будет около 30 сек, чтобы покинуть дом и закрыть

Медленный

за собой дверь. Когда вы возвратитесь, вы снова заставите

генератор

систему сработать, но у вас будет примерно 30 сек, чтобы по-

дойти к панели управления и ввести код снова, чтобы пре-

дотвратить включение устройства звуковой сигнализации.

Быстрый генератор

Таким образом, система охранной сигнализации, которую

вы разработали, может работать только в режиме «в доме». До

сих пор достаточно много людей считают эту функцию полез-

Усилитель

ной, которая обеспечивает спокойствие во время пребывания в

доме. Позднее в этой книге я предложу вам способ, с помощью

которого вы сможете встроить в эту систему режим «вне дома»,

Динамик

но в настоящий момент будет вполне достаточной практическая

реализация системы для режима «в доме».

рис. 3.84. Окончательная блок- схема

Подумайте, как вы будете использовать ее повседневно. Есте-

для данной стадии проекта показывает,

ственно, что она должна иметь выключатель. Когда он включен, где должна быть добавлена соответ-

ствующая пользовательская функция

герконовые переключатели датчиков должны вставать на охра-

управления

ну. Но что случится, если вы включили систему, оставив окно от-

крытым? В данный момент включение звуковой сигнализации

нежелательно. Поэтому то, что вам будет нужно, это функция

тестирования системы, которая подскажет вам, закрыты или нет

ваши окна и двери. После этого вы сможете включать сигнали-

зацию.

Я думаю, что для проверки системы сигнализации будет

пригодна обычная кнопка без фиксации. Когда вы ее нажмете, то

при закрытых дверях и окнах должен загораться зеленый свето-

диод. После того как зажегся зеленый свет, вы можете отпустить

кнопку и включить напряжение питания, после чего должен за-

гореться красный светодиод, который покажет, что система по-

ставлена на охрану и готова к эксплуатации.

И еще одна дополнительная функция, которая будет очень по-

лезной: функция подтверждения рабочего состояния устройства

звуковой сигнализации, которая даст вам уверенность в том, что

186

Глава 3

система будет выдавать звуковое предупреждение, когда сигнали-

зация сработает.

Схема, которая показана рис. 3.85, обладает всеми этими

функциями. S1 — это однополюсный двухпозиционный пере-

ключатель; S2 — это двухполюсная двухпозиционная кнопка без

фиксации типа Вкл./Выкл. На схеме система показана в режиме

«покоя», когда кнопка не была нажата.

«Выкл»

S1

«Рабочее S2

состояние»

К части

схемы на

базе реле

От/к

герконовым

«Вкл»

(зеленые

переключателям

провода)

датчиков

D1

Источник

питания

J1

с напряжением 12 В

«Проверка»

постоянного тока

R1

D2

Красный

Черный

Подача напряжения питания на плату

рис. 3.85. На этой схеме приведен удобный способ добавления переключателя «Вкл./Выкл.»

(S1), функции тестирования охранной системы и проверки наличия звуковой сигнализации

D1 — это красный светодиод, D2 — зеленый, J1 — входное

гнездо для подачи напряжения питания (должен быть подклю-

чен к внешнему источнику напряжения на 12 В) и R1 — рези-

стор с сопротивлением 680 Ом для защиты светодиодов. Следует

иметь в виду, что гнездо J1 в соответствии с обычной практикой

исполнения имеет центральный контакт, подключенный к по-

ложительной клемме источника напряжения, а круглая оболоч-

ка вокруг центрального контакта подключена к отрицательной

клемме источника напряжения.

Когда переключатель S1 находится в положении «Выкл.»,

он все еще продолжает подавать положительное напряжение

через верхний контакт на кнопку S2. Если нажать на эту кноп-

ку, то это приведет к переходу ее в положение «Проверка», по-

люс кнопки S2 подает напряжение питания и подключает его к

герконовым переключателям датчиков на дверях и окнах. Про-

вода от этих переключателей будут подсоединены с помощью

пары соединительных клемм, которые на схеме показаны двумя

Обращение к более серьезным вещам

187

незакрашенными кружками. Если все герконовые переключатели

датчиков замкнуты и целы соединяющие их провода, то напря-

жение питания попадает на вторую клемму, а затем через ниж-

ний контакт переключателя S2 на светодиод D2 зеленого цвета,

который при этом загорается.

Теперь, если переключатель S1 установлен в положение

«Вкл.», то он подает напряжение питания на компоненты, уста-

новленные на перфорированной плате. Схема с транзистором

подаст напряжение питания через зеленые провода на переклю-

чатель S2 и до тех пор, пока кнопка не будет нажата, напряжение

питания через герконовые переключатели датчиков будет пода-

ваться обратно на S2, далее на транзистор, что будет поддержи-

вать потенциал на базе более отрицательным. При этом сигнали-

зация будет оставаться безмолвной. Но как только какой- либо

переключатель сработает, цепь будет разомкнута и раздастся

предупреждающий звуковой сигнал. Единственный способ от-

ключить ее это нажать на переключатель S1, установив его в по-

ложение «Выкл.».

Наконец, если вы нажмете кнопку S2, когда переключатель

S1 находится в режиме «Вкл.», это приведет к отключению сети

переключателей и к включению звуковой сигнализации. В этом

случае кнопка S2 выполняет двойную функцию: когда переклю-

чатель S1 находится в положении «Выкл.», кнопка S2 выполняет

проверку герконовых переключателей датчиков. Когда переклю-

чатель S1 находится в положении «Вкл.», кнопка S2 выполняет

тестирование звука в устройстве звуковой сигнализации. Я счи-

таю, что это самый простой из возможных способов реализации

этих функций.

установка переключателей

Если вы купили корпус для этого устройства в компании

RadioShack, то он может быть в одном из двух вариантов ис-

полнения передней панели: одна из металла, другая из пластика.

Я думаю, что вы приобрели модель с пластиковой крышкой, по-

скольку просверливание отверстий в металле более трудное за-

нятие. Тип пластика, который использует компания RadioShack,

называется ABS — его форму очень легко менять с помощью ин-

струментов, которые я рекомендовал вам приобрести.

Вы должны определиться с расположением переключателей

и других компонентов, которые надо разместить на передней па-

нели вашего корпуса. Я предпочитаю четко определенную схему

размещения, поэтому я озадачиваю себя изображением этого

расположения с помощью графической компьютерной програм-

мы, но рисунок в реальном масштабе, выполненный вручную

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

188

Глава 3

с помощью обычного карандаша, тоже будет неплохим выбором.

Только надо убедиться, что имеется достаточно места для уста-

новки всех компонентов, и попытаться разместить их аналогич-

но их положению на схеме, чтобы снизить риск неправильного

подключения.

Приклейте лентой ваш эскиз к внутренней стороне передней

рис. 3.86. Распечатанная схема компо-

панели, как это показано на рис. 3.86, а затем острым инстру-

новки переключателей, светодиодов ментом, например шилом, сделайте наколы в нужных местах, где

и других компонентов, приложенная

к обратной стороне передней панели

должен быть центр каждого отверстия. Эти метки помогут вам

корпуса. Следует использовать шило,

центрировать ваше сверло, когда вы будете просверливать от-

чтобы сквозь бумагу наметить центры

верстия. Не забудьте сделать много отверстий для прохода звука

всех отверстий, которые надо будет

просверлить

от динамика, который будет находиться под передней панелью

вашего корпуса. Результат показан на рис. 3.87.

Я разместил все компоненты на передней панели за исклю-

чением входного гнезда для подключения напряжения питания,

которое я разместил на одной из боковых поверхностей корпуса.

Естественно каждое отверстие должно соответствовать размерам

компонента, для которого оно предназначено, и вам для выбора

сверла нужного диаметра следует использовать штангенциркуль,

который очень полезен при выполнении такого рода измерений.

В противном случае используйте сначала сверла меньшего диаме-

тра, чтобы не сделать отверстие слишком большим. Инструмент

для удаления заусениц это идеальное приспособление, которое по-

может вам расширить отверстие таким образом, чтобы компонент

входил в него достаточно плотно. Это может вам потребоваться,

если вы просверлите отверстие сверлом 3/16'' (4,76 мм) для све-

тодиода диаметром 5 мм. Постепенно увеличивайте каждое отвер-

стие, и ваши светодиоды будут входить в отверстие очень плотно.

Если у вас имеется динамик, в котором нет отверстий для

крепления, то вы можете его приклеить к месту установки. Я ис-

пользовал для этого эпоксидный клей с затвердеванием в течение

5 мин. Будьте внимательны, не наносите избыточное количество

клея, если вы не хотите, чтобы какая- та часть клея не попала на

диффузор динамика.

рис. 3.87. Наружная часть передней па-

Просверливание отверстий большого диаметра в тонком

нели после выполнения отверстий. Не-

большая беспроводная дрель идеально

мягком пластике может оказаться трудной операцией. Сверло

справится с этой работой, если аккурат-

стремится сместиться и может повредить корпус. Вы можете ре-

но была сделана разметка отверстий

шить эту проблему одним из трех способов:

1. Используйте сверло для дрели Forstner, если у вас оно есть.

Это сверло делает отверстия очень хорошего качества.

2. Отверстия сверлите, последовательно постепенно увеличи-

вая диаметр.

3. Просверлите отверстие меньшего диаметра, а затем рас-

ширьте его с помощью инструмента для удаления заусениц.

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

189

Вне зависимости от выбранного способа, вам потребуется за-

крепить или зафиксировать переднюю панель корпуса таким об-

разом, чтобы внешняя поверхность была внизу и лежала на куске

дерева. Затем вам надо будет выполнить сверление таким обра-

зом, чтобы сверла проходили через пластик и попадали в дерево.

Наконец, следует установить все компоненты на переднюю

панель, как это показано на рис. 3.88, и обратить ваше внимание

на нижнюю часть корпуса.

Плата будет устанавливаться на дне корпуса и закрепляться

четырьмя крепежными винтами размера М4 с шайбами и нейло-

новыми контршайбами. Вам придется использовать контршайбы,

чтобы снизить риск ослабления шайб и их падения в места уста-

новки компонентов, что может привести к возникновению корот-

кого замыкания.

Вам нужно обрезать перфорированную плату таким образом,

чтобы не повредить какой- либо компонент, установленный на ней.

После разрезания платы следует проверить оборотную сторону пер-

форированной платы на наличие возможных повреждений медных

дорожек. В углах перфорированной платы под крепежные винты

просверлите отверстия, следя за тем, чтобы при этом не повредить

компоненты. Затем нужно наметить отверстия на пластике на дне рис. 3.88. Компоненты были установле-

корпуса и просверлить в нем отверстия. С внешней стороны днища ны на передней панели корпуса (вид с

обратной стороны). Динамик был при-

корпуса надо раззенковать все эти четыре отверстия (т. е. сделайте клеен к данному месту. Оставшийся

конусными края отверстий таким образом, чтобы винт с потайной клей был нанесен на светодиоды, но

только на их корпуса. Однополюсный

головкой устанавливался заподлицо с поверхностью). Затем снизу двухпозиционный переключатель типа

вставьте винты и на них закрепите плату. Будьте очень вниматель-

«Вкл./Выкл.» находится справа вверху,

двухполюсная двухпозиционная кнопка

ны, чтобы не присоединить перфорированную плату к днищу кор-

без фиксации — вверху слева и кон-

пуса со слишком большим усилием. В результате могут возникнуть тактные клеммы, к которым будут под-

изгибающие напряжения, которые могут в свою очередь привести к ключены провода герконовых переклю-

чателей датчиков, установлены внизу

повреждению соединений или медных дорожек на плате.

Для смягчения изгибающих напряжений я предпочитаю под

плату устанавливать кусок мягкого пластика. Поскольку вы исполь-

зуете контршайбы, которые не ослабляются в процессе эксплуата-

ции, вам не надо выполнять затяжку винтов слишком сильно.

После установки платы на место снова проверьте схему.

Припаивание переключателей

На рис. 3.89 (ЦВ- рис. 3.89) показано, каким образом могут

быть подключены переключатель и кнопка. Следует напомнить,

что S1 — это однополюсный тумблерный переключатель, а S2 это

двухполюсная двухпозиционная кнопка без фиксации. Прежде

всего, вам надо решить каким образом это следует выполнить. Для

определения замкнутых выводов, когда кнопка не нажата, а какие

выводы замыкаются при ее нажатии используйте ваш мультиметр.

190

Глава 3

Вы, наверное, захотите, чтобы переключатель был включен, когда

тумблер перемещен вверх? Надо быть особенно внимательным

при выборе ориентации кнопки, поскольку если вы ее переверне-

те, то схема в режиме «Проверка» будет постоянно выдавать зву-

ковой сигнал, что не является тем, что бы нам хотелось иметь.

680 Ом

Нормально замкнутые

контакты кнопки

«Выкл»

К плате

S1

S2

Нормально разомкнутые

«Вкл»

контакты (нажмите,

чтобы проверить)

Зеленый

Красный

светодиод

светодиод

Напряжение

питания на плату

От/к герконовым

переключателям

Подача напряжения

датчиков

12 В постоянного тока

рис. 3.89. Компоненты могут быть соединены вместе таким образом, чтобы повторить схе-

му, показанную на рис. 3.85. В центре показаны красный и зеленый светодиоды, а черными

небольшими кружками обозначены паяные соединения типа «провод— провод»

Следует напомнить, что центральный вывод любого двух-

позиционного переключателя это почти всегда полюс переклю-

чателя, который подключается к выводам, расположенным под

ним и над ним.

Для подключения перфорированной платы к компонентам

на передней панели необходим многожильный провод, посколь-

ку провод такого типа легко сгибается и создает меньше напря-

жений в паяных соединениях. Скрутка между собой каждой пары

проводов помогает минимизировать беспорядок.

Не забудьте, что при подключении светодиодов их короткие вы-

воды (катоды) должны быть соединены между собой и подключе-

ны к резистору с сопротивлением 680 Ом. Такое соединение типа

«провод— провод» будет наиболее прочным. Чтобы минимизиро-

вать риск короткого замыкания при размещении всех деталей в кор-

пус устройства, вы можете защитить некоторые оголенные выводы

и соединения с помощью термоусадочной трубки.

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

191

При подключении проводов или компонентов к выводам

переключателей ваш паяльник- карандаш не сможет обеспечить

достаточный прогрев, чтобы выполнить хорошее соединение.

Поэтому в этом случае вы можете использовать более мощный

паяльник, но при этом должны организовать хороший теплоот-

вод, чтобы защитить светодиоды. Кроме того, когда вы будете

паять, не допускайте перегрева проводов и компонентов более

10 сек. В противном случае это приведет к расплавлению изоля-

ции и даже может повредить внутренние части переключателей.

В более сложных устройствах хорошим тоном является очень

аккуратное присоединение передней панели к плате. Для выпол-

нения этой задачи идеально подходят многоцветные жгуты про-

рис. 3.90. Плата была установлена на

дно корпуса, а гнездо для подачи на-

водов, соединенные с вилками, а ответные гнезда устанавлива-

пряжения питания было ввинчено в

ются на плате. Для этого первого проекта я не считаю нужным нижнюю стенку корпуса. Скрученные

делать такие соединения. Пары проводов хорошо бы скрутить пары проводов были подсоединены

по принципу прямого соединения, без

между собой, как это показано на рис. 3.90.

всяких попыток сделать расположе-

ние проводов более компактным, по-

скольку данный проект относительно

Окончательная проверка

небольшой. В верхнем правом углу на

передней панели показана белая тер-

Когда вы завершили монтаж схемы, проверьте ее! Если у вас моусадочная трубка, которая защищает

оголенные выводы резистора с сопро-

пока нет герконовых переключателей датчиков, то вы можете ис-

тивлением 680 Ом и его соединение с

пользовать обычный кусок провода для соединения двух клемм. проводами. Припаивание проводов к

Следует убедиться, что переключатель S1 находится в положе-

кнопке требует большой осторожности

и точности, поскольку ее выводы рас-

нии «Выкл.», затем надо припаять подходящую вилку к прово-

положены очень близко друг от друга

дам источника питания с напряжением 12 В, а затем вставить эту

вилку в гнездо устройства. Когда вы нажмете кнопку S2, должен

загореться зеленый светодиод D2, показывая, что между двумя

контактными клеммами нет разрыва цепи. Теперь отсоедините

провод между этими клеммами, снова нажмите кнопку и зеле-

ный светодиод при этом должен остаться темным.

Восстановите подключение к соединительным клеммам,

а затем установите переключатель S1 в положение «Вкл.» — дол-

жен загореться красный светодиод. Нажмите кнопку, и вы долж-

ны будете услышать звуковой сигнал устройства охранной сиг-

нализации. Отключите устройство, переведя переключатель S1 в

положение «Выкл.», и затем включите его снова; после чего надо

разъединить провод между соединительными клеммами. Снова

будет слышен сигнал устройства звуковой сигнализации, кото-

рый не прекратится даже, если вы снова соедините провода.

Если все работает именно таким образом, то наступает вре-

мя привинтить переднюю панель корпуса на свое место, уложив

провода внутрь корпуса. Поскольку вы используете корпус боль-

шого размера, то при этом может возникнуть опасность случай-

ного касания оголенных частей проводов, поэтом следует соблю-

дать осторожность.

192

Глава 3

установка охранной сигнализации

Перед тем, как начинать установку датчиков, вы должны

проверить их по одному, перемещая магнитный модуль ближе к

герконовому переключателю, а затем, отводя его, одновременно

используя ваш мультиметр, чтобы проверять наличие сопротив-

ления между двумя его выводами. Выводы герконового пере-

ключателя должны замыкаться, когда он находится недалеко от

магнита, и размыкаться, когда магнит удаляется от него.

Теперь надо нарисовать эскиз, на котором будет изображено,

как вы собираетесь соединять ваши герконовые переключатели

между собой. Главное, что следует помнить, это то, что они соединя-

ются последовательно, а не параллельно! На рис. 3.91 (ЦВ- рис. 3.91)

изображен общий принцип. Два контакта слева это соединительные

клеммы на передней панели пульта управления (выделена зеленым

цветом), а темно- красными прямоугольниками выделены герко-

новые переключатели датчиков, установленных на окнах и дверях.

Поскольку провода этого типа имеют две жилы, вы можете их про-

кладывать так, как я показал, но при этом разрезать и припаивать

к ним ответвления. Паяные соединения на рисунке показаны оран-

жевыми точками. Обратите внимание, каким образом ток от клем-

мы протекает через все переключатели последовательно перед тем,

как вернуться к другой клемме на пульте управления.

Герконовые переключатели

Клеммы

на пульте управления

Пайка

рис. 3.91. Двухжильный провод с изоляцией (показан белым цветом) может быть исполь-

зовать для подключения к клеммам пульта управления системы охранной сигнализации

(корпусу устройства) всех герконовых переключателей датчиков (показаны темно- красными

прямоугольниками). Поскольку датчики должны быть установлены последовательно, провод

разрезается и соединяется в местах, которые выделены небольшими оранжевыми точками

На рис. 3.92 (ЦВ- рис. 3.92) показана та же самая схема соеди-

нения датчиков, которую вы, возможно, установили на практике,

но в ситуации, когда у вас только два окна и одна дверь. Синие

Электроника для начинающих

Обращение к более серьезным вещам

193

прямоугольники (установленные на окнах и двери, показанные

серым цветом) обозначают магнитные модули датчиков, которые

заставляют срабатывать модули герконовых переключателей.

рис. 3.92. Пример установленной системы охранной сигнализации, в которую входит пульт

управления (зеленый параллелепипед), провода, герконовые переключатели (темно- крас-

ные прямоугольники) и магнитные модули датчиков (синие прямоугольники), установлен-

ные на два окна и дверь. Магнитные модули датчиков должны быть расположены парал-

лельно и рядом с герконовыми переключателями

Разумеется, для такого подключения датчиков вам потребу-

ется большое количество провода. Двужильный провод, который

используется для установки дверных звонков или термостатов

печей, отлично подходит для выполнения этой задачи. Обычно

это провод 20 AWG.

После того как вы установили все герконовые переключа-

тели, присоедините измерительные провода вашего мультимет-

ра к проводам, которые должны быть присоединены к корпусу

пульта управления устройства охранной сигнализации. Устано-

вите ваш прибор в режим прозвона (измерения сопротивления)

и откройте по очереди каждое окно или дверь, чтобы проверить

осуществляется ли разрыв цепи. Если все в порядке, то провода

от датчиков можно присоединить к соединительным клеммам на

вашем корпусе пульта управления.

Теперь давайте разберемся с источником питания. Используй-

те ваш сетевой адаптер, установите на нем выходное напряжение

12 В, присоедините к нему вилку типа N или же эту вилку подклю-

чите к батарее для сигнализации с таким же напряжением 12 В.

Если вы используете батарею питания, то будьте особенно

внимательны, поскольку провод, который ведет к центральной

Электроника для начинающих

194

Глава 3

клемме вашей вилки, должен быть положительным! Батарея с

напряжением 12 В может обеспечить достаточный по величине

ток, который в состоянии сжечь ваши компоненты, если вы не-

правильно выполнили подключение. Наверное, вы будете край-

не недовольны, если приведете в негодность ваше устройство

при выполнении самого последнего шага.

Остается только одна последняя задача — выполнить надписи

на пульте управления системы сигнализации рядом с тумблером,

кнопкой, гнездом для подключения напряжения питания и соеди-

нительными клеммами. Вы знаете, что тумблер включает и выклю-

чает напряжение питания, а кнопка выполняет тестирование цепи

и устройства звуковой сигнализации, но больше никто об этом не

знает, а вы можете захотеть, чтобы ваши гости тоже пользовались

сигнализацией, когда вас нет дома. Также следует иметь в виду, что

пройдут месяцы или годы, и вы можете забыть детали. Запомните

ли вы надолго, что в этом устройстве напряжение питания 12 В?

Выполнение обозначающих надписей это отличная идея, но

рис. 3.93. Пульт управления охранной

сигнализации завершен и собран в кор-

как вы можете видеть на рис. 3.93, я не позаботился об этом.

пусе

заключение

Проект создания охранной сигнализации дал вам возмож-

ность освоить основные шаги, которые вы обычно выполняете,

когда начинаете что- то делать. Проект позволил вам:

1. Нарисовать электрическую схему и убедиться, что вы ее по-

нимаете.

2. Модифицировать схему таким образом, чтобы использовать

расположение проводников на макетной плате.

3. Установить компоненты на макетную плату и проверить

основные функции.

4. Изменить или улучшить схему и повторно выполнить тести-

рование.

5. Перенести схему на перфорированную плату, протестиро-

вать, выявить неисправности, если возникла такая необхо-

димость.

6. Добавить переключатели, кнопки, вилку для напряжения

питания и вилки или гнезда для подключения схемы к внеш-

нему миру.

7. Установить все в корпус (и добавить необходимые надписи).

При выполнении этой последовательности, я надеюсь, вы изу-

чили основы электричества вместе с некоторыми основами теории

электричества, а также познакомились с основными электронными

компонентами. Эти знания должны вам дать возможность перей-

ти к гораздо более сложной сфере — интегральным схемам — это

именно то, что я собираюсь изложить в следующей главе 4.

Электроника для начинающих

миКрОсхемы,

Привет! Глава 4

Перед тем как обратиться к такой волнующей теме, как ин-

в этой главе

тегральные схемы (ИС) (IC — integrated circuits), я хочу сделать

признание: некоторые вещи, которые я просил вас сделать в гла-

Список необходимых покупок

ве 3, могли бы быть сделаны гораздо проще. Означает ли это, что

для экспериментов с 16 по 24

вы потратили свое время зря? Нет, я твердо уверен, что изготов-

Эксперимент 1 6.

ление схем с использованием давно известных компонентов —

Генерирование импульсов

конденсаторов, резисторов и транзисторов — предоставляет

Эксперимент 17.

наилучшую возможность для понимания принципов электро-

Установить тоновый сигнал

ники. Кроме того, из этой главы вы узнаете, что интегральные

Эксперимент 1 8.

схемы (ИС) — это микросхемы, или иначе чипы, содержащие де-

Таймер для измерения

сятки, сотни и даже тысячи транзисторов, и которые в состоянии

реакции человека

решать поставленные задачи с наименьшими затратами времени

Эксперимент 1 9.

и сил.

Изучение логики

Эксперимент 2 0.

Кодовый замок

сПисОК неОбхОдимых ПОКуПОК

Эксперимент 2 1.

для эКсПериментОв с 16 ПО 24

Игра с равными шансами

на победу

Приборы и инструменты

Эксперимент 2 2.

Переключение и дребезг

Единственный прибор, который я рекомендую использовать

при работе с микросхемами, это логический пробник. Он предо-

Эксперимент 2 3.

Игра в кости

ставляет возможность на конкретном выводе микросхемы опре-

делить уровень напряжения, т. е. высокий или низкий уровень,

Эксперимент 2 4.

Завершенная о хранная

что может быть очень полезно при выяснении того, что в данный

сигнализация

момент делает ИС. Пробник имеет функцию памяти, поэтому на

нем будет загораться и продолжать гореть светодиод в ответ на

импульс, который может оказаться слишком коротким для того,

чтобы его можно было разглядеть глазом.

Поищите в Интернете и купите самый дешевый логический

пробник, который сможете найти. У меня нет каких- либо специ-

альных рекомендаций по какой- либо торговой марке. Тот, что,

который показан на рис. 4.1, достаточно хорош с практической

точки зрения.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

196

Глава 4

расходуемые материалы

Интегральные микросхемы

Если вы купите все, что приведено в этом списке необходи-

мых покупок, а также у вас остались все резисторы и конденса-

торы, которые надо было приобрести для предыдущих экспе-

риментов, то у вас должно быть все, что нужно для выполнения

устройств в данной главе.

Все микросхемы достаточно дешевы (в настоящее время по-

рядка 50 центов (около 15 руб) за штуку), я полагаю, что вы ку-

пите их с запасом. Даже если вы какую- нибудь из них выведете

из строя, то у вас всегда что- то еще останется. Вы также создади-

те запасы для будущих устройств.

Пожалуйста, прочитайте следующий разд. «Фундаменталь-

рис. 4.1. Логический пробник позволя-

ные сведения — Выбор микросхем» до начала их приобретения.

ет определить уровень напряжения на

Микросхемы имеются в продаже во всех больших розничных

каждом выводе микросхемы, а также по-

казывает наличие импульсов, которые

магазинах электроники, а также предлагаются на интернет- аук-

могут быть слишком короткими, чтобы

ционе eBay. Посмотрите приложение, где приведен полный спи-

их можно было заметить невооружен-

ным глазом

сок сайтов в Интернете.

Фундаментальные сведения

выбор микросхем

На рис. 4.2 показано то, что часто называют интегральной

схемой (ИС) или иначе микросхемой . Микросхема на самом деле

представляет собой полученную методом травления тонкую

пластинку или чип (кристалл) кремния, установленный в пласт-

массовый корпус, который так и называется корпус (в англий-

ском языке package — упаковка, корпус). Тонкие проводники

внутри корпуса соединяют кристалл микросхемы с двумя ря-

дами штырьковых выводов с каждой стороны. Везде в данной

книге я буду использовать слово «микросхема» для обозначе-

ния этого объекта целиком (кристалл в корпусе), включая выво-

ды, поскольку оно используется наиболее часто.

Выводы располагаются с шагом 0,1'' (2,54 мм) в два ряда,

которые находятся друг от друга на расстоянии 0,3'' (7,6 мм).

Данная форма известна, как пластмассовый корпус с двойным

линейным расположением выводов (Plastic Dual- Inline Package

сокращенно PDIP или более часто используется просто DIP ). Ми-

кросхема на данной фотографии имеет по 4 вывода с каждой

рис. 4.2. Интегральная микросхема в

стороны; другие микросхемы могут иметь и большее количе-

пластиковом корпусе с двумя рядами вы-

водов, сокращенно называемом DIP- кор-

ство выводов. Первое что вам надо знать при приобретении ми-

пусом (в английском языке полное назва-

кросхем, это то, что вы будете использовать микросхемы толь-

ние Plastic Dual- Inline Pin — PDIP, а более

ко в DIP- корпусах. В данной книге мы не будем использовать

распространенное сокращенное DIP)

Электроника для начинающих

Микросхемы, привет!

197

микросхемы в более современных корпусах, которые предна-

значены для поверхностного монтажа, поскольку они гораздо

меньше по размеру, с ними значительно труднее обращаться

и они требуют использования специального инструмента, кото-

рый довольно дорогой. На рис. 4.3 для сравнения показаны две

микросхемы с 14 выводами одна в DIP- корпусе (сверху), а дру-

гая для поверхностного монтажа (снизу). Следует заметить, что

множество микросхем для поверхностного монтажа существен-

но меньше той, которая показана на рисунке.

рис. 4.3. Микросхема в DIP- корпусе на заднем плане имеет в корпусе выводы, ко-

торые находятся на расстоянии 0,1'' (2,54 мм) друг от друга, что соответствует рас-

положению контактов на макетной или перфорированной плате. Ее можно припа-

ять без использования специальных средств. Интегральная микросхема в корпусе

типа SO (SOIC — Mall- Outline (package) Integrated Circuit) — микросхема для поверх-

ностного монтажа (на переднем плане) имеет выводы для припаивания, располо-

женные на расстоянии 1/20'' (1,27 мм). Некоторые ИС для поверхностного монтажа

имеют расстояние между выводами 1/40'' (0,64 мм) или даже меньше. Микросхемы

для поверхностного монтажа спроектированы изначально для автоматизирован-

ной сборки, поэтому с ними довольно сложно работать вручную. На данном фото

желтые линии расположены друг от друга на расстоянии 1'' (25,4 мм), чтобы вы мог-

ли представить масштаб деталей

Практически на корпусе каждой микросхемы имеется но-

мер детали, или иначе маркировка, который(ая) ее обозначает.

На рис. 4.2 микросхема имеет следующую маркировку — KA555.

На рис. 4.3 показана микросхема в DIP- корпусе с маркиров-

кой — M74HC00B1 и микросхема для поверхностного монтажа

с маркировкой — 74LVC07AD. Вы можете игнорировать вторую

строку чисел и/или букв на любом корпусе ИС, поскольку они

не являются частью ее маркировки.

Следует заметить, что на рис. 4.3, несмотря на то, что по внеш-

нему виду микросхемы очень сильно отличаются друг от друга,

в маркировке они имеют один и тот же номер «74». Это связано

с тем, что они обе принадлежат к одному и тому же семейству

«7400» логических микросхем, которое изначально имело но-

мера от 7400 и больше (7400, 7401, 7402, 7403 и т. д.).

Электроника для начинающих

198

Глава 4

Очень часто их обозначают как ИС семейства «74xx», где под

«xx» подразумеваются все члены данного семейства. Я предпо-

лагаю многократно использовать представителей данного се-

мейства, поэтому вам нужно узнать, как их покупать. Я дам вам

некоторый совет по этому делу, не вдаваясь в детали, поскольку

вы пока еще не представляете, что микросхемы на самом деле

делают.

Посмотрите на рис. 4.4, на котором видно, каким образом

можно интерпретировать стандартную маркировку микросхе-

мы, принадлежащей семейству 74xx. Начальные буквы предна-

значены для идентификации производителя (их вы тоже можете

игнорировать, поскольку они не оказывают никакого влияния

на обозначение).

рис. 4.4. Посмотрите на микросхему семейства (74xx, в данном случае) нужного поколения

(в данном случае HC — высокоскоростной КМОП-(CMOS-)микросхемы) в маркировке. Убе-

дитесь, что вы приобретаете микросхему именно в DIP- корпусе, а не в корпусе для поверх-

ностного монтажа. Производитель не имеет значения

Пропускайте эти буквы, пока не доберетесь до цифр «74». По-

сле этого вы обнаружите еще две буквы, которые имеют важное

значение. Семейство 74xx прошло эволюцию многих поколений

и буквы, которые следуют после «74», указывают на то, с каким

поколением вы имеете дело. Приведу пример обозначений для

некоторых поколений этого семейства микросхем.

• 74L

• 74LS

• 74C

• 74HC

• 74AHC

Вообще говоря, каждое следующее поколение становит-

ся более быстрым или более универсальным по сравнению с

предыдущим. В данной книге по причинам, которые я объясню

позже, мы в основном будем использовать поколение HC (по-

коление высокоскоростных КМОП-(CMOS-)микросхем).

Микросхемы, привет!

199

После буквенной идентификации поколения микросхемы вы

можете обнаружить две цифры (иногда и больше). Они обозна-

чают специальное назначение ИС. Оставшиеся буквы и цифры

вы можете проигнорировать. Возвращаясь обратно к рис. 4.3,

на котором маркировка M74HC00B1 микросхемы в DIP- корпусе

показывает нам, что это интегральная микросхема семейства

74xx, поколения HC (High Speed CMOS — высокоскоростных

КМОП-(CMOS-)микросхем), и функциональным назначением,

закодированным цифрами 00. Микросхема для поверхностного

монтажа, 74LVC07AD, говорит нам, что это ИС семейства 74xx,

поколения LVC, с назначением, которое закодировано цифрами

07. Для удобства мы будем обозначать первую микросхему как

«74HC00», а вторую как «74HC07», поскольку вне зависимости

от различных производителей и размеров корпусов фундамен-

тальные принципы функционирования микросхемы внутри

корпуса остаются одинаковыми.

Цель данного длинного объяснения состоит в том, чтобы

дать вам возможность правильно интерпретировать списки в

каталоге электронных компонентов, когда вы пойдете покупать

интегральные микросхемы. Вы можете искать «74HC00», а про-

давцы в Интернете достаточно компетентны, чтобы предоста-

вить вам соответствующие ИС от большого числа производите-

лей, несмотря на то, что они обозначаются другими буквами в

начале маркировки микросхемы, а также после того обозначе-

ния, которое совпадает с тем, что вам необходимо.

Предположим, что вам нужна микросхема, которая пред-

ставлена, как 74HC04. Если на веб- сайте поставщика деталей вы

ищете «74HC04», то можете найти такие варианты микросхем,

как CD74HC04M96 производства компании Texas Instruments,

74HC04N от компании NXP Semiconductors или MM74HC04N

от компании Fairchild Semiconductor. Поскольку все они имеют

обозначение «74HC04» в центре, они все будут функциониро-

вать так, как нам необходимо.

Только будьте особенно внимательны, поскольку вам нужно

купить микросхемы в относительно большом DIP- корпусе, а не

в корпусе для поверхностного монтажа. Если в конце маркиров-

ки микросхемы присутствует буква «N», то вы можете быть уве-

рены, что это именно DIP- корпус. Если же в конце обозначения

нет буквы «N», то это может быть, а может и не быть DIP- кор-

пус, и вам дополнительно потребуется проверить изображение

микросхемы или же прочитать подробное описание на ИС. Если

маркировка микросхемы начинается с букв SS, SO или TSS, то

абсолютно точно это корпус для поверхностного монтажа и вам

ее приобретать не следует. Во многих каталогах имеются фото-

графии интегральных микросхем, что может помочь вам в пра-

вильном выборе типа корпуса.

200

Глава 4

Далее приведен список необходимых вам микросхем.

• Таймер 555. Микросхемы STMicroelectronics SA555N, Fair-

child NE555D, RadioShack TLC555 или аналогичные им. Не

следует приобретать ИС КМОП- версии или любые другие

экзотические версии, например те, которые имеют повышен-

ную точность. Покупайте самые дешевые, которые найдете.

Количество — 10 шт. Микросхема таймера 555 показана на

рис. 4.2.

• Логические микросхемы типа 74HC00, 74HC02, 74HC04,

74HC08, 74HC32 и 74HC86. Реальная маркировка микросхем

может быть M74HC00B1, M74HC02B1, M74HC04B1 и т. д.

Производства компании STMicroelectronics, или SN74HC00N,

SN74HC02N, SN74HC04N и т. д. от компании Texas Instru-

ments. Приемлемы и любые другие производители.

Следует помнить, что каждая логическая микросхема в сере-

дине маркировки должна иметь сокращение «HC», а также

то, что вам нужен именно DIP- корпус (DIP или PDIP), а не

корпус для поверхностного монтажа. Количество каждого

типа микросхем — по меньшей мере 4 шт.

• Четырехразрядный десятичный счетчик 4026 с дешифра-

тором для семисегментного индикатора. Микросхема CD-

4026BE производства компании Texas Instruments или ее

аналог. Количество — 4 шт. (вам понадобится 3, но посколь-

ку микросхемы КМОП чувствительны к статическому элек-

тричеству, то надо иметь по меньшей мере одну в запасе).

Вам может подойти любая микросхема с цифрами «4026» в

ее маркировке.

• Счетчик 74LS92, микросхема 74LS06 (инвертер с открытым

коллектором) и микросхема 74LS27 (трехвходовой логи-

ческий элемент ИЛИ- НЕ). Количество — по 2 шт. Помни-

те о сокращении «LS» (сокращение от англ. Low(-power)

Schottky — маломощные транзисторно- транзисторные ло-

гические схемы с диодами Шотки ( ТТЛШ)) в каждой марки-

ровке микросхемы! У нас будет один эксперимент, в котором

я хочу использовать LS- поколение микросхем вместо поко-

ления HC.

Панельки для установки микросхем

Я советую вам исключить припаивание микросхем напря-

мую к перфорированной плате. Если вы при этом повредите

микросхемы, то отпаять их будет довольно затруднительно. Ку-

пите несколько панелек для установки микросхем в DIP- кор-

пусах (рис. 4.5), припаяйте их к плате и затем вставляйте в них

микросхемы. Для наших экспериментов вы можете использовать

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Микросхемы, привет!

201

самые дешевые панельки, которые можно найти (вам наверня-

ка не нужны будут панельки с позолоченными контактами). Вам

необходимы панельки для микросхем с количеством выводов 8,

14 и 16, например, такие, как позиции 276–1995, 276–1999 и 276–

1998 в перечне компонентов компании RadioShack. Количество

каждой позиции панелек — минимум 5 шт.

Маломощные светодиоды

Логические микросхемы, которые вы будете использовать, рис. 4.5. Когда вы припаиваете панель-

не предназначены для управления элементами большой мощ-

ку для микросхем к перфорированной

ности. Для увеличения мощности выходного сигнала, если вы плате, то этим вы устраняете возмож-

ный перегрев микросхем при их не-

хотите получить яркое свечение светодиода или срабатывание посредственном припаивании к плате, реле, вам потребуется добавление транзисторов. Поскольку та-

уменьшаете риск выхода их из строя за

кое решение проблемы создаст некоторые трудности, я пред-

счет воздействия на них статического

электричества, а также упрощаете при

лагаю в качестве альтернативы специальные маломощные све-

необходимости замену ИС

тодиоды, которые потребляют всего лишь 1 мА, как например,

красный светодиод HLMPK150 с малым прямым током произ-

водства компании Everlight. Для сравнения на рис. 4.6 показан

этот светодиод вместе со стандартным светодиодом диаметром

5 мм. Количество — минимум 10 шт.

Светодиодные цифровые индикаторы

По меньшей мере в одном из наших устройств вам понадо-

бится отображать цифры с помощью 7-сегментных светодиод-

ных цифровых индикаторов (рис. 4.7). Вам понадобится либо три

отдельных индикатора, либо один блок, который содержит три

рис. 4.6. Логическая микросхема поколения HC спроек-

рис. 4.7. 7-сегментные индикаторы это

тирована так, что каждый ее вывод может выдать всего

простейший способ для отображения

лишь 4 мА. Этого недостаточно для того, чтобы загорелся

выходной цифровой информации. Таки-

стандартный светодиод диаметром 5 мм (справа), который

ми индикаторами можно управлять, ис-

потребляет ток 20 мА. Миниатюрные светодиоды с низким

пользуя некоторые микросхемы КМОП

потреблением тока (слева) требуют всего лишь 1 мА с по-

(CMOS). Для завершенных устройств

следовательно подключенным резистором, что является

они обычно устанавливаются позади

идеальным для схем, в которых вы хотите иметь выход с

акриловых пластиковых панелей, про-

минимальным количеством проблем

зрачных для красного цвета

Электроника для начинающих

202

Глава 4

цифры, как например, высокоэффективный светодиодный ин-

дикатор с рассеянным излучением красного цвета BC56–11EWA

от компании Kingbright, который будет иметь специальное обо-

значение в схемах данной книги. Если вы покупаете различные

7-сегментные индикаторы, то они должны быть индикаторами с

«общим катодом». (Не следует покупать жидкокристаллические

индикаторы; они требуют совершенно другой электронной схе-

мы для управления ими.) Если у вас есть выбор по энергопотре-

блению, то выбирайте компоненты, потребляющие минималь-

ный ток.

Реле с фиксацией

Вам может понадобиться реле на рабочее напряжение 5 В без

самовозврата в первоначальное состояние (с фиксацией) после

срабатывания, которое имеет две катушки вместо одной. Пер-

вая обмотка заставляет срабатывать реле; а вторая возвращает

его в исходное состояние. Реле не потребляет дополнительной

мощности, оставаясь пассивным в каждом состоянии. Я предла-

гаю использовать реле DS2E- SL2-DC5V производства компании

Panasonic. Если вы покупаете другое реле, то оно должно быть с

фиксацией и с двумя обмотками, на рабочее напряжение 5 В по-

стоянного тока, с возможностью коммутации тока величиной до

1 А, двухполюсное двухпозиционное.

Потенциометры

Вам понадобятся потенциометры с линейной характери-

стикой с сопротивлением 5, 10 и 100 кОм (по одному каждого

номинала). Кроме того, понадобится подстроечный резистор на

10 кОм (который в английском языке часто называют «trimmer»).

Производитель значения не имеет.

Стабилизатор напряжения

Поскольку многие логические ИС требуют точного значения

напряжения питания, равного 5 В постоянного тока, то вам потре-

рис. 4.8. Многим микросхемам тре-

буется стабилизатор напряжения, который в состоянии это обе-

буется стабилизированный источник спечить. С этой задачей может справиться стабилизатор LM7805.

на напряжение 5 В, которые он может

обеспечить, используя на входе напря-

В данном случае номер микросхемы будет предшествовать или

жение от 7,5 до 9 В. Вывод слева пред-

следовать за аббревиатурой, которая указывает производителя

назначен для входа положительного и тип корпуса, например, стабилизатор LM7805CT от компании

напряжения, центральный вывод это

общий, а правый вывод это выход ста-

Fairchild. Для экспериментов в данной главе подойдет стабили-

билизированного напряжения 5 В. Для

затор от любого производителя, но его корпус должен выглядеть

токов, превышающих 250 мА, вы долж-

ны закрепить стабилизатор винтами на

точно так же, как тот, который представлен на рис. 4.8, и если у

металлическом радиаторе, используя вас есть выбор, то следует покупать стабилизатор, который в со-

отверстие в верхней части корпуса ста-

билизатора

стоянии обеспечить ток до 1 А.

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Электроника для начинающих

Микросхемы, привет!

203

Кнопочные переключатели

Это однополюсные однопозиционные кнопки (переключате-

ли без фиксации положения), обычно имеют 4 вывода (рис. 4.9).

Обратите внимание на кнопки SKHHAKA010 от компании ALPS

или любой их аналог, который имеет расположение выводов, по-

зволяющее вставить их в макетную или перфорированную плату.

Цифровая 12-кнопочная клавиатура

«12-кнопочная клавиатура с общим выходом» от компании

Velleman (не имеет номера детали, но ее можно найти в каталоге рис. 4.9. Кнопочный переключатель, ко-

All Electronics под кодовым номером KP-12). Количество — 1 шт.

торый реагирует на нажатие кончиком

Этот тип клавиатуры имеет то же самое расположение кно-

вашего пальца на кнопку. Это почти все-

гда однополюсные однопозиционные

пок, что и старомодный кнопочный телефон. Он должен иметь, по кнопки типа SPST, сконструированные

меньшей мере, 13 выводов или контактов (рис. 4.10), 12 из которых для установки в платах со стандартным

расположением отверстий — с шагом

подключаются к отдельным кнопкам, а тринадцатый подключает-

0,1'' (2,54 мм)

ся к другому выводу всех остальных кнопок. Другими словами по-

следний вывод является «общим» для всех, а такой тип клавиатуры

часто называют клавиатурой с «общим выходом». Обратите внима-

ние, что клавиатура с «матричным кодированием» (рис. 4.11) вам

точно не потребуется, поскольку, несмотря на то, что она и имеет

меньшее количество выводов, для ее подключения все же требуется

дополнительная внешняя схема. Если вы не можете найти клавиату-

ру компании Velleman, которую я предлагаю, то вам надо тщательно

изучить описание клавиатуры и ее изображение, чтобы быть абсо-

лютно уверенным, что вы покупаете именно клавиатуру с общей

клеммой (катодом), а не клавиатуру с матричным кодированием.

В качестве альтернативы вы можете использовать 12 отдель-

ных однополюсных однопозиционных дешевых кнопок без фик-

рис. 4.11. Эта клавиатура хотя и имеет

сации типа SPST, которые надо установить в небольшой корпус.

малое количество выводов, но в данной

книге использоваться не будет

базОвые сведения

Как вообще появились микросхемы

Концепция интегральных твердотельных компонентов

в одном небольшом корпусе родилась в голове британско-

го специалиста по радарам Джеффри В. А. Даммер (Geoff rey

W. A. Dummer), который говорил о ней многие годы прежде,

чем попытался ее безуспешно изготовить в 1956. Первая по-

настоящему интегральная микросхема была изготовлена в

рис. 4.10. При покупке цифровой кла-

виатуры нужно выбирать клавиатуру с

1956 году Джеком Килби (Jack Kilby), работавшим в компании

12 кнопками с компоновкой «кнопоч-

Texas Instruments. В варианте Килби использовался германий,

ного телефона», которая должна иметь

поскольку этот элемент уже применялся для изготовления по-

по меньшей мере 13 контактов. Контак-

ты здесь можно заметить на переднем

лупроводниковых приборов. (Вы познакомитесь с германиевым

крае печатной платы клавиатуры

Электроника для начинающих

204

Глава 4

диодом, когда я перейду к обсуждению детекторного радио-

приемника в следующей главе данной книги.) Но у Роберта Ной-

са (Robert Noyce), портрет которого показан на рис. 4.12, была

более интересная идея.

Он родился в Айове в 1927 году, а в 1950-х годах переехал в

Калифорнию, где нашел себе работу у Уильяма Шокли (William

Shockley). Это было сразу после того, как Шокли организовал

свой бизнес по производству транзисторов, изобретенных им

совместно с другими авторами в компании Bell Labs.

Роберт Нойс был одним из восьми сотрудников, которые

были обижены менеджментом компании Шокли и покинули

ее, образовав собственную компанию Fairchild Semiconductor.

Когда Нойс был генеральным менеджером компании Fairchild,

он изобрел кремниевую интегральную микросхему, у которой

не было проблем при изготовлении, присущим микросхемам

на базе германия. Роберт Нойс официально объявлен челове-

ком, который сделал возможным использование интегральных

микросхем.

рис. 4.12. Это портрет Роберта Нойса

Ранние разработки применялись в военной промышленно-

(Robert Noyce) в конце его карьеры, из

интернет- ресурса Wikimedia Commons

сти, поскольку в ракетах Минитмен требовались небольшие,

легкие компоненты в системах управления. В этих системах ис-

пользовались почти все микросхемы, произведенные с 1960 до

1963 года. В течение этого периода времени стоимость отдель-

ного компонента упала от примерно $1000 до $25.

В 1960-х годах каждая ИС среднего уровня уже содержала

сотни транзисторов. Интегральные схемы большой степени

интеграции к середине 1970-х уже содержали до десятка тысяч

транзисторов на одну микросхему, а современные ИС могут со-

стоять из нескольких миллионов транзисторов.

В итоге Роберт Нойс (Robert Noyce) совместно с Гордоном

Муром (Gordon Moore) организовал компанию Intel, но неожи-

данно умер от инфаркта в 1990 году. Более подробно об увле-

кательной истории возникновения, проектирования и изго-

товления микросхем вы можете узнать на сайте: http://www.

siliconvalleyhistorical.org.

Эксперимент 16

ГенерирОвание имПульсОв

Я собираюсь представить вам наиболее удачную среди всех

выпускаемых микросхем — это таймер 555. Поскольку в Интер-

нете вы можете найти большое количество руководств, в кото-

рых рассматривается это устройство, и, следовательно, можете

спросить, зачем же нам нужно здесь его обсуждать, то у меня для

этого есть, по меньшей мере, три причины:

Микросхемы, привет!

205

1. Этого нельзя избежать. Вы просто должны знать эту микро-

схему. По оценке некоторых источников ежегодное произ-

водство этих микросхем составляет более 1 миллиона штук

ежегодно. Микросхема таймера 555 будет использоваться

тем или иным способом в большинстве схем, которые оста-

лось рассмотреть в этой книге.

2. Микросхема таймера 555 представляет собой отличное вве-

дение в интегральные микросхемы, поскольку она является

надежными, универсальным устройством и демонстрирует

сразу две функции, с которыми мы познакомимся позднее:

функцией компаратора и триггера (flip- flop).

3. После чтения всех руководств по ИС 555, которые я смог

найти, начиная с исходного текста оригинального техниче-

ского описания от компании Fairchild Semiconductor и завер-

шая различными описаниями, посвященными электронике в

качестве хобби, я пришел к заключению, что его внутреннее

функционирование редко объясняется достаточно понятно.

Я хочу предоставить вам графическое изображение того, что

происходит внутри, поскольку, если вы не будете иметь его,

то не получите возможность творческого использования

данной микросхемы.

Вам понадобятся:

1. Источник питания с напряжением 9 В.

2. Макетная плата, провода для перемычек и мультиметр.

3. Потенциометр с линейной характеристикой и сопротивле-

нием 5 кОм. Количество — 1 шт.

4. Микросхема таймера 555. Количество — 1 шт.

5. Набор резисторов и конденсаторов.

6. Однополюсные однопозиционные кнопки без фиксации. Ко-

личество — 2 шт.

7. Светодиод (любого типа). Количество — 1 шт.

Порядок действий

Микросхема таймера 555 очень надежный электронный ком-

понент, но все же, теоретически, разрядом статического электри-

чества вы можете вывести ее из строя. Поэтому, чтобы это исклю-

чить, перед тем, как начинать работу с микросхемой, вам надо

будет заземлиться. Эта процедура подробно описана далее в разд.

«Эксперимент 18. Таймер измерения реакции человека» в примеча-

нии «Заземление себя». Хотя это примечание прежде всего относит-

ся к такому типу микросхем, которые называются CMOS (от англ.

Complementary Metal- Oxide Semiconductor — комплементарный

206

Глава 4

металлооксидный полупроводник — КМОП) и которые особенно

уязвимы, заземление это именно та предосторожность, которой

не следует пренебрегать в любом случае.

Посмотрите на маленький идентификационный элемент

в форме круглого точечного углубления, на корпусе микросхемы

и поверните корпус таким образом, чтобы эта метка (или иначе

ключ) находилась в левом верхнем углу при направленных от вас

выводах микросхемы. Если же на вашей микросхеме идентифи-

кационный элемент (ключ) выглядит как полукруглая выемка на

середине одного из торцов корпуса, то надо повернуть микросхе-

му таким образом, чтобы эта выемка находилась вверху.

При таком расположении микросхемы ее выводы нумеру-

ются против часовой стрелки, начиная с левого верхнего вывода

(находящегося рядом с ключом). Обратите внимание на рис. 4.13,

на котором, кроме того, приведены наименования выводов ми-

кросхемы таймера 555, хотя вам пока нет необходимости знать

о них что- то больше.

Полукруглая выемка

Точечное круглое углубление

Отрицательный вывод

Положительный вывод

источника (земля)

1

8

источника (питание)

Запуск

2

7

Разряд

Таймер

555

Выход

3

6

Порог

Сброс

4

5

Управляющее напряжение

Выводы

рис. 4.13. Обозначение выводов микросхемы таймера 555. Выводы всех подобных микро-

схем нумеруются против часовой стрелки, начиная с левого верхнего угла. При этом метка

(ключ) на корпусе должна находиться в верхней части корпуса

Вставьте микросхему в вашу макетную плату таким образом,

чтобы его выводы попали в отверстия посередине платы. Теперь

можно легко подать напряжение питания на одни выводы и по-

лучить сигналы с других выводов. Для более точного определе-

ния положения микросхемы в первом устройстве посмотрите на

рис. 4.14. Таймер на нем обозначен, как «IC1», поскольку «IC» яв-

ляется общепринятым сокращением словосочетания «Integrated

Circuit» (интегральная схема — ИС).

Микросхемы, привет!

207

Напряжение 9 В

C3

постоянного тока

S1

R5

R8

R4

IC1

C4

D1

C5

R6

Вольты

R7

S2

рис. 4.14. Эта схема дает возможность исследовать поведение микросхемы таймера 555.

Используйте ваш мультиметр, чтобы осуществлять контроль напряжения на выводе 2, как

это показано на рисунке. Обращаю ваше внимание на то, что на схеме нет резисторов с обо-

значениями R1, R2 или R3 и нет конденсаторов C1 или C2, поскольку они будут добавлены в

схему позднее. В схеме используются следующие элементы: R4 — резистор с сопротивле-

нием 100 кОм; R5 — резистор с сопротивлением 2,2 кОм; R6 — резистор с сопротивлением

10 кОм; R7 — резистор с сопротивлением 1 кОм; R8 — потенциометр с линейный характери-

стикой и сопротивлением 5 кОм; C3 — конденсатор электролитический емкостью 100 мкФ;

C4 — конденсатор электролитический емкостью 47 мкФ; C5 — конденсатор керамический

0,1 мкФ; IC1 — микросхема таймера 555; S1, S2 — кнопочные однополюсные однопозици-

онные переключатели без фиксации; D1 — светодиод общего назначения. Резистор R5 под-

держивает положительный потенциал на выводе 2 (Запуск) до тех пор, пока не будет нажата

кнопка S1, которая понижает напряжение в этой точке до значения, задаваемого положени-

ем оси потенциометра R8. Когда напряжение на входе «Запуск» падает ниже 1/3 напряжения

питания, выход микросхемы (вывод 3) переходит в состояние высокого уровня в течение

периода времени, которое определяется номиналами R4 и C4. Кнопочный переключатель

S2 осуществляет сброс таймера путем уменьшения напряжения на выводе 4 (Сброс). Кон-

денсатор C3 сглаживает пульсации напряжения питания, а конденсатор С5 изолирует вы-

вод 5 (Управляющее напряжение), чтобы он не смог оказать влияние на функционирование

этой схемы. (Мы будем использовать вывод 5 в следующем эксперименте.)

Для всех интегральных схем необходим источник питания.

На микросхему таймера 555 напряжение питания должно быть

подано следующим образом — отрицательное напряжение на

вывод 1, а положительное на вывод 8. Если вы случайно перепу-

таете полярность, то это может привести к выходу ИС из строя,

поэтому будьте очень внимательны при подключении ваших пе-

ремычек для подачи питания.

Установите на вашем сетевом адаптере выходное напряжение

равным 9 В. Это вполне подходящее значение напряжения для вы-

полнения эксперимента, если вы присоедините плюс питания к

правой стороне макетной платы, а минус к левой стороне, как это

208

Глава 4

показано на рис. 4.14. C3 — это электролитический конденсатор

большой емкости, по меньшей мере 100 мкФ, который подключен

параллельно источнику напряжения для сглаживания его пульса-

ций и для обеспечения накопления определенного заряда при пода-

че напряжения питания на микросхему, которая осуществляет пе-

реключения. Кроме этого, он также ограничивает другие быстрые

перепады напряжения. Хотя микросхема таймера 555 не является

устройством, которое было специально спроектировано для очень

быстрого переключения. Однако существуют и другие микросхемы,

являющиеся таковыми, и поэтому вы должны взять за правило при-

менять такого рода средства защиты от быстрых переключений.

Сначала повернем ось потенциометра против часовой стрел-

ки до конца для того, чтобы максимально увеличить сопротивле-

ние между точками, к которым он подключен. После этого, когда

вы приложите измерительный провод вашего тестера к выводу 2,

то вы должны получить напряжение 6 В после нажатия кнопки S1.

Теперь поверните потенциометр по часовой стрелке и снова

нажмите кнопку S1. Если светодиод D1 не загорится, то продол-

жайте вращать потенциометр и нажимать и отпускать эту кнопку.

Когда вы повернете ось потенциометра примерно на две трети ее

полного хода, то вы должны увидеть, что светодиод после каж-

дого нажатия кнопки S1 будет загораться и светиться примерно

5 сек. Далее приведены некоторые факты, в справедливости ко-

торых вам следует убедиться самостоятельно.

• Светодиод продолжает гореть после того, как вы отпускаете

кнопку S1.

• Вы можете удерживать нажатой кнопку S1 достаточно долго

(но меньше продолжительности цикла таймера) и светодиод

всегда будет выдавать световой импульс одной и той же дли-

тельности.

• Таймер срабатывает после снижения напряжения на выво-

де 2. Вы можете проверить это своим мультиметром.

• Светодиод D1 будет либо полностью включен, либо полно-

стью выключен. Вы не сможете увидеть слегка мерцающий

светодиод, когда он находится в выключенном состоянии,

а переход из положения «выключено» и «включено» проис-

ходит очень быстро и четко.

Посмотрите на соответствующую электрическую схему

устройства (рис. 4.15) и на расположение всех компонентов на

вашей макетной плате (рис. 4.16). Согласно справочной информа-

ции, представленной в листах технических данных таймера 555,

в схему нужно будет добавить некоторые компоненты, которые мы

обозначим как R1, R2, C1 и C2. Поэтому в этой исходной схеме ре-

зисторы обозначены, начиная с R4, а конденсаторы, начиная с C3.

Электроника для начинающих

Микросхемы, привет!

209

Напряжение 9 В

постоянного тока

C3

R8

R5

R4

1

8

2 IC1 7

S1

3

6

4

5

D1

C4

C5

R7

R6

S2

рис. 4.15. Графическое представление электрической схемы устройства, монтажная схема

рис. 4.16. Здесь показано, как выгля-

которого показана на рис. 4.14. В этой главе схематические схемы выполнены таким обра-

дят компоненты схемы после их уста-

зом, что они максимально похожи на расположение компонентов на макетной плате. Это не

новки на макетную плату. Зажимы типа

всегда самое оптимальное изображение компоновки, но пользуясь этим изображением про-

«крокодил» присоединены к проводу,

ще всего выполнять монтаж. Номиналы всех компонентов схемы представлены на рис. 4.14

который соединяет электролитический

конденсатор C3 емкостью 100 мкФ с по-

тенциометром R8. Напряжение питания

Когда кнопка S1 не нажата, на вывод 2 таймера 555 через на плату не подано

резистор R5, который имеет сопротивление 2,2 кОм, поступает

положительное напряжение. Поскольку внутреннее входное со-

противление таймера на выводе 2 имеет очень высокое значение,

то напряжение на нем будет почти равно напряжению источника

питания, т. е. 9 В.

Если же нажать на кнопку S1, то помимо этого к выводу 2 че-

рез резистор R8 (потенциометр с сопротивлением 5 кОм) будет

подключен еще и минусовой вывод источника питания. Таким

образом, для вывода 2 резисторы R8 и R5 образуют делитель на-

пряжения. Вы, наверное, можете вспомнить аналогичное реше-

ние, когда вы выполняли тестирование транзисторов. Напряже-

ние между этими резисторами будет меняться в зависимости от

значений их сопротивлений.

Если ось потенциометра R8 повернуть примерно наполо-

вину, то сопротивление потенциометра будет примерно равно

сопротивлению резистора R5, т. е. в средней точке делителя,

подключенной к выводу 2, напряжение будет равно примерно

половине напряжения источника питания. Но когда вы будете

210

Глава 4

поворачивать ось потенциометра таким образом, чтобы его со-

противление уменьшалось, напряжение на выводе 2 микросхе-

мы начнет постепенно уменьшаться.

Если у вас есть зажимы на измерительных проводах ваше-

го мультиметра, то вы можете закрепить их на соответствующих

выводах элементов, а затем следить за тестером при повороте по-

тенциометра в одну и в другую сторону, после чего каждый раз

следует нажимать на кнопку S1.

Графики на рис. 4.17 иллюстрируют происходящее. На верх-

нем графике показано напряжение, которое приложено к выво-

ду 2 микросхемы при произвольных нажатиях кнопки и различ-

ных положениях оси потенциометра. На нижнем графике пока-

зано, что микросхема таймера 555 срабатывает тогда, и только

тогда, когда напряжение на выводе 2 становится меньше напря-

жения 3 В. Что такого особенного в этой величине 3 В? Это одна

треть от напряжения питания 9 В.

Потенциометром R8 регулируйте напряжение запуска на выводе 2

и одновременно с разными интервалами времени нажимайте и отпускайте кнопку S1

9 В

6 В

Напряжение запуска

на выводе 2 3 В

0 В

9 В

Выходное напряжение 6 В

на выводе 3 3 В

0 В

Длительность импульса остается фиксированной, равной 5,2 сек

рис. 4.17. На верхнем графике показано напряжение запуска (вывод 2), когда нажата кноп-

ка, причем интервалы нажатия и отпускания кнопки разные при различных положениях оси

потенциометра. Нижний график иллюстрирует выходной сигнал (вывод 3), который скачко-

образно меняется от нуля до напряжения питания, в тот момент времени, когда напряжение

на выводе 2 станет меньше 1/3 напряжения питания

Далее следуют пункты, которые надо проверить при выпол-

нении домашнего задания.

• Выход микросхемы таймера 555 (вывод 3) выдает положи-

тельный импульс только тогда, когда напряжение запуска

(вывод 2) становится меньше одной трети напряжения пита-

ния схемы.

Микросхемы, привет!

211

• Микросхема таймера 555 каждый раз формирует положи-

тельной импульс одной и той же длительности (начиная с

момента выдачи запускающего напряжения на выводе 2).

• Чем больше сопротивление резистора R4 или емкость кон-

денсатора C4, тем больше длительность выходного импульса.

• Когда на выходе (вывод 3) будет напряжение высокого уров-

ня, то это напряжение будет практически равно напряжению

питания. Когда на выходе напряжение низкого уровня, то

оно почти равно нулю.

Микросхема таймера 555 преобразует хаотичный мир вход-

ных запускающих импульсов в прецизионный и регулируемый на

выходе. Микросхема на самом деле не включается и не выключа-

ется абсолютно мгновенно, но все- таки достаточно быстро, чтобы

каждый раз можно было бы считать ее изменяющейся мгновенно.

Теперь осталась еще одна вещь, которую следует попробо-

вать. Срабатывание таймера приводит к тому, что загорается

светодиод D1. Если же в это время нажать на кнопку S2, то она на

вывод 4 (Сброс) подаст нулевое напряжение. При этом светоди-

од должен мгновенно погаснуть.

Когда напряжение на выводе «Сброс» станет низким, выход

тоже становится низким вне зависимости от напряжения, кото-

рое приложено к выводу «Запуск».

Есть еще одна вещь, о которой я хотел бы упомянуть до нача-

ла использования таймера в более интересных схемах. Я включил

резисторы R5 и R6 таким образом, что как только вы подадите пи-

тание на таймер, он не должен формировать импульсы, но был бы

готов к выполнению этого. Данные резисторы задают положитель-

ные напряжения соответственно на выводах «Запуск» и «Сброс»,

что создает такие условия, при которых таймер 555 будет готов за-

пуститься, как только на него подадите напряжение питания.

Пока напряжение на выводе «Запуск» будет оставаться вы-

соким, таймер не будет генерировать импульсы. (Он генерирует

импульсы только, когда это напряжение будет меньше некоторо-

го порогового значения.)

Пока напряжение на выводе «Сброс» будет оставаться вы-

соким, таймер будет в состоянии формировать импульсы. (Ге-

нерация прекращается, когда напряжение на этом выводе будет

иметь низкий уровень.)

Резисторы R5 и R6 известны, как подтягивающие резисто-

ры, поскольку подтягивают напряжение в точках их подключе-

ния к напряжению питания. Вы с легкостью можете подавить

это напряжение, используя непосредственное подключение

этих точек к отрицательному выводу источника питания. Ти-

пичное значение сопротивления подтягивающего резистора для

212

Глава 4

таймера 555 составляет 10 кОм. В соответствии с законом Ома

при наличии источника питания с напряжением 9 В через рези-

стор будет протекать ток, равный 0,9 мА.

Наконец, вы можете задаться вопросом о назначении кон-

денсатора C5, присоединенного к выводу 5. Этот вывод известен,

как вывод «Управляющего напряжения», что означает, что если

вы подаете на него напряжение, то вы можете управлять чувстви-

тельностью таймера. Я вернусь и рассмотрю это более подробно

несколько позднее. Поскольку мы не используем эту функцию

прямо сейчас, то в качестве нормального решения будет под-

ключение к выводу 5 конденсатора, чтобы защитить его от коле-

баний напряжения питания и предотвратить попадание на него

какого- либо сигнала, который окажет на этот вывод негативное

воздействие при нормальном функционировании.

Прежде чем продолжите чтение, убедитесь, что вы знакомы

с основными функциями таймера 555.

теОрия

внутри таймера 555.

режим одновибратора (моностабильный)

Пластмассовый корпус таймера 555 содержит пластинку

кремния (кристалл), на которой вытравлены сотни транзистор-

ных переходов согласно схеме, которая слишком сложна, чтобы

ее можно было обсудить в данной книге. Тем не менее я смог

обобщить функции этих внутренних элементов, разделив их на

основные группы, которые показаны на рис. 4.18. Кроме этого

на этой схеме показаны внешний резистор R4 и два внешних

конденсатора С4 и С5, которые обозначены так же, как и на схе-

ме, приведенной на рис. 4.15.

Символами питания с минусом «–» и плюсом «+» внутри ин-

тегральной микросхемы отмечено напряжение питания, кото-

рое подается на ее выводы 1 и 8 соответственно. Я опустил вну-

тренние соединения этих выводов, чтобы сделать схему более

понятной.

Два желтых треугольника, обозначенных буквами «A» и «B»,

означают два внутренних компаратора . Каждый компаратор

сравнивает два напряжения на двух входах (в основании тре-

угольника) и выдает выходное напряжение (из вершины тре-

угольника) в зависимости от того, одинаковый сигнал на входах

или различный. В дальнейшем в данной книге мы обязательно

будем использовать компараторы для различных целей.

Прямоугольник зеленого цвета, который внизу обозна-

чен буквами «FF», означает триггер (fl ip- fl op ). На структурной

схеме я показал его в виде двухполюсного двухпозиционного

Электроника для начинающих

Микросхемы, привет!

213

рис. 4.18. Внутренняя структурная схема таймера 555. Белыми линиями показаны резисто-

ры и соединения внутри микросхемы. Треугольниками с буквами «A» и «B» обозначены два

компаратора. Прямоугольник, обозначенный «FF» — это триггер ( flip- flop), который нахо-

дится либо в одном, либо в другом стабильном состоянии, аналогично двухполюсному двух-

позиционному переключателю. Снижение уровня напряжения на выводе 2 контролируется

компаратором «А», который при определенном значении напряжения переключает триггер

(переключатель) в нижнее по схеме положение (DOWN), и таким образом формирует по-

ложительный импульс на выходе микросхемы (вывод 3). Когда конденсатор C4 зарядится до

напряжения, равного 2/3 напряжения питания, что определяется компаратором «В», кото-

рый в это время переключает триггер (переключатель) в верхнее по схеме положение (UP).

В этом состоянии триггера заряженный ранее конденсатор C4 разряжается через вывод 7

переключателя, поскольку в данном случае он функционирует

именно так, хотя, естественно, это твердотельный полупрово-

дниковый переключатель.

Изначально, когда вы подаете напряжение питания на ми-

кросхему, триггер находится в верхнем по схеме положении

(которое и показано на рис. 4.18), когда отрицательный (общий)

вывод источника питания, обозначенный символом «–», по-

ступает на выход микросхемы (вывод 3). Если на триггер при-

ходит сигнал (DOWN) о