Как и ранее, прежде чем купить инструменты и оборудование, откройте главу 6 и посмотрите там список покупок в разделе «Приобретаемые инструменты и оборудование». Если вы хотите купить готовый набор компонентов и расходных материалов, смотрите раздел «Наборы». Если вы предпочитаете самостоятельно покупать компоненты и расходные материалы в интернет- магазинах, смотрите раздел «Компоненты».

 

Миниатюрные отвертки

На рис. 2.1 показан набор отверток производства компании Stanley (артикул 66-052). Отвертки, которые, возможно, уже есть у вас дома, могут оказаться слишком крупными для большинства маленьких винтов в компонентах.

Можно купить и более дешевый набор отверток, который очень похож на тот, что на рис. 2.1, но качество стали будет, разумеется, ниже, чем у продукции известных марок.

Рис. 2.1. Миниатюрные отвертки с прямыми и крестообразными шлицами. Расстояние между белыми линиями сетки равно 2,5 см

 

Небольшие плоскогубцы

Размер плоскогубцев, которые вам понадобятся — не более 13 см (от одного конца до другого), Они незаменимы для формовки провода или для захвата небольших деталей, которые неудобно брать пальцами. Не думаю, что в данном случае вам необходимо тратить деньги на фирменные инструменты, поэтому вы спокойно можете покупать более дешевые, например такие, как на рис. 2.2. У них подпружиненные ручки, что некоторым не очень нравится, но вы можете вытащить пружины, если у вас есть еще одни плоскогубцы.

Рис. 2.2. Подходящие плоскогубцы должны быть не длиннее 13 см

 

Удлиненные плоскогубцы

Это необязательный инструмент. Они похожи на небольшие плоскогубцы, но имеют очень тонкие остроконечные губки. Такие плоскогубцы удобны для захвата плотно установленных компонентов на макетной плате. Подобный инструмент можно найти на сайтах и в магазинах, которые специализируются на таком ремесле, как плетение из бисера. Будьте, однако, внимательны, и не покупайте плоскогубцы со скругленными губками (круглогубцы), т. к. они подходят в основном лишь для создания петель из провода. Для нас важно, чтобы внутренняя поверхность губок была плоской, как показано на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Плоскогубцы для точных работ

 

Кусачки

Плоскогубцы обычно снабжены режущими кромками возле места крепления, с их помощью можно перерезать проволоку. Тем не менее, часто провод может оказаться прикрепленным еще к чему-либо, и вы не отрежете его плоскогубцами. Вам понадобятся кусачки (называемые также бокорезами), такие как на рис. 2.4 (длиной не более 13 см). Поскольку вам в основном придется иметь дело с тонким мягким медным проводом, к качеству этого инструмента особых требований нет.

Рис. 2.4. Кусачки должны быть не длиннее 13 см

 

Острогубцы

Острогубцы, изображенные на рис. 2.5, похожи на кусачки и предназначены для тех же операций, но они тоньше, компактнее и лучше приспособлены для работы в ограниченном пространстве. Однако они менее прочные. Использовать острогубцы или обычные кусачки — это личное предпочтение. Мне больше нравятся обычные кусачки.

Рис. 2.5. Острогубцы могут проникнуть в труднодоступные места по сравнению с обычными кусачками

 

Приспособление для зачистки проводов

Провода, с которыми вы будете иметь дело, покрыты пластиковой изоляцией. Приспособления для зачистки проводов специально предназначены для удаления небольшого участка изоляции, чтобы оголить находящийся внутри проводник. Отважные умельцы могут возразить, что для выполнения такой операции им не нужны какие-либо инструменты, когда-то так думал и я, но отколотые края двух моих передних зубов свидетельствуют, что это не лучшее решение (рис. 2.6).

Другой вариант — использовать кусачки, как показано на рис. 2.7. Захватив провод одной рукой, другой рукой аккуратно сжимаете губки кусачек, тяните провод и снимаете отрезок изоляции. Для приобретения этого навыка требуется практика. Порой кусачки соскальзывают, не сделав ничего, иногда просто перерезают провод, вместо того чтобы зачистить его. Специальное приспособление для зачистки проводов стоит недорого, но существенно облегчает работу.

Рис. 2.6. Торопитесь? Лень искать инструмент для зачистки проводов? Искушение очевидно, но результат будет плачевным

Рис. 2.7. Снять изоляцию с помощью кусачек не так просто. Инструмент для зачистки проводов намного удобнее

В первом издании книги предлагалось приобрести так называемое автоматическое устройство для зачистки проводов, которым можно пользоваться одной рукой. К сожалению, такие приспособления довольно дороги и многие из них не справляются с монтажным проводом 22-го калибра (диаметр 0,64 мм), который требуется для всех схем в этой книге. Поэтому я их больше не рекомендую.

Такой инструмент, как изображен на рис. 2.8, выпускают многие фирмы. Некоторые приспособления имеют ручки, согнутые под углом, другие — прямые или изогнутые. Это не важно. Все они работают одинаково: вы вставляете провод в подходящее по размеру отверстие, сжимаете губки и удаляете изоляцию.

Рис. 2.8. Рекомендуемый инструмент для зачистки проводов диаметром от 0,25 до 0,81 мм

Выбирая приспособление, вы должны быть внимательны, поскольку они подходят только для определенного диаметра провода.

Калибр провода — это показатель толщины проводника. Чем выше калибр, тем тоньше провод. Провод 20-го калибра (диаметр 0,81 мм) слишком толстый для наших целей, а 24-го калибра (диаметр 0,51 мм) — слишком тонкий. Оптимальная толщина провода — 22-й калибр (диаметр 0,64 мм), и вам будет гораздо проще работать, если вы купите инструмент, подходящий именно для этого калибра. На рис. 2.8 видно, что между отверстиями для проводов калибров 20 и 30 есть небольшое отверстие и для калибра 22. Значит, это подходящий инструмент для нашей работы.

 

Макетные платы

Макетные платы не понадобятся до эксперимента 8, но здесь я коротко расскажу об этих комплектующих. Макетная плата — это небольшая пластмассовая пластина со сквозными отверстиями, расположенными на расстоянии 2,54 мм. В эти отверстия можно вставить провода и другие компоненты. Ряды отверстий соединены между собой проводниками, встроенными в пластмассовое основание.

На макетной плате можно легко разместить и быстро соединить все компоненты схемы. Монтаж получается аккуратнее, чем с помощью тестовых проводов, которые вы использовали до сих пор, и это проще, чем пайка (к тому же, устройство можно быстро демонтировать).

Замечание

Макетные платы также называют платами для макетирования без пайки и иногда платами для создания прототипов.

Бренд или поставщик макетной платы не имеет значения, но вы должны быть внимательными при покупке, чтобы найти ту же конфигурацию, которую я использую в этой книге. Возможны три варианта, и только один из них правильный.

Вариант макетной платы «мини», показан на рис. 2.9. Он часто продается как «подходящий для среды Arduino», но не имеет достаточного количества отверстий для наших целей, поэтому не покупайте такие платы.

Рис. 2.9. Размеры мини-платы недостаточны для проектов из этой книги

Вариант макетной платы «одинарная шина» показан на рис. 2.10. Термин «шина» относится к длинному столбцу отверстий, расположенному рядом с короткими, пронумерованными рядами отверстий. С каждой стороны находится по одной шине, на фото они обведены рамкой. Этот тип макетной платы как раз вам и нужен. Чтобы убедиться, сверьте фотографию с изделием, которое вы покупаете. Также обратите внимание на то, что плата должна иметь 60 рядов отверстий и 700 контактных (или узловых) точек. Если вы делаете закупки самостоятельно, ищите в интернет-магазинах Amazon или eBay по запросу: solderless breadboard 700 ИЛИ беспаечная макетная плата 700.

Рис. 2.10. Макетная плата с одинарной шиной имеет один длинный ряд отверстий с каждой стороны

Рис. 2.11. Макетные платы со сдвоенной шиной имеют две пары длинных рядов отверстий (обведены на фотографии рамкой). Такой вариант макетных плат я больше не рекомендую

Вариант макетной платы «сдвоенная шина» показан на рис. 2.11. Здесь два длинных ряда отверстий с каждой стороны, которые и составляют сдвоенную шину (на фотографии обведены рамкой). Я рекомендовал этот вид платы в первом издании книги, потому что иногда он может оказаться более удобным. Впоследствии оказалось, что начинающие часто допускают ошибки при монтаже, особенно на этапе освоения платы. Поэтому я больше не советую работать с такой платой. Но если желаете, то можно выбрать эту плату и просто игнорировать дополнительные отверстия.

Теперь, когда мы разобрались с типом рекомендуемой макетной платы, выясним, сколько же вам их понадобится? Раньше я сказал бы «только одна», имея в виду то, что их можно использовать повторно, но теперь цена снизилась настолько, что вполне можно приобрести две или три. Так вы сможете собирать новые схемы, не разбирая старых.

 

Расходные материалы

Если вы хотите приобрести готовый набор компонентов и расходных материалов, смотрите раздел «Наборы» главы 6. Если вы закупаете расходные материалы самостоятельно, смотрите раздел «Расходные материалы» главы 6.

 

Монтажный провод

Для соединений на макетной плате вам понадобится монтажный провод. Иногда его еще можно найти в общей категории провод в бухтах. В любом случае провод должен быть одножильным и желательно 22-го калибра (диаметр 0,64 мм). Часто такой провод продают отрезками по 7,5 и 30 метров, намотанными на пластиковые катушки, как показано на рис. 2.12.

Метр провода обойдется дешевле, если вы покупаете 30-метровую катушку, но я советую вам купить мотки провода меньшей длины, но как минимум с тремя разными цветами изоляции.

Рис. 2.12. Монтажный провод длиной 7,5 и 30 метров на катушках

Цвет провода поможет вам, если вы ищете ошибку в собранной цепи. Красный и синий провода подойдут для подключения к плюсу и минусу источника питания, а провод какого-либо другого цвета — для остальных соединений.

Когда изоляция снята, оголяется твердый проводник, как показано на рис. 2.13. Сравните его с многожильным проводом, изображенным на рис. 2.14. Многожильный провод также применяется в некоторых случаях, о которых я далее расскажу, но если вы попытаетесь засунуть его в отверстия макетной платы, то вас постигнет неудача. Для наших экспериментов нужен обязательно одножильный провод.

Ранее я уже упомянул о необходимости инструмента для зачистки проводов, который предназначен для 22-го калибра (диаметр 0,64 мм), теперь снова подчеркну, что провод должен быть именно калибра 22, а не 20 и не 24. Провод 24-го калибра (диаметр 0,51 мм) неплотно входит в макетную плату и соединение окажется ненадежным, а провод 20-го калибра (диаметр 0,81 мм) немного толстоват, и когда вы пытаетесь его просунуть, он сгибается, вместо того чтобы встать на место; если все же удастся его просунуть, то потом нелегко вытащить.

На некоторых медных проводах под изоляцией видно серебристое покрытие. Такие провода называются «лужеными». Другие провода полностью медные, и у меня нет определенного мнения, какой из типов лучше.

Сколько провода вам потребуется? Для сборки схем из этой книги восьми метров провода каждого цвета будет более чем достаточно. Тем не менее, в экспериментах 26, 28 и 29 необходимо изготовить проволочную обмотку, чтобы исследовать взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, а также построить собственный детекторный радиоприемник. Если вы пожелаете выполнить эти проекты (а они того стоят), вам понадобится 60 м провода. Решайте сами, поскольку ни один из готовых наборов не содержит столько провода. Для информации о покупке провода смотрите раздел «Расходные материалы» главы 6.

Рис. 2.13. Под пластиковой изоляцией должен находиться одножильный проводник 

Рис. 2.14. В отдельных случаях (описанных далее) потребуется многожильный провод

 

Перемычки

Если вы отрежете кусочек провода, зачистите его с каждого конца как минимум на 0,5 см, но не более чем на 1 см, загнете концы книзу и вставите их в отверстия макетной платы, то получите перемычку, которая создает соединение между узловыми точками платы, пропустив несколько промежуточных отверстий. Такие перемычки делают монтаж схемы аккуратным и облегчают отыскание ошибок.

Проблема в том, что зачистка изоляции и изгиб провода под нужным углом очень утомительны, даже если вы делаете это с помощью подходящих инструментов. Поэтому целесообразнее купить уже нарезанный провод и готовые перемычки. Пример готового набора перемычек разной длины приведен на рис. 2.15. В качестве руководства по выбору нужных комплектующих смотрите раздел «Расходные материалы» главы 6.

Раньше я использовал готовые перемычки из набора, но отказался от них, потому что его перемычки различались по цвету в зависимости от длины, а не от функциональности. Все красные провода имели длину 0,5 см, желтые — 0,7 см и т. д.

Рис. 2.15. Набор перемычек разной длины для макетной платы

Мне нужно было, чтобы окраска провода соответствовала их назначению в схеме. Например, все красные провода, независимо от длины, всегда должны подключаться к плюсу источника питания.

Единственный способ добиться этого — нарезать провод самому, что я теперь и делаю. Если вы решите воспользоваться готовыми перемычками, то не забывайте, что их окраска может внести путаницу, кроме того, цена набора перемычек будет выше.

Есть еще один момент, который следует прояснить относительно перемычек. Многие предпочитают провода-перемычки, снабженные на концах маленькими штекерами, размер которых соответствует диаметру отверстий в макетной плате. Такие «штекерные перемычки» продаются связками, и, возможно, они будут первым вариантом, который вы встретите при онлайн- поиске проволочных перемычек.

Поскольку такие соединительные провода гибкие и имеют длину около 7,5 см, с их помощью можно выполнить почти любые соединения, которые вам понадобятся на схеме макетной платы. Их можно использовать повторно, и создается впечатление, что это самый простой, быстрый и дешевый вариант.

Если схема сразу заработала, значит все в порядке, но если вы ошибетесь, то найти ошибку будет сложно. На рис. 2.16 для примера показана некоторая схема не из этой книги, собранная с использованием гибких проводников со штекерами. На рис. 2.17 изображена та же схема с самодельными перемычками из одножильного провода 22-го калибра (диаметр 0,64 мм). В каждой из этих схем есть ошибка монтажа. На схеме с самодельными перемычками я увижу ее за несколько секунд. А там, где гибкие проводники со штекерами, придется немного покопаться, и, возможно, для поиска неисправности потребуется мультиметр.

Рис. 2.16. Схема собрана на двух макетных мини-платах с использованием гибких перемычек со штекерами на концах

Рис. 2.17. Та же схема, что и на рис. 2.16, но монтаж выполнен самодельными одножильными перемычками

К тому же, штекеры гибких перемычек иногда могут быть дефектными и не обеспечивать надежный контакт. Это делает поиск неисправностей практически невозможным.

Совет

Я не рекомендую выполнять монтаж гибкими перемычками со штекерами на концах.

 

Многожильный провод

Вернемся к многожильному монтажному проводу, у него есть одно преимущество. Он более гибкий, чем одножильный провод, что практично, если вы соединяете с его помощью монтажную плату с внешним переключателем или потенциометром. Гибкость особенно важна, если провод соединяется с подвижным или вибрирующим объектом.

И хотя гибкий провод не обязателен для проектов из этой книги, 7,5 метров многожильного провода 22-го калибра (диаметр 0,64 мм) время от времени могут пригодиться. Если вы решили его купить, рекомендую выбрать цвет, отличный от цвета одножильных проводов, чтобы не перепутать их.

 

Тумблер

Стандартный тумблер — это давно известный компонент, и он пригодится для экспериментов по переключению. Вам понадобятся два тумблера. Они должны быть обозначены как SPDT, что означает однополюсный переключатель на два направления. Я подробно объясню это чуть позже. Двухполюсный переключатель на два направления, обозначаемый как DPDT, также подойдет, но он немного дороже.

К тумблеру с зажимными клеммами проще подключать монтажный провод, однако другие варианты клемм также подойдут.

Внешний вид обычного тумблера иллюстрирует рис. 2.18. Приведенный образец — это Е-переключатель ST16DD00, но можно найти и более дешевые стандартные варианты.

Рис. 2.18. Стандартный тумблер

 

Кнопка

Кнопку иногда по непонятной причине называют тактильным переключателем. На самом деле это совсем не переключатель. Миниатюрная кнопка очень удобна для коммутации вручную различных цепей, особенно в схемах, собранных на макетной плате.

Наиболее распространенные кнопки имеют четыре маленькие лапки для вставки в отверстия платы, но такое крепление не всегда надежно, потому что зачастую эти лапки не фиксируются так, как положено. Кнопка может с легкостью выскочить в самый неожиданный момент. Я рекомендую вариант кнопки с двумя выводами, расположенными на расстоянии 0,5 см друг от друга. В устройствах этой книги будет применяться кнопка марки Alps SKRGAFD-010 (рис. 2.19). Подойдут и другие кнопки с двумя выводами, расположенными в 0,5 см друг от друга, например серия Panasonic EVQ.-11.

Рис. 2.19. Кнопка, рекомендуемая для устройств из этой книги, собранных на макетной плате

 

Реле

Поскольку производители не стандартизировали функции выводов реле, то при его покупке вы должны предусмотреть возможность замены. Я рекомендую реле марки Omron G5V-2-H1-DC9, изображенное на рис. 2.20, которое должно свести к минимуму путаницу, поскольку функции выводов четко указаны на корпусе.

Компания Omron — крупный производитель реле, и я надеюсь, что та модель, которую я рекомендую, еще будет выпускаться какое-то время. Вы можете также выбрать реле типа Axicom V23105-A5006-A201 или Fujitsu RY-9W-K. Все они рассчитаны на постоянное напряжение 9 В и представляют собой двухполюсные реле на два направления с выводами, расположенными как показано на рис. 2.21 слева. Если расстояние указано в миллиметрах, то значения 5 мм или 5,08 мм подходят вместо 0,2-дюймового, а расстояния в 7,5 или 7,62 мм могут заменить 0,3-дюймовое.

Если функциональная схема нанесена на корпус реле, она должна выглядеть так, как на рис. 2.21 справа. В технических паспортах реле почти всегда есть эта информация. Подойдут реле и с другими функциями выводов, но работать с ними вам будет сложнее, поскольку возникнут отличия от схем, приведенных мною.

Рекомендованные реле обладают высокой чувствительностью, и следовательно, они потребляют меньший ток. Вы можете заменить их другими, но они будут потреблять больше электроэнергии. Какое бы реле вы ни выбрали, оно должно иметь напряжение срабатывания, равное 9 В, а расстояния между выводами должны соответствовать указанным на рис. 2.21.

Рис. 2.20. Реле, рекомендуемое для экспериментов, описанных в этой книге

Рис. 2.21. Рекомендуемое расположение выводов и цоколевка реле

При покупке реле следует обратить внимание на их полярность, т. е. необходимость подавать ток в указанном направлении, потому что реле не будет работать, если ток протекает через его обмотку в противоположном направлении. Рекомендованные мною реле не требуют соблюдения полярности. Для многих реле Panasonic необходимо соблюдать полярность, поэтому внимательно прочтите технический паспорт, прежде чем купить какое-либо из них. И наконец, все реле, которые понадобятся для наших экспериментов, должны быть без блокировки.

Если все сказанное пока сложно и непонятно для вас, можете отложить покупку реле до ознакомления с описанием эксперимента 7, в котором подробно разъясняется функционирование реле. Чтобы провести этот эксперимент полностью, вам понадобятся два реле.

 

Подстроечный потенциометр

Вместо громоздкого потенциометра, который вы использовали в эксперименте 4, теперь нам понадобится подстроечный потенциометр, который меньше по размерам, дешевле и легко устанавливается на макетную плату. Примеры подобных компонентов (с различными номиналами, выбранными наудачу) показаны на рис. 2.22.

Подстроечные потенциометры, показанные слева и справа на рис. 2.22, выбраны для экспериментов из этой книги. При установке они будут вплотную примыкать к макетной плате, а их выводы окажутся надежно зафиксированы в отверстиях. Единственное различие между этими двумя образцами в том, что один немного больше, чем другой. Существуют потенциометры, устанавливаемые под углом 90 градусов к макетной плате, но они менее удобны для работы.

В центре на рис. 2.22 изображен многооборотный подстроечный потенциометр, который обеспечивает более точную настройку с помощью латунного винта, соединенного с внутренней червячной передачей. Этот компонент менее удобен, дороже и не обязателен для наших целей, т. к. вам не потребуется слишком большая точность.

Рис. 2.22. Подстроечные потенциометры

 

Транзисторы

В этой книге используются транзисторы одного типа. Основной номер серии — 2N2222, но, к сожалению, не все транзисторы марки 2N2222 одинаковы.

Если вы приобрели готовый набор компонентов, то проблем не должно возникнуть. Если вы делаете закупки самостоятельно, то старайтесь избегать компонентов, у которых обозначение P2N предшествует номеру 2222. Когда появилась марка P2N2222, производители изменили цоколевку выводов по сравнению с предыдущими транзисторами 2N2222, которые многие годы оставались стандартными. (Зачем они это сделали? Не знаю.)

При выборе транзистора руководствуйтесь следующими правилами:

• транзисторы с обозначениями 2N2222, PN2222 или PN2222A подходят. Обозначение PN2222 стало более распространенным, чем 2N2222, но годятся обе модели;

• транзисторы с обозначениями P2N2222 или P2N2222A не подходят.

Ловушка в том, что когда вы ищете модель 2N2222, вам будет предлагаться модель P2N2222, потому что поисковые системы будут пытаться помочь вам, показывая компоненты, которые имеют дополнительные буквы, предшествующие номеру. Мой совет — покупайте внимательно. И если у вас есть мультиметр, который тестирует транзисторы, проверьте каждый. Если цоколевка выводов транзистора стандартная, мультиметр должен показать коэффициент усиления более 200. Если у вас транзистор не того типа, то мультиметр покажет ошибку или значение усиления ниже 50.

Рис. 2.23. Два транзистора 2N2222, Любой из них подойдет для экспериментов

Транзисторы 2N2222 когда-то выпускались в корпусе в виде маленьких металлических «баночек». Сейчас они почти всегда заключены в черный пластиковый корпус. Оба варианта показаны на рис. 2.23. Транзистор в любом корпусе — пластиковом или металлическом — работает одинаково хорошо, если только маркировка не начинается с P2N.

 

Конденсаторы

Конденсаторы не так дешевы, как резисторы, но все же достаточно доступны, чтобы приобрести их небольшим оптом. Далее нам чаще всего потребуются конденсаторы с номиналами в диапазоне, измеряемом в микрофарадах (сокращенно мкФ). Я подробно объясню это, когда мы начнем использовать конденсаторы в схемах.

Для небольших номиналов рекомендуются керамические конденсаторы. Среди конденсаторов большой емкости самыми дешевыми будут электролитические. Дополнительные указания по их покупке смотрите в разделе «Компоненты» главы 6. Примеры различных конденсаторов приведены на рис. 2.24. Компоненты в цилиндрическом корпусе являются электролитическими конденсаторами, а все остальные — керамическими.

Рис. 2.24. Различные конденсаторы

 

Резисторы

Если вы покупаете компоненты самостоятельно, я рассчитываю на то, что вы уже приобрели хорошую подборку резисторов, о которых я говорил в эксперименте 1.

 

Динамик

Рис. 2.25. Два динамика, один размером 2,5 см, а другой — 5 см

Минимальный диаметр динамика — 2,5 см, хороший вариант — 5 см. Максимум — это 7,5 см. Импеданс должен быть не менее 8 Ом.

Мы не будем работать с высококачественным воспроизведением звука, поэтому подойдет любой дешевый динамик. Пара примеров показана на рис. 2.25.

 

Что-то еще?

Прочитав все предыдущее, вы, наверное, подумаете, что я перечислил очень много компонентов. Будьте спокойны: почти все указанные компоненты можно использовать неоднократно, и вам не потребуется много дополнительных деталей для остальных глав книги.

 

Этот эксперимент мы проведем с обычными тумблерами. Вам может показаться, что вы хорошо знаете, как их использовать, но далее мы рассмотрим гораздо более интересный вариант, когда два переключателя на два направления объединены в одной схеме.

 

Что вам понадобится

• Отвертка, кусачки, инструмент для зачистки проводов

• Монтажный провод 22-го калибра (диаметр 0,64 мм), длина не более 30 см

• Батарея 9 В (1 шт.)

• Стандартный светодиод (1 шт.)

• Тумблеры, однополюсные или двухполюсные, на два направления (2 шт.)

• Резистор номиналом 470 Ом (1 шт.)

• Тестовые провода с зажимами «крокодил» на концах (2 шт.)

Соедините детали так, как показано на рис. 2.26. Вам придется немного попрактиковаться в зачистке проводов, чтобы аккуратно снять изоляцию с двух концов провода. Для фиксации проводов в зажимных клеммах переключателя согните плоскогубцами конец каждого провода так, чтобы он выглядел в виде буквы «J». Затем подведите его под винт слева так, чтобы винт наматывал провод, когда его закручивают по часовой стрелке.

Длинный вывод светодиода также зажмите в одной из клемм. Не перепутайте контакты светодиода. Помните о том, что длинный вывод всегда должен быть более положительным, чем короткий.

Если ваши тумблеры не имеют зажимных клемм, то для их придется подключать к схеме с помощью тестовых проводов с зажимами «крокодил». Потребуется также еще один тестовый провод, чтобы подключить светодиод к центральной клемме левого тумблера.

Рис. 2.26. Ваш первый эксперимент с переключателями

Подсоединив батарею, поэкспериментируйте, переключая тумблеры. Что вы наблюдаете?

Если светодиод горит, то переключение любого тумблера его выключит. Если светодиод не горит, любой из тумблеров включит его. Я вскоре объясню это интересное поведение (см. раздел «Введение в электрические схемы» этой главы), но вначале должен довести до вас некоторые основные понятия и справочную информацию.

 

Все о переключателях

Рукоятка переключателя — это деталь, которую вы передвигаете пальцем. В тумблере, подобном изображенному на рис. 2.26, при переключении рукоятки центральный контакт соединяется с одним из двух контактов по бокам, как показано на рис. 2.27.

Центральный вывод называется полюсом переключателя. Так как вы можете переводить, или перекидывать тумблер, создавая два возможных подключения, такой компонент называется переключателем на два направления, в англоязычной литературе его сокращенно обозначают как DT (или, иногда, 2Т). Однополюсный переключатель на два направления сокращенно обозначается SPDT (или, иногда, 1Р2Т).

У некоторых переключателей только два контакта вместо трех. Они являются выключателями — это означает, что если вы переведете их рукоятку в одно положение, соединение появится, а если в другое, то соединение будет разомкнуто. Многие выключатели освещения в вашем доме именно такие. Их называют переключателями на одно направление. Однополюсный переключатель на одно направление обозначается SPST (или, иногда, 1Р1Т).

Иногда переключатели имеют два полностью раздельных полюса, и поэтому, манипулируя рукояткой, вы можете создать два независимых подключения одновременно. Такие переключатели называются двухполюсными, сокращенно DP (или, иногда, 2Р). Посмотрите на рис. 2,28- 2.30 с фотографиями старомодных рубильников, которые до сих пор используются при изучении электроники в школах. Вам вряд ли потребуются такие переключатели для каких либо практических целей, но они очень наглядно иллюстрируют различия между соединениями SPST, SPDT и DPST.

Рис. 2.27. Обычно так переключаются контакты тумблера

Рис. 2.28. Демонстрационный однополюсный переключатель на одно направление (SPST)

Рис. 2.29. Однополюсный переключатель на два направления (SPDT) соединяет один полюс с выбранным контактом

Единственная возможность увидеть сегодня используемый с определенной целью рубильник — это фильмы ужасов. На рис. 2.31 некий одержимый ученый подает электропитание для своего эксперимента с помощью однополюсного рубильника на два направления, который практично установлен на стене в его подвальной лаборатории.

Рис. 2.30. Двухполюсный переключатель на одно направление (DPST) имеет два полюса, которые полностью изолированы друг от друга. Каждый полюс может соединяться только с одним из контактов

Рис. 2.31. Одержимый ученый запускает свою «адскую машинку» с помощью рубильника SPDT

Чтобы добиться более интересных эффектов, вы можете купить переключатели с тремя или четырьмя полюсами. (У некоторых поворотных переключателей полюсов еще больше, но мы не будем работать с ними.) Кроме того, некоторые тумблеры на два направления имеют дополнительное центральное положение «выключено».

Собрав всю эту информацию вместе, я составил таблицу (табл. 2.1), в которой приведены некоторые из возможных видов переключателей и описывающие их аббревиатуры. Для кнопочных устройств употребляются такие же сокращения. Если вы просматриваете каталог деталей, можете сверяться с этой таблицей, чтобы вспомнить, что обозначают сокращения.

Таблица 2.1

Рукоятки некоторых переключателей снабжены пружинами, вследствие чего они возвращаются в исходное положение сразу же, как только прекращается нажатие на них. Если сокращения «ВКЛ» или «ВЫКЛ» заключены в скобки, то это говорит о том, что вы должны удерживать переключатель в нажатом состоянии, чтобы он сохранял свое состояние.

Вот несколько примеров:

• ВЫКЛ-(ВКЛ). Поскольку состояние ВКЛ заключено в скобки, оно является кратковременным. Таким образом, это однополюсный переключатель, который создает контакт только тогда, когда вы нажимаете на него, и отскакивает обратно, чтобы разорвать контакт, когда вы его отпускаете.

Он называется также «нормально разомкнутым» переключателем без фиксации положения, сокращенно NO (normally open). Большинство кнопочных устройств работает именно так.

• ВКЛ-(ВЫКЛ). Вариант, который противоположен переключателю без фиксации положения. В нормальном состоянии он замкнут, и когда вы нажимаете на него, он размыкает соединение. Поэтому положение ВЫКЛ — кратковременное. Он называется также «нормально замкнутым» переключателем без фиксации положения, сокращенно NC (normally closed).

• (ВКЛ)-ВЫКЛ-(ВКЛ). Этот переключатель имеет центральное положение ВЫКЛ. Если вы переключаете его в любую сторону, то он создает кратковременный контакт, а затем возвращается в центральное положение, когда вы его отпускаете.

Возможны и другие варианты, например, ВКЛ- ВЫКЛ-(ВКЛ) или ВКЛ-(ВКЛ). Если помнить о том, что скобки указывают на кратковременность состояния, вы сможете понять, как будут вести себя такие переключатели.

 

Искрение контактов

Когда вы создаете и разрываете электрическое подключение, при этом обычно возникает искра. Искрение плохо сказывается на контактах переключателей. Контакты постепенно разрушаются и в конечном счете переключатель выходит из строя. Поэтому следует выбирать переключатель, рассчитанный на напряжение и силу тока, с которыми вы работаете.

В электрических схемах, описанных в этой книге, ток небольшой, а напряжение низкое, поэтому подойдет практически любой переключатель. Но если вы подключаете электродвигатель, то импульс тока в начальный момент не менее чем в два раза превосходит расчетный ток при нормальной работе. Так, например, для включения и выключения двухамперного электродвигателя потребуется четырехамперный переключатель.

 

Проверка переключателя

Проверить переключатель можно с помощью мультиметра. Например, легко выяснить, какие контакты подключаются, когда вы перемещаете рукоятку в то или иное положение. Мультиметр будет полезен также, если у вас есть кнопочное устройство, и вы не помните, какого оно типа: нормально разомкнутое (вы нажимаете на него, чтобы создать соединение) или нормально замкнутое (вы нажимаете на него, чтобы разорвать соединение).

При проверке переключателя будет удобно, если вы настроите мультиметр на прозвонку цепи.

Устройство подаст звуковой (или визуальный) сигнал, если обнаружит соединение, и ничего не будет делать при отсутствии соединения. На рис. 2.32 приведены примеры настройки различных мультиметров для прозвонки цепи. Вспомните, что символ, который в мультиметрах обозначает режим прозвонки цепи, уже встречался вам в главе 1 (см. рис. 1.7).

Рис. 2.32. Разные мультиметры, настроенные на прозвонку цепи

 

Эволюция коммутирующих устройств

Переключатели выглядят настолько неотъемлемой составляющей нашего мира, а их принцип работы так прост, что мы с легкостью забываем о том, что и они прошли процесс эволюции. Примитивные рубильники были вполне привычными устройствами для первооткрывателей электричества, поскольку им требовалось лишь подключение и отключение аппаратуры в лаборатории. Но когда стали развиваться телефонные системы, потребовался более сложный подход. Обычно оператору коммутационной панели было необходимо подключить одну пару из 10 000 линий. Как это можно было сделать?

В 1878 году Чарльз Э. Скрибнер (изображен на рис. 2.33) разработал переключатель «складной нож», названный так, потому что деталь, которую держал оператор, напоминала рукоятку складного ножа. Из него выступал штекер, и когда его вставляли в гнездо, возникало соединение. Гнездо, фактически, содержало контакты переключателя.

Рис. 2.33. Чтобы удовлетворить потребности коммутации в телефонных системах Чарльз Э. Скрибнер в конце XIX в. изобрел переключатель «складной нож». Современные аудиоразъемы работают по тому же принципу

Аудиоразъемы гитар и усилителей по-прежнему работают по этому принципу, и когда мы говорим о штекерах, то этот термин отсылает нас к изобретению Скрибнера. Контакты переключателя до сих пор монтируются внутри гнезда.

Сегодня коммутационные панели стали такой же редкостью, как и телефонные операторы. Вначале их заменили на реле — электрически управляемые переключатели, о которых мы поговорим далее в этой главе. А затем реле были вытеснены транзисторами, которые выполняют все без участия каких-либо движущихся деталей. В эксперименте 10 вы будете управлять электрическим током с помощью транзисторов.

 

Введение в электрические схемы

На рис. 2.34 я изобразил соединение компонентов с рис. 2.26 в упрощенной форме, называемой «электрической схемой». С этого момента и далее я буду изображать электрические цепи в виде схем, потому что с их помощью легче понять принцип действия соединения. Чтобы интерпретировать схемы, вам необходимо знать некоторые символы.

Рис. 2.34. Устройство с двумя переключателями перерисовано здесь в виде электрической схемы

На рис. 2.26 и 2.34 изображены одни и те же компоненты и соединения между ними. Зигзагообразный элемент на схеме — это резистор, символ с двумя стрелками — светодиод, а батарея изображена как два параллельных отрезка разной длины.

Большой треугольник в символе светодиода показывает ток условного направления, который протекает от плюса к минусу. Две диагональные стрелки сообщают о том, что данный диод является светоизлучающим (я вернусь к другим видам диодов позже). В символе батареи более длинный отрезок соответствует положительному полюсу источника питания.

Проследите путь, который электрический ток проходит по цепи, и представьте тумблеры, переключенные в то или иное положение. Теперь вы должны четко понимать, почему любой из переключателей будет переводить светодиод из выключенного состояния во включенное и наоборот.

На рис. 2.35 представлена та же схема с небольшими улучшениями. Линии сделаны прямыми, положительный полюс источника питания теперь находится слева вверху, а отрицательный полюс — справа внизу. На схемах, как правило, ток условного направления протекает сверху вниз, а сигналы определенного вида (например, входной аудиосигнал в усилителе) проходят слева направо. Построение схемы «сверху вниз» облегчает ее понимание.

Рис. 2.35. Схема рис. 2.34 приведена в соответствие с принятым стилем изображения

Важно уяснить то, что эти две схемы соответствуют одному и тому же устройству, даже если выглядят они по-разному. Имеет значение только тип компонентов и способ их соединения. Точное местоположение компонентов не важно.

Замечание

Электрическая схема не подскажет вам, где устанавливать компоненты. Она всего лишь сообщает о том, как их соединять.

Кстати, в вашем доме тоже, возможно, есть пример схемы, изображенной на рис. 2.35, когда два выключателя освещения расположены вверху и внизу лестничного пролета и любой из них можно использовать для включения и выключения света. Эта ситуация показана на рис. 2.36, на котором фазный и нейтральный провода сети переменного тока обозначены внизу слева. Провод под напряжением (фазный) — переключаемый, а нейтральный провод идет вдоль него к лампе (белый кружок со спиральной линией, которая обозначает нить накала старомодной лампы накаливания).

Рис. 2.36. Та же схема, что и на предыдущем рисунке, используется в домах для управления одним источником света с помощью двух переключателей

Единственная проблема, связанная с электрическими схемами, заключается в том, что некоторые условные графические обозначения не стандартизированы. Вы можете встретить несколько вариантов, которые означают одно и то же. Я буду объяснять их по мере появления.

 

Условные графические обозначения на электрических схемах

1. Переключатель. На рис. 2.37 показаны пять вариантов изображения важнейшего компонента — однополюсного переключателя на одно направление. В каждом случае полюс располагается справа, а контакт слева, хотя для переключателя такого типа (SPST) это не имеет большого значения. Для этой книги я выбрал вариант, где каждый переключатель обведен белым прямоугольником, который указывает на то, что две части переключателя представляют собой один компонент.

Рис. 2.37. Пять вариантов условного обозначения однополюсного переключателя на одно направление (SPST). Все они функционально идентичны

Рис. 2.38. Три варианта обозначения двухполюсного переключателя на два направления (DPDT)

На рис. 2.38 изображен более сложный вариант, двухполюсный переключатель на два направления. Пунктирная линия указывает на то, что оба сегмента переключателя движутся вместе, когда вы переключаете рукоятку, хотя каждый полюс и группа контактов изолированы друг от друга. Вариант обозначения, изображенный в центре рисунка, иногда встречается на больших схемах, где чертеж не позволяет расположить секции переключателя близко друг к другу. Каждая группа контактов обозначается аббревиатурой, заканчивающейся буквами А, В, С и т. д. При этом вы должны понимать, что все эти контакты находятся внутри одного переключателя.

2. Источник питания. Источник питания постоянного тока может обозначаться на схемах различными способами. На рис. 2.39 вверху изображены условные обозначения гальванического элемента и батареи. Короткая линия обозначает отрицательный полюс, длинная положительным. Традиционно одна пара линий обозначает один элемент на 1,5 В, две пары линий — элемент на 3 В и т. д. Но если в цепи присутствует источник высокого напряжения для электровакуумного прибора, составитель схемы обычно изображает пунктирную линию между элементами вместо нескольких десятков линий подряд.

Рис. 2.39. Различные варианты обозначения источника питания постоянного тока

Обозначение батареи чаще встречается на простых схемах, но обычно плюс и минус источника питания постоянного тока указывают отдельными символами, показанными в центре и внизу на рис. 2.39. Плюс указывают в одном месте схемы с помощью обозначения Vcc, Vcc, V+, +V или +V рядом с числом, которое обозначает напряжение. Изначально обозначение Vc относилось к напряжению на коллекторе транзистора. Обозначение Vcc — это напряжение питания для всей схемы, и теперь оно употребляется независимо от того, есть ли в схеме транзисторы. Многие люди произносят «вэ-цэ-цэ», не зная, откуда оно возникло.

На схемах в этой книге положительный полюс источника питания обозначен белым символом «плюс», заключенным в красный кружок.

Отрицательный полюс источника питания может быть обозначен любым символом, изображенным внизу на рис. 2.39. Он может называться «отрицательным заземлением» или попросту «заземлением». Поскольку многие компоненты могут быть совместно подключены к отрицательному потенциалу, вы можете встретить на схеме множество символов заземления. Это удобнее, чем рисовать линии, соединяющие все заземленные точки вместе.

В этой книге я решил использовать белый знак «минус», заключенный в синий кружок, потому что это интуитивно понятнее. Но такое обозначение не часто встречается на схемах.

Пока мы обсуждали устройства с батареей в качестве источника питания. В устройствах, которые подключаются к сетевой розетке, ситуация более сложная, потому что розетка имеет три разъема: находящийся под напряжением (фазный), нейтральный и заземляющий. На схемах источник переменного тока обычно обозначается так, как на рис. 2.40 слева. Рядом с символом часто указывают напряжение источника питания (в США это обычно 110,115 или 120 В). Символы, изображенные на рис. 2.40 справа, обозначают шину заземления (корпус, шасси) устройства, в котором установлены электронные компоненты.

Рис. 2.40. Условное обозначение источника переменного тока (слева) и шины заземления устройства, использующего переменный ток (справа)

Обратите внимание на то, что контакт заземления в розетке переменного тока в помещении на самом деле заземлен за пределами здания. Электронные устройства с металлическим корпусом, которые подключены к этому контакту, будут заземлены. В устройствах, питающихся от батареи, и где нет высокого напряжения, заземлять корпус «на землю» не требуется, но символ заземления может по-прежнему использоваться.

Замечание

В Великобритании заземленное устройство иногда называется «замкнутым на Землю» (earthed).

3. Резистор. Существуют лишь два варианта условного графического обозначения резисторов, они показаны на рис. 2.41. Символ слева принят в США, число рядом указывает сопротивление в омах. Как вариант, резисторы могут обозначаться символами Rl, R2, R3... с отдельным списком компонентов, в котором указаны их номиналы. Символ справа на рис. 2.41 применяется в Европе, в этом варианте число также обозначает номинал резистора в омах. Значение 220 Ом на этом рисунке было выбрано произвольно.

Рис. 2.41. Обозначение резистора в США (слева) и в Европе (справа)

Помните о том, что если значение сопротивления содержит десятичный разделитель, то европейцы заменяют его буквой К или М, в то время как номиналы меньше 1 кОм изображаются с помощью одной или нескольких цифр, следующих за буквой R.

4. Потенциометр. На рис. 2.42 символ слева употребляется в США, а символ справа — в Европе. В обоих символах стрелка обозначает движок потенциометра. Значение 470 Ом было выбрано произвольно.

Рис. 2.42. Слева обозначение потенциометра, принятое в США, справа — в Европе

5. Кнопка. На рис. 2.43 показаны три возможных обозначения кнопки. Эти символы представляют самый распространенный тип нормально разомкнутой кнопки или переключателя без фиксации положения, в которых при нажатии замыкаются два контакта, а при отпускании происходит размыкание цепи. В более сложных кнопках, где при нажатии замыкаются или размыкаются несколько контактов, может использоваться символ для многополюсного переключателя.

Рис. 2.43. Три варианта обозначения кнопки. Белый прямоугольник добавлен к обозначению только в этой книге для наглядности

6. Светоизлучающий диод (светодиод). На рис. 2.44 представлены четыре варианта обозначения светодиода. Все символы функционально одинаковы, независимо от наличия или отсутствия круга или закраски треугольника. В этой книге белый цвет внутри круга добавлен для наглядности и не используется где-либо еще. Для удобства составления схемы символ светодиода может быть развернут в любом направлении. Стрелки также могут указывать в любом направлении.

Рис. 2.44. Четыре варианта обозначения светодиода. Функционально они одинаковы

Я объясню другие разновидности условных обозначений далее в этой книге. А сейчас запомните главное:

• Расположение компонентов на схеме не влияет на ее функции.

• Стиль символов на электрической схеме не имеет значения.

• Соединения между компонентами исключительно важны.

 

Правила размещения компонентов

Ранее я упоминал, что на электрических схемах положительный полюс источника питания обычно показан в верхней части, а отрицательный — в нижней части схемы. Эта договоренность облегчает понимание того, как работает схема, но неудобна на практике, когда вы хотите собрать устройство, потому почти всегда вы будете начинать работу с макетной платы, которая диктует совсем другое геометрическое размещение компонентов.

Почти все книги по электронике, которые я видел, рекомендуют преобразовать исходную электрическую схему к тому виду, какой она должна быть на макетной плате. Поначалу это может оказаться непростым делом, и иногда способно затруднить изучение электроники. Поэтому все схемы в данной книге представлены рисунками, которые похожи на размещение компонентов на макете. Сказанное станет более понятным после того, как вы самостоятельно начнете работать с макетной платой в эксперименте 8.

В этом издании книги я решил следовать общепринятому стилю, который распространен во всем мире, несмотря на то, что я считаю его не таким наглядным, как старый стиль.

Возможно, вам интересно следующее — как нарисовать две пересекающиеся линии, если они соединены электрически? Ответ: использовать точку, и чтобы избежать путаницы, точка должна быть большой, а не просто незаметной точечкой. В нижней части рис. 2.45 показано, что я имею в виду. Из этого следует общее правило:

 

Пересечение проводов

Последняя тема, о которой я должен упомянуть в связи с электрическими схемами, касается способов изображения двух проводов, которые пересекают друг друга. В простых цепях, которые вы уже собирали, пересечений не возникало, но по мере усложнения схем проводам придется проходить друг над другом без образования электрического соединения. Как это можно изобразить на электрической схеме?

В первом издании этой книги я использовал стиль, в котором один провод, пересекающий другой, имел небольшой полукруглый выступ. На рис. 2.45 он называется «старым стилем». Я до сих пор предпочитаю такое обозначение, поскольку оно позволяет ясно увидеть, что провода не создают электрического соединения. Тем не менее, несколько десятилетий назад рисование подобного выступа стало проблемой, поскольку схемы теперь создавались не с помощью карандаша и чернил, а в графических программах. С этого момента «старый стиль» стал встречаться все реже.

Другой способ, названный «новым стилем» на рис. 2.45, показывает разрыв в одном из проводов на месте пересечения. Это сбивало с толку и с трудом могло быть выполнено программой автоматического черчения электрических схем. В итоге этот вариант также стал редкостью.

Сейчас наиболее широко распространен третий стиль, обозначенный как «общепринятый».

• Две пересекающиеся линии не свидетельствуют о наличии электрического соединения.

• Если линии пересекаются в месте, обозначенном точкой, то электрическое соединение присутствует.

Рис. 2.45. Различные стили для изображения соединенных и не соединенных пересекающихся проводов

Следует добавить еще одно замечание. Я полагаю, чтобы избежать путаницы, лучше отказаться от обозначения пересекающихся соединенных друг с другом проводников, показанных в самом низу на рис. 2.45. Более удачный вариант, приведенный чуть выше на этом рисунке, гарантирует уверенность в том, что пересекающие друг друга провода ни при каких условиях не образуют соединения.

 

Выделение цветом на схемах

Разве я говорил, что пересечения станут последней темой, касающейся электрических схем? На самом деле есть еще один нюанс. Поскольку мне не хотелось бы, чтобы вы путали плюс и минус источника питания, на схемах в дальнейшем я буду обозначать все положительные проводники красным, а отрицательные проводники или заземление — синим цветом. Судя по отзывам читателей, оказалось весьма полезным, когда я периодически применял данный прием ранее, и поэтому теперь я собираюсь использовать его постоянно.

Черный цвет более распространен для обозначения минуса/заземления (подобно черному проводу вашего мультиметра или черному проводу от разъема батареи). Но синий цвет тоже иногда встречается, и он хорошо различается визуально.

Просто имейте в виду, что схемы, которые вы встретите за пределами этой книги, не будут снабжены такой полезной условной раскраской. Все провода будут черными, и вам придется самостоятельно выяснять, какие из них подключены к источнику питания.

 

Следующий этап в вашем исследовании процесса управления электрическим током — это использование дистанционного переключателя. Под «дистанционным» я подразумеваю то, что он включается и выключается в ответ на сигнал, который вы ему посылаете. Такой компонент называется реле, оно передает команду из одной части схемы в другую.

Замечание

Как правило, реле управляется низким напряжением или слабым током и переключает более высокое напряжение или большой ток.

Реле - очень полезное устройство. Если, например, вы заводите автомобиль, то относительно небольшой, дешевый переключатель зажигания посылает сигнал по недорогому отрезку тонкого провода на реле, которое находится возле стартера двигателя. Реле запускает мотор через короткий, более толстый и более дорогой отрезок провода, способный выдержать ток свыше 100 ампер.

Аналогично, если вы во время отжима поднимаете крышку стиральной машины с вертикальной загрузкой, то замыкаете небольшой переключатель, который отправляет слабый сигнал по тонкому проводу к реле. Реле решает более серьезную задачу — отключает мощный электродвигатель, вращающий барабан, который полон мокрой одежды.

 

Что вам понадобится

• Батарея 9 В (1 шт.)

• Двухполюсное реле на два направления с напряжением срабатывания 9 В (2 шт.)

• Кнопка однополюсная, на одно направление (1 шт.)

• Тестовые провода с зажимами типа «крокодил» на концах (5 шт.)

• Обычный нож (1 шт.)

• Мультиметр (1 шт.)

 

Реле

У реле, которое я рекомендую вам исследовать, два штырька находятся с одной стороны и шесть — с другой. Последние сгруппированы в два ряда по три вывода, как показано на рис. 2.46 (где реле перевернуто и штырьки обращены кверху). Если вы купили два реле, то одно из них можете изучить более подробно, вскрыв корпус и ознакомившись с внутренним устройством. Если вы сделаете это очень аккуратно, реле будет пригодно к дальнейшему использованию. Если же нет, то у вас есть запасное.

 

Проблемы с полярностью

Некоторые реле очень требовательны к тому, как вы подаете напряжение на расположенную внутри катушку. Все функционирует хорошо, когда электрический ток протекает через катушку в одном направлении, но если вы поменяете местами подключения к плюсу и к минусу (другими словами, поменяете полярность), то реле перестанет работать.

В особенности раздражает, если в техпаспорте реле об этом четко не сказано. Реле, которые я рекомендую, не требуют соблюдения полярности. Смотрите раздел «Реле» ранее в этой главе.

Рис. 2.46. Первый эксперимент с реле

 

Порядок действий

Подключите тестовый провод и кнопку так, как показано на рис. 2.46 (учтите, что детали на этом рисунке изображены без соблюдения масштаба). Если вы нажмете кнопку, чтобы приложить 9 В к паре контактов реле, которые отделены от остальных, то должны услышать очень слабый щелчок. Отпустите кнопку, и вы услышите другой щелчок. Если ваш слух не настолько хорош, слегка коснитесь реле кончиком пальца, и тогда при щелчке вы почувствуете слабую вибрацию корпуса компонента.

Что же происходит внутри реле? Разобраться в этом поможет мультиметр. Настройте его на проверку целостности цепи и убедитесь в том, что он работает, соединив два щупа вместе. Если нет звукового сигнала, то либо вы неверно установили поворотный переключатель, либо села батарея, или же один из щупов вставлен в неправильное гнездо.

Рис. 2.47. Второй этап: прозвонка контактов реле

Теперь приложите щупы к контактам реле, как показано на рис. 2.47, и нажмите кнопку. При нажатии кнопки мультиметр должен подать сигнал.

Результат этого эксперимента свидетельствует о том, что при подаче напряжения на пару крайних (ближних к вам) выводов какие-то контакты, находящиеся внутри реле, замыкаются. Возможно, вам сложно держать щупы мультиметра у контактов и одновременно нажимать кнопку. В этом случае воспользуйтесь парой тестовых проводов, как показано на рис. 2.48. Один конец каждого провода зажмите на щупе мультиметра, а второй конец — на контакте реле, так ваши руки станут свободными.

Рис. 2.48. Вы можете удлинить щупа мультиметра тестовыми проводами, что бы освободить руки

Теперь попробуйте переключить красный тестовый провод с самого дальнего контакта реле на следующий свободный контакт. Вы обнаружите, что поведение мультиметра стало противоположным: он подает сигнал, когда кнопка отпущена, и перестает подавать сигнал, когда кнопка нажата.

 

Что происходит внутри

На рис. 2.49 показан «рентгеновский снимок» внутреннего устройства реле при нажатой кнопке. В нижней части реле находится катушка, создающая магнитное поле, которое перемещает пару подвижных внутренних контактов. В результате подвижный контакт, расположенный справа, оказался в таком положении, что контакты А и С замкнулись, поэтому мультиметр подал звуковой сигнал.

Вы можете поинтересоваться, почему катушка в реле отталкивает внутренний переключатель от себя. Причина в том, что внутри реле есть механизм, который преобразует тяговое усилие в толкающее. Вы сможете убедиться в этом, когда чуть позже мы доберемся до вскрытия реле.

Рис. 2.49. Расположение контактов внутри реле, когда кнопка нажата и мультиметр подает сигнал

На рис. 2.50 показано состояние деталей реле, когда кнопка не нажата. Ток через обмотку реле не проходит. Контакты переключателя находятся в противоположной позиции, контакты А и В разомкнуты, а В и С — замкнуты.

Рис. 2.50. Расположение контактов внутри реле, когда кнопка отпущена и мультиметр не подает сигнала

 

Другие типы реле

Я уверен, что описанные в предыдущих разделах функции контактов являются стандартными для реле такого размера, но иногда встречаются реле, работающие иначе. Например, в первом издании этой книги было описано реле, которое имело другие функции контактов.

Если вы впервые столкнетесь с двухполюсным реле на два направления (DPDT), как определить, что происходит внутри? Проще всего проверить различные пары контактов мультиметром, подавая при этом напряжение на катушку. Путем исключения можно выяснить, как соединены контакты.

Вы можете также заглянуть в технический паспорт, в котором должны быть схемы, подобные приведенным на рис. 2.21. Неужели это все, что вам нужно знать о реле? Нет, я рассказал пока только малую часть.

Существуют следующие типы реле:

• Реле с блокировкой, и это означает, что после снятия напряжения с обмотки внутренние переключатели остаются в какой-либо определенной позиции. Реле с блокировкой обычно имеют две катушки, чтобы двигать переключатели в каждом направлении. Я не использую их в этой книге.

• Некоторые реле имеют два полюса, некоторые только один; некоторые работают на два направления, а некоторые на одно.

• Одни катушки работают с переменным током, а другие — с постоянным; как я упоминал ранее, для некоторых реле требуется соблюдать полярность при подаче напряжения на обмотку.

Как всегда, необходимую информацию вы найдете в техническом паспорте на конкретный компонент.

На рис. 2.51 приведен ряд условных обозначений различных типов реле. Тип А — однополюсное, на одно направление. Тип В — однополюсное, на два направления. Тип С — однополюсное, на одно направление (реле изображено в стиле, который мне нравится: с белым прямоугольником, напоминающем, что детали объединены в единый компонент). Тип D — однополюсное, на два направления. Тип Е — двухполюсное, на два направления. Тип F — однополюсное, на два направления, с блокировкой.

Рис. 2.51. Различные условные обозначения реле

На условном обозначении реле внутренний переключатель всегда изображают в неактивном положении, когда питание на обмотку не подается, за исключением реле с блокировкой, где положение контактов переключателя произвольное.

Реле, которое мы исследуем, относится к классу слаботочных. Это означает, что оно не может переключать большие токи. Существуют мощные реле, способные коммутировать сильные токи. Очень важно выбрать реле, которое рассчитано на максимальный ток в вашей цепи (или выше), потому что перегрузка реле приведет к искрению и быстрому разрушению его контактов.

В последующих экспериментах вы узнаете некоторые возможности практического применения реле, например, в домашней системе безопасности. Перед тем как мы перейдем к этой теме, я покажу вам, как превратить реле в генератор, который гудит. Но, думаю, вначале следует заглянуть внутрь.

Рис. 2.52. Первый способ вскрытия реле (не рекомендуемый)

 

Вскрытие реле

Если вы хотите поскорее добиться результата, то можете вскрыть реле способами, показанными на рис. 2.52 и 2.53. Однако будет лучше, если вы используете самые обычные инструменты: канцелярский или хозяйственный нож.

На рис. 2.54 и 2.55 продемонстрирован прием, которым я обычно пользуюсь в подобных ситуациях. Вы срезаете края пластикового корпуса, скашивая их до тех пор, пока не увидите очень тонкую щель. Продвигаться дальше не следует, детали внутри расположены очень близко к лезвию ножа. Теперь отделите верхушку. Повторите этот процесс с оставшимися гранями корпуса, и если вы будете аккуратны, то реле предстанет в открытом виде, но будет по-прежнему работать, когда вы подадите питание на катушку.

Рис. 2.53. Второй способ вскрытия реле (абсолютно не рекомендуемый)

Рис. 2.54. Срез краев пластикового корпуса реле — первый шаг к его вскрытию (всегда режьте «от себя» и вниз к рабочей поверхности)

Рис. 2.55. Когда край срезан, вы сможете приподнять одну из граней корпуса

 

Что внутри?

На рис. 2.56 изображена упрощенная конструкция обычного реле. Катушка (А) притягивает рычаг (В). Пластиковый толкатель (С) выдвигается наружу к гибким металлическим ламелям и перемещает электроды (D) между контактами.

Рис. 2.56. Упрощенная конструкция реле

Эта конструкция немного отличается от той, которую я рекомендую для экспериментов в этой книге, но общий принцип такой же. Сравните этот рисунок с фотографией настоящего реле, которое я вскрыл (рис. 2.57).

Рис. 2.57. Реальный образец реле со снятым корпусом. Сторона квадрата сетки равна 2,5 см

Рис. 2.58. Различные реле на 12 В

На рис. 2.58 изображены реле различных размеров вместе со снятыми корпусами. Все они рассчитаны на срабатывание от 12 В постоянного тока. Автомобильное реле (крайнее слева) — самое простое и легкое для понимания, т. к. оно создано без особой заботы о компактности. Остальные реле сконструированы более замысловато, они сложнее устроены и их работу не так просто понять. Обычно, но не всегда, меньшие по размеру реле предназначены для переключения тока меньшей силы по сравнению с более крупными.

 

Параметры реле

Напряжение обмотки — это номинальное напряжение, которое следует подавать на обмотку реле от источника питания. Ток может быть постоянным или переменным.

Напряжение уставки — минимальное напряжение, которое необходимо, чтобы реле сработало. Это значение будет немного меньше, чем теоретическое напряжение обмотки. На практике реле, возможно, будет срабатывать и при меньшем напряжении, но указанный параметр сообщает вам минимальное значение, при котором устройство будет гарантированно работать.

Рабочий ток — ток через обмотку, когда реле подключено к источнику питания (обычно указывается в миллиамперах). Иногда указывают мощность, потребляемую обмоткой реле, в милливаттах.

Коммутационная способность — максимальное значение силы тока, при которой контакты внутри реле могут переключаться без повреждения. Обычно значение указывается для резистивной нагрузки, подразумевающей пассивное устройство, например, лампу накаливания. Когда вы используете реле для переключения электродвигателя, он создает индуктивную нагрузку, которая вызывает большой начальный импульс тока, прежде чем дойти до рабочей скорости вращения. Выключение двигателя создает обратный импульс. Если в техническом паспорте реле не указана возможность работы с индуктивной нагрузкой, то общее правило следующее — электродвигатель при запуске может потреблять в два раза больший ток в сравнении с рабочим значением.

 

 В предыдущих экспериментах для сборки схемы вы использовали тестовые провода с зажимами «крокодил» на концах, они давали вам два больших преимущества: цепь можно собрать очень быстро, и все соединения хорошо видны.

Однако рано или поздно вам придется познакомиться с более надежным, удобным, компактным и универсальным способом монтажа электронных компонентов, и теперь этот момент настал. Я имею в виду самое распространенное приспособление для моделирования: макетную плату.

В 40-х годах прошлого века макеты электронных схем собирали в основном на деревянных основаниях, которые выглядели как доска для нарезки хлеба. Провода и компоненты были прибиты, скреплены скобами или привинчены на свои места, потому это было гораздо проще, чем монтировать их на металлических шасси. Вспомните о том, что тогда пластика практически не было. (Окружающий мир без пластика — вы можете это представить?)

Сегодня термин «макетная плата» означает маленькую пластмассовую плитку размерами 5x17,5 см и толщиной не более 1,25 см, изображенную на рис. 2.10. Это удивительно быстрая и легкая система сборки компонентов. Единственная проблема — на макетной плате есть внутренние соединения между компонентами, которые не видны невооруженным глазом. Однако в дальнейшем я помогу вам справиться с этой проблемой.

Лучший способ изучить макетирование — это собрать какую-нибудь схему, к чему вы сейчас и приступите, продвинув предыдущий эксперимент с реле на один шаг вперед.

Рис. 2.59. Установка для исследования реле, смонтированная на макетной плате (вид сверху)

 

Что вам понадобится

• Батарея 9 В (1 шт.)

• Разъем для батареи (1 шт.)

• Макетная плата (1 шт.)

• Двухполюсное реле на два направления с напряжением срабатывания 9 В (1 шт.)

• Стандартный светодиод (2 шт.)

• Кнопка (1 шт.)

• Резистор номиналом 470 Ом (1 шт.)

• Конденсатор емкостью 1000 мкФ (1 шт.)

• Плоскогубцы, кусачки, инструмент для зачистки провода (по 1 шт.)

• Монтажный кабель, минимум двух цветов, отрезки не более 30 см каждый

 

Плата для начинающих

На рис. 2.59 изображена макетная плата с компонентами, установленными на ней.

Чтобы лучше понять, что на самом деле представляют собой эти компоненты, на рис. 2.60 показаны все схематические изображения, которые будут использоваться в книге далее на иллюстрациях макетных плат. Большинство из этих компонентов вам еще не встречалось, но вы можете возвращаться к этому рисунку, когда потребуется справочная информация.

На рис. 2.59 исследуемое реле расположено в центре макетной платы. Его штырьки не видны, когда вы смотрите сверху, потому что они вставлены в отверстия платы, находящейся под корпусом реле. Я показал их положение, чтобы вы знали, какой стороной должно быть развернуто реле (так, чтобы контакты катушки оказались внизу). Я также показал соединения, которые находятся внутри реле, просто чтобы напомнить вам, как они расположены. Контакты реле изображены в состоянии, когда напряжение на обмотке отсутствует.

Серый круглый объект — это кнопка, которую также называют тактильным переключателем. Я изобразил расположение ее контактов в «просвеченном» виде, чтобы вы знали, как они должны быть ориентированы.

Рис. 2.60. Представление компонентов на макетной плате

Два круглых объекта в левом верхнем углу платы — это светодиоды. Убедитесь в том, что длинный вывод каждого из них находится с той стороны, где нарисован символ «плюс».

Номинал резистора (компонент в правом верхнем углу платы) равен 470 Ом.

Три полоски (слева, сверху и справа относительно реле), которые выглядят как отрезки провода, в действительности являются перемычками, вставленными в плату. Моя следующая задача — рассказать вам, как их сделать.

 

Изготовление перемычек

Если вы приобрели комплект нарезанного монтажного провода разной длины с загнутыми выводами (т. е. готовый набор перемычек), то можете просто вставить их в нужные отверстия макетной платы, хотя цвет проводов может не совпадать с используемым мною.

Как было упомянуто ранее, я рекомендую изготавливать перемычки самостоятельно. Последовательность операций показана на рис. 2.61. Вначале снимите несколько сантиметров изоляции с отрезка монтажного провода. Чтобы сделать это, держите провод в левой руке (или в правой, если вы левша). В другую руку возьмите инструмент для зачистки провода. Зажмите инструмент так, чтобы он обхватил провод в отверстии, отмеченном на лезвии числом «22». Потяните инструмент от себя, он должен снять изоляцию. Если вам интересно, почему мы используем отверстие с отметкой «22», то это потому, что у вас провод 22-го калибра (диаметр 0,64 мм). По крайней мере, я надеюсь, что именно этот диаметр вы используете.

Дальше вы должны оценить, какой должна быть длина видимой части провода, когда он вставлен в плату. Я обозначу эту величину буквой X. Отмерьте X см изоляции, которая осталась на монтажном проводе. Протяните участок изоляции длиной X см, пока он не окажется в сантиметре от конца провода.

Рис. 2.61. Процесс изготовления перемычки

С помощью кусачек или лезвия, которым снабжен инструмент для зачистки кабеля, разрежьте провод на сантиметр дальше от участка изоляции длинной X см, который вы только что передвинули по проводу.

И наконец, используйте плоскогубцы, чтобы согнуть каждый конец провода точно под прямым углом и вставить его в плату. Минуточку - перемычка не совсем подходит? Если вы немного потренируетесь, то вскоре дойдете до такого уровня мастерства, что сможете на глазок с первой попытки делать перемычки правильной длины.

 

Подача электропитания

В заключение вам необходимо подать на макетную плату питание от батареи 9 В. Обратите внимание, что провода, прикрепленные к разъему для батареи, заканчиваются небольшими зачищенными паяными концами, которые можно вставить в отверстия платы. Если сразу у вас не получается, попробуйте вставить конец с помощью плоскогубцев. Иногда для этого придется снять с провода еще несколько миллиметров изоляции.

После того как вы вставите провода в макетную плату, присоедините разъем к батарее, как показано на рис. 2.59. Как только вы подадите питание на макетную плату, светодиод слева должен засветиться. Когда вы нажмете кнопку, переключатель внутри реле сработает и зажжется светодиод справа. Поздравляю! Вы только что собрали макет вашей первой экспериментальной установки. А теперь разберемся, как соединены компоненты на макетной плате и почему все работает.

 

Конструкция макетной платы

На рис. 2.62 показаны соединительные проводники из медных полосок, которые скрыты внутри макетной платы. Отверстия платы изображены в виде маленьких квадратиков. Вывод компонента, вставленный в отверстие платы, оказывается соединенным с проводниками внутри нее.

Каждый из двух длинных вертикальных проводников называется шиной. Такая шина удобна для подачи питания на элементы устройства, поскольку проходит по всей длине платы, и положительные и отрицательные клеммы источника питания обычно соединены с этими шинами.

Замечание

В этой книге я все время подключаю положительный полюс источника питания к левой (на рисунке) шине, а отрицательное заземление — к правой.

Важный момент, на который следует обратить внимание: в каждой шине есть два разрыва. Не все макетные платы имеют эту особенность, но многие. Это позволяет вам использовать несколько источников питания, подавая различное напряжение к разным участкам платы. На практике такое встречается не часто, и разрывы в шинах раздражают, потому что вы можете забыть об их существовании. Когда вы собираете схему, которая продолжается до нижней части платы, то можете обнаружить «таинственное» отсутствие питания примерно на половине схемы, и в конечном счете, вспомните, что забыли добавить перемычки, соединяющие разрывы в шинах питания. При необходимости я буду напоминать вам об этом нюансе.

Рис. 2.62. Конфигурация медных соединительных проводников макетной платы

 

Соединение компонентов схемы с реле

На рис. 2.63 изображены и компоненты, установленные на плате, и медные дорожки, спрятанные внутри макетной платы. Они образуют соединения между компонентами, вставленными в макетную плату. Электрический ток проходит по извилистому пути, но сопротивление медных проводников настолько мало, что длина этого пути не имеет значения.

Возможно, схему будет легче понять, если спрятать медные дорожки, которые не задействованы, и оставить только те, которые являются частью схемы, как показано на рис. 2.64.

Рис. 2.63. Компоненты, установленные на макетной плате, соединены внутри нее медными проводниками

 Рис. 2.64. Незадействованные внутренние проводники макетной платы здесь скрыты

Рис. 2.65. Электрическая схема, соответствующая макету устройства

Теперь посмотрим на электрическую схему того же устройства, изображенную на рис. 2.65. Здесь я начертил схему, напоминающую макет, чтобы подчеркнуть их сходство. Далее в этой книге я буду больше опираться на электрические схемы и полагаю, что вы сможете самостоятельно создать компоновку макетных плат. Но пока я немного повременю с этим.

Может быть вам непонятно, почему здесь для защиты двух светодиодов использован лишь один резистор номиналом 470 Ом. Это объясняется тем, что в любой момент времени включен только один из светодиодов.

 

Как добиться жужжания

Теперь изменим схему, чтобы сделать функционирование устройства более интересным. Посмотрите на новую схему, изображенную на рис. 2.66, и сравните ее с предыдущим вариантом на рис. 2.65. Видите отличие? В предыдущей версии кнопка, включающая катушку, была соединена напрямую с источником 9 В. В новой схеме кнопка получает питание от нижнего контакта реле. Подумайте, к какому эффекту это приведет?

Рис. 2.66. На этой модифицированной схеме напряжение к кнопке подается через нижний контакт реле

На рис. 2.67 показано, как вы можете адаптировать макет установки в соответствии с новой схемой. Все, что вам потребуется сделать, — это развернуть кнопку на 90 градусов и добавить перемычку (на рисунке она находится слева от реле) для соединения с тем же контактом реле, который подает питание на светодиод, расположенный слева.

Нажмите кнопку (ненадолго). Замечаете, что происходит? Реле издает жужжание. Если вы не слышите звук, прикоснитесь к реле и ощутите вибрацию.

Теперь разберемся, почему возникает такой эффект. В неактивном состоянии подвижный контакт переключателя внутри реле прижат к нижнему неподвижному контакту. Положительное напряжение поступает на светодиод, расположенный слева, а также на кнопку. Следовательно, когда вы нажимаете кнопку, питание подается на обмотку реле. Внутренний подвижный переключатель перемещается вверх, но как только это произойдет, соединение источника питания с обмоткой будет разорвано и она обесточится. В результате переключатель вернется обратно в неактивное положение. Но при этом снова подается питание на катушку, и поэтому цикл повторяется. Таким образом, подвижный контакт реле колеблется между двумя состояниями.

Рис. 2.67. Макет устройства изменен в соответствии с новой схемой

Поскольку вы используете маломощное реле, оно включается и выключается очень быстро. Фактически, подвижный контакт реле совершает около 20 колебаний в секунду (слишком быстро для светодиодов, чтобы показать, что происходит на самом деле).

Внимание!

Когда реле работает в режиме колебаний, контакты могут быстро обгореть и разрушиться. Ток через кнопку при этом оказывается тоже немного больше допустимого. Поэтому не держите кнопку нажатой слишком долго!

Чтобы уменьшить нагрузку на компоненты, необходимо замедлить происходящие процессы, т.е. уменьшить частоту колебаний. Мы добьемся этого с помощью конденсатора.

 

Добавляем емкость

Параллельно катушке реле подключите электролитический конденсатор емкостью 1000 мкФ, как показано на рис. 2.68, убедившись в том, что короткий вывод конденсатора соединен с отрицательной шиной схемы; в противном случае он не будет работать. На корпусе конденсатора обычно присутствует символ «минус», обозначающий отрицательную обкладку. На рис. 2.68 я использовал символ «плюс», потому что он более заметен, чем минус, кроме того, мне хотелось бы придерживаться того же стиля, как и для светодиодов.

Внимание!

Подача напряжения неверной полярности на электролитический конденсатор очень опасна. Это может привести даже к взрыву компонента. Всегда тщательно проверяйте полярность при использовании электролитических конденсаторов.

Рис. 2.68. Наличие конденсатора большой емкости замедлит работу схемы

Теперь при нажатии на кнопку вместо жужжания реле будет периодически щелкать.

Конденсатор похож на маленький перезаряжаемый аккумулятор. Его емкость настолько мала, что конденсатор заряжается за долю секунды, до того как реле успеет разомкнуть свою нижнюю пару контактов. Затем, когда контакты разомкнуты, конденсатор отдает накопленный заряд реле (и светодиоду, расположенному слева). При этом в течение некоторого времени на катушку реле подается питание. После того как конденсатор исчерпает свой запас электроэнергии, реле переходит в неактивное состояние и процесс повторяется.

Во время этого процесса конденсатор периодически заряжается и разряжается.

Отключите правый светодиод и вы увидите, что светодиод, находящийся слева, периодически включается и выключается, постепенно угасая по мере уменьшения напряжения конденсатора.

Поскольку в процессе заряда конденсатор потребляет повышенный ток, ваша кнопка может перегреваться, если в эксперименте вы удерживаете ее в нажатом состоянии слишком долго.

 

Единица измерения емкости

Способность конденсатора накапливать энергию измеряется в фарадах, которые обозначаются прописной буквой Ф. Эта единица измерения названа в честь Майкла Фарадея, еще одного первопроходца в исследовании электричества.

Фарад — это довольно крупная единица измерения, которая делится на микрофарады (сокращенно мкФ, 1 микрофарад равен 1/1000000 фарада), нанофарады (нФ, 1 нанофарад равен 1/1000 микрофарада) и пикофарады (пФ, 1 пикофарад равен 1/1000 нанофарада). В США нанофарад используется реже, чем в Европе. Вместо этого номинал может выражаться с помощью пикофарад и долей микрофарада.

Пересчет единиц емкости приведен в табл. 2.2.

Таблица 2.2

 

Конденсаторы-убийцы

Если конденсатор большой емкости заряжен высоким напряжением, он может удерживать это напряжение в течение нескольких минут и даже часов. Так как схемы в этой книге питаются от низковольтного источника, вы можете не беспокоиться по этому поводу. Но если вы настолько безрассудны, что откроете старый телевизор и начнете копаться внутри (чего я настоятельно не рекомендую), с вами может случиться неприятный сюрприз. Конденсатор большой емкости может убить вас так же легко, как если бы вы засунули пальцы в электрическую розетку.

 

Устройство конденсатора

Внутри конденсатора нет электрического соединения. Два его вывода соединены внутри с обкладками, которые находятся на небольшом расстоянии друг от друга и разделены изолирующим веществом — диэлектриком. Как следствие, постоянный ток не может проходить через конденсатор. Тем не менее, если вы подключите конденсатор к источнику питания, он начнет заряжаться, как показано на рис. 2.69, потому что заряд на одной пластине притягивает противоположный заряд на другой пластине.

В современных конденсаторах обкладки представляют собой полосы очень тонкой гибкой металлической пленки.

Рис. 2.69. Конденсатор, подключенный к источнику постоянного напряжения, будет накапливать одинаковые по величине и противоположные по знаку заряды

Есть два основных вида конденсаторов: керамические (обычно небольшой емкости, для накопления относительно малого заряда) и электролитические (которые могут иметь гораздо большую емкость). Электролитические конденсаторы обычно выглядят как миниатюрные «баночки» и могут быть любого цвета, хотя наиболее распространены черные. Старые керамические конденсаторы часто имеют форму диска, более современные похожи на маленькие шарики.

Керамические конденсаторы не имеют полярности, и это означает, что вам не нужно беспокоиться о том, как подсоединять их выводы к схеме. Электролитические требуют соблюдения полярности и не будут работать, если подключить их неправильно.

Условное обозначение конденсатора содержит две линии, представляющие собой две пластины внутри него. Если обе линии прямые, то конденсатор неполярный — его выводы можно подключать произвольно. Если одна линия изогнута, то эта обкладка конденсатора должна быть более отрицательной, чем другая. Иногда полярность обкладок конденсатора обозначают на схеме знаком «+». Эти варианты показаны на рис. 2.70.

Символ с изогнутой пластиной теперь встречается редко. Предполагается, что если у вас электролитический конденсатор, то вы разберетесь, как подключить его правильно. К тому же стали доступны многослойные керамические конденсаторы с более высокими номиналами, и они могут заменить электролитические.

Рис. 2.70. Условные графические обозначения неполярного и полярного конденсаторов

Замечание

На электрических схемах в этой книге будет использоваться только символ неполярного конденсатора. Какой конденсатор выбрать — керамический или электролитический, решайте самостоятельно.

На иллюстрациях макетных плат будут изображены электролитические конденсаторы там, где вы, как я полагаю, будете их использовать. Их можно заменить соответствующими по номиналу керамическими конденсаторами.

 

Соблюдайте полярность конденсаторов!

В самых распространенных электролитических конденсаторах используются алюминиевые пластины. В конденсаторах других типов обкладки содержат тантал или ниобий. Все эти конденсаторы очень чувствительны к полярности прикладываемого напряжения. Вот характерный пример: танталовый конденсатор был вставлен в макетную плату и неправильно подключен к источнику питания, обеспечивающему большой ток. Через минуту или около того конденсатор вздулся и взорвался, а разлетевшиеся горящие кусочки прожгли макетную плату (рис. 2.71).

Мораль такова: соблюдайте полярность!

Рис. 2.71. Последствия неправильного включения танталового конденсатора в цепь с мощным источником питания

 

Поиск неисправностей

По мере того как вы будете собирать на макетной плате все больше цепей, схемы будут усложняться, и более вероятными станут ошибки. Никто от них не застрахован.

Одна из распространенных ошибок макетирования — подключение провода к неправильному ряду макетной платы. Ее особенно легко допустить, когда у вас такой компонент, как реле, где контакты скрыты. При монтаже я обычно еще раз вытаскиваю этот компонент, проверяю заново и вставляю обратно, чтобы твердо убедиться в правильности подключения.

Более сложная ошибка возникает, когда вы забываете о соединениях, созданных внутренними проводниками макетной платы. Посмотрите на рис. 2.72. Казалось бы, что может быть проще? Очевидно, что ток протекает от положительной шины источника питания через светодиод, перемычку, а затем через резистор к отрицательной шине. Но если вы соберете компоненты так, как показано на этом рисунке, я абсолютно точно гарантирую вам, что устройство работать не будет.

Рис. 2.72. Эта схема, собранная на макетной плате, не будет работать. Догадайтесь, почему?

Ситуация ухудшится, если вы поменяете местами резистор и светодиод. Теперь при подаче питания светодиод сразу же перегорит.

Рис. 2.73. «Просвеченный» вид помогает объяснить, почему схема не будет работать

Все становится очевидным, когда вы посмотрите на рис. 2.73. Проблема в том, что оба вывода светодиода подключены к одному и тому же внутреннему проводнику монтажной платы. У электрического тока есть возможность пройти через светодиод или же в обход по медной дорожке, а поскольку сопротивление дорожки составляет крошечную часть от сопротивления светодиода, большинство электронов предпочтет двигаться по медному проводнику и светодиод останется выключенным.

При сборке макетов возможны и многие другие ошибки. Как найти их наиболее быстро и эффективно? Главное — действовать в определенной последовательности. Попробуйте придерживаться такого алгоритма поиска неисправности:

1. Проверьте напряжение. Прикрепите красный провод мультиметра к положительной шине на вашей макетной плате. Настройте мультиметр на измерение напряжения в вольтах (постоянного тока, если эксперимент не предусматривает другого). Убедитесь в том, что питание подано. Теперь поочередно касайтесь черным щупом мультиметра различных точек отрицательной шины. Показания мультиметра должны быть близки к напряжению источника питания. Если вы обнаружите почти нулевое значение, то, возможно, вы забыли вставить перемычку, чтобы соединить разрыв проводников в отрицательной шине. Если прибор покажет значение напряжения, которое существенно ниже, чем напряжение источника питания, то, вероятно, в схеме есть короткое замыкание, которое снижает напряжение батареи (если вы используете батарею).

Теперь прикрепите черный щуп к отрицательной шине и проверьте положительную шину сверху донизу.

Наконец, пока черный щуп прикреплен к отрицательной шине, красным щупом проверьте напряжение в произвольных точках цепи. Если вы обнаружите напряжение, близкое к нулю, то, возможно, где-либо нарушено соединение или же контакт между выводом компонента и внутренним проводником макетной платы.

2. Проверьте размещение компонентов.

Убедитесь, что все перемычки и выводы компонентов находятся там, где они должны быть на макетной плате.

3. Проверьте ориентацию компонентов.

Диоды, транзисторы и полярные конденсаторы должны быть установлены и подсоединены правильно. Когда вы начнете работать с микросхемами, далее в этой книге, всегда проверяйте, правильно ли они расположены, а также следите, чтобы ни один из выводов микросхемы не согнулся и не оказался под корпусом компонента.

4. Проверьте соединения. Иногда (редко, но бывает) соединение вывода компонента с внутренним проводником макетной платы может оказаться ненадежным. Если у вас время от времени возникает непонятное короткое замыкание или случайно пропадает напряжение, попробуйте изменить расположение некоторых компонентов. Исходя из своего опыта, скажу, что такая проблема возникает при покупке дешевых макетных плат. Вероятность плохого контакта возрастает, если вы используете провод, диаметр которого меньше провода 22-го калибра (диаметр 0,64 мм). (Помните о том, что больший номер калибра означает более тонкий провод.)

5. Проверьте номиналы компонентов.

Проверьте правильность номиналов всех резисторов и конденсаторов. Моя стандартная процедура — перед подключением проверить каждый резистор мультиметром. На это потребуется время, которое в конечном итоге окупится при поиске ошибок.

6. Замените неисправные компоненты.

Интегральные схемы и транзисторы могут выйти из строя от неправильного напряжения, несоблюдения полярности или от статического электричества. Всегда держите запчасти под рукой, чтобы быстро выполнить замену.

7. Сделайте перерыв. Когда все остальное не принесло результатов, сделайте перерыв. Увлеченность работой в течение долгого периода времени может привести к сужению восприятия, которое мешает вам увидеть неисправность. Если вы ненадолго переключите ваше внимание на что-либо другое, а затем вернетесь к проблеме, то ее решение может внезапно стать очевидным.

Совет

Возможно, не помешает сделать закладку на этот перечень действий при поиске неисправностей, чтобы вернуться к нему позже, когда что-то не работает.

 

Майкл Фарадей и конденсаторы

Как я уже упоминал ранее, фарад назван в честь Майкла Фарадея (рис. 2.74). Этот англичанин изучал химию и физику и жил с 1791 по 1867 год.

Хотя Фарадей был не слишком образован и имел слабые познания в математике, в течение семи лет, пока он работал в качестве ученика переплетчика книг, у него была возможность прочесть множество различных книг, и таким образом ему удалось заниматься самообразованием. Кроме того, он жил в то время, когда относительно простые эксперименты позволяли раскрыть фундаментальные свойства электричества. Он сделал крупные открытия (в том числе открыл электромагнитную индукцию), которые привели к разработке электродвигателей. Он также обнаружил, что магнитное поле способно отклонять лучи света.

Рис. 2.74. Майкл Фарадей, в честь которого названа единица измерения емкости

Его работа отмечена множеством наград, а его портрет был нанесен на английские банкноты номиналом 20 фунтов стерлингов с 1991 по 2001 год.

 

Электроны перемещаются практически со скоростью света, но мы, тем не менее, можем с их помощью измерять время в секундах, минутах или даже в часах. Описанный далее эксперимент покажет вам, как это сделать.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент снятия изоляции, тестовые провода, мультиметр

• Батарея 9 В и разъем (1 шт.)

• Кнопки (2 шт.)

• Обычный светодиод (1 шт.)

• Резисторы на 470 Ом, 1 кОм, 10 кОм (по 1 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, 1 мкФ, 10 мкФ, 100 мкФ, 1000 мкФ (по 1 шт.)

 

Заряд конденсатора

Вначале настройте мультиметр на измерение постоянного напряжения в вольтах и измерьте разность потенциалов на клеммах 9-вольтовой батареи. Если оно меньше 9,2 В, то для этого эксперимента придется взять свежую батарею.

Установите на макетную плату две кнопки, резистор номиналом 1 кОм и конденсатор емкостью 1000 мкФ, как показано на рис. 2.75. С помощью тестовых проводов подключите мультиметр так, чтобы вы могли измерить напряжение на выводах конденсатора и при этом ваши руки оставались свободными.

Присоедините разъем к батарее и вставьте питающие провода в крайние отверстия, соединенные с двумя шинами макетной платы, расположив положительный провод слева, как показано на рис. 2.75.

Если мультиметр показывает больше, чем 0,1 В, разрядите конденсатор, нажав кнопку В, которая накоротко замкнет обе обкладки конденсатора.

После этого нажмите кнопку А и засеките на часах, будильнике или смартфоне, за сколько секунд конденсатор зарядится до напряжения 9 В. Если у вас мультиметр с автоматическим выбором диапазона, он должен сам переключиться с начального значения в милливольтах на вольты по мере увеличения заряда. Когда я проводил этот эксперимент, измерение заняло чуть более трех секунд.

Рис. 2.75. Простая установка для измерения времени заряда конденсатора. Емкость конденсатора равна 1000 мкФ, номинал резистора — 1 кОм

На рис. 2.76 изображена схема описанного устройства, которая поможет вам понять, как все работает.

Рис. 2.76. Электрическая схема установки, изображенной на рис. 2.75

Положительная обкладка конденсатора стала «более положительной», а его отрицательная обкладка стала «более отрицательной», поскольку положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу на пластинах конденсатора. Разность потенциалов на выводах конденсатора возросла, хотя ток через него не проходит. Одно из первых утверждений, которые вы встретите при чтении популярных книг по электронике, гласит: конденсатор не пропускает постоянный ток.

Пока вы подаете на конденсатор неизменный во времени электрический потенциал, это утверждение остается верным.

 

Резистивно-емкостная цепочка

Выньте резистор 1 кОм и замените его резистором 10 кОм. Если мультиметр показывает вам, что на конденсаторе есть остаточное напряжение, разрядите его, нажав кнопку В. После этого повторите тест. Зафиксируйте, насколько долго конденсатор заряжается до 9 В через резистор номиналом 10 кОм.

Описанное простое сочетание конденсатора и резистора называется резистивно-емкостной цепочкой (или RC-цепочкой, R — резистор, С — конденсатор). Это очень важное понятие в электронике. Прежде чем я объясню, что она делает, вот несколько вопросов для размышления:

• Точно ли в 10 раз дольше заряжался конденсатор до напряжения 9 В при замене резистора номиналом 1 кОм на резистор 10 кОм?

• Постоянной ли была скорость роста напряжения на конденсаторе или же оно увеличивалось быстрее в начале эксперимента (или, наоборот, ближе к окончанию)?

• Как вы считаете, если подождать достаточно долго, сможет ли напряжение на конденсаторе достичь напряжения батареи?

 

Напряжение, сопротивление и емкость

Представьте, что резистор — это вентиль, ограничивающий поток воды, а конденсатор — это резиновый шарик, который вы пытаетесь наполнить (рис. 2.77). Если вы закроете вентиль до такой степени, что вода просачивается по каплям, шарик будет заполняться очень долго. Но небольшой поток воды все же может наполнить емкость, если вы подождете достаточно долго. Если предположить, что шарик не лопнет, процесс закончится, когда давление внутри шарика сравняется с давлением воды в трубе, которая подает воду через вентиль.

Но здесь упущен из виду один важный фактор. По мере того как шарик наполняется, оболочка растягивается, оказывая большее давление на его содержимое. С увеличением давления внутри шарика оно выталкивает входящий поток воды. Следовательно, мы можем ожидать, что с течением времени вода будет заполнять резервуар все медленнее.

Рис. 2.77. Воду, наполняющую резиновый шарик, можно сравнить с поступающими в конденсатор электронами

Как это соотносится с электронами, стремящимися в конденсатор? Концепция аналогична. Сначала электроны стремительно поступают, но по мере заполнения пространства новоприбывшим требуется больше времени на поиск свободного места. Процесс заряда становится все медленнее и медленнее. На самом деле, напряжение на конденсаторе теоретически никогда не сравняется с подаваемым на него напряжением.

 

Постоянная времени

Скорость, с которой заряжается конденсатор, зависит от параметра, известного как «постоянная времени». Определение очень простое:

ТС = R × С

Здесь ТС — постоянная времени, в секундах, если конденсатор с номиналом С (измеряемым в фарадах) заряжается через резистор с номиналом R (в омах).

Вернемся к схеме, которую вы тестировали вначале, используя резистор номиналом 1 кОм. Можно подставить номиналы компонентов в формулу для постоянной времени, только при этом следует перевести единицы измерения в омы и фарады. Так, 1 кОм равен 1000 Ом, а 1000 мкФ — это 0,001 фарада. Поэтому получить результат проще простого:

ТС = 1000 × 0,001

Следовательно, для таких номиналов резистора и конденсатора ТС = 1 с.

Но что означает полученный результат? Значит ли это, что конденсатор будет заряжен полностью за одну секунду? К сожалению, не все так просто.

На самом деле постоянная времени ТС — это время (в секундах), необходимое конденсатору для того, чтобы напряжение на нем составило 63% от подаваемого напряжения, если заряд начался с нулевого напряжения.

А что если конденсатор заряжается не с нуля? Если мы начинаем измерения после того как конденсатор уже приобрел некоторое напряжение, определение становится немного сложнее. Если VDIF — это разность между напряжением конденсатора и подаваемым напряжением, то ТС — это интервал времени (в секундах), необходимый для добавления 63% величины VDIF к его текущему значению.

Замечание

Почему 63%? Почему не 62? Или 64? Или 50? Ответ на этот вопрос слишком сложен для данной книги, и вам придется почитать о постоянных времени где-либо еще, если вы захотите узнать больше. Приготовьтесь к изучению дифференциальных уравнений.

Для простоты используем такую аналогию. На рис. 2.78 вы видите лакомку, которому достался вкусный торт. Вначале наш гурман очень голоден, и поэтому он отрезает 63% от торта и съедает этот кусок за одну секунду — это его «постоянная времени» поедания торта. Во второй заход он берет 63% от оставшегося торта; а поскольку он уже не настолько голоден, ему требуется еще одна секунда (помните о том, что это его постоянная времени). В третий раз он опять отрезает 63% от остатка и снова поедает его за секунду. И так далее. Желудок постепенно наполняется тортом, подобно тому, как конденсатор наполняется электронами. Но он никогда не съест весь торт, потому что всегда берет только 63% от остатка.

На рис. 2.79 этот процесс показан еще одним способом. По истечении каждой константы времени (которая равна 1 секунде, если у нас конденсатор емкостью 1000 мкФ и резистор 1 кОм) конденсатор получает 63% разности между текущим напряжением и напряжением, подаваемым от источника питания.

Рис. 2.78. Если съедать только 63% торта, оставшегося на тарелке, то желудок наполняется так же, как заряжается конденсатор. Не имеет значения, как долго будет продолжаться трапеза, — торт никогда не кончится, а желудок никогда не будет полностью заполнен

Рис. 2.79. Другой взгляд на процесс заряда конденсатора

В мире идеальных компонентов процесс заряда будет продолжаться бесконечно. Но в реальных условиях мы считаем, что по истечении временного интервала, равного пяти постоянным времени, заряд конденсатора приблизится к 100%, и можно считать процесс завершенным.

 

График заряда конденсатора

Мне хотелось бы начертить график, показывающий напряжение на обкладках конденсатора по мере его заряда. Чтобы сделать это, я рассчитаю необходимые значения с помощью формулы для постоянной времени.

Предположим, VCAP — это напряжение на конденсаторе в данный момент, a VDIF — разность между текущим напряжением на конденсаторе и напряжением питающей батареи. Приведенная далее формула даст ответ на вопрос, каким будет новое напряжение конденсатора по прошествии одной постоянной времени. Обозначим это новое напряжение как VNEW. Формула выглядит следующим образом:

Величина 0,63 означает то же, что и 63%.

Предположим, батарея выдает ровно 9 В, а конденсатор начал заряжаться с нулевого напряжения. Итак, VCAP = 0, a VDIF = 9. Подставим эти значения в формулу:

V NEW = 0 + (0,63 × 9)

Расчет на калькуляторе дает 0,63 × 9 = 5,67. Поэтому по истечении одной постоянной времени (одной секунды с резистором номиналом 1 кОм и конденсатором емкостью 1000 мкФ) на конденсаторе будет напряжение 5,67 В.

А что будет в следующую секунду? Необходимо повторить вычисления, подставив новые значения. Теперь текущее напряжение конденсатора, VCAP, равно 5,67. Батарея по-прежнему выдает 9 В, поэтому значение VDIF = 9 - 5,67 = 3,33. Подставим эти значения в ту же формулу:

V NEW = 5,67 + (0, 63 × 3,33)

Калькулятор подсказывает, что произведение 0,63 на 3,33 составляет около 2,1. А 2,1 плюс 5,67 даст 7,77. Значит, после второй секунды напряжение на конденсаторе будет равно 7,77 В.

Многократно повторив аналогичные вычисления, получим последовательность чисел, подобную приведенной далее (с округлением до сотых). Значения будут соответствовать напряжению на конденсаторе в конце каждой секунды, при условии что напряжение источника питания равно 9 В:

После 1 секунды: 5,67 В

После 2 секунды: 7,77 В

После 3 секунды: 8,54 В

После 4 секунды: 8,83 В

После 5 секунды: 8,94 В

После б секунды: 8,98 В

График на рис. 2.80 был получен путем построения гладкой кривой через эти расчетные точки. Наибольшее значение по оси абсцисс составляет 6 секунд, поскольку при этом напряжение на конденсаторе вплотную приблизилось к 9 В.

Рис. 2.80. График иллюстрирует процесс заряда конденсатора с течением времени

 

Экспериментальное подтверждение

В предыдущем разделе я рассказал вам, как рассчитать напряжение на конденсаторе при его заряде через резистор. Но как подтвердить, что я прав? Должны ли вы верить мне на слово?

Возможно, вы захотите проверить все самостоятельно. Другими словами, необходимо экспериментальное подтверждение, которое является важной частью процесса «Изучения через открытия».

Вернитесь к нашей предыдущей схеме и убедитесь, что номинал резистора равен 10 кОм, а не 1 кОм. Попросите кого-нибудь сесть рядом с вами, чтобы следить за временем, пока вы наблюдаете за дисплеем вашего мультиметра, показывающим значение в вольтах. Каждые 10 секунд ваш помощник подает команду, и вы в этот момент записываете показания мультиметра. Выполняйте все это в течение минуты.

Поскольку у вас резистор 10 кОм, а не 1 кОм, постоянная времени теперь составляет 10 секунд, а не одну. Поэтому ваши показания должны выглядеть как ряд напряжений, который я привел ранее с интервалами в 1 секунду (см. рис. 2.80), но теперь интервалы будут 10-секундными.

Ваши значения напряжения должны быть близки к моим, но не будут совпадать в точности. Почему? Есть множество причин.

• Ваша батарея не обеспечивает такое же напряжение, что и моя.

• Номинал вашего резистора не равен в точности 10 000 Ом.

• Емкость вашего конденсатора не точно 1000 микрофарад.

• Ваш мультиметр имеет погрешность.

• Вам требуется несколько микросекунд, чтобы снять показания мультиметра.

• Ваш помощник мог давать команду не в точности каждые 10 секунд.

Есть еще два фактора, о которых я не упомянул. Во-первых, конденсаторы сохраняют электрический заряд не идеально. Они обладают утечкой, из-за которой заряд постепенно убывает. Это происходит даже тогда, когда конденсатор набирает заряд. Ближе к концу процесса заряда электроны перетекают так медленно, что утечка (скорость, с которой они уходят обратно) становится существенной в сравнении с зарядкой.

Кроме того, ваш мультиметр имеет некоторое внутреннее сопротивление. Оно очень большое, но все же не бесконечное. Это значит, что мультиметр «крадет» небольшое количество заряда от конденсатора, пока вы измеряете напряжение. Да, сам процесс проведения измерений изменяет значение, которое вы пытаетесь определить! Это, на самом деле, очень распространенная проблема в физике и инженерном деле.

Я могу представить способы минимизации всех перечисленных факторов, но не знаю средства, позволяющего устранить их полностью. Всегда будет присутствовать некоторая экспериментальная погрешность. И ее приходится учитывать, когда вы проводите эксперимент, чтобы подтвердить теорию. Подтверждение может быть очень долгим процессом, требующим значительного терпения — именно поэтому теоретиками являются, как правило, одни люди, а экспериментаторами — совсем другие.

 

Емкостная связь

Теперь, когда я рассказал вам о том, как конденсаторы заряжаются и разряжаются, вернемся к ранее сделанному утверждению: «конденсатор не пропускает постоянный ток».

Возможно, вы помните, что я также сказал «пока вы подаете на конденсатор неизменный во времени электрический потенциал, это утверждение остается верным».

Но что если этот электрический потенциал будет меняться? Что происходит в тот момент, когда конденсатор переходит из состояния отсутствия заряда к внезапному подключению источника напряжения? Что ж, это совсем другое дело. В этих условиях электрический сигнал способен пройти через конденсатор.

Как такое возможно? Обкладки внутри конденсатора не касаются друг друга, как же тогда электрический импульс может перескочить с одной на другую? Вскоре мы разберемся с «как» и «почему». Но сначала вам необходимо убедиться в том, что описываемое мною происходит на самом деле.

Взгляните на компоненты макетной платы, показанной на рис. 2.81. Эта компоновка подобна схеме на рис. 2.75, но резистор номиналом 10 кОм переместился с левой стороны на правую, а также появился светодиод и резистор 470 Ом.

На рис. 2.82 изображена электрическая схема устройства с рис. 2.81, которая поможет прояснить ситуацию.

И чтобы не возникло недоразумений, на рис. 2.83 я указал все компоненты и обозначил их номиналы.

Рис. 2.81. Мигание красного светодиода демонстрирует работу конденсатора при быстрой смене напряжения

После того как вы соберете схему, вначале не забудьте нажать кнопку В, чтобы разрядить конденсатор. Затем нажмите кнопку А. Подумайте, почему светодиод вспыхнул и медленно погас?

Нажмите кнопку А снова. На этот раз почти ничего не происходит. Очевидно, что перед началом работы конденсатор должен быть в разряженном состоянии. Поэтому нажмите кнопку В, чтобы разрядить его. Теперь опять нажмите кнопку А, и светодиод загорится снова.

Рис. 2.82. Схема устройства, изображенного на рис. 2.81

 Рис. 2.83. Компоненты на макетной плате

Мы знаем, что в исходном состоянии напряжение на конденсаторе практически отсутствовало, поскольку он был подключен к отрицательному заземлению через резистор 10 кОм. Кроме того, перед началом эксперимента, нажав кнопку В, вы замкнули обе обкладки конденсатора между собой. (Вот почему я просил вас разрядить его.)

Затем вы нажимаете кнопку А, которая мгновенно подает на одну из обкладок положительный импульс, одновременно зажигается светодиод, соединенный с другой обкладкой. Ток, проходящий через светодиод, должен был откуда-то взяться, и единственное объяснение состоит в том, что он поступает от конденсатора.

 

Ток смещения

Давайте попробуем повторить эксперимент, подключив вместо светодиода и резистора мультиметр. На рис. 2.85 показана компоновка макетной платы, а на рис. 2.84 — электрическая схема. Разрядите конденсатор, нажав кнопку В, а затем снимите показание мультиметра. Оно должно быть около нуля вольт.

При нажатии кнопки А следите за мультиметром очень внимательно. Цифровой прибор реагирует не сразу, но вы все же увидите резкое увеличение напряжения и его последующее постепенное уменьшение.

Рис. 2.84. Схема для измерения тока смещения

Когда я подключил к этой схеме осциллограф, который может измерять и отображать очень быстрые изменения напряжения, сигнал был похож на кривую, которую я добавил в нижней части рис. 2.85. Увеличение напряжения было таким быстрым, что казалось мгновенным.

То, что ток, протекающий через конденсатор, может изменяться практически мгновенно, хорошо известно и это часто используется в электронике. Но как такое возможно?

Рис. 2.85. Вместо светодиода с резистором в этой установке включен мультиметр

Этот вопрос заинтересовал первого экспериментатора, Джеймса Максвелла, который считал, что так быть не должно; поэтому он разработал теорию и придумал выражение для описания увиденного. Он назвал данное явление током смещения. Это соответствовало некоторым теориям, которые он разрабатывал в то время.

Сегодня есть и другие теории. Очевидно, что бросок тока резко меняет электрическое поле внутри конденсатора, и этот эффект может навести напряжение на противоположной обкладке. На самом деле все происходит гораздо сложнее, но в большинстве популярных книг просто говорится что-то вроде «конденсатор не пропускает постоянный ток, но пропустит колебания напряжения».

Если вы возьмете конденсатор меньшей емкости, то увидите, что он пропускает более короткий импульс. Уберите мультиметр и верните светодиод и резистор 470 Ом обратно в схему, а затем попробуйте использовать конденсаторы емкостью 100 мкФ, 10 мкФ, 1 мкФ и 0,1 мкФ. В последних экспериментах мигание светодиода вряд ли будет заметно.

 

Переменный ток

Если вы соберете предыдущую схему (см. рис. 2.84), но измените полярность питающего напряжения, она по-прежнему будет работать, хотя ток потечет в противоположном направлении (рис. 2.86). На рис. 2.87 показана экспериментальная установка, где резистор 10 кОм перемещен влево, а кнопка А — вправо. Мультиметр по-прежнему измеряет напряжение в точке между резистором и конденсатором. В схеме на рис. 2.86 отображена эта модификация устройства.

Рис. 2.86. Электрическая схема устройства, изображенного на рис. 2.87

Рис. 2.87. Полярность подачи питания изменена на обратную

После того как вы нажмете и отпустите кнопку В, чтобы разрядить конденсатор, мультиметр покажет значение напряжения около 9 В, потому что верхний вывод конденсатора подключен к положительной шине через резистор номиналом 10 кОм. Конденсатор не пропускает постоянный ток, и поэтому создается впечатление, что его сопротивление бесконечно, а положительному заряду «некуда идти». На рис. 2.88 показано, как увеличивается напряжение между двумя резисторами, когда растет сопротивление между этой точкой и заземлением.

Тем не менее, когда вы нажимаете кнопку А в вашей установке на макетной плате, это создает отрицательный импульс. Эффективное сопротивление конденсатора на некоторое время исчезает, пока проходит импульс, в результате чего показания мультиметра снизятся. Затем конденсатор медленно перезаряжается, как это было в предыдущем опыте. Кривая, изображенная внизу на рис. 2.87, демонстрирует общее представление о том, как изменяется заряд конденсатора.

Рис. 2.88. Когда у вас два последовательно соединенных резистора и левый из них подключен к источнику питания, а правый к отрицательному заземлению, то напряжение между ними увеличивается по мере роста номинала правого резистора

Подведем итог:

• Конденсатор не пропускает постоянный ток.

• Тот же конденсатор пропускает быстрые колебания напряжения, независимо от направления тока.

• Кроме того, конденсатор накапливает электрический заряд.

Это приводит к важному заключению. Поскольку переменный ток — это быстрая серия относительно отрицательных и относительно положительных импульсов, конденсатор позволяет им проходить через него.

Емкость конденсатора будет иметь большое значение. Когда вы используете малые номиналы, вы увидите, что они будут срабатывать быстро. Менее емкие конденсаторы будут пропускать высокочастотные колебания и блокировать низкочастотные — такое поведение очень полезно во многих областях применения, в том числе при работе с аудиосигналами. Вы убедитесь в этом сами в эксперименте 29. Учитывайте то, что звуковые сигналы являются разновидностью переменного тока, поскольку их амплитуда меняется очень быстро.

Когда конденсатор служит для пропускания переменного тока и блокирования постоянного, мы называем его разделителънъш конденсатором. Он обеспечивает передачу переменного сигнала из одной части схемы в другую, но блокирует напряжение постоянного тока, которое может существенно отличаться. Я продемонстрирую это свойство, когда мы доберемся до эксперимента 11.

 

Теперь, когда вы изучили свойства конденсаторов, я перейду к другому важному компоненту: транзистору. После знакомства с его работой вы увидите, как конденсаторы и транзисторы могут быть использованы вместе.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки провода, мультиметр

• Транзистор серии 2N2222 (1 шт.)

• Батарея 9 В и разъем (1 шт.)

• Резисторы номиналом 470 Ом (2 шт.) и 1 МОм (1 шт.)

• Подстроечный потенциометр на 500 кОм (1 шт.)

• Стандартный светодиод (1 шт.)

 

Сенсорный выключатель

Я выбрал транзистор серии 2N2222, который является самым распространенным полупроводниковым прибором всех времен (он был представлен компанией Motorola в 1962 году и до сих пор выпускается, в том или ином виде).

Поскольку патент компании Motorola на серию 2N2222 истек давным-давно, любой производитель может выпускать свой вариант этого транзистора. Некоторые компоненты помещены в маленький корпус из черной пластмассы, другие же заключены в небольшую металлическую «баночку» (см. рис. 2.23). Для наших целей подойдет любой корпус. Тем не менее, обратите внимание на предупреждение, которое я сделал ранее относительно маркировки транзисторов (см. ранее в этой главе раздел «Транзисторы»). Некоторые транзисторы серии 2N2222 отличаются от других, и вам нужно правильно выбрать компонент.

Рис. 2.89. Компоновка макетной платы для первого эксперимента с транзистором

Вставьте транзистор в макетную плату со светодиодом и резистором на 470 Ом, как показано на рис. 2.89. Убедитесь в том, что длинный вывод светодиода обращен влево, как отмечено символом «:+». Также проверьте, что пластмассовый корпус транзистора обращен плоской стороной вправо. Если у вас транзистор в металлическом корпусе, то лепесток, выступающий из корпуса, должен быть направлен вниз и влево.

Заметьте, что у двух проводов, расположенных в нижнем левом углу на плате, удалено чуть больше изоляции. Если у вас готовые перемычки, то нужно согнуть у каждой один из выводов так, чтобы на поверхности макетной платы оказался участок оголенного проводника перемычки.

Теперь самое интересное. Коснитесь пальцем оголенных участков двух перемычек, как показано на рис. 2.90, и наблюдайте за светодиодом. Если ничего не произошло, немного увлажните палец и попробуйте снова. Чем сильнее вы будете нажимать, тем ярче будет светить светодиод. Транзистор усиливает слабый ток, который протекает через ваш палец. Данный принцип положен в основу сенсорных кнопок.

Рис. 2.90. Прикоснитесь пальцем к оголенным участкам проводов и светодиод загорится

 

Никогда не касайтесь контактов двумя руками сразу

Демонстрация переключения кончиком пальца безопасна, если электрический ток проходит только через ваш палец. Вы даже не ощутите его, потому что напряжение батареи всего 9 В. Но гораздо опаснее, если вы коснетесь одного провода пальцем одной руки, а второго — пальцем другой руки. В результате электрический ток потечет через ваше тело. И хотя в этой схеме ток очень слабый и не представляет для вас реальной угрозы, никогда не следует дотрагиваться до электрических цепей одновременно двумя руками. Кроме того, если вы касаетесь проводов, не допускайте, чтобы они пронзали вашу кожу. Это также означает, что вы не должны прикладывать напряжение к любым металлическим украшениям, закрепленным в вашем теле.

 

Принцип действия сенсорного выключателя

Взгляните на рис. 2.91, где показаны только активные соединения внутри макетной платы и скрыты незадействованные в этом эксперименте. Обратите внимание на то, что нижний вывод транзистора соединен через макетную плату со светодиодом, а затем через резистор номиналом 470 Ом с отрицательной шиной. Таким образом, через транзистор к светодиоду может течь достаточный ток.

Рис. 2.91. Макетная плата сенсорного выключателя (показаны внутренние проводники)

Откуда же взялся этот ток? Небольшой ток прошел через кожу вашего пальца к центральному выводу транзистора. Но его явно недостаточно, чтобы зажечь светодиод.

Существует только одно подходящее объяснение. У транзистора есть еще третий вывод, изображенный сверху, который подключен к положительной шине питания. Электрический ток поступает в транзистор через этот вывод. А затем каким-то образом этот поток электричества управляется небольшим током, который поступает через ваш палец в центральный вывод транзистора. Сказанное иллюстрирует рис. 2.92.

Рис. 2.92. Принцип действия n-p-n-транзистора

Кстати, этот эффект сильно отличается от поведения конденсатора, которое вы наблюдали в предыдущем эксперименте. Конденсатор пропускал только короткий импульс электрического тока. Транзистор управляет непрерывно протекающим током.

 

Разновидности транзисторов

Компонент, который вы использовали в рассмотренном эксперименте — это биполярный транзистор. Он существует в двух вариантах: n-p-n и p-n-p. Транзистор n-p-n-структуры, с которым вы только что экспериментировали, образован тремя слоями кремния, из которых два л-слоя имеют избыток носителей отрицательного заряда. Третий слой, расположенный между первыми двумя, является p-слоем с избытком носителей положительного заряда. Я не буду вдаваться в подробности и рассказывать о физических процессах, происходящих в транзисторе. В этой книге гораздо важнее выяснить, что именно делает транзистор, а не привести теорию, которая объясняет его функционирование. Интересующие вас теоретические сведения можно самостоятельно отыскать в любой технической книге или в онлайн-источниках.

Три вывода биполярного n-p-n-транзистора называются «коллектором», «базой» и «эмиттером» (рис. 2.93).

Когда база n-p-n-транзистора оказывается немного более положительной, чем эмиттер, ток от положительного полюса источника питания поступает через коллектор и выходит через эмиттер. В этом случае очень слабый ток, поступающий в базу транзистора, может управлять более сильным током, проходящим через коллектор.

Рис. 2.93. Расположение трех выводов биполярного n-p-n транзистора в пластиковом (слева) и в металлическом (справа) корпусе

Транзистор p-n-p-типа работает противоположным способом. Ток поступает через эмиттер и выходит через коллектор к отрицательному полюсу источника, когда база немного отрицательнее, чем эмиттер. Транзисторы p-n-p-типа иногда оказываются более удобными, но они встречаются реже. Я не буду использовать их в книге.

Четыре варианта условного обозначения n-p-n- транзистора показаны на рис. 2.94. Все они функционально идентичны. Буквы С, В и Е соответствуют выводам коллектора, базы и эмиттера.

Четыре варианта условного обозначения p-n-p- транзистора приведены на рис. 2.95. Они тоже взаимозаменяемы.

Рис. 2.94. Варианты обозначений n-p-n-транзистора

Рис. 2.95. Варианты обозначений p-n-p-транзистора

Символы транзисторов p-n-p- и n-p-n-типа легко перепутать, но есть простой способ запомнить правильный вариант. Стрелка в символе n-p-n-транзистора указывает наружу и никогда внутрь. Поэтому можно считать, что обозначение n-p-n является сокращением фразы never pointing in («никогда не указывает внутрь»).

 

Добавляем потенциометр

Чтобы узнать больше о том, как работает транзистор, нам понадобится более стабильный компонент, чем кончик вашего пальца. С этой работой справится потенциометр, но не такой большой, с каким вы встречались ранее (см. рис. 1.11), а подстроечный потенциометр, изображенный на рис. 2.22.

Несмотря на то, что потенциометры различаются по форме и размеру, все они имеют три контакта. Функции выводов любого потенциометра одинаковы. Средний вывод всегда соединяется с движком внутри потенциометра, а два других вывода соединяются с каждым из концов внутренней резистивной дорожки.

Когда вы вставляете подстроечный потенциометр в макетную плату, каждый вывод должен подключаться к отдельному ряду отверстий платы. Это правило иллюстрирует рис. 2.96. В верхней части рисунка я нарисовал вид сверху для трех типов подстроечного потенциометра, включая многовитковый; и хотя я его не рекомендую, возможно, однажды вы с ним столкнетесь. Контакты не видны сверху, но я показал их расположение так, как если бы вы видели их сквозь компонент. Расположение контактов может быть разным, но их всегда три и они должны отстоять друг от друга на 2,5 мм по вертикали.

Изображенные в нижней части рисунка два примера «Да» будут работать, потому что каждый вывод соединен с отдельным рядом отверстий в макетной плате. Два примера «Нет» неприемлемы, потому что пара контактов окажется замкнутой друг с другом из-за наличия внутренних проводников макетной платы.

Рис. 2.96. Подстроечные потенциометры трех типов и примеры их установки на макетной плате

Рис. 2.97. Макет установки для исследования транзистора с помощью потенциометра

Разобравшись с устройством подстроечного потенциометра, мне хотелось бы, чтобы вы добавили потенциометр номиналом 500 кОм к вашей схеме с транзистором так, как показано на рис. 2.97. Подключите питание и с помощью небольшой отвертки поверните движок потенциометра до упора по часовой стрелке, а затем таким же образом против часовой стрелки. Заметьте, что если в начале эксперимента светодиод погашен, то при небольшом повороте винта потенциометра светодиод начинает светиться.

Рис. 2.98. Электрическая схема установки для исследования транзистора с помощью потенциометра

Рис. 2.99. Номиналы компонентов, установленных на макетной плате

Взглянем на схему, изображенную на рис. 2.98, где показаны те же соединения, что и на макетной плате, но в более понятном виде. Номиналы компонентов указаны на рис. 2.99.

Потенциометр подключен между положительной и отрицательной шинами питания. При таком подключении он работает в качестве делителя напряжения. Когда движок находится на одном конце дорожки, он подключается непосредственно к положительному полюсу источника питания. На другом конце дорожки он подключен напрямую к отрицательному заземлению. В промежуточных положениях он делит напряжение источника питания в некоторой пропорции. Потенциометры часто включают таким способом.

Я уже упоминал, что светодиод не зажигается, когда вы только начинаете перемещать движок потенциометра от минуса к плюсу. Наверное, вы считаете, что он не получает достаточно энергии? Не совсем так. Биполярный транзистор «удерживает» часть энергии в качестве «платы» за свои услуги. Он не будет реагировать, если напряжение на базе не станет выше, чем напряжение на эмиттере примерно на 0,7 В. Говорят, что в таком режиме транзистор обладает положительным смещением. Сказанное иллюстрирует рис. 2.100.

Рис. 2.100. Основное правило использования n-p-n-транзистора

 

Напряжение или сила тока?

Вы видели, что напряжение на базе биполярного транзистора управляет выходным током этого транзистора. Означает ли это, что транзистор усиливает напряжение?

Вы можете выяснить это самостоятельно. Возьмите мультиметр, настройте его на измерение напряжения и соедините отрицательный щуп с отрицательной шиной макетной платы тестовым проводом, как показано на рис. 2.101. Прикоснитесь красным щупом к выводу эмиттера транзистора, запишите напряжение и переместите щуп на вывод базы. Я гарантирую, что напряжение на эмиттере будет ниже, чем на базе.

Рис. 2.101. Макет установки для выяснения вопроса, усиливает ли транзистор напряжение

Установите подстроечный потенциометр в другое положение и попробуйте снова. Независимо от того, насколько вы изменили напряжение на выводе базы, напряжение на выводе эмиттера всегда будет ниже.

Возможно, это вызвано тем, что резистор с номиналом 470 Ом не обеспечивает достаточного сопротивления между эмиттером транзистора и отрицательной шиной? Мог ли резистор понизить напряжение?

Давайте разбираться. Удалите светодиод и резистор 470 Ом, включив между эмиттером транзистора и отрицательным заземлением резистор с номиналом 1 МОм. Картина не сильно изменилась. Напряжение на эмиттере по-прежнему будет ниже, чем на базе.

Если у вас возникнет желание проверить силу тока на базе и на выходе эмиттера, то выяснится нечто совсем другое. Для этого опыта следует установить мультиметр на измерение силы тока в миллиамперах и встроить его в схему на соответствующем участке. Вспомните о том, что для измерения силы тока его необходимо пропустить через мультиметр.

Однако я могу заранее сказать вам, что вы обнаружите. Этот конкретный транзистор усиливает ток, поступающий на базу, с коэффициентом более 200:1. Данная величина называется коэффициентом передачи тока Ддля транзистора.

В итоге мы пришли к фундаментальному факту: биполярный транзистор усиливает ток, а не напряжение.

В моей книге Make: More Electronics вы найдете больше сведений по рассматриваемой теме. Здесь я упоминаю об этом лишь вкратце.

Теперь, в качестве справки для вас, я подытожу сведения о биполярных транзисторах.

 

Все о n-p-n и p-n-p-транзисторах

Транзистор — это полупроводниковый прибор, а полупроводник представляет собой нечто среднее между проводником и изолятором. Эффективное внутреннее сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения, которое вы подаете на его базу.

Все биполярные транзисторы имеют три вывода: коллектор, базу и эмиттер, которые в технических паспортах обозначаются латинскими буквами С, В и Е.

• Транзисторы n-p-n-типа открываются положительным напряжением на базе по отношению к эмиттеру.

• Транзисторы p-n-p-типа. открываются отрицательным напряжением на базе по отношению к эмиттеру.

В закрытом (неактивном) состоянии оба транзистора прерывают ток между коллектором и эмиттером подобно однополюсному реле на одно направление с нормально разомкнутыми контактами. (На самом деле транзисторы пропускают очень слабый ток, называемый током утечки.)

Расположение транзистора на схемах может быть различным. Эмиттер может быть вверху, а коллектор внизу или наоборот. База может быть слева или справа, в зависимости того, что было удобнее тому, кто рисовал схему. Внимательно смотрите на стрелку транзистора, чтобы понять к какому типу он относится: n-p-n или p-n-p. Помните, что вы можете повредить транзистор, если подключите его неправильно.

Транзисторы бывают разных размеров и в различных корпусах. Для большинства из них невозможно сразу понять, какой из выводов подключен к эмиттеру, коллектору или базе. Чтобы выяснить это, вам может потребоваться заглянуть в технический паспорт производителя.

Если вы забыли назначение выводов, многие мультиметры имеют функцию определения эмиттера, коллектора и базы. Обычно это четыре отверстия, обозначенные буквами Е, В, С и Е. Если вы вставите вывод эмиттера в любое из отверстий, обозначенное буквой Е, вывод базы — в отверстие В, а вывод коллектора — в С, то мультиметр покажет коэффициент (3 для транзистора. При любых других вариантах подключения показания мультиметра будут нестабильными, пропадут, станут равны нулю или окажутся гораздо ниже, чем должны быть (практически всегда ниже 50, а чаще всего ниже 5).

 

Транзистор — чувствительный компонент!

Не забывайте, что повредить транзисторы очень легко, и как правило, повреждение будет необратимым.

• Никогда не прикладывайте напряжение напрямую через любые два вывода транзистора. Вы можете сжечь его слишком сильным током.

• Всегда ограничивайте ток, протекающий между коллектором и эмиттером транзистора с помощью резисторов, подобно тому, как вы защищали светодиод.

• Не подавайте напряжение в обратном направлении. Коллектор n-p-n-транзистора всегда должен быть положительнее, чем база, которая, в свою очередь, должна быть положительнее, чем эмиттер.

 

История появления транзистора

Хотя некоторые историки отслеживают происхождение транзистора со времени изобретения диодов (которые пропускают электрический ток в одном направлении и препятствуют обратному току), первый работающий и полностью функциональный транзистор был создан в компании Bell Laboratories («Лаборатории Белла») в 1948 году Джоном Бардином (John Bardeen),

Уильямом Шокли (William Shockley) и Уолтером Браттейном (Walter Brattain).

Шокли возглавлял группу исследователей и предвидел, насколько потенциально важным может стать полупроводниковый переключатель. Бардин был теоретиком, а Браттейн, собственно, и добился того, что все заработало. Сотрудничество было весьма продуктивным, пока цель не оказалась достигнутой. С того момента Шокли начал хитрить, чтобы запатентовать транзистор только под своим именем. Когда он уведомил об этом своих коллег, они, естественно, не обрадовались.

Не помогла и широко распространенная фотография, на которой Шокли сидел в центре за микроскопом, как если бы он выполнял всю практическую работу, в то время как двое коллег стояли позади него, что подразумевало их второстепенную роль. Копия этой фотографии появилась на обложке журнала Electronics (рис. 2.102). На самом деле Шокли, как руководитель, редко появлялся в лаборатории, где была проделана вся работа.

Рис. 2.102. На переднем плане — Уильям Шокли, позади Джон Бардин, справа Уолтер Браттейн. За создание первого в мире работоспособного транзистора в 1956 году им была присуждена Нобелевская премия

Продуктивное сотрудничество быстро распалось. Браттейн попросил перевести его в другую лабораторию в компании AT&T. Бардин перебрался в Университет штата Иллинойс, чтобы заниматься теоретической физикой. Шокли в конечном итоге оставил Bell Labs и основал компанию Shockley Semiconductor в местности, которая впоследствии стала называться Silicon Valley («Кремниевая долина»), но его амбиции опережали возможности технологий того времени. Его компания так никогда и не выпустила рентабельный продукт.

Восемь сотрудников из фирмы Шокли предали его, уволившись и основав свое дело, компанию Fairchild Semiconductor, которая стала весьма успешным производителем транзисторов, а позже — интегральных микросхем.

 

Транзисторы и реле

Единственный недостаток транзисторов состоит в том, что для их работы постоянно нужна энергия, в отличие от реле, которые могут находиться в выключенном состоянии совсем без подачи питания.

Реле также обеспечивают больше возможностей коммутации. Различные конфигурации контактов могут быть нормально разомкнутыми, нормально замкнутыми или блокироваться в любом положении. Реле может иметь переключатель на два направления, что обеспечивает замыкание то одной, то другой ветви цепи. Существуют реле с двухполюсным переключателем, который замыкает (или размыкает) две полностью гальванически развязанных цепи. Устройства с одним транзистором не могут обеспечить два направления или два полюса, хотя можно спроектировать более сложные схемы, которые имитируют такое поведение.

Сравнение характеристик транзисторов и реле приведено в табл. 2.3. Как видим, решение об использовании реле или транзистора зависит от конкретного применения компонента.

Таблица 2.3

Но хватит теории! Давайте заставим работать транзистор так, чтобы это было не только увлекательно, но и познавательно. Приступим к эксперименту 11.

 

Пришло время для вашего первого устройства, которое приносит реальную пользу. Сначала заставим мигать светодиод, а затем создадим несложный синтезатор звука.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки провода, мультиметр

• Батарея 9 В и разъем для нее (1 шт.)

• Резисторы с номиналами 470 Ом (2 шт.), 1 кОм (1 шт.), 4,7 кОм (4 шт.), 100 кОм (1 шт.), 220 кОм (2 шт.), 470 кОм (4 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (2 шт.), ОД мкФ (2 шт.), 0,33 мкФ (2 шт.), 1 мкФ (1 шт.), 3,3 мкФ (2 шт.), 33 мкФ (1 шт.), 100 мкФ (1 шт.), 220 мкФ (1 шт.)

• Транзисторы серии 2N2222 (6 шт.)

• Стандартный светодиод (1 шт.)

• Динамик с импедансом 8 Ом, диаметром 2,5 см или (предпочтительнее) 5 см (1 шт.)

 

Генератор колебаний

На рис. 2.103 показан макет устройства, предлагаемый вам для сборки. Как видим, здесь не так уж много пространства между компонентами, поэтому рекомендую собирать устройство с помощью плоскогубцев, а не пальцами. Тщательно отсчитывайте отверстия на плате, и несколько раз проверьте, что все находится на своих местах и соединено правильно. Номиналы компонентов приведены на рис. 2.104.

Подключите питание — светодиод должен включиться примерно на 1 секунду и погаснуть также примерно на 1 секунду.

И это все? Нет, это только начало. Однако в первую очередь разберемся, как работает наше устройство. Если вам сложно представить, как соединены компоненты внутри макетной платы, взгляните на рис. 2.105. Затем изучите схему, приведенную на рис. 2.106, и вы поймете, что соединения между компонентами те же. Для объяснения того, как работает устройство, я использую электрическую схему.

Первое, на что вы должны обратить внимание, — это наличие некоторой симметрии схемы. Означает ли это, что левая и правая половины устройства делают одно и то же? Да, но не в один и тот же момент времени. В действительности, одна половина включает светодиод, а другая выключает его.

Рис. 2.103. Макет генератора

Рис. 2.104. Номиналы компонентов в схеме генератора

Рис. 2.105. Изображение скрытых проводников поможет понять взаимодействие компонентов

Рис. 2.106. Компоненты на этой электрической схеме расположены на тех же местах, что и на макетной плате

Понять нюансы работы устройства не так просто, потому что напряжение в различных точках схемы постоянно меняется, и в каждый момент происходит несколько явлений. Тем не менее, я нарисовал четыре «моментальных снимка» схемы, показывающих внутреннее состояние компонентов через некоторые интервалы времени; надеюсь, эти иллюстрации все прояснят.

Я опустил третий транзистор и светодиод на каждом рисунке, поскольку они не играют роли в создании колебаний.

Первый «снимок» приведен на рис. ЦВ-2.107. Я обозначил провода цветом так:

• Напряжение на компонентах и проводниках, выделенных черным цветом, неизвестно или не задано.

• Напряжение на синих проводниках близко к нулю.

• Напряжение на красных проводниках приближается к положительному напряжению источника питания.

Рис. ЦВ-2.107. Снимок 1: исходное состояние элементов генератора

• Белые проводники на короткое время оказываются под отрицательным напряжением (ниже заземления) по причинам, которые я скоро укажу.

Для транзисторов:

• Серый транзистор не проводит ток от коллектора к эмиттеру. Будем считать его выключенным.

• Розовый транзистор проводит ток (включен).

Транзисторы обозначены как Q1 и Q2, потому что это общепринятый способ обозначения полупроводниковых приборов. Маленький лепесток, выступающий на старых транзисторах с металлическим корпусом, придает им вид буквы Q, если смотреть сверху, и люди привыкли обозначать транзисторы так.

Резисторы r1 и R1 находятся слева, а резисторы r2 и R2 — справа. Строчными буквами обозначены резисторы с меньшими номиналами.

Прежде чем я начну объяснять работу схемы, сделаю последнее отступление. Учитывайте характерное поведение транзистора.

• Когда ток базы включает транзистор, его эффективное внутреннее сопротивление сильно снижается. Вследствие этого, если эмиттер заземлен, то напряжение на коллекторе также составит около О В, как и у всего, что подключено напрямую к коллектору. Напряжение на базе также может быть относительно низким, но не такое низкое, как на эмиттере. В таком состоянии находится транзистор Q2 на рис. ЦВ-2.107.

• Когда транзистор выключается, его эффективное внутреннее сопротивление увеличивается как минимум до 5 кОм. Вследствие этого любой компонент, подключенный к коллектору, больше не заземляется через транзистор и может накапливать положительный заряд.

 

Работа устройства шаг за шагом

Я начну с произвольного момента, когда питание уже подано. После того как мы рассмотрим полный рабочий цикл, я вернусь к вопросу о том, откуда изначально берутся колебания.

Давайте предположим, что на снимке 1 транзистор Q1 был только что выключен, а транзистор Q2 только что включился. Нижний (по схеме) конец резистора rl был заземлен через транзистор Q1, но теперь транзистор Q1 отключен, напряжение на его коллекторе начинает расти, и за счет этого увеличивается напряжение на левой (по схеме) обкладке конденсатора С1. Напряжение на базе транзистора Q1 также возрастает, но не так стремительно, потому что резистор R2 имеет более высокий номинал. Между тем, поскольку транзистор Q2 включен, он потребляет ток через резистор R2, понижая напряжение. Через базу транзистора Q2 также течет ток к шине заземления. Это исходная ситуация. Что дальше?

На снимке 2, показанном на рис. ЦВ-2.108, напряжение на базе транзистора Q1 увеличилось достаточно, чтобы он начал включаться. Теперь он отводит ток от конденсатора С1, а также через свою базу, и эти провода сейчас выделены синим цветом. Резкое изменение напряжения на левой обкладке конденсатора С1 мгновенно вызывает аналогичное снижение на его правой обкладке (см. эксперимент 9). При этом напряжение на правой обкладке конденсатора С1 оказывается ниже нуля, что изображено белым проводом. Транзистор Q2 сразу же выключается из-за отрицательного смещения на его базе.

На снимке 3, показанном на рис. ЦВ-2.109, транзистор Q.1 по-прежнему включен, а транзистор Q2 все еще выключен. Это зеркальное отображение снимка 1. Конденсатор С1 начинает заряжаться в противоположном направлении, через резистор R1. Постепенно это повышает напряжение на базе транзистора Q2.

На снимке 4, изображенном на рис. ЦВ-2.110, транзистор Q2 начинает проводить ток, заземляя правую обкладку конденсатора С2. В результате напряжение на левой обкладке конденсатора С2 оказывается ниже нуля и транзистор Q.1 выключается из-за отрицательного смещения на базе. Это зеркальное отображение снимка 2.

Рис. ЦВ-2.108. Снимок 2

Рис. ЦВ-2.109. Снимок 3

Рис. ЦВ-2.110. Снимок 4. Далее цикл повторяется

После снимка 4 цикл повторяется, начиная со снимка 1. Если добавить еще один транзистор и светодиод (как на рис. 2.106), то светодиод оказался бы включенным на снимках 1 и 4.

 

Разделительный конденсатор

Как вы видите, работа генератора колебаний довольно сложна для понимания. Однако данная схема распространена очень широко. Если вы поищите в картинках Google «генератор», то скорее всего найдете именно этот вариант. Тем не менее, многие люди испытывают трудности при изучении подобной схемы.

Главное состоит в том, что на снимках 2 и 4 резкое падение напряжения на одной обкладке конденсатора вызывает эквивалентное падение напряжения на другой обкладке — эффект, который вы наблюдали в эксперименте 9.

 

Как возникают колебания

Обратите внимание то, что рассмотренная схема симметрична. Когда вы подаете питание, почему бы обоим транзисторам не стать включенными или выключенными?

В идеальном мире, где два транзистора или два резистора могут быть абсолютно идентичными, такая схема окажется полностью симметричной. Но в реальности существует небольшое различие между резисторами и конденсаторами, вызванное производственными причинами, в результате чего один транзистор начинает проводить ток раньше другого. Как только это происходит, устройство выходит из равновесия и начинаются колебания.

Еще один вопрос, который требует пояснений, — откуда снимать выходной сигнал в схеме генератора? Заметьте, что в исходной схеме резисторы r1 и r2 имеют намного меньшие номиналы, чем резисторы R1 и R2. В результате напряжение на левой обкладке конденсатора С1 быстро достигнет почти величины питающего напряжения — и правая обкладка конденсатора С2 будет вести себя так же. Таким образом, мы можем получить широкий диапазон напряжений в любой из этих точек. Я выбрал левую обкладку просто потому, что здесь легче встроить в схему дополнительные компоненты.

Если из схемы отводится слишком много тока, это замедлит процесс заряда конденсатора и отразится на синхронизации и равновесии генератора. Поэтому я подавал выходной сигнал через резистор номиналом 100 кОм на базу другого транзистора. Базовый ток этого транзистора очень мал, но за счет усиления амплитуда сигнала на его выходе окажется достаточной для практического использования.

 

К чему такие сложности?

В первом издании этой книги я предлагал устройство светодиодной мигалки на основе однопереходного транзистора с управляемым порогом. Его работу гораздо проще понять, и чтобы получить результат, вам потребуется только один транзистор. Однако однопереходные транзисторы встречаются теперь редко и некоторые читатели жаловались на то, что их нелегко приобрести, а другие говорили, что их применение устарело.

На самом деле, вы по-прежнему можете купить однопереходные транзисторы с управляемым порогом, но они почти вышли из употребления. Биполярные транзисторы пока используются широко, и поэтому я прислушался к отзывам читателей и отказался от однопереходных транзисторов. Прежде чем остановиться на описанной схеме, я рассмотрел различные варианты схем генератора. Приведенная схема более популярна, чем другие. К тому же, я полагаю, что все схемы генераторов довольно трудны для понимания.

 

Сглаживание импульса

Теперь вы уже убедились, что два транзистора могут создавать импульсный сигнал, а третий транзистор может усиливать его и обеспечивать переключение светодиода. Вспомним на минутку предыдущие опыты. Как еще можно изменить наш эксперимент?

У нас есть выходной сигнал, который меняется достаточно медленно. Поэтому мы можем сделать его более интересным, добавив резистивно-емкостную цепочку. (Если вам необходимо освежить в памяти это понятие, см. раздел «Резистивно-емкостная цепочка» этой главы).

Взгляните на рис. 2.111. Дополнительное резистивно-емкостное звено (резистор 470 Ом и конденсатор 220 мкФ) находится внизу.

На рис. 2.112 компоненты, которые были добавлены или переставлены, расположены в правом нижнем углу и выделены темным, а компоненты, которые не изменились, показаны светлым.

Рис. 2.111. В схему генератора добавлена резистивно-емкостная цепочка

Теперь, когда вы подадите питание, светодиод станет мягко пульсировать, а не просто вспыхивать и гаснуть. Догадываетесь, почему? Конденсатор заряжается через один резистор номиналом 470 Ом, а затем разряжается через другой. Зачем вообще нужно менять режим работы? Давайте предположим, что вы решили сделать электронное украшение. Выбор режима миганий или пульсаций может стать важным эстетическим фактором. Вспомните, что, например, в старых ноутбуках Apple логотип пульсировал, а не мигал.

Рис. 2.112. Измененные компоненты расположены в правом нижнем углу платы

 

Увеличение частоты

Что еще можно сделать с этой схемой? Вы можете легко изменить частоту переключения светодиода. Удалите конденсаторы емкостью 3,3 мкФ и замените их двумя конденсаторами по 0,33 мкФ. Они должны заряжаться приблизительно в 10 раз быстрее, и поэтому светодиод также станет мигать в 10 раз чаще. Так ли это на самом деле?

А что если уменьшить номиналы конденсаторов еще сильнее, до 0,01 мкФ? Когда число миганий в секунду превышает 50, вы переходите от колебаний, которые можно увидеть, к сигналу, Как их добавить к макету? Я думаю, вы сможете который можно услышать. это сделать самостоятельно.

Как же изменить схему, чтобы сигнал можно было услышать, а не увидеть? Легко! Удалите светодиод, резисторы на 470 Ом и конденсатор емкостью 220 мкФ и замените их маленьким динамиком, разделительным конденсатором емкостью 100 мкФ и резистором на 1 кОм, как показано на рис. 2.113. Резистор заземляет эмиттер транзистора, потому что транзистор будет работать, только если напряжение на эмиттере меньше, чем на базе. Конденсатор блокирует постоянную составляющую сигнала и в то же время пропускает переменный ток. На схеме я указал лишь те детали, которые изменились.

Рис. 2.113. Изменение схемы, чтобы добиться генерации звука

Рис. 2.114. При замене разделительного конденсатора компонентом с меньшим номиналом подавляются нижние звуковые частоты, и таким образом вы услышите только верхние частоты. Если включить конденсатор параллельно динамику, то верхние частоты подавлены, и вы услышите только нижние частоты

 

Еще больше вариантов

Теперь, когда вы получили звук, подумайте, как повысить его тон? Просто установите меньшие резисторы или конденсаторы в схеме генератора. Вы можете вместо резисторов 470 кОм взять резисторы 220 кОм (или с другим промежуточным номиналом). Транзисторы способны переключать сигнал быстрее, чем миллион раз в секунду, и вы определенно не выйдете за пределы их возможностей, если заставите генератор работать быстрее. Сигнал с частотой колебаний 10 000 раз в секунду звучит чрезвычайно высоко. Если вы доведете частоту до 20 000 колебаний в секунду, то он окажется за пределом слухового восприятия большинства людей.

Можно ли изменить характер звучания?

Сверху на рис. 2.114 вместо предыдущего конденсатора емкостью 100 мкФ я подключил последовательно с динамиком разделительный конденсатор емкостью 1 мкФ. Конденсатор с меньшим номиналом будет пропускать только верхние частоты (короткие импульсы) и лишать звук некоторой части низкочастотных колебаний.

А что если подключить конденсатор к динамику так, как показано снизу на рис. 2.114? Теперь возникает противоположный эффект, потому что конденсатор по-прежнему пропускает верхние частоты, но направляет их мимо динамика. При таком подключении вы получаете развязывающий конденсатор.

Все описанные варианты достаточно просты. Если вы желаете добиться большего, то можете собрать вторую идентичную схему и использовать одну половину для управления другой.

Восстановите первоначальные номиналы компонентов (как на рис. 2.104), чтобы частота колебаний стала первоначальной. Затем подайте сигнал с выхода первой схемы на вторую, расположенную ниже на макетной плате (емкость конденсаторов здесь равна 0,01 мкФ, чтобы генерировать звук). Макет устройства изображен на рис. ЦВ-2.115, причем та часть, которую вы собрали вначале, обесцвечена, а компоненты дополнительного звукового генератора расположены внизу и выделены цветом.

Рис. ЦВ-2.115. Питание на звуковой генератор поступает от другого генератора с меньшей частотой колебаний

Красная перемычка, обозначенная буквой А, была переставлена, чтобы нижняя секция схемы получала питание с выхода верхней секции. Красная и синяя перемычки, обозначенные буквой В, добавлены, чтобы соединить разрывы, которые есть в шинах макетной платы.

Теперь подайте питание и посмотрите, как все работает.

Подумайте, что произойдет, если вы измените номинал конденсатора или резистора в верхней половине схемы, чтобы быстрее переключать нижнюю половину?

При желании возьмите, например, конденсатор емкостью 220 мкФ и подключайте его между различными точками (либо в верхней половине схемы, либо в нижней) и шиной заземления. Не бойтесь, вы не повредите ни один из компонентов, так что свободно экспериментируйте.

Еще одна интересная возможность для творчества — вернитесь к генератору световых эффектов, изображенному на рис. 2.111, выньте компоненты из макетной платы и смонтируйте их в виде небольшого переносного устройства.

В эксперименте 14 я покажу вам, как это сделать. Конечно, вам придется немного попаять, но учиться паять компоненты мы будем уже в следующем эксперименте 12.

 

Как улучшить динамик

Диафрагма динамика, называемая также диффузором, предназначена для излучения звука. Тем не менее, поскольку она колеблется вверх и вниз, то звук исходит как от передней стенки, так и от задней. Так как эти звуки противоположны по фазе, они стремятся погасить друг друга.

Рис. 2.116. Бумажная или картонная труба усилит громкость динамика

Громкость динамика можно значительно усилить, если добавить к нему рупор в виде цилиндра, который собирает звук. Миниатюрный динамик диаметром 2,5 см можно обернуть карточкой из библиотечного каталога (рис. 2.116).

Еще лучше установить динамик в коробку с просверленными отверстиями. Тогда звук будет распространяться в пространство спереди, а закрытая тыльная стенка коробки будет поглощать звук от задней части динамика.