Инструменты пользователя


Введение в схемотехнику

Схемотехника — научно-техническое направление, занимающееся проектированием, созданием и отладкой электронных схем и устройств различного назначения. Схемотехника рассматривает способы подключения различных элементов электрических схем для их бесперебойной работы. Основные правила в схемотехнике связаны с природой электрического тока.

Электрический ток

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц - носителей заряда. В качестве носителей заряда в различных схемах могут выступать различные частицы: в металлах — электроны, в электролитах — ионы, в газах — ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях — электроны, в полупроводниках — электроны или дырки. На картинке ниже представлена структура атома в общем виде. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам. Существует два принципиально разных вида электрического тока: постоянный (когда частицы двигаются только в одном направлении) и переменный (когда частицы двигаются в обоих направлениях) ниже мы будем говорить только о постоянном электрическом токе, т.к. он наиболее часто применяется в радиолюбительских схемах.

Основные параметры электрического тока

Чтобы познакомиться с основными параметрами эл. тока, рассмотрим их на аналогии с поведением воды. Данные аналогии не будут абсолютно точно отражать процессы, протекающие в электрических цепях, но достаточно наглядны, просты для понимания и отражают суть явлений.

Представьте замкнутую трубу, которая полностью заполнена водой. В такой трубе вода находится в состоянии покоя и никуда не движется. Точно так же в проводнике (например, проводе) не происходит движения электронов и соответственно нет электрического тока.

Предположим, что на участке трубы был установлен насос. Теперь, когда насос прокачивает воду, вода в трубе приходит в движение. В проводниках в роли такого насоса выступают источники тока (аккумуляторы, батарейки, лабораторные источники тока, розетки и т.п.) Когда в электрической цепи появляется источник тока, возникает разность потенциалов. Электроны из области где их много стремятся попасть в область где их мало. При этом возникает электрический ток (движение заряженных частиц).

Разность потенциалов или, как её чаще называют, напряжение характеризует сколько работы было выполнено, чтобы перенести заряд. Напряжение обозначается буковой U, а измеряется в Вольтах (В,V). Для удобства счета, напряжение может (подобно граммам, миллиграммам и килограммам) выражаться в вольтах, милливольтах, киловольтах и т.д. Возвращаясь к аналогии с трубами - сколько давления было создано, чтобы получить движение воды. В соответствии с этой аналогией, чем больший путь проделает вода тем ниже будет её давление.

Если мы откроем кран на полную - вода пойдет под достаточно высоким давлением. Однако, если надеть на кран длинный шланг и открыть воду, то напор на конце шланга будет тем меньше, чем длиннее будет сам шланг. Точно так же, чем длиннее будет проводник (провод) тем меньше будет напряжение.

:!: Так как электрическая энергия тесно связана с тепловой энергией категорически запрещено соединять контакты источников питания без нагрузки (т.е. потребителя электрического тока). Это может привести к нагреванию источника питания, выходу его из строя, а в некоторых случаях к разрушению источника питания с выделением опасных для человека веществ (например, вытекания электролита из аккумулятора).

Вернемся к примеру с трубами. Если часть трубы будет засорена, вода будет с трудом протекать по этому участку. Следовательно, давление воды после этого участка будет ниже. Аналогично, если на участке проводника встретится какой-либо «засор» напряжение после «засора» снизится. Зачастую такие «засоры» располагают намеренно, чтобы слишком высокое напряжение не повредило элементы схемы (как, например, слишком сильное давление воды может порвать тонкий шланг). Данную физическую величину, которая препятствует прохождению электрического тока через проводник, называет сопротивлением. Оно обозначается буквой R и выражается в Омах.

:!: Если на участке цепи произойдет обрыв, течение постоянного тока в этой цепи прекратится. Связано это с тем, что окружающий нас воздух имеет очень высокое сопротивление. Можно сказать ,что на конце проводника образуется глухой засор. Однако данный нюанс не отменяет того, что оборванные провода крайне опасны. Если напряжение на проводе выше 6В, взявшись за такой провод человек может сам стать проводником и получить удар электрическим током. Касаться оголенных участков провода не удостоверившись в том, что провод гарантировано отключен от источника питания категорически запрещено!

Последний параметр, который мы рассмотрим, называют силой тока. Обозначается он буквой I, а измеряется в амперах (A). Если вернутся к аналогии с трубами, представим, что мы в течении одной секунды считали, какое кол-во воды прошло через трубу. Точно так же в эл. цепях измеряют кол-во заряда, который прошел через участок проводника.

Взаимодействие описанных величин хорошо продемонстрировано на известной карикатуре: напряжение (вольты) старается протолкнуть заряд (амперы), а сопротивление (омы) препятствует ему.

Таким образом мы подобрались к ключевому закону постоянного тока, закону Ома: Cила тока прямо пропорциональна напряжение и обратно пропорциональна сопротивлению. Это значит, что чем выше будет напряжение, двигающее ток, тем больше тока будет проходить через участок цепи за единицу времени (например, 1 сек). А чем выше сопротивление, тем меньше эл. тока будет проходить за то же время.

Лабораторная работа

Для выполнения данной лабораторной работы в электронном виде потребуется войти в личный кабинет на платформе TinkerCAD и ознакомится с интерфейсом инструмента Circuits (Цепи):

  • Подробная инструкция для учащихся Кибергофа: TinkerCAD

Источник питания и нагрузка

Составим простейшую электрическую схему из батарейки с напряжением 3V и светодиода.

Обратите внимание! В силу своего устройства светодиод - полярный элемент. Это значит, что его положительный контакт (анод) должен быть соединен с положительным выходом батарейки, а отрицательный контакт (катод) с отрицательным выходом батарейки. Провода, по которым на элемент приходит питание, принято выбирать с теплым цветом изоляции (приоритет - красный), а провода подключаемые минусу (земле) с холодным цветом изоляции (приоритет - черный). После запуска симуляции, возле светодиода появится предупреждение, информирующее нас о том, что через светодиод течет слишком большой ток. Чтобы снизить электрический ток, в цепь необходимо установить резистор.

Гасящий резистор: расчет и установка

Резистор - это пассивный элемент электрической цепи основная задача которого поглощение части проходящей через него электрической энергии с последующим рассеиванием в виде тепла. Резисторы могут иметь разное сопротивление. Чтобы подобрать резистор с верным номиналом воспользуемся простыми формулами. Порядок расчета сопротивления следующий:

  • Рассчитаем, сколько напряжения должен погасить резистор, чтобы светодиод функционировал стабильно. Воспользуемся следующей формулой: Напряжение источника питания - падения напряжения на светодиоде (U гас.рез. = U пит - U свет). В нашем случае, напряжение источника питания 3В, а светодиод поглощает 2В (данная величина индивидуальна для разных светодиодов, указывается в описании радиоэлемента). Таким образом: 3-2=1В. Именно столько напряжения должен гасить резистор.
  • Рассчитаем сопротивление резистора по закону Ома. существует простая и удобная «запоминалка» для выражения разных величин закона. Выглядит она следующим образом Закрываем пальцем искомую величину и получаем формулу расчета. Мы ищем сопротивление, значит нам необходимо разделить напряжение на силу тока. Сила тока, необходимая для яркого свечения светодиода, определяется также индивидуально для разных моделей. В нашем случае необходим ток в 20 мА, что в пересчете на Амперы (делим значение на 1000), даст 0,02А. Теперь, когда все величины известны и приведены в одну размерность, выполним расчет: 1/0.02= 50 Ом. Резистор именно такого номинала нам и нужен. Определить номинал резистора можно по цветовой маркировке на нем. В зависимости от того, сколько на резисторе колец, каков их цвет и в каком порядке они расположены, закодировано множество данных. Номинал резистора, точность его работы и т.п. Всё это можно узнать воспользовавшись калькулятором цветовой маркировки резисторов.

:!: Если расчеты вызывают у вас трудности, в сети есть множество конвертеров величин, калькуляторов сопротивлений и пр. «шпаргалок» для радиолюбителей.

Установим резистор нужного номинала в нашу цепь. Как мы видим, теперь светодиод светится без предупреждений.

RGB светодиод и переключатель

Попробуем собрать схему со светодиодом более сложной конструкции. RGB светодиод представляет собой как-бы несколько светодиодов, объединенных в одном корпусе: красный, зеленый, синий. Такой подбор цветов не случаен, ведь именно их сочетание дает все остальные цвета . Светодиоды имеют общий катод (отрицательный контакт), но каждый имеет свой анод (положительный контакт), чтобы их можно было зажигать по отдельности. Так как мы взяли более мощный источник питания (9 В) и светодиод с другими характеристиками (0.5 В, 20мА), пересчитаем номинал резисторов:

  • 9-0.5=8.5 В
  • 8.5/0.02=425 Ом

Переключатель представляет собой элемент, который может замыкать электрическую цепь (пропускать эл. ток) или размыкать (прерывать движение тока). Реализованная схема будет выглядеть следующим образом. Если изменять положение переключателей, можно получать различные цвета путём сочетания нескольких из них.

7-сегментный экран

Данные элемент представляет собой 8 светодиодов собранных в одно корпусе. 7 из них отвечают за сегменты цифры, восьмой отвечает за точку под цифрой. В отличии от предыдущего элемента, здесь светодиоды соединены по схеме с общим плюсом (анодом) а минус (катод) у каждого свой. Именно к минусам мы будем подключать переключатель ,чтобы размыкать его (тем самым прерывая течение тока через светодиод и гася сегмент). Номинал резистора прежний, 425 Ом.

Микроконтроллеры

Очевидно, что работа настолько сложных устройств как компьютеры, микроволновые печи, телевизоры и пр. была бы невозможно, если бы все манипуляции приходилось проводить вручную. Поэтому со временем были разработаны микроконтроллеры. Микроконтроллер представляет собой программируемую микросхему, т.е. множество очень маленьких радиоэлементов спрятанных в одной плате. Возьмем микроконтроллер Atmega, входящий в состав учебной платы Arduino UNO. Плата имеет достаточно сложную структуру, о ней мы поговорим в рамках другой лабораторной работы. Сейчас нас интересуют следующие моменты:

  • Плата способна выдавать на своих выходах напряжение в 5В. Значит для подключения RGB светодиода потребуется следующего номинала:
    • 5-1.5=3.5 В
    • 3.5/0.02 = 175 Ом
  • В отличии от батарейки, которая создает напряжение непрерывно, плата может управлять напряжением на своих выходах: как подавать так и убирать его. В данном примере мы будем использовать для этого выходы платы под номерами 2, 3 и 4. Катод (-) нашего светодиода подключим к отрицательному разъему платы GND (Ground или «Земля»).

Соберем схему и перейдем к составлению кода для контроллера (нажатием на кнопку «Код»). Включим режим отображения кода в виде блоков и текста, после чего из блоков составим код:

  • Подадим высокий уровень (5 В) сигнала на выводы 2, 3 и 4.
  • Подождем 1 сек.
  • Подадим высокий уровень сигнала (5 В) на выходы 2 и 3, а на выход 4 подадим низкий уровень сигнала (0 В)
  • Подождем 1 сек.

После запуска симуляции контроллер будет управлять напряжениями, подаваемыми на аноды светодиода, автоматически. Меняя уровни сигналов в программе можно получать различные цвета.

Самостоятельная работа

  • Составить программу вывода трёх или более различных цветов с задержкой в 1 сек.
  • Подключить 7-ми сегментный индикатор. Составить программу вывода двух или более различных цифр с задержкой в 1 сек.