ГЛАВА 1

Чем отличается ток от напряжения?

Дурацкий вопрос, скажете вы? Отнюдь. Опыт показал, что не так уж и много людей могут на него ответить правильно. Известную путаницу вносит и язык: в выражении «имеется в продаже источник постоянного тока 12 В» смысл искажен. На самом деле в данном случае имеется в виду, конечно, источник напряжения, а не тока, поскольку ток в вольтах не измеряется, но так говорить не принято. Самое правильное будет сказать — «источник питания постоянного напряжения 12 вольт», а написать можно и «источник питания =12В», где символ «=» обозначает, что это именно постоянное напряжение, а не переменное. Впрочем, и в этой книге мы тоже иногда будем «ошибаться» — язык есть язык.

Чтобы разобраться во всем этом, для начала напомним строгие определения из учебника (зазубривать их — весьма полезное занятие!). Итак, ток, точнее, его величина, есть количество электрического заряда, протекающее через сечение проводника за единицу времени: I = Q/t. Единица тока называется «ампер», и ее размерность в системе СИ — кулоны в секунду. Знание сего факта пригодится нам позднее.

Куда более запутанно выглядит определение напряжения — величина напряжения есть разность электрических потенциалов между двумя точками пространства. Измеряется она в вольтах, и размерность этой единицы измерения — джоуль на кулон, т. е. U = E/Q. Почему это так, легко понять, вникнув в смысл строгого определения величины напряжения: 1 вольт есть такая разность потенциалов, при которой перемещение заряда в 1 кулон требует затраты энергии, равной 1 джоулю.

Все это наглядно можно представить себе, сравнив проводник с трубой, по которой течет вода (и это будет довольно точная аналогия). При таком сравнении величину тока можно себе представить, как количество (расход) протекающей воды за секунду, а напряжение — как разность давлений на входе и выходе трубы. Чаще всего труба заканчивается открытым краном, так что давление на выходе равно атмосферному давлению, и его можно принять за нулевой уровень. Точно так же в электрических схемах существует общий провод (или «общая шина» — в просторечии для краткости ее часто называют «землей», хотя это и не точно — мы, еще вернемся к этому вопросу позднее), потенциал которого принимается за ноль и относительно которого отсчитываются все напряжения в схеме. Обычно (но не всегда!) за общий провод принимают минусовой вывод основного источника питания схемы.

Итак, вернемся к вопросу, сформулированному в заголовке: так чем же отличается ток от напряжения? Правильный ответ будет звучать так: ток — это количество электричества, а напряжение — мера его потенциальной энергии. Неискушенный в физике собеседник, разумеется, начнет трясти головой, пытаясь вникнуть, и тогда можно дать такое пояснение. Представьте себе падающий камень. Если он маленький (количество электричества мало), но падает с большой высоты (велико напряжение), то он может наделать столько же несчастий, сколько и большой камень (много электричества), но падающий с малой высоты (напряжение невелико).

Связь тока и напряжения

На самом деле аналогия с камнем наглядна, но не точна — труба с текущей жидкостью подходит куда больше. Дело в том, что напряжение и ток обычно связаны между собой. (Слово «обычно» я употребил потому, что в некоторых случаях — в источниках напряжения или тока — от этой связи стараются избавиться, хотя полностью никогда и не удается.) В самом деле, если вернуться к нашей трубе, то легко представить, как с увеличением давления (напряжения) увеличивается количество протекающей жидкости (ток). Иначе зачем нужны были бы насосы? Сложнее представить себе наглядно обратную зависимость — как ток влияет на напряжение. Для этого нужно сначала понять, что такое сопротивление.

Вплоть до середины XIX века физики не знали, как выглядит зависимость тока от напряжения. Этому есть одна важная причина. Попробуйте сами экспериментально выяснить, как выглядит график этой зависимости. Схема эксперимента приведена на рис. 1.1, а примерные результаты — на рис. 1.2.

Рис. 1.1. Схема эксперимента по проверке закона Ома

Рис. 1.2. Примерные результаты проверки закона Ома

Показанные на графике результаты весьма приблизительны, т. к. реальный вид кривой сильно зависит от того, как именно выполнен подопытный проводник («П» на рис. 1.1) — плотно или редко он намотан, на толстый массивный каркас или на тонкий стакан из бумаги, а также от температуры в комнате, наличия сквозняка и еще от множества других причин.

Именно такое непостоянство и смущало физиков — не только сама кривая загибается (т. е. ток в общем случае непропорционален напряжению), но вид и форма этого загиба весьма непостоянны и меняются как при изменении условий внешней среды, так и для различных материалов.

Понадобился гений Георга Ома, чтобы за всеми этими деревьями увидеть настоящий лес — а именно понять, что зависимость тока от напряжения описывается элементарно простой формулой: I = U/R, а все несуразности, упомянутые ранее, проистекают от того, что величина сопротивления R зависит от материала проводника и от условий внешней среды, в первую очередь от температуры. Так, в нашем эксперименте загиб кривой вниз происходит потому, что при прохождении тока проводник нагревается, а сопротивление меди с повышением температуры увеличивается (примерно на 0,4 % с каждым градусом изменения температуры). А вот сама величина этого нагрева зависит от всего, чего угодно, — намотайте провод поплотнее и заверните его в асбест — он будет нагреваться сильнее, а размотайте его и поместите на сквозняк — нагрев резко уменьшится.

В знак признания заслуг Георга Ома (рис. 1.3) единица измерения сопротивления так и называется — ом (ohm по-английски). Согласно формуле, приведенной в предыдущем абзаце, 1 Ом есть сопротивление такого проводника, через который течет ток в 1А при напряжении на его концах, равном 1 В. Обратная сопротивлению величина называется проводимостью и измеряется в сименсах, названных так в честь другого немецкого ученого, электротехника и предпринимателя Вернера фон Сименса: 1 См = 1/Ом. В электронике почти всегда оперируют именно величиной сопротивления, так что сименсы мы оставим для физиков.

Рис. 1.3. Георг Симон Ом (1787–1854) — немецкий физик, член-корреспондент Берлинской АН. Окончил Эрландский университет. Преподавал математику, затем физику в различных гимназиях. С 1833 года — профессор Нюрнбергской высшей политехнической школы. В 1849–1852 годах — ректор Мюнхенского университета Член Лондонского королевского общества.

* * *

Заметки на полях

Обратите внимание, что название единицы измерения «ом» мы пишем со строчной буквы, а ее обозначение («Ом») — с прописной. Это общее правило — все обозначения единиц измерения, которые образованы от фамилий ученых, пишутся с прописной буквы: Дж (джоуль), Вт (ватт), В (вольт), А (ампер). В то же время обозначения единиц измерения, которые не образованы от имен собственных, а являются обычными словами, пишутся со строчной буквы: с (секунды), м (метры).

Сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров — оно увеличивается пропорционально длине и уменьшается пропорционально площади сечения: R = ρ·L/S. Большое практическое значение имеет коэффициент пропорциональности ρ — так называемое удельное сопротивление материала проводника. При определенной температуре (обычно берется 20 °C) эта величина почти постоянна для каждого материала. «Почти» я тут написал потому, что на самом деле эта величина сильно зависит от химической чистоты и даже от способа изготовления материала проводника (например, формировался ли проводник штамповкой, протяжкой или электрохимическим напылением). Для проводников стараются употреблять очень чистые металлы, скажем, обычный медный провод изготавливают из меди с количеством примесей не более 0,1 % (как говорят, с чистотой в «три девятки»), это позволяет уменьшить сопротивление такого провода и избежать лишних потерь на его нагрев.

Удельное сопротивление проводника, по определению, есть сопротивление (Ом) проводника единичной площади (1 м2) и единичной длины (1 м), и если подставить эти величины в формулу, приведенную ранее, вы получите размерность для удельного сопротивления Ом·м2/м или просто Ом·м. Практически в таких единицах измерять удельное сопротивление страшно неудобно, т. к. для металлов величина получается крайне маленькой — представляете сопротивление куба меди с ребром в 1 м?! На практике часто употребляют единицу в 100 раз больше: Ом·см. Эта величина часто приводится в справочниках (см., например, [2]На самом деле это не совсем точно — часть тока, хотя и очень небольшая, все же пойдет через вольтметр, минуя R2. Но на практике этим всегда пренебрегают (подробности см. в главе 2 ).
), но и она не слишком удобна для практических расчетов. Так как диаметр проводников измеряют обычно в миллиметрах (а сечение, соответственно, в квадратных миллиметрах), то на практике наиболее удобна старинная внесистемная единица Ом·мм2/м, которая равна сопротивлению проводника сечением в 1 квадратный миллиметр и длиной 1 метр.

Для того чтобы выразить официальный Омм в этих единицах, нужно умножить его величину на 106, а для Ом·см — на 104. Подглядев в справочнике величину удельного сопротивления меди (0,0175 Ом·мм2/м при 20 °C), мы легко можем вычислить, что сопротивление проводника с параметрами, приведенными на рис. 1.1, составляет около 45 Ом (проверьте!).

Надо сказать, что человечество весьма преуспело в изготовлении специальных материалов, имеющих коэффициент удельного сопротивления, мало зависящий от температуры. Это прежде всего специальные сплавы, константан и манганин, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) которых в несколько сотен раз меньше, чем у чистых металлов. А для обычных стандартных углеродистых или металлопленочных резисторов ТКС составляет приблизительно 0,1 % на градус, т. е. примерно в 4 раза лучше, чем у меди. Есть и специальные прецизионные резисторы (среди отечественных это, например, С2-29В, проволочные С5-54В и др.), у которых этот коэффициент значительно меньше. Есть и другие материалы, у которых температурный коэффициент, наоборот, весьма велик (несколько процентов на градус, и при этом, в отличие от металлов, отрицателен) — из них делают так называемые термисторы, которые используют как чувствительные датчики температуры (подробнее о них см. главу 13). Однако для точного измерения температуры все же используют чистые металлы — чаще всего платину и медь. К этому вопросу мы еще вернемся.

Регулирование тока с помощью сопротивления

Познакомившись, таким образом, с понятием сопротивления и его особенностями, вспомним, для чего мы все это делали. Ах, да, мы же хотели понять, как практически представить зависимость напряжения от тока! Но ведь мы пока не умеем произвольно изменять ток в проводнике, так? Напряжение изменять просто — нужно взять регулируемый источник питания, как это изображено на рис. 1.1, или, на худой конец, набор батареек, при последовательном соединении которых (одной, двух, трех и т. д.) мы получим некий набор напряжений. А вот источников тока (именно тока, а не напряжения) мы еще не имеем. Как же быть?

Выход из этой ситуации показан на рис. 1.4 (заметьте, мы от схематического изображения проводника, как катушки из длинной проволоки, имеющей некое сопротивление, перешли к стандартному изображению резисторов, как это делается в настоящих электрических схемах). Здесь мы уже не используем регулируемый источник питания — он нам не нужен. Питается схема от батареи из трех гальванических элементов, например, типоразмера D, соединенных последовательно. Каждый такой элемент (если он еще не был в эксплуатации) дает напряжение примерно 1,62 В, так что суммарное напряжение будет почти 5 В, как и указано на схеме (под нагрузкой и по мере истощения элементов напряжение немного упадет, но ошибка в данном случае не играет большой роли).

Рис. 1.4. Схема для изучения свойств цепи с двумя резисторами

Как работает эта схема? Допустим, что движок переменного резистора (подробнее о них рассказано в главе 5) R1 выведен в крайнее правое (по схеме) положение. Проследим путь тока от плюсового вывода батареи: амперметр, вывод движка резистора R1, крайний правый вывод R1, резистор R2, минусовой вывод батареи. Получается, что резистор R1 в схеме как бы не участвует — ток от плюсового вывода батареи сразу попадает на R2 (амперметр, как мы узнаем из главы 2, можно не принимать во внимание), и схема становится фактически такой же, как на рис. 1.1. Что покажут наши измерительные приборы? Вольтметр покажет напряжение батареи — 5 В, а показания амперметра легко вычислить по закону Ома: ток в цепи составит 5 В/50 Ом = 0,1 А или 100 мА. На всякий случай еще раз напомним, что эти значения приблизительные — реальное напряжение батареи несколько меньше 5 В.

Теперь поставим движок R1 в среднее положение. Ток в цепи теперь пойдет от плюса батареи через амперметр, вывод движка R1, половину резистора R1, резистор R2 и далее, как и раньше, вернется к минусу батареи. Как изменятся показания приборов? Раньше резистор R1 в процессе не участвовал, а теперь участвует, хоть и половинкой. Соответственно, общее сопротивление цепи станет уже не 50 Ом (один резистор R2), а 50 (R2) + 50 (половинка R1), т. е. 100 Ом. Амперметр покажет уже не 100 мА, а 5 В/100 Ом = 0,05 А или 50 мА — в два раза меньше.

А вот что покажет вольтметр? Так сразу и не скажешь, не правда ли? Придется посчитать, и для этого рассмотрим отдельно участок цепи, состоящий из R2 с присоединенным к нему вольтметром. Очевидно, что току у нас деться некуда — все то количество заряда, которое вышло из плюсового вывода батареи, пройдет через амперметр, через половинку R1, через R2 и вернется в батарею. Значит, и на этом отдельном участке, состоящем из одного R2, ток будет равен тому, что показывает амперметр — т. е. 50 мА. Получается, как будто резистор R2 подключен к источнику тока! И это действительно так — источник напряжения с последовательно включенным резистором (в данном случае половинка R1) представляет собой источник тока (хотя и плохой, как мы увидим в дальнейшем). Так каковы же будут показания вольтметра? Очень просто: из закона Ома следует, что U = I·R, где R — сопротивление нужного нам участка цепи, т. е. R2, и в данном случае вольтметр покажет 0,05·50 = 2,5 В. Эта величина называется падением напряжения, в данном случае — падением напряжения на резисторе R2. Легко догадаться, даже не подключая вольтметр, что падение напряжения на резисторе R1 будет равно тоже 2,5 В, причем его можно вычислить двумя путями: как разницу между 5 В от батареи и падением на R2 (2,5 В), или по закону Ома, аналогично расчету для R2.

А что будет, если вывести движок переменного резистора R1 в крайнее левое положение? Я сразу приведу результат: амперметр покажет 33 мА, а вольтметр — 1,66 В. Пожалуйста, проверьте это самостоятельно! Если вы получите те же значения, то это будет означать, что вы усвоили закон Ома и теперь умеете отличать ток от напряжения. А более сложными схемами включения резисторов мы займемся в главе 5.

Прежде чем перейти к дальнейшему описанию, я хочу ответить на вопрос, который, несомненно, у вас уже возник: а как можно себе представить резистор в нашей аналогии с водопроводной трубой? Ток — расход воды, напряжение — давление, а сопротивление? Оказывается, это очень просто, мало того, соответствующая величина в гидравлике называется точно так же: сопротивление потоку. Аналогами резисторов будут всякие устройства, установленные на трубе: краны, задвижки, муфты или просто местные сужения. Определенным сопротивлением обладает и сама труба, причем чем она тоньше, тем ее сопротивление выше, в точности как и с проводником. И точно так же, как на включенном в электрическую цепь резисторе происходит падение напряжения, на этих гидравлических сопротивлениях происходит падение давления, которое пропорционально величине самого сопротивления. Прикрывая кран, мы увеличиваем сопротивление потоку, и расход воды уменьшается, т. е. здесь мы производим в точности то же действие, что и при экспериментах с переменным резистором в электрической цепи.

Источники напряжения и тока

В схеме на рис. 1.4 мы можем выделить, как показано пунктиром, ее часть, включив туда батарейку и переменный резистор R1. Тогда этот резистор (вместе с сопротивлением амперметра, конечно) можно рассматривать, как внутреннее сопротивление источника электрической энергии, каковым выделенная часть схемы станет для нагрузки, роль которой будет играть R2. Любой источник, как легко догадаться, имеет свое внутреннее сопротивление (электронщики часто употребляют выражение выходное сопротивление) — хотя бы потому, что у него внутри есть провода определенной толщины.

Но на самом деле не провода служат ограничивающим фактором. В главе 4 мы узнаем, что такое электрическая мощность в строгом значении этого понятия, а пока, опираясь на интуицию, читатель может сообразить сам: чем мощнее источник; тем у него меньше должно быть свое внутреннее сопротивление, иначе все напряжение «сядет» на этом внутреннем сопротивлении, и на долю нагрузки ничего не достанется. На практике так и происходит — если вы попытаетесь запустить от набора батареек типа АА какой-нибудь большой прибор, питающийся от источника с низким напряжением (вроде настольного сканера или ноутбука), то прибор, конечно, не заработает, хотя формально напряжения должно хватать, — напряжение «сядет» почти до нуля. А вот от автомобильного аккумулятора, который гораздо мощнее, все получится как надо.

Такой источник, у которого внутреннее сопротивление мало по отношению к нагрузке, называют еще идеальным источником напряжения. Физики предпочитают название идеальный источник э.д.с. (электродвижущей силы), но на практике это абстрактное понятие используется реже, чем менее строгое, но всем понятное «напряжение». К ним относятся в первую очередь все источники электрического питания: от батареек до промышленной сети. Кстати, для снижения внутреннего сопротивления вовсе не обязательно увеличивать мощность источника напряжения до бесконечности — к тому же эффекту приводят специальные меры по стабилизации напряжения, с которыми мы познакомимся в главе 9.

Наоборот, идеальный источник тока, как нетрудно догадаться, обязан обладать бесконечным внутренним сопротивлением — только тогда ток в цепи совсем не будет зависеть от нагрузки. Понять, как источник реального тока (не бесконечного малого) может обладать бесконечным выходным сопротивлением, довольно трудно, и в быту такие источники вы не встретите. Однако уже обычный резистор, включенный последовательно с источником напряжения (не тока!), как R1 на рис. 1.4, при условии, что сопротивление нагрузки мало (R2 << R1), может служить хорошей моделью источника тока. Еще ближе к желаемому будут транзисторы в определенном включении, и мы с этим разберемся позднее. А с помощью обратной связи и операционных усилителей можно добиться и результатов, близких к теоретическому идеалу — построить источник тока конечной величины с выходным сопротивлением, весьма близким к бесконечности.

Источники напряжения и тока обозначаются на схемах так, как показано на рис. 1.5, а и б. Не перепутайте — логики в этих обозначениях немного, но так уж принято. А так называемые эквивалентные схемы (их еще называют схемами замещения) реальных источников приведены на рис. 1.5, в и г, где Rв обозначает внутреннее сопротивление источника.

Рис. 1.5. Источники тока и напряжения.

а — обозначение идеального источника напряжения, б — обозначение идеального источника тока, в — эквивалентная схема реального источника напряжения, г — эквивалентная схема реального источника тока

 

ГЛАВА 2

Джентльменский набор

Оборудуем домашнюю лабораторию

Затем он сходил на набережную Железного Лома и отдал приделать новый клинок к своей шпаге.

А. Дюма. Три мушкетера

Скажу сразу: если у вас среди добрых родственников нет олигархов, то оборудовать домашнюю лабораторию по последнему слову техники и не пытайтесь — это встанет в такую сумму, что домашние еще долго будут вам это вспоминать. Потому делайте это постепенно: конечно, очень заманчиво купить цифровую измерительную станцию (мультиметр, запоминающий осциллограф, генератор сигналов и т. п. в одном флаконе) стоимостью примерно как подержанный импортный автомобиль в хорошем состоянии, но уверяю, что для дела это необязательно. Есть, однако, вещи, без которых не обойтись, вот их-то мы и перечислим, а затем рассмотрим по очереди.

Итак, вот малый джентльменский набор радиолюбителя:

□ мультиметр;

□ источник питания постоянного тока (два одинаковых однополярных или один двуполярный, иногда требуется и третий источник);

□ осциллограф;

□ генераторы прямоугольных и синусоидальных сигналов.

Перечисленного достаточно, чтобы повторить все примеры из этой книги, однако в общем случае может понадобиться и иное оборудование (например, если вы собираетесь заняться радиоприемом или телевидением). Но мы остановимся на этом.

Причем источники питания и генераторы несложно сделать самому (а генераторы — даже предпочтительнее, т. к. они обойдутся вам в день труда и сотню рублей, потраченных на компоненты, а работать будут не хуже, а в некоторых отношениях даже лучше промышленных, и окажутся много удобнее в использовании). В дальнейшем мы все это сделаем, а пока рассмотрим то, что имеется в продаже.

Мультиметр

Его еще часто называют по старинке тестером. Покупать нужно обязательно цифровой и не самый дешевый. На рынке полно миниатюрных китайских мультиметров стоимостью в пару сотен рублей — их покупать не надо! Как правило, они работают примерно неделю, а потом, если не разваливаются, то просто перестают показывать. Но самый главный их недостаток — даже не низкая надежность, а недостаточная точность, которая может быть довольно далека от декларируемых в описании величин.

В магазинах типа «Чип и Дип» или на радиорынках есть большой выбор приличных универсальных мультиметров. Вас интересует ценовой диапазон примерно от 500 до 1500–2000 рублей, большая цена означает, что в приборе наличествуют не слишком актуальные навороты: связь с компьютером, память или еще что-то в этом роде. Выбирать нужно по количеству функций и диапазонам измерений. Перечислим главные функции, без которых не обойтись (в скобках — желательнее диапазоны):

□ измерение постоянного напряжения (2 мВ-600 В);

□ измерение постоянного тока (2 мА-10 А);

□ измерение переменного напряжения (1 В-700 В);

□ измерение переменного тока (20 мА-10 А);

□ измерение сопротивления (100 Ом-10 МОм, функция «прозвонки»).

Все остальные функции, как говорят компьютерщики, опциональны, но пренебрегать ими не следует (располагаю их по степени практической нужности):

□ измерение емкости;

□ измерение индуктивности;

□ измерение параметров транзисторов;

□ измерение температуры.

Мультиметры работают, как правило, от 9-вольтовой батарейки в типоразмере «Крона». Батарейки хватает надолго, однако у некоторых моделей было замечено, что при снижении напряжения питания ниже допустимого мультиметр не выключается, а начинает врать. Это может стать источником неприятностей и крупных недоразумений, поэтому я советую сразу после покупки разориться на самую дорогую щелочную (alkaline) батарейку фирмы Duracell, Varta или Energizer, гарантированный срок хранения которой составляет 6–7 лет. К сожалению, литиевых аналогов «Кроны» автор не встречал, но если они появятся в продаже, то для этой цели подойдут еще лучше — у литиевых срок хранения доходит до 10–12 лет. Это будет неплохим вложением денег, учитывая, что батарейка в мультиметре в основном хранится. Этот совет насчет щелочных элементов, кстати, относится не только к мультиметрам, а вообще к любой технике, которая должна долго питаться от гальванических элементов — скажем, к пультам управления телевизорами.

* * *

Заметки на полях

При покупке мультиметра обратите внимание на наличие функции автовыключения (для экземпляра, изображенного на рис. 2.1, о присутствии такой функции говорит надпись « Auto power off »). Большинство современных мультиметров ее имеют, но может быть, при некотором опыте обращения с ними вы предпочтете, чтобы ее не было: такой мультиметр имеет привычку выключаться посреди работы как раз в тот момент, когда у вас заняты руки. По крайней мере, перед покупкой стоит ознакомиться с описанием того, как реализована эта функция.

Рис. 2.1. Типовой мультиметр с дополнительной функцией измерения емкости

* * *

Слабым местом всех мультиметров является функция измерения тока, т. е. режим амперметра. Если вы творчески изучили главу 1, то должны легко сообразить, что амперметр, включаемый всегда последовательно с нагрузкой, должен иметь очень маленькое собственное (внутреннее) сопротивление, иначе на нем образуется большое падение напряжения, что внесет искажения в измеряемую величину тока.

Если вы все же не поняли предыдущую фразу, то вернитесь к рис. 1.4 и перерисуйте его на листочке бумажки так: вместо амперметра нарисуйте резистор RA (который будет представлять упомянутое внутреннее сопротивление амперметра), а переменный резистор R1 исключите. Вы получите почти точно такую же картинку, как и раньше, только вместо R1 у вас теперь есть RA, и все расчеты будут совершенно аналогичными: чем больше RA, тем меньшее падение напряжения покажет вольтметр на R2 и тем меньше будет общий ток в цепи. Это очень плохо, т. к. оба прибора должны только измерять, но никак не участвовать в процессах, происходящих в цепи. В принципе полностью избежать влияния амперметра не удается, но получается сделать внутреннее сопротивление амперметра достаточно малым, чтобы пренебречь его влиянием.

Вот это-то замечательное свойство амперметров одновременно и является их самым слабым местом — достаточно перепутать и включить амперметр не последовательно, а параллельно источнику питания (подобно вольтметру на рис. 1.1), как через него, в полном соответствии с законом Ома, потечет огромный ток, ограниченный только возможностями источника. Действительно — характерное сопротивление амперметра при измерении больших токов составляет порядка нескольких миллиом, что даже при 5-вольтовом источнике дает токи в 1000 А и более! На самом деле никакой обычный источник питания (включая даже бытовую электросеть) такого тока отдать не сможет, но того, что сможет, будет достаточно, чтобы прибор сгорел.

Однако не отчаивайтесь — обычно в хороших мультиметрах на этот случай внутри стоит плавкий предохранитель, а самых «продвинутых» — даже самовосстанавливающийся. Поэтому если ваш прибор вдруг перестал показывать ток (а вы можете и не заметить, как случайно подсоединили его в режиме измерения тока к выводам питания), то прежде всего откройте его и проверьте этот самый предохранитель.

Кстати, именно для того, чтобы дополнительно защитить мультиметр от вышеописанных неприятностей, клемму для подключения щупа в режиме измерения тока всегда делают отдельно от других.

Теперь немного о режиме вольтметра. От вольтметра, наоборот, требуется максимально высокое сопротивление, иначе часть тока будет проходить через него, т. е. мимо измеряемого участка, что эквивалентно уменьшению суммарного сопротивления этого участка (подробнее о параллельном включении резисторов мы поговорим в главе 5, а пока, чтобы понять сказанное, поглядите еще раз на рис. 1.4). Итак, чтобы вольтметр не вносил искажения, его сопротивление делают максимально большим. И это хорошо — по крайней мере, нет такой опасности сжечь прибор, как в случае амперметра, — если вы включите мультиметр в режиме вольтметра в цепь последовательно с источником питания, ток просто не пойдет (точнее, пойдет, но очень маленький). Зато вольтметр можно испортить, если включить его на предел в 1 В, а подсоединить к сети 220 В. Надо сказать, что обычно современные вольтметры выдерживают такое издевательство, но лучше все же не рисковать и соблюдать следующее правило:

* * *

Обязательно заранее устанавливайте прибор на тот диапазон, в котором вы собираетесь производить измерения. Если примерное значение величины заранее неизвестно, то следует установить прибор на максимальный диапазон.

* * *

Впрочем, если финансовые возможности позволяют, то можно и приобрести мультиметр с автоматическим выбором пределов измерении — в этом случае вам придется заботиться только о том, чтобы не перепутать, что именно вы собрались измерять: ток или напряжение. Такими функциями всегда обладают настольные мультиметры, и они, конечно, для наших целей во всем предпочтительнее универсальных, — если бы только не цена, которая для самых дешевых моделей начинается от 5 тыс. рублей.

Кстати, а можно ли обойтись одним вольтметром, если вдруг амперметр сгорел необратимо? Вполне можно. Соорудить амперметр из вольтметра — пара пустяков (как, кстати, и наоборот — просто обычно этого не требуется). Для этого нужно запастись точным резистором с номинальным значением сопротивления, например, ровно 1 Ом (это подойдет для измерения токов в единицы-десятки-сотни-тысячи миллиампер, что есть обычное значение для наших схем, для токов в других диапазонах нужен больший или меньший номинал). Мощность этого резистора должна быть как можно выше — не менее 1–2 Вт, а если достанете мощностью в 10 Вт, то это будет просто прекрасно.

* * *

Заметки на полях

Надо сказать, что достать такой резистор не всегда просто, но в крайнем случае можно его изготовить самостоятельно. Лучше всего использовать нихромовую проволоку, из которой делаются спирали для антикварных отечественных утюгов и электроплиток (или можно, например, раскурочить старый паяльник). Возьмите кусок этой проволоки подлиннее (всю спираль целиком) и измерьте его сопротивление (его-то ваш мультиметр еще не потерял способность измерять?). Величина эта составит порядка нескольких десятков ом. Затем растяните и измерьте рулеткой длину. Поделив одно на другое, вы получите сопротивление проволоки в Ом/м. Осталось отмерить (как можно точнее) нужный кусок, соответствующий одному ому (скорее всего получится порядка 10–30 см), свернуть его спиралькой, намотав на карандаш и затем аккуратно сняв, — и сопротивление (причем достаточно точное) готово. Чтобы оно было более долговечным, следует взять любой крупный резистор достаточно высокого сопротивления (более нескольких сотен ом), намотать на него этот отрезок нихрома и туго обернуть его кончики вокруг имеющихся выводов. Затем их следует пропаять с помощью кислотного флюса (см. главу 3 ).

* * *

Теперь включите этот одноомный резистор последовательно в измеряемую цепь, а параллельно ему подключите вольтметр, как показано на рис. 2.2. Величина тока в цепи будет численно равна показаниям вольтметра (если вольтметр установлен на диапазон в вольтах, то, значит, ток в амперах, если в милливольтах — то в миллиамперах). Думаю, вы легко сообразите, почему это так, и сами сможете придумать, как подсчитать напряжение, если резистор имеет номинал, отличающийся от 1 Ом.

Рис. 2.2. Схема измерения величины тока с помощью вольтметра

* * *

Подробности

Одновременно с мультиметром приобретите подходящие для него зажимы-«крокодилы» (с запасом — они легко теряются). С ними ситуация обычно такая: чаще всего стандартные отечественные «крокодилы» не подходят, а «родные» импортные слишком громоздкие и очень плохо держатся на измеряемом проводе. В этом случае рекомендуется либо, если возможно, подогнуть отечественные, чтобы они держались на импортном щупе, либо просто откусить импортные наконечники от проводов и заменить их отечественными штекерами, на которых «крокодил» держится очень крепко. При этом вы лишаетесь фирменного заостренного щупа, но его легко изготовить из «крокодила», причем он будет даже лучше оригинального — плотно зажмите с помощью плоскогубцев (а еще лучше пропаяйте мощным паяльником) в «крокодиле» толстую швейную иглу и натяните на нее изолирующую кембриковую трубку, оставив свободными только несколько миллиметров кончика иглы (чтобы плотно держалось, лучше использовать термоусадочный кембрик). Сам «крокодил» тоже нужно изолировать — можно использовать более толстый термоусадочный кембрик или обмотать липкой эластичной полихлорвиниловой лентой (но не скотчем!). Этот же щуп удобно использовать для осциллографа.

* * *

Более подробно об особенностях проведения измерений в различных случаях мы поговорим в соответствующих главах, а сейчас продолжим обсуждать оборудование нашей лаборатории.

Источник питания

Лабораторный источник питания, как я уже говорил ранее, не представляет особых трудностей сделать самому (см. главу 9), но вы пока этого не умеете, а хотя бы один источник понадобится сразу — например, для того, чтоб отладить собственные. Поэтому его следует приобрести. Можно, конечно, приобрести и три источника, но к собственноручной сборке я призываю не столько в целях экономии денег, и даже не из педагогических соображений, но еще и потому, что собранный нами источник будет именно таким, какой нам надо. Если мультиметры (о которых мы говорили в предыдущем разделе) и осциллографы (о которых пойдет речь далее) не имеет никакого смысла собирать самому, потому что лучше и дешевле промышленных вы наверняка не сделаете, то. источники питания и генераторы — совсем другое дело.

Какой же источник приобретать? В отличие от мультиметра — самый дешевый из подходящих. Это не ширпотребовский товар и на коленке в шанхайских трущобах их не делают, тем более, что в продаже полно и вполне приличных отечественных моделей. Единственное, на что следует обратить внимание, — это на диапазоны регулирования напряжения и тока. Напряжение должно плавно или ступенчато (последнее даже предпочтительнее, т. к. позволяет устанавливать точное значение напряжения без дополнительного контроля) регулироваться от нуля до 24–30 В (желательно) или до 12 В (как минимум).

А с током надо разобраться — дело в том, что существует несколько типов источников. Самые простые — те, у которых при превышении указанного в характеристиках максимального тока срабатывает внутренняя защита, и нагрузка отключается. Это не очень удобно, и вот почему: многие нагрузки, включая и определенную часть приведенных в этой книге устройств, в момент включения в течение некоторого времени (от миллисекунд до секунд) потребляют ток, значительно больший номинального потребления. Объясняется это тем, Что в первый момент либо заряжается фильтрующий конденсатор источника питания, либо, как в случае, скажем, подключения микродрели, большой ток призван раскрутить движок до номинальных оборотов, после чего потребление тока резко снижается. Если используется источник с ограничением тока, то это приводит просто к замедлению пуска нагрузки, а если с отключением нагрузки, то отключение это чаще всего успевает сработать до того, как потребляемый ток снизится до приемлемого уровня. В результате вы попадаете в замкнутый круг — источник номинально может обслуживать вашу нагрузку, а фактически включить ее не получается.

Более «продвинутые» источники ограничивают ток на указанном уровне (т. е. фактически превращаются в источник тока, напряжение при этом зависит от нагрузки), и иногда еще умеют отключать нагрузку вовсе, если в ней наблюдается короткое замыкание. Такие источники гораздо удобней. Чаще всего величину тока ограничения можно тоже, как и напряжение, регулировать, потому подобные источники сразу можно отличить по внешнему виду — в них имеются отдельные ручки регулирования напряжения и тока (часто даже по две на каждый параметр: для грубой и точной установки). Цена самых простых обычно не превышает 2 тыс. рублей.

Очень хорошо, если вы сразу приобретете двухполярный источник, т. е. такой, который имеет на выходе сразу два напряжения: положительное и отрицательное относительно общего провода (обычно это просто два источника в одном корпусе, которые можно соединить по клеммам). Смотрите по средствам, но в любом случае желательно иметь источник как можно мощнее — 1–2 А нам будет, пожалуй, хватать для большинства наших экспериментов, но запас иметь никогда не помешает.

Осциллограф

Осциллограф — это вещь почти незаменимая. Если вкратце, то это прибор, который позволяет увидеть на экране все, что происходит с напряжением в наших схемах. Мало того, во многих случаях он может заменить и мультиметр. Но одновременно это будет и самое дорогое ваше приобретение. Портативный прибор с ЖК-экраном можно приобрести за несколько тысяч рублей, но вы быстро убедитесь, что пользоваться таким устройством не слишком удобно, а цена настольных конструкций начинается от 10 тысяч и уходит далеко в бесконечность.

Как работает простейший аналоговый осциллограф? Главная его деталь — электронно-лучевая трубка (CRT), аналогичная той, что используется в черно-белых телевизорах, только носящая специальное название «осциллографической»: Если не углубляться в физику, то принцип ее работы можно пояснить картинкой, показанной на рис. 2.3. В узком конце трубки расположена так называемая электронная пушка, излучающая узкий поток электронов, разогнанных до большой скорости. Попадая на экран, покрытый изнутри люминофором, он образует маленькую светящуюся точку (в отличие от телевизионных трубок, где люминофор светится белым, здесь часто используется люминофор зеленого или, например, синего свечения, причем обычно с небольшим послесвечением — луч как бы оставляет за собой постепенно затухающий след). Пластины X служат для развертки луча по горизонтали — на них подается пульсирующее напряжение пилообразной формы (его график приведен на рис. 2.3, б). В результате в отсутствие напряжения на пластинах Y луч прочерчивает горизонтальную линию, начинающуюся у края экрана слева и заканчивающуюся у правого края.

Рис. 2.3. а — принцип работы осциллографической трубки:

1 — электронная пушка; 2 — электронный луч; 3 — горизонтальные отклоняющие пластины X ; 4 — вертикальные отклоняющие пластины Y ; 5 — экран с люминофором; 6 — форма напряжения развертки на пластинах X

б — форма напряжения развертки на пластинах X

Если теперь подать напряжение на пластину Y, связанную через регулируемый усилитель со входом осциллографа, то луч будет сдвигаться вверх или вниз, в зависимости от знака поданного напряжения, рисуя на экране график, соответствующий изменениям формы входного напряжения во времени. В простейшем случае, если на вход Y подано постоянное напряжение, отличающееся от нуля, то линия просто сдвинется, но останется горизонтальной. Поверх экрана размещается координатная сетка, по которой можно узнать все характеристики видимого сигнала — его размах в вольтах и период изменения во времени (о периодах сигналов говорится в главе 4).

Основных управляющих ручек у простого аналогового осциллографа как минимум четыре (см. фото панели малогабаритного осциллографа С1-73 на рис. 2.4). Две ручки, обычно помеченные стрелочками вверх-вниз и вправо-влево (на рис. 2.4 сверху по обе стороны экрана), позволяют устанавливать линию развертки в отсутствие сигнала в нужное начальное положение — например, по центру экрана. Для того чтобы при этом быть уверенным, что сигнала действительно нет, обычно имеется специальная кнопка или переключатель, помеченный символом «земли», который отключает вход Y от входной клеммы и замыкает его на корпус, соединенный с общим проводом («землей») прибора. На рис. 2.4 это переключатель слева внизу под надписью «Усиление» — в среднем положении он как раз и замыкает вход Y на «землю».

Рис. 2.4. Панель малогабаритного аналогового осциллографа С1-73

Две другие ручки, представляющие собой переключатели с большим числом фиксированных положений, позволяют управлять временем развертки (на рис. 2.4 справа от экрана) и усилителем входного сигнала (слева от экрана), для того чтобы увидеть сигнал в удобном масштабе по обеим осям. У этих переключателей против каждого положения написаны значения времени (для развертки) и напряжения (для усилителя Y), которые соответствуют одному делению координатной сетки экрана.

Таким образом осциллографом можно довольно точно измерять период (частоту) сигнала и его размах. Поверх этих переключателей выступают ручки, позволяющие плавно менять установленную величину развертки или усиления вблизи установленного переключателями значения (точному установленному значению соответствует крайнее правое положение этих ручек).

Кроме этих основных управляющих элементов, обычно имеются еще вспомогательные: для управления яркостью луча и его фокусировкой (т. е. размерами пятна на экране) — они видны на рис. 2.4 внизу. Часто есть специальная кнопка под названием «поиск луча» (в С1-73 она отсутствует) — дело в том, что луч запросто может уехать за пределы экрана, и вам по неопытности даже сперва покажется, что все сломалось.

* * *

Заметки на полях

Отдельного разговора заслуживает также обязательно присутствующая регулировка синхронизации: на рис. 2.4 это две ручки с подписями «СТАБ.» (стабильность) и «УРОВЕНЬ», а также переключатель справа внизу с подписью «СИНХР.» (синхронизация). Дело в том, что на практике частота развертки никогда точно не кратна частоте сигнала, поэтому сигнал «бежит» по экрану, не давая как следует рассмотреть его форму и измерить параметры. Регулировка синхронизации служит для того, чтобы сигнал можно было «остановить» — при этом начало развертки (т. е. начало хода луча от левого края экрана) будет всегда совпадать с каким-то характерным моментом в изменении повторяющегося сигнала — например, с переходом через ноль или максимум напряжения, по спаду или по фронту сигнала. Эти параметры и регулируются указанными элементами управления. Переключатель синхронизации выбирает форму сигнала (постоянный, переменный, по положительному или отрицательному фронту), а для того, чтобы сигнал «остановить», обычно используют такой прием: следует вывести ручку регулировки уровня в минимум, затем ручку регулировки стабильности установить в состояние полного пропадания сигнала и медленно поднимать уровень, пока сигнал опять не появится. Во многих простейших аналоговых осциллографах, подобных С1-73, синхронизация работает плохо и установить ее — занятие, требующее большого практического опыта. Хорошо помогает в этом случае дополнительный вход для синхронизации от внешнего сигнала, который имеется в большинстве даже самых простых моделей (в С1-73 он расположен сбоку корпуса).

* * *

Конечно, во многих моделях могут быть и другие органы управления — скажем, кнопка для переворота (инвертирования) сигнала, или «лупа» для выделения интересного участка, или клемма для подачи пилообразного напряжения развертки от внешнего источника, но вы с ними легко разберетесь по ходу дела.

Проверить осциллограф просто — надо схватиться рукой за щуп, и тогда вы увидите на экране наведенную помеху от бытовой электросети частотой 50 Гц. Если вы ее не видите, 99 % за то, что вы забыли отключить заземление входа после настройки положения луча (такое часто случается).

С электрической точки зрения осциллограф представляет собой вольтметр, т. е. имеет высокое входное сопротивление (стандартно — 1 МОм, хотя есть специальные высокочастотные осциллографы, которые имеют входное сопротивление 50 Ом, естественно, они для наших целей не годятся), поэтому наводка от сети и других помех может быть весьма значительна. Если такое входное сопротивление все же слишком мало (что бывает при исследовании схем с очень малыми токами), то следует использовать прилагаемый к осциллографу или приобретаемый отдельно щуп с делителем 1:10. При этом входное сопротивление возрастает соответственно до 10 МОм, а величину сигнала на экране нужно умножить на 10. Этим же щупом следует пользоваться, если требуется исследовать сигналы высокого напряжения, например, сетевого (220 В), т. к. обычно имеющейся шкалы не хватает, и большая часть сигнала сверху и снизу при использовании простого щупа окажется за пределами экрана. Производители не рекомендуют насиловать входной усилитель такими высокими напряжениями, и, хотя лично мне ни разу не удавалось сжечь вход осциллографа, все же к рекомендациям изготовителей нужно прислушиваться.

* * *

При подсоединении щупа к исследуемой схеме нужно помнить, что корпус осциллографа «заземлен», т. е. соединен с общим проводом щупа, потому он не должен касаться корпусов источников питания и других приборов — довольно часто бывает, что нужно разглядеть сигнал не относительно общего провода схемы, а, скажем, относительно шины питания.

При исследовании узлов, напрямую связанных с бытовой сетью 220 В, нужно соблюдать особую осторожность — осциллограф обязательно должен стоять на сухом изолирующем основании, ни в коем случае не касаться каких-либо металлических предметов (скажем, корпуса стоящего рядом компьютера) и за его металлические части, включая элементы щупа, ни в коем случае нельзя браться руками! Если вам придется проводить подобные операции, то последовательность их проведения такая:

1. Отключить питающее схему напряжение (обязательно оба сетевых провода).

2. Надежно подсоединить щуп к измеряемой схеме, используя зажимы-крокодилы и следя за тем, чтобы они не касались проводников и держались как можно прочнее.

3. Включить напряжение, держа руки подальше, и наблюдать сигнал.

4. При необходимости изменения параметров развертки, усиления и синхронизации внимательно следить за тем, чтобы в ажиотаже не задеть «крокодилы» и не коснуться металлических частей корпуса.

5. При необходимости перенести щупы в другое место схемы снова полностью выключить питание и повторить операции.

* * *

Все здесь сказанное относилось к простейшим аналоговым осциллографам. Их функций вам будет хватать во всех случаях, описанных в этой книге. В настоящее время выпускаются, однако, и более навороченные модели. Прежде всего это многоканальные и многолучевые осциллографы, которые позволяют увидеть одновременно два и более сигналов в разных точках схемы — фактически это несколько отдельных осциллографов в одном корпусе и с раздельным управлением, обычно за исключением синхронизации, которая устанавливается по одному из входных каналов (по выбору). Это бывает очень удобно, если нужно, например, рассмотреть сдвиг по времени одного из сигналов относительно другого. Излишне говорить, что такие приборы заметно дороже обычных, причем многолучевые лучше многоканальных, т. к. у них на самом деле несколько независимых лучей, в то время как многоканальные лишь имитируют независимость — у них просто разные входы по Y быстро-быстро переключаются между собой, управляя на самом деле одним и тем же лучом.

Еще более интересными являются запоминающие осциллографы, которые позволяют получить моментальный «снимок» одноразового процесса, скажем, всплеска напряжения в схеме. В настоящее время такие осциллографы исключительно цифровые, и функция запоминания у них — лишь одна из многих других. О цифровых осциллографах я здесь подробно говорить не буду — если финансовые возможности вам позволяют, обязательно приобретите, т. к. они позволяют делать все то же, что и аналоговые, и умеют еще много такого, что аналоговым недоступно — например, показывать точное значение напряжения сигнала и времени от начала развертки в произвольной точке осциллограммы. Нет у них и никаких проблем с синхронизацией.

Если все же на приобретение цифрового прибора у вас денег не предвидится — смело покупайте самый дешевый отечественный, причем как можно более малогабаритный и с минимальным количеством ручек управления, вроде С1-73, показанного на рис. 2.4, который выпускается без изменений уже четвертый десяток лет, необычайно прост в обращении и надежен. В момент, когда пишутся эти строки, его можно приобрести в интернет-магазинах примерно за 10 тыс. рублей, и по своим качествам он соответствует большинству более современных моделей из той же ценовой категории. Минимально необходимые характеристики, которые перекрывают большинство радиолюбительских потребностей (исключая высокочастотную технику), в сущности, включают лишь один критичный параметр — максимальную рабочую частоту. Желательно, чтобы она была не меньше 10–20 МГц, хотя и пятимегагерцовый С1-73 для наших целей тоже годится.

В качестве отличного компромисса можно приобрести цифровой осциллограф-приставку к компьютеру — она подключается к порту USB, позволяет наблюдать сигнал на большом экране ПК и управлять настройками с помощью мыши. Обладая всеми характеристиками довольно продвинутых цифровых моделей (выборка, пиковый детектор, усреднение, память на несколько осциллограмм, полоса пропускания в десятки мегагерц), осциллограф-приставка в разы дешевле настольных цифровых моделей, и по стоимости не превышает самые простые аналоговые образцы. При этом я очень не советую городить самостоятельно и тем более приобретать самодельные конструкции такого рода — в деньгах, может быть, вы и выиграете, но времени на доводку изделия «до ума» потратите немерянно, если вам вообще это удастся: осциллограф — прибор, простой только по принципу работы, а определяющая часть его функциональности заключается во всяких тонкостях и нюансах, дилетантскому подходу не поддающихся.

Ну, а теперь перейдем к технологическому оснащению нашей домашней лаборатории.

 

ГЛАВА 3

Хороший паяльник — половина успеха

Инструменты и технологические советы

На следующий день д'Артаньян поднялся в пять утра, сам спустился в кухню, попросил достать ему кое-какие снадобья, точный список которых не дошел до нас, к тому же еще вина, масла, розмарину, и, держа в руке рецепт, данный ему матерью, изготовил бальзам, которым смазал свои многочисленные раны, сам меняя повязки и не допуская к себе никакого врача.

А.Дюма. Три мушкетера

Не будет преувеличением утверждать, что стабильность и покой в нашей жизни основываются на мелочах. Отсутствие всего двух-трех термозащитных плиток из десятков тысяч у шаттла «Коламбия» привело семерых астронавтов к гибели. Невероятное стечение обстоятельств, противоречащее всем законам вероятности, — и пятьдесят башкирских детей гибнут в небе над швейцарским озером. Есть такой эмпирический закон, известный под названием «закона Мерфи», который известен во множестве вариантов, но его основную мысль можно сформулировать так: всегда полагайтесь на худший из возможных исходов. В моей практике этот закон не нарушался никогда — например, если некий прибор сломался, то обязательно следует предполагать, что поломка произошла как минимум в двух местах. И это невероятное предположение, противоречащее основным положениям теории надежности, обычно оправдывается на практике!

Я веду вот к чему — чем больше мелочей вы предусмотрите заранее, тем надежнее будут работать ваши приборы. Кстати, в радиоэлектронике также в полной мере оправдывается правило, которое заметили еще авиаконструкторы: красивый самолет имеет и лучшие летные качества. Аккуратно и эстетично смонтированный прибор будет работать лучше и надежнее — этому можно, кстати, отыскать вполне рациональные объяснения. Например: если у вас соединительные провода между блоками имеют произвольную длину и толщину и кое-как запиханы в корпус прибора, напоминая мочалку для мытья посуды, то велика вероятность того, что вы зацепите тот или иной провод при сборке, и он просто оторвется. А если этот провод слишком толстый и жесткий, то и цеплять не надо, — пайка отломится при малейшей попытке отогнуть провод в сторону. Наоборот, слишком тонкий и мягкий провод будет цепляться за все подряд и обязательно попадет под крепежные винты. Кроме того, слишком длинные и хаотично расположенные проводники могут в некоторых случаях привести к неработоспособности схемы из-за самовозбуждения.

Ни в коем случае не берите за образец сборку персональных компьютеров — там совершенно другая технологическая база, и спроектировано все настолько надежно, что хаотичное расположение кабелей в корпусе уже помешать работоспособности не может, разве что провода попадут в вентилятор. Хотя в фирменно собранных ПК кабели все же убирают в аккуратные жгуты. «На коленке» такого уровня достичь сложно, потому берите лучше пример со старой отечественной военной сборки, которая немногим отличалась от «наколеночной», но, тем не менее, все же довольно надежно работала.

Для того чтобы монтаж и сборка были на уровне, оборудовать свою домашнюю лабораторию надо как можно лучше. Это не значит, что нужно покупать самые дорогие фирменные инструменты. Вовсе не так — сторублевые (в современном исчислении) китайские утконосы служат автору верой и правдой уже пятнадцать лет. И отечественный паяльник с деревянной рукояткой будет исполнять свои функции ничуть не хуже импортного. Правда, то же самое нельзя сказать про дешевые сверла или напильники, но сейчас нам важно другое — применяемый инструмент должен точно соответствовать той операции, для которой мы его используем. Если мы попытаемся припаять провод к толстому стальному стержню с помощью 18-ваттного паяльника с жалом, заточенным под распайку выводов микросхем, и с использованием канифоли в качестве флюса, то, помучившись с полчасика, мы, возможно, добьемся своего, но гарантии, что пайка не отвалится, если дернуть за провод посильнее, не будет.

Инструменты и материалы

Далее — (неполный) список того, что желательно бы иметь всегда под рукой. Я исключил из него слесарные инструменты вроде отверток и напильников, приведя лишь позиции, специфичные для процесса монтажа и отладки собственно схем (хотя и напильники в этом процессе иногда тоже участвуют, не говоря уж об отвертках). Не пугайтесь столь длинного перечня — даже он не исчерпывает всех необходимых мелочей, но в большинстве своем это недорогие (кроме электроинструмента) и легко доступные вещи. Чуть позже мы рассмотрим некоторые позиции подробнее.

• Инструменты:

• три паяльника разной мощности с подставкой;

• микродрель с набором цанговых зажимов (0,5–2 мм) и набором сверл (0,5–2,0 мм);

• обычная электродрель с патроном от 1,5 до 13 мм;

• врачебный пинцет;

• бокорезы;

• малогабаритные пассатижи (утконосы);

• лупа диаметром 5–7 см;

• часовые отвертки;

• скальпель или канцелярский резак;

• некоторые специальные инструменты (см. далее).

□ Расходные материалы:

• припой свинцово-оловянный ПОС-30 (40) в прутке (без канифоли);

• припой свинцово-оловянный ПОС-61 в проволоке 0 1–2 мм с канифолью;

• активный флюс;

• пассивный флюс (канифоль в кусочках и ее спиртовой раствор);

• шкурка (самая мелкая на бумажной основе и покрупнее — на тканевой);

• «Раствор спиртовой технический»;

• чистый бензин (типа «Галоша» или «для зажигалок»);

• ацетон или аналогичный растворитель (646 или 647);

• клей «Момент-кристалл»;

• фольгированный стеклотекстолит 1,5 мм;

• макетные платы;

• термопаста;

• кембриковые (изолирующие) трубки (термоусадочные и обычные, диаметром 1,5-20 мм);

• клейкая полихлорвиниловая изоляционная лента черного и белого цвета;

• скотч;

• водостойкие фломастеры (1 и 3 мм).

К специальным следует отнести различные инструменты вроде:

□ клещи для зачистки проводов (очень советую приобрести, только перед покупкой проверьте, чтобы зачищать можно было даже самый тонкий провод);

□ отсос для расплавленного припоя (он может пригодиться при демонтаже микросхем);

□ обжимные клещи для плоских кабелей и т. п.

Конечно, не все из перечисленного вам потребуется немедленно. Большинство пунктов не требуют пояснений, но некоторые стоит рассмотреть подробнее. Сначала — пара слов о двух наиболее употребительных вещах, которые всегда должны быть под рукой: бокорезы и пинцет.

Бокорезы — т. е. малогабаритные кусачки с вертикально расположенными губками — должны иметь острые, а не закругленные концы, быть сделаны из хорошей стали (бокорезы из маникюрного набора не подойдут решительно), а лезвия должны точно, без перехлеста, сходиться. Для проверки качества посмотрите через сомкнутые лезвия на свет — никакой щели наблюдаться не должно. Хорошо подогнанные и заточенные бокорезы должны резать бумагу. Какого бы качества лезвия ни были, не следует кусать такими бокорезами стальную и даже толстую медную проволоку — для этой цели следует иметь обычные слесарные кусачки. Если в процессе работы на лезвиях все же образовались зазубрины — следует подправить их плоским алмазным надфилем или отдать их в переточку в профессиональную точильную мастерскую.

Пинцет лучше всего приобрести в магазине медицинского оборудования. Те пинцеты, которые предлагаются в радиомагазинах и тем более в магазинах для фотолюбителей, обычно не выдерживают никакой критики. Хотя они и могут пригодиться для некоторых технологических целей (например, переворачивать платы при травлении), но только не для радиомонтажа. Губки стандартного медицинского пинцета следует с помощью точила несколько заострить к концам с тыльной стороны — так удобнее браться за тонкие и короткие детали.

Паяльники

Три упомянутых в списке разновидности паяльников предназначаются для следующих работ (в скобках указана примерная мощность):

□ пайка выводов микросхем и других компонентов с выводами до 1 мм, а также тонких проводов (15–20 Вт);

□ пайка компонентов с толстыми выводами (разъемы, лепестки, штеккеры и пр.) и толстых проводов (сечением 2 мм2 и более) (40–65 Вт);

□ пайка крупногабаритных деталей, например, пластин стеклотекстолита между собой (150–200 Вт).

Вполне годятся отечественные паяльники на 220 В с деревянной ручкой — огромным их преимуществом является то, что деревянная ручка не греется так, как пластмассовая. Конечно, фирменный паяльник для пайки микросхем, с мгновенным разогревом и специальным источником питания, гарантирующим изоляцию от сети и позволяющим регулировать температуру нагрева, предпочтительнее — но и существенно дороже. Неплохой промежуточный вариант — отечественный на пониженное напряжение (36 или 24 В), но к нему придется приобретать отдельный источник питания (или изготавливать его самому). Не стоит приобретать паяльники с хромированным или никелированным жалом — нормально облудить их очень сложно.

Для самого маломощного паяльника, который будет употребляться чаще всего и для самых ответственных работ, следует проверить, правильно ли выбрана мощность, и соответствует ли она выбранному жалу (чем длиннее и тоньше последнее, тем ниже температура его кончика). Вот простой эмпирический метод определения того, насколько мы правильно выбрали мощность — следует коснуться разогретым жалом кусочка канифоли. Если канифоль плавится и некоторое время (порядка пяти-десяти секунд) потом дымится — все в порядке. Наиболее кардинальным решением будет включение паяльника через ЛАТР (лабораторный автотрансформатор), что позволяет тонко регулировать температуру жала.

Наконец, после всех этих мучений жало следует облудить — для этого паяльник с отформованным и зачищенным с помощью шкурки жалом следует включить в сеть и после некоторого прогрева окунуть в канифоль. Следя за тем, как канифоль растекается, важно не пропустить момент, когда паяльник еще не нагрелся окончательно, но температура уже достигла точки плавления припоя. С этого момента нужно водить жалом по припою, стараясь, чтобы припой растекся по как можно большей площади как можно более равномерно (особое внимание следует уделить самому кончику жала). Хороший вариант — окунуть паяльник в смесь опилок, напиленных крупным напильником из бруска припоя, и порошковой канифоли. Операцию облуживания следует провести до начала работ для всех трех паяльников.

Учтите, что припой постепенно растворяет медь или латунь, из которой обычно делаются жала, поэтому не надейтесь, что отформованного и залуженного паяльника вам хватит на всю жизнь. Периодически кончик жала следует затачивать, а когда оно станет совсем коротким — паяльник придется менять. К сожалению, к тому времени жало настолько заклинивает в нагревательном элементе, что сменить его обычно не получается, причем это происходит, по моим наблюдениям, независимо от фирменности паяльника.

* * *

Заметки на полях

Если вам внезапно потребовалось произвести очень тонкую пайку (например, компонентов поверхностного монтажа на фирменной плате с высокой плотностью упаковки), а подходящего миниатюрного паяльника нет в наличии, то поможет следующий прием. Возьмите отрезок относительно толстой (1,5–2 мм) медной проволоки, зачистите и облудите его кончик, предварительно аккуратно срезанный под косым углом, и плотно намотайте эту проволоку на жало паяльника. Облуженный кончик проволоки, который будет теперь играть роль жала, следует отогнуть вперед, но не на слишком большую длину, иначе он не прогреется как следует. После нагревания жала проволока расширится и «захочет» проворачиваться на жале, как бы плотно вы ее ни намотали. Чтобы этого избежать, следует после нагревания еще раз обжать витки большими плоскогубцами, а еще лучше закрепить их небольшим хомутиком из жести с винтовым за- жимом.

* * *

Два слова о подставках — довольно удобные подставки есть в продаже, или их можно сделать самим, если конечно, подставка не продавалась вместе с паяльником. В любом случае подставку следует дополнительно снабдить металлической щеткой для очистки жала, которая почему-то отсутствует даже в самых фирменных конструкциях. Идеально для этих целей подходит отрезок так называемой «корчотки» — короткой стальной щетины на толстой тканевой основе, использующейся в текстильном производстве. Если не найдете — купите обычную хозяйственную металлическую щетку самого маленького размера с деревянной ручкой и отпилите от нее ручку. Можно также использовать грубую канитель, из которой иногда делают щетки для мытья посуды.

Кстати, если провод паяльника слишком жесткий (обычная беда не только отечественных, но и многих импортных паяльников, включая довольно дорогие), то его неплохо бы заменить — откусите провод вблизи ручки и нарастите его самым мягким и гибким сетевым проводом с вилкой на конце, который найдете. Если провод болтается внутри ручки, что обычно происходит почти со всеми паяльниками, тоже независимо от их происхождения и качества, то его следует закрепить изолентой, иначе скорый обрыв вовсе не исключен.

Флюсы для пайки

Это отдельная тема, которой не жаль посвятить некоторое время. Хотя рынок сейчас наполнен всяческими паяльными примочками, опыт показывает, что в 99 % случаев для получения надежных результатов можно обойтись всего двумя рецептами: обычным пассивным спирто-канифольным раствором и специальным активным флюсом для пайки плохо залуженных поверхностей.

Сначала о спирто-канифольном растворе, или, как его еще называют, канифольном лаке. Его можно приобрести или сделать самому. Единственное условие, которое следует соблюдать, — использование технического или медицинского 95–96 % спирта. Денатурат, который иногда продают в хозяйственных магазинах, не подойдет из-за большого содержания воды. Приобрести технический спирт можно на радиорынках и в радиомагазинах (под названием «спиртовой раствор технический»), а медицинский — сами знаете где. (Вообще-то, он продается в аптеках под названием «Медицинский антисептический раствор» как раз в удобной расфасовке по сто грамм, но для его приобретения потребуется рецепт врача. Кстати, ни «технический раствор», ни даже «медицинский антисептический» я бы решительно не рекомендовал пробовать даже заядлым алкоголикам ввиду нешуточной угрозы для здоровья.)

Для изготовления канифольного флюса надо измельчить канифоль в порошок и наполнить им примерно на две трети пузырек, выбранный для этой цели (удобно употреблять пузырьки от лекарств емкостью 100–150 мл с пластмассовой завинчивающейся пробкой). Затем вы заливаете туда спирт в таком количестве, чтобы он полностью покрыл порошок с небольшим избытком, завинчиваете пробку и немедленно несколько раз энергично встряхиваете пузырек. Собственно раствор будет готов через несколько дней — в зависимости от степени измельчения канифоли. В течение этого времени пузырек нужно периодически встряхивать. Если в канифоли имеются посторонние включения — они осядут на дно. В пластмассовую пробку пузырька неплохо заделать небольшую кисточку, обрезав ее ручку почти до уровня пробки, чтобы не торчала, иначе ваш пузырек легко перевернется, а растекание жидкой канифоли по столу — одно из самых тяжелых стихийных бедствий, которое можно себе представить. Для нанесения флюса также удобно применять деревянные зубочистки.

Простой канифольный лак, приготовленный по этому рецепту, имеет одно, но важное преимущество — он совершенно не проводит электричество, ни в жидком, ни в застывшем состоянии, потому идеален для отладки схем. «Продвинутые» в радиолюбительском деле знакомые непременно предложат вам не возиться с этим делом, а использовать широко распространенный универсальный флюс, известный под названием «ЛТИ». Надо сказать, что под этим названием ходит довольно много разных продуктов, простейший из которых представляет собой тот же самый спирто-канифольный раствор с активирующими добавками, которые превращают жидкость в пасту, — так якобы удобнее с ней обращаться. Если вам нравится — используйте, однако имейте в виду, что очень часто под названием «ЛТИ» продают активный флюс, в состав которого входит солянокислый диэтиламин, выделяющий при нагревании пары соляной кислоты, очищающие место пайки. Это здорово, но такой флюс неудобен для отладочных радиолюбительских работ вследствие его электропроводности — каждый раз после пайки его необходимо тщательно смывать спиртом, ацетоном или растворителем.

В качестве активного флюса для пайки незалуженных деталей, проволоки или поверхностей из стали, грязной меди, латуни или, скажем, нихрома удобно применять совершенно отдельную композицию. Из имеющихся в продаже можно рекомендовать «Паяльную кислоту» на основе хлористого цинка или «ХАФ» на основе хлористого аммония — оба они смываются водой.

* * *

Заметки на полях

Автор же вот уже в течение трех с лишним десятков лет использует самостоятельно приготовляемый активный флюс, который дает восхитительные результаты даже для нержавеющих сталей (для пайки которых обычно рекомендуют использовать ортофосфорную кислоту). Приготавливается он следующим образом: нужно засыпать в пузырек примерно на одну треть высоты порошок хлористого аммония и залить доверху смесью, состоящей из 70 % глицерина и 30 % воды, взболтать это дело и оставить на одну-две недели. Если хлористый аммоний по истечении этого срока полностью растворится — досыпьте еще, если нет — осадок не помешает. Насыщенным раствором удобно заполнить одноразовый шприц или полиэтиленовую пипетку с завинчивающейся крышечкой (от лекарства, которое закапывается в нос при гриппе).

После применения остатки такого флюса обязательно нужно смыть теплой водой под краном или стереть мокрой тряпочкой, а затем тщательно высушить место пайки. Флюс совершенно нейтрален, не ядовит, безопасен для рук, не разъедает деревянное и пластиковое покрытие стола, но чрезвычайно текуч и страшно медленно испаряется, потому остатки его со стола и с других предметов следует тщательно удалять влажной тряпкой. Не следует его употреблять совместно с канифолью — они будут друг другу мешать, и смывать остатки станет куда труднее.

* * *

Описанные здесь два состава исчерпывают почти все нужды радиолюбительской практики. Один совет — не жалейте канифоли, даже для временных паек! Это потом выльется в потерю куда большего времени, чем будет затрачено на покрытие места пайки флюсом с помощью кисточки или зубочистки.

Макетные платы

Даже к готовым модулям-полуфабрикатам, выпускаемым специально для изготовления радиолюбительских конструкций (о них мы будем говорить в конце этой главы), нередко приходится подключать компоненты без специальных приспособлений для быстрого монтажа. А при сборке из отдельных компонентов такая задача возникает всегда. И встает вопрос о том, как быстро смакетировать и проверить схему?

Тут нам может помочь современная индустрия — на рис. 3.1 изображена макетная плата, которая позволяет осуществлять соединения компонентов без пайки. Такие платы известны достаточно давно, однако лишь в последние годы их стало приобрести довольно просто. Видимые на фото перемычки и соединительные провода также продаются в готовом к использованию виде вместе с платами.

Рис. 3.1. Пример макетной платы с собранной схемой

(фото с сайта uchobby.com)

Однако подобная плата пригодна лишь на этапе макетирования — разумеется, в готовом изделии оставлять висящие гирлянды проводов, держащихся лишь на трении, не следует. Более универсальными являются макетные платы, где крепление компонентов и проводов осуществляется пайкой, — они годятся и для окончательной сборки достаточно сложных схем, если по каким-то причинам разработка специальной печатной платы оказывается невозможной.

Обычно, говоря о макетной плате, имеют в виду простую печатную плату с местами для установки компонентов (отверстиями и контактными площадками), или не соединенными проводниками вовсе, или соединенными по некоей специальной универсальной схеме. В продаже имеется большое разнообразие подобных плат. Предпочтительно, чтобы под рукой всегда была, как минимум, простейшая универсальная плата с отдельными металлизированными отверстиями, расположенными по сетке с шагом 2,5 мм (рис. 3.2, слева). По мере надобности из нее ножницами по металлу вырезаются нужные фрагменты.

Рис. 3.2. Различные макетные платы

В случае, если нет возможности избежать применения микросхем в корпусах с планарными выводами, может пригодиться плата типа, показанного на рис. 3.2, справа.

Учтите, что совершенно универсальной платы, пригодной для расположения любых компонентов, не существует, так что чаще всего имеющиеся приходится дорабатывать — например, чтобы установить на универсальную плату (рис. 3.2, слева) клемник для внешних соединений с зажимом «под винт» (подобный показанному в главе 16 на рис. 16.14), приходится рассверливать отверстия до диаметра 1 мм, жертвуя металлизацией.

Соединения между выводами компонентов на такой плате осуществляются в процессе сборки схемы с помощью отрезков обычного изолированного провода — лучше всего для этой цели употреблять так называемую луженку, под которой понимается покрытый припоем тонкий (сечением не более 0,5 мм) одножильный медный провод в хлорвиниловой разноцветной изоляции. Такой провод имеет один капитальный недостаток — хлорвиниловая изоляция легко плавится при нагревании и «скукоживается» при пайке, обнажая концы на недопустимую длину. К сожалению, одножильных проводов для подобного монтажа в термостойкой (фторопластовой) изоляции я не встречал, хотя они, наверное, существуют в природе. Поэтому на практике удобнее использовать гибкий фторопластовый (тефлоновый) провод типа МГТФ, хотя монтаж с его помощью получается не столь красивым и надежным.

При монтаже не следует стараться провести проводники «красиво» (по прямым перпендикулярным линиям) — наоборот, качество и надежность схемы будет выше, если все соединения разведены по кратчайшему пути. Следует только стараться, чтобы провода были припаяны «внатяг», а не змеились по плате. Короткие соединения — например, перемычки — удобно делать неизолированными обрезками выводов от сопротивлений и диодов. Заметим, что не следует припаивать выводы деталей, особенно провода для внешних соединений платы, просто к контактной площадке или дорожке — их по мере возможности следует просовывать в предусмотренное отверстие. Внешние соединения вообще не следует делать простой пайкой к контактным площадкам — это допустимо лишь как исключение. Для внешних выводов на плате устанавливаются упомянутые ранее клемники, а для межплатных соединений предпочтительно употреблять штырьковые разъемы типа PLS (подробнее о них см. главу 19, разд. «Железо») и соответствующие плоские кабели.

Если вы делаете капитальную конструкцию, которая должна прослужить много лет, то нелишне прикрепить выходящий жгут к плате и к стенкам корпуса прибора хомутами так, чтобы места пайки не подвергались механическим воздействиям. И обязательно подобное делать для проводов сетевого питания, причем сетевые и другие высоковольтные провода следует тащить отдельным жгутом.

Правильные способы пайки проводников между собой показаны на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Способы выполнения паяных соединений

Кое-кто мне может не поверить, но обычная скрутка, если она грамотно выполнена, может быть ничуть не менее надежна, чем пайка. Выполнение этой операции в разных вариантах показано на рис. 3.4. И при пайке, и при скрутке следует обязательно постараться предотвратить механическое напряжение, приложенное к месту их выполнения, — по крайней мере, нужно надежно обматывать место соединения изолентой, а еще лучше — защищать термоусадочной кембриковой трубкой (см. далее).

Рис. 3.4. Способы выполнения скруток

Если применение плоских кабелей для внешних соединений невозможно (как, например, в случае проводников между платой и регулирующими компонентами, установленными на передней панели прибора), то соединительные провода, в отличие от внутриплатных соединений, убирать в аккуратные жгуты как раз следует. Так получается значительно надежнее, потому что нагрузка распределяется между несколькими пайками (следует свивать в жгут провода, даже если их всего два!). Не рекомендуется для этого использовать изоленту или кембрик (потом очень трудно разобраться, куда чего идет), значительно лучше применить специальные затягивающиеся хомуты, закрепление нитками или даже обойтись вообще без креплений — в процессе монтажа завивать очередной провод вокруг имеющихся на одиндва оборота (одинаковое количество оборотов для всех проводов в жгуте).

* * *

Заметки на полях

Для того чтобы пара скрученных проводов с одним свободным концом со временем самостоятельно не раскручивалась, поступают следующим образом: если сплетаемая пара короткая (в пределах 20–50 см), то ее следует свивать, пропуская между пальцами так, чтобы каждый провод закручивался в отдельности. Если же пара длинная (несколько метров), то нужно отмерить и отрезать пару проводов (обязательно одинакового диаметра и типа) с припуском по длине примерно процентов на 30 %. Затем привязать концы обоих проводов совместно к какой-нибудь жесткой опоре и вытянуть их на всю длину, захватив в каждую руку по проводу и натянув их. Далее следует перехлестывать провода, перехватывая их из одной руки в другую и обязательно натягивая с разводом рук в стороны после каждого витка. Все вместе это несколько напоминает упражнение из комплекса утренней зарядки. Такой способ позволяет соорудить почти идеальную витую пару (с положенным одним витком на сантиметр длины), которая гарантирована от раскручивания. Более длинные провода так изящно скрутить не удается. Стандартный способ с использованием электродрели, к сожалению, от постепенного раскручивания не предохраняет — вся фишка в том, что при одновременном закручивании в одну сторону провода всегда сохраняют напряжение и постепенно стараются раскрутиться (вы, несомненно, не раз могли наблюдать это на примере длинного провода для телефонного аппарата или сетевого удлинителя).

Платы

Все схемы в настоящее время располагают на печатных платах. Название «печатные» произошло от того, что промышленные платы изготавливаются методом фотопечати. В промышленности рисунок проводников на плате заранее подготавливают в одном из специализированных программных пакетов (наиболее известны PCAD и OrCAD), представляющих собой векторные графические редакторы с множеством дополнительных специализированных функций, включающих, в том числе, и автоматизированную раскладку (хотя несложные одно- или двусторонние платы раскладываются обычно вручную). Затем этот рисунок переносится на прозрачную пленку (примерно так же, как делаются пленки для полиграфической печати), образуя фотошаблон.

Если плата двусторонняя, т. е. дорожки-проводники у нее расположены с обеих сторон платы (самый распространенный случай), то фотошаблона приходится делать, естественно, два. Иногда готовую плату еще дополнительно покрывают термостойким ламинирующим составом, который защищает дорожки, оставляя свободными контактные площадки и отверстия для пайки (вы его не раз видели, скажем, на компьютерных картах — ранее он был только зеленого цвета, а последнее время в моде самые немыслимые расцветки), — в этом случае приходится делать дополнительные шаблоны.

Сразу заметим, что раскладка платы и изготовление шаблонов — самая дорогая стадия в этом процессе. Поэтому если вы решите отдавать свои разработки в подобное производство — убедитесь сначала, что в схеме нет ошибок.

Сами платы изготавливают из фольгированного стеклотекстолита, представляющего собой стеклоткань, пропитанную эпоксидным составом и покрытую с одной или двух сторон тонкой медной фольгой (когда-то основой для плат был гетинакс — т. е. пропитанная синтетической смолой бумага, но качество таких плат ниже).

Стеклотекстолит бывает разной толщины — для наших целей удобнее всего употреблять двусторонний стеклотекстолит толщиной 1,5 мм.

Основная идея изготовления плат заключается в том, что места будущих дорожек покрываются нерастворимой пленкой, а остальная часть вытравливается в растворе какого-нибудь химического соединения, растворяющего медь. Травильных растворов известно довольно много (азотная кислота, перекись водорода, персульфат аммония и т. п.), из них в домашних условиях наименьшее количество проблем доставляет насыщенный раствор хлорного железа, которое продается в магазинах и на радиорынках. Хлорное железо безопасно для рук, но готовить его можно только в стеклянной или пластиковой посуде, а окружающие предметы следует беречь от попадания брызг — высохшие капли раствора хлорного железа могут оставлять неудаляемые пятна на глазури многих не слишком качественных сантехнических изделий. Подогревать раствор для ускорения процесса, как рекомендуется во многих рецептах, я не советую — растворение меди и без того идет достаточно быстро, зато риск подтравливания дорожек резко возрастает. А вот хорошее перемешивание обязательно — в идеале следует иметь для этой цели лабораторную магнитную мешалку.

Самое сложное — сформировать на плате рисунок дорожек, достаточно стойкий к травильному раствору. Изготовить плату с не слишком тесно расположенными дорожками в домашних условиях можно, нарисовав их на обезжиренном стеклотекстолите нитролаком с помощью рейсфедера из дедушкиной готовальни. Для таких целей пригоден любой подкрашенный нитролак или нитрокраска, разведенная растворителем до совершенно жидкого состояния (цапон-лак, обладающий плохой водостойкостью, не годится!). Такая грубая технология подходит для изготовления несложных плат с крупными деталями, но не позволит сделать платы с достаточно тонким рисунком — дорожки даже под микросхемы в DIP-корпусе с шагом в 2,5 мм развести уже не удастся.

Автор этих строк перепробовал множество разных способов производства плат в домашних условиях (некоторые из них описаны в предыдущих изданиях этой книги), и свидетельствует: единственный реально работающий способ, позволяющий обойтись без пары квадратных километров безвозвратно испорченного стеклотекстолита, изложен вот в этой старой статье: . Процесс там описан во всех подробностях и с привлечением конкретного опыта автора статьи. Ознакомившись с этим текстом, вы, возможно, предпочтете свою плату все-таки где-нибудь заказать.

Монтаж

Здесь и далее мы предполагаем использование навесных компонентов с гибкими выводами и микросхем в DIP-корпусах, а не деталей для поверхностного монтажа (SMD). Для радиолюбительских конструкций на макетных платах SMD-компонентов стоит избегать, ибо что-то менее приспособленное для отладки придумать трудно. Хотя в некоторых случаях без них не обойтись — все больше компонентов или вообще выпускаются только в таких корпусах, или в DIP-корпусах найти их в продаже невозможно. Но в каждом таком случае решения придется принимать отдельно.

Если схема отлажена, а плата промышленного изготовления, то наиболее быстрый и надежный способ монтажа, к которому прибегают профессиональные монтажники, заключается в следующем. Первым делом в плату «натыкиваются» компоненты, причем выводы не следует откусывать — пусть они торчат. Далее плату, заполненную деталями, следует расположить компонентами вниз на поролоновой подкладке (чтобы они не выпадали и прижались к плате), после чего можно приступать к собственно пайке (именно в этом процессе огромное значение имеет, чтобы жало паяльника было правильно отформовано и имело достаточную длину). В процессе пайки следите, чтобы компоненты не перегревались, — если все сделано правильно, то для хорошей пайки достаточно трех секунд.

Для пайки удобно использовать тонкий припой с канифолью внутри — вы утыкаете одной рукой такую проволочку в место пайки, а другой прислоняете к этому месту кончик жала паяльника — секунда, и пайка готова. Несмотря на канифоль в припое, все же не забывайте заранее «покрасить» плату канифольным лаком — хуже не будет, а мыть плату спиртом или спирто-бензиновой смесью так и так придется.

И еще два совета насчет пайки. Совсем не исключено, что вам попадутся отечественные детали, изготовленные давно. В первую очередь это относится к сопротивлениям типа МЛТ, которых сохранилось довольно много (со временем они не только не портятся, но даже улучшают свои характеристики), а также к некоторым типам конденсаторов и других компонентов. Я не знаю, что за материалы тогда использовались, но ножки этих деталей при хранении чернеют (т. е. покрываются тонкой темной пленкой соединений типа сульфидов), и пайка их представляет определенные трудности. Выводы таких компонентов перед пайкой нужно обработать: сперва зачистить тонкой шкуркой-нулевкой, а затем облудить со всех сторон, стараясь не наносить лишнего припоя (иначе вывод может не влезть в предназначенное для него отверстие).

Второй совет относится к распайке компонентов на платах промышленного изготовления. Дело в том, что в процессе производства контактные площадки и дорожки покрываются припоями (типа сплава «Розе»), имеющими очень низкую температуру плавления. Потому, припаивая к ним вывод некоего компонента, не следует удерживать этот вывод на весу трясущейся рукой с пинцетом — припой застынет тогда, когда тонкий слой сплава на поверхности дорожки еще будет жидким, и очень надежное по внешнему виду паяное соединение на поверку окажется просто блямбой припоя, слегка прижатой к контакту на плате за счет упругости вывода.

После пайки выводы откусывают на нужную длину. Для промышленных плат с металлизированными отверстиями достаточно, чтобы места пайки выступали на 1 мм над поверхностью платы. Для плат собственного изготовления нужно не забывать, что сквозные отверстия не имеют металлизации, и их нужно пропаивать на обеих сторонах платы.

Теперь несколько слов о демонтаже тех компонентов, которые следует удалить или заменить. Демонтаж, который не повреждает компонента с большим количеством выводов, — целое искусство, включающее использование газовых паяльников и разнообразных отсосов жидкого припоя. Мы не будем здесь на этом подробно останавливаться, т. к. освоить это дело со слов не проще, чем научиться водить автомобиль по рассказам бывалых шоферов. Расскажем только, как правильно подготовить плату при замене компонента (не обращая внимания на судьбу удаляемого) — такое требуется не только для собственно замены, но и, например, при очистке макетных плат для дальнейшего использования.

Сначала выкусите использованный компонент бокорезами. Детали с двумя выводами — резисторы или диоды — можно попытаться выпаять. Для этого нужно плату закрепить в тисках, а деталь подцепить отверткой или пинцетом и коснуться паяльником места пайки — вывод под нагрузкой вылезет из отверстия сам. Иногда такая операция проходит удачно, и деталь даже годится для дальнейшего использования!

После удаления обязательно нужно прочистить отверстия, которые оказываются заполненными припоем и обрезками выводов. Для этого смочите нужные места канифольным лаком и закрепите плату в тисочках в вертикальном положении. Затем возьмите в одну руку тонкую заостренную деревянную палочку (удобно для этой цели использовать зубочистки или заостренные спички), прижмите ее острым концом к залитому припоем контактному отверстию, стараясь направить в центр, а затем коснитесь паяльником припоя вокруг отверстия. Если отверстие металлизированное, то можно паяльник направлять с обратной стороны платы, если нет — следует касаться им рядом с палочкой. Заостренный конец влезет в отверстие, после чего паяльник следует убрать и выждать до полного застывания припоя. Остатки припоя, иногда вместе с обрезками выводов, нужно отломить пинцетом. Деревянная палочка довольно быстро изнашивается, потому ее следует часто менять или затачивать.

Немного о проводах

Мы ограничимся только кратким, без подробностей, рассмотрением монтажных и обмоточных проводов лишь самых употребительных типов, потому что типов проводов очень много. Более подробные сведения о них вы можете найти на многочисленных справочных ресурсах в Сети.

Для монтажа макетов и для межплатных соединений, если их немного, удобнее всего применять МГТФ — многожильный провод в тефлоновой (полиэтилентерефталатной) оболочке. Он удобен тем, что изоляция у него не плавится, даже если ее непосредственно греть паяльником. Обычный провод МГТФ розоватого или белого цвета, но есть и высокопрочный МГТФ в изоляции черного цвета, который еще удобен тем, что у него проводники заранее залужены. Разноцветный МГТФ тоже существует, но, так как тефлон окрашивается плохо, цвет ему придают с помощью второй наружной оболочки из лакоткани, что делает его жестким и значительно увеличивает его толщину. Выпускается и экранированный МГТФ — с его помощью удобно протягивать, скажем, внутрикорпусные соединения от входных разъемов к платам в аудио- и измерительной аппаратуре, однако экран у него ничем не изолирован, и, как правило, приходится его убирать в кембриковую трубку.

Второй, самый употребительный, тип известен под собирательным названием МГШВ (так называют, на самом деле, много разных, но похожих типов проводов, но мы не будем на этом останавливаться — продавцы и ваши коллеги всегда поймут, о чем речь). Он имеет полихлорвиниловую изоляцию, внутри которой может быть дополнительная «шелковая» намотка (собственно МГШВ), хотя иногда она отсутствует (МГВ). Если намотка имеется, то такой провод годится для прокладки проводников с высоким (220 В) напряжением. Провода без шелка для такой цели употреблять не рекомендуется — если только изоляция специально не утолщена. МГШВ лучше приобретать с уже залуженными жилами, т. к. изоляция легко плавится, и провод лишний раз нагревать не стоит.

Провода в полиэтиленовой изоляции (вроде телефонной «лапши») для монтажа путем пайки употреблять не следует — они жесткие, а полиэтилен очень легко деформируется при нагревании.

* * *

Заметки на полях

Импортные монтажные провода часто имеют маркировку, нанесенную прямо на изоляцию. Обычно такая маркировка соответствует американскому стандарту AWG ( American Wire Gauge ), и по ней можно узнать приблизительный диаметр провода по довольно сложной формуле: d = 0,127· 92 ((36-АWG)/39) . Из формулы следует, что чем меньше цифра в стандарте AWG, тем толще провод. Для удобства пересчета проще воспользоваться специальными таблицами, которые можно найти в Интернете, заодно в них сразу приведено точное сечение провода (для одножильных и многожильных проводов значения при одной и той же маркировке заметно различаются). По сечению можно приблизительно определить допустимую токовую нагрузку на провод: так, для скрытой проводки (что примерно соответствует условиям в корпусах приборов) допустимой считается нагрузка 8 А на 1 мм2 сечения (многожильный провод AWG 18 диаметром около 1,2 мм). Провод AWG 18 также считается стандартным для компьютерных блоков питания с нагрузкой около 7,5 А на каждый провод, и по этому признаку тоже можно оценить необходимый в вашем случае диаметр.

Обратите внимание, что для проводов в плотной намотке эта норма не действует, там провода должны быть толще (см. главу 9 ). В электронных приборах запас по толщине проводников вообще должен быть значительно выше, чем для силовых проводов, — во избежание локального падения напряжения на тонких участках, которое может вызывать непредсказуемые эффекты в импульсных и высокочастотных схемах.

* * *

Провода для намотки трансформаторов называют обмоточными. Подобно МГШВ, они ходят в народе под собирательным названием ПЭЛ или ПЭВ (точнее, ПЭВ-2, что означает двухслойное покрытие лаком). Эти провода имеют покрытие из специального гибкого, термостойкого и устойчивого к растворителям лака. Оно достаточно тонкое, так что при измерении диаметра этих проводов микрометром или штангенциркулем толщину покрытия можно не учитывать. Единственное, чего это покрытие «не любит» — слишком маленьких радиусов изгиба, поэтому при использовании обмоточных проводов следует тщательно избегать «колышек» и запутывания в узлы. Так как покрытие термостойкое, то при пайке конец такого провода зачистить для облуживания довольно сложно. Это следует делать либо механически (скажем, при помощи тонкой шкурки — это надежнее, чем ножом или скальпелем), либо при помощи народного средства, которое заключается в том, что конец провода кладется на таблетку обыкновенного аспирина и прижимается к ней хорошо разогретым жалом паяльника (после чего конец следует очистить от обгоревших остатков лака). Есть и специальные высоковольтные обмоточные провода (ПЭЛШО), которые покрыты дополнительно слоем шелка (почему-то они чаще всего синего цвета).

Два слова о кембриковых трубках, которые употребляют для изоляции, — например, при пайке разъемов или при необходимости сращивания проводов между собой (имейте в виду, что профессионалы редко употребляют липкую ленту, а всегда пользуются кембриком). Они бывают двух типов: обычные и термоусадочные.

У термоусадочных трубок при нагревании до 110–120 градусов диаметр уменьшается примерно вдвое, и они становятся жестче, прочно обволакивая место пайки и не давая проводу гнуться и ломаться. Для осаживания таких трубок используют специальные монтажные фены, но в крайнем случае можно обойтись и зажигалкой, только следует постараться не нагревать трубку слишком сильно. Трубки большой длины можно осаживать выдерживанием в кипятке в течение нескольких минут.

Корпуса

Проблема корпусов для радиоаппаратуры не стоит особенно остро — все крупные фирмы, торгующие компонентами, торгуют и различными корпусами, а есть еще и много фирм помельче. Беда тут примерно та же, что с покупкой, скажем, обуви — вроде ее много на любой вкус и кошелек, да одни ботинки не смотрятся, в других кантик не такой, третьи цветом не вышли, четвертые в подъеме жмут… Короче, подобрать под конкретный прибор готовый корпус — задача очень непростая. Потратив 20–30 баксов на блестящее заморское изделие, очень не хочется браться за напильник, чтобы доводить его до ума, но приходится — здесь должно быть окно для индикатора, эту стенку вообще надо удалить, ибо тут будет стоять радиатор для мощного транзистора, тут требуются фигурные отверстия под разъемы… Тогда, спрашивается, зачем тратили баксы-то? А если еще ошибешься, что нередко случается даже с опытными слесарями?

В общем, есть простой способ изготовления корпусов в домашних условиях под конкретные нужды, причем если руки на месте, то такие корпуса в готовом изделии будут выглядеть не хуже фабричных. Заключается он в том, что вы сначала рисуете эскизы всех стенок и перегородок, располагаете детали и платы, чтобы они не наезжали друг на друга, выверяете размеры (компьютер дает простор для такого рода творчества), а затем по готовым эскизам переносите размеры на фольгированный стеклотекстолит и вырезаете заготовки. Можно даже все отверстия заранее сделать — удобнее работать с пластинкой, чем с готовой коробкой. Затем, закрепляя заготовки под прямым углом друг к другу, пропаиваете место стыка обычным припоем. Вот тут очень пригодится самый мощный паяльник и упомянутый водорастворимый флюс.

Секрета в таком процессе всего два: во-первых, надо не забывать давать припуски на толщину материала по нужным сторонам заготовок, во-вторых, иметь в виду, что припой сокращается в объеме при застывании. Потому пластинки под прямым углом относительно друг друга надо прочно закреплять, иначе угол окажется совсем не прямым, а распаять будет уже очень трудно. Готовый корпус обтягивается самоклеящейся пленкой — например, под дерево. Если делать все аккуратно и продуманно, получается ничуть не хуже фирменных изделий!

В дальнейшие детали этого процесса я вдаваться не буду, т. к. мы собрались все же заниматься схемотехникой, а не дизайном корпусов для радиоаппаратуры. Дам еще только два совета. Первый — если у вас в корпусе предусмотрено окно для индикаторов, то его надо делать из дымчатого, а не прозрачного пластика, а все, что за этим окном расположено, кроме, естественно, самих индикаторов (но включая плату с деталями и блестящими проводниками), следует выкрасить в черный цвет из аэрозольного баллончика. Это придаст несравненно больше «фирменности» вашей конструкции. Конструкции, в которых через стекло виднеются пайки на печатной плате, выглядят ужасно. Можно к тому же заклеить всю незадействованную поверхность окна изнутри черной липкой лентой. Если следовать этому совету, то можно не выпиливать окна точно по размеру индикатора, что довольно сложно сделать красиво, а выполнить из дымчатого стекла, скажем, всю переднюю панель.

Второй совет касается нанесения надписей на переднюю панель. Скажу сразу: наилучший способ — заказать панель с лазерной гравировкой. Но это дорого и хлопотно, поэтому хочется сделать ее самому. Ручной способ отвергаем с порога — ничего не может выглядеть кошмарнее, чем надписи, сделанные вручную, и никакие трафареты и гравировальные машинки здесь не помогут. Это вообще была одна из самых тяжелых проблем до самого последнего времени, и не только для радиолюбителей — даже мелкосерийные приборы на советских заводах выпускались с гравированными вручную надписями, и это было ужасно.

К счастью, в последние годы в связи с всеобщей доступностью принтеров проблема качественной печати любым размером шрифта, любым цветом и на любом фоне решена полностью. На струйных принтерах это делается на специальной пленке, которая с одной стороны липкая и покрыта защитным слоем, как самоклеящаяся пленка, а с другой имеет специальную пористую фактуру, хорошо удерживающую принтерные чернила. Она довольно дорогая, но десяти листочков вам хватит на всю оставшуюся жизнь, если вы, конечно, не собираетесь налаживать серийное производство. Если же такой пленки под рукой нет, то можно напечатать надписи на плотной мелованной бумаге — например, на обратной стороне настенного календаря, причем тут предпочтительно использовать лазерный принтер из-за более высокой водостойкости. Затем полученные лейблы вырезаются по размеру и приклеиваются тонким двусторонним скотчем или кусочком обычного прозрачного, аккуратно вырезанным по размеру, несколько большему, чем прижимаемый ярлык.

Неплохо выглядят надписи, напечатанные вывороткой — т. е. белым цветом на черном фоне, только не забудьте закрасить белые торцы бумаги по месту отреза черным фломастером, иначе они будут очень бросаться в глаза.

Новые подходы в любительском конструировании

Еще лет десять назад, когда я готовил первое издание этой книги, способы изготовления любительских конструкций, которые обычно делаются в одном экземпляре, в основном сводились к применению готовых печатных макетных плат с металлизированными отверстиями, о которых мы говорили ранее. В настоящее время все эти способы никуда не исчезли и даже значительно усовершенствовались. Однако появился и ряд новых способов — радиолюбительское хобби на Западе становится все популярнее, и за дело взялась индустрия, которая придумала ряд новшеств, существенно облегчающих этапы макетирования и изготовления законченного прибора.

В первую очередь следует отметить появление множества различных более-менее законченных модулей-полуфабрикатов, или, по-английски, kits — «комплектов». Ранее подобные «киты» предлагались почти исключительно профессионалам для облегчения разработки новых изделий, ныне же они сильно подешевели и стали доступными для широкого круга любителей. Существенное значение это имеет главным образом для сложных многофункциональных компонентов, таких как микроконтроллеры. Зато из-за расширенных возможностей подобных платформ с готовыми типовыми узлами стало реальностью воплощение «малой кровью» многих задумок, малодоступное ранее для «классического» радиолюбителя, в чем вы можете убедиться сами, дочитав эту книгу до конца.

Ярким примером этого подхода может служить платформа Arduino и ее многочисленные аналоги под другими названиями: Freeduino, Seeeduino, Craftduino, Carduino и т. д. и т. п. Платформа Arduino стала одним из примеров применения принципов open source к аппаратным средствам — документация на саму платформу и на средства ее программирования полностью открыта и доступна для любого желающего. Немаловажную роль сыграло то, что готовые модули Arduino продаются по всему миру за сравнительно небольшую цену — в пределах 30–40 долларов США, а множество компаний и торговых домов предлагают различную периферию, дополняющую базовые функции Arduino. Многие торговые организации и в России продают платы Arduino и конструкторы на их основе.

Отметим, что по примеру Arduino были созданы и многие более сложные платформы, из которых наиболее известной стала Raspberry Pi, — одноплатный компьютер с простой операционной системой на основе Linux. Рассмотрение таких платформ выходит далеко за рамки этой книги, но упомянуть о них здесь следует — их применение резко снижает порог вхождения в тему построения самых сложных современных устройств своими руками.

Чем же так хороши все эти «дуины»? Типовой модуль Arduino (рис. 3.5) содержит все необходимые узлы для того, чтобы можно было приступить к проектированию без каких-то предварительных операций, — не требуется ничего сверлить и паять, только подключить платформу к ПК и установить программу проектирования. При этом дополнительная периферия часто просто пристегивается к основной плате также без применения пайки. Итого весь порог освоения сводится к приобретению некоторых навыков программирования, что облегчается существованием многочисленных интернет-ресурсов по этой теме, в том числе на русском языке. А изготовление конечного продукта сведется просто к подбору и доработке подходящего корпуса.

Рис. 3.5. Arduino Uno — плата одной из базовых моделей платформы

К микроконтроллерам и Arduino мы еще вернемся — современному радиолюбителю просто нельзя не уметь ориентироваться в ее возможностях, и этой теме мы полностью посвятим последние главы книги. Заметим, что одно из главных удобств такого «индустриального» подхода к радиолюбительству — то, что почти все комплектующие, заранее подобранные по совместимости, можно приобрести в одном месте (примером может служить интернет-магазин «Амперка», ориентированный на Arduino и некоторые другие подобные платформы).

Разумеется, мы не смогли здесь раскрыть и малой доли правил и секретов радиолюбительских технологий. К тому же разные школы радиолюбительского мастерства привыкли к разным технологиям, потому автор не претендует в своих советах на абсолютную истину, рекомендуя лишь то, что его никогда не подводило в течение уже более тридцати лет практики в качестве радиолюбителя и профессионала.

 

ГЛАВА 4

Тригонометрическая электроника

О частотах, периодах, мощности, переменных напряжениях и токах и немного о сигналах

И оба во весь опор помчались в сторону столицы

А.Дюма . Три мушкетера

Электрохимические (гальванические) элементы и аккумуляторы, с которыми мы экспериментировали в главе 1, являются источниками постоянного напряжения.

Определение «постоянное» не означает, что такое напряжение вообще не меняется. Отнюдь — типичный график зависимости напряжения от времени (так называемые разрядные кривые) для гальванических элементов разных типов приведен на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Зависимость напряжения от времени для гальванических элементов при токе нагрузки 100 мА

1 — литиевый (в пересчете на напряжение 1,5 В);

2 — щелочной типоразмера АА;

3 — традиционный марганец-цинковый типоразмера АА.

(По данным И. Подушкина , «Радио», № 2, 2004)

Отметим, что большинство литиевых элементов имеет номинальное напряжение 3 В (для них значение напряжения на графике следует умножить на два), но в последние годы появились и элементы этого типа, аналогичные обычным щелочным. Как видите, зависит напряжение не только от времени — отдельные пики на графиках относятся к моментам, когда нагрузка отключалась, при этом напряжение элемента скачкообразно росло, а затем, при ее подключении, снова падало.

Подробнее об особенностях электрохимических элементов мы поговорим в главе 9, а сейчас нам важно усвоить, что даже самое-самое постоянное напряжение на деле может быть совсем и не постоянным. Даже для самых качественных источников питания, таких как электрохимические элементы, оно обязательно немножко «гуляет» — в зависимости от тока нагрузки и ее характера. Что же тогда называть переменным напряжением? Строгого определения, как ни странно, не существует — часто приводимое в учебниках выражение «напряжение, которое изменяется с течением времени», как видите, прекрасно подходит и к нашим батарейкам, хотя они являются типичными источниками напряжения постоянного. Поэтому мы договоримся переменными называть такие напряжения или токи, которые изменяются во времени, во-первых, периодически, а во-вторых, делают это «сами по себе», без влияния со стороны нагрузки и других внешних причин.

Слово «периодически» означает, что, начиная с какого-то момента времени, форма графика такой величины повторяется снова и снова (хотя, возможно, и с некоторыми изменениями). Время повтора называется периодом переменной величины. Как вы хорошо знаете из школьного курса физики, наиболее простым и наглядным примером переменной периодической величины является величина, изменяющаяся во времени по синусоидальному закону.

На рис. 4.2 приведен график такой величины в зависимости от времени в условном масштабе. По оси ординат могут быть отложены как напряжение или ток, так и любой другой физический параметр.

Отрезок времени Т есть период изменения, а величина А носит название амплитуды и представляет собой максимальное значение нашей переменной в одном периоде (отметим, что для синусоидального закона минимальное значение — на части графика ниже оси абсцисс — строго равно максимальному). Величина, обратная периоду, обозначается буквой f и носит название частоты (см. формулу на рис. 4.2 вверху). Для нее придумана специальная единица измерения — это хорошо всём знакомый герц (Гц), названный так в честь немецкого физика XIX века Генриха Герца, доказавшего существование радиоволн.

Как следует из определения частоты, размерность герца есть единица, деленная на секунду: 1 Гц= 1/с. Это просто-напросто означает, что колебание с частотой 1 Гц имеет период повторения ровно 1 секунду. Соответственно, 1 кГц (килогерц) означает, что в одной секунде укладывается тысяча периодов, 1 МГц (мегагерц) — миллион периодов и т. п.

Рис. 4.2. График простого синусоидального колебания

В дальнейшем под «величиной» мы чаще всего будем иметь в виду напряжение (для тока все выглядит аналогично). Математический закон, описывающий поведение синусоидального напряжения (U) от времени (t), выглядит так:

U = A·sin(2πft). (1)

Здесь π есть хорошо нам знакомое число «пи», т. е. отношение длины окружности к ее диаметру, равное 3,1415… Произведение 2πf носит специальное название круговая частота и обозначается буквой ω (омега). Физический смысл круговой частоты — величина угла (измеряемого в радианах), пробегаемого нашей синусоидальной кривой за секунду. Поскольку мы обещали не заниматься радиочастотной техникой, то углубляться в дальнейшие абстракции вроде представления переменных колебаний через комплексные числа, где понятие круговой частоты является ключевым, мы не будем — для практических нужд нам пока хватит и более наглядных определений обычной частоты через период.

А что будет, если график немного подвигать вдоль оси абсцисс? Как видно из рис. 4.3, это равносильно признанию того факта, что в нулевой момент времени наше колебание не равно нулю. На рис. 4.3 второе колебание начинается с максимального значения амплитуды, а не с нуля. При этом сдвигаются моменты времени, соответствующие целому и половине периода, а в уравнении (1) появляется еще одна величина, обозначаемая буквой φ (фи) и измеряемая в единицах угла — радианах:

U = A·sin(2πft + φ). (2)

Рис. 4.3. График синусоидальных колебаний, сдвинутых по фазе на четверть периода

Эта величина носит название фазы. Взятая для одного отдельного колебания, величина фазы выглядит не имеющей особого смысла, т. к. мы всегда можем сместить точку начала отсчета времени так, чтобы привести уравнение к виду (1), а, соответственно, график — к виду рис. 4.2, и при этом ничего не изменится. Однако все будет выглядеть иначе, если мы имеем два связанных между собой колебания — скажем, напряжения в разных точках одной схемы. В этом случае нам может быть важно, как соотносятся их величины в каждый момент времени, и тогда фаза одного переменного напряжения относительно другого (называемая в этом случае сдвигом или разностью фаз) и будет характеризовать такое соотношение. Для колебаний, представленных на рис. 4.3, сдвиг фаз равен 90° (π/2 радиан). Именно для наблюдения таких колебаний совместно и предназначен многоканальный или многолучевой осциллограф — в обычном фаза колебания определяется только настройками синхронизации.

Интересно, что получится, если мы такие «сдвинутые» колебания суммируем? Не надо думать, что это есть лишь теоретическое упражнение — суммировать электрические колебания разного вида нам придется довольно часто. Математически это будет выглядеть, как сложение формул (1) и (2):

U = A 1 ·sin(2πf 1 t ) + A 2 ·sin(2πf 2 t + φ). (3)

Обратите внимание, что в общем случае амплитуды и частоты колебаний различны (на рис. 4.3 они одинаковы!).

Чтобы представить себе наглядно результат, надо проделать следующее: скопировать графики на миллиметровку, разделить период колебаний на некоторое количество отрезков и для каждого отрезка сложить величины колебаний (естественно, с учетом знака), а затем построить график по полученным значениям. Еще удобнее проделать то же самое на компьютере — надо лишь написать программу, которая вычисляет значения по формуле (3) и строит соответствующие графики. Конечно, можно и не писать собственную программу, а использовать готовую, — скажем, Excel прекрасно умеет выполнять подобные операции.

Для иллюстрации продемонстрируем (рис. 4.4), что получится, если сложить два колебания, которые были представлены на рис. 4.3. Я не буду приводить картинки для иных случаев, т. к. интересных комбинаций может быть довольно много, но очень рекомендую потратить время на эти упражнения, потому что результаты могут быть весьма неожиданными и вовсе неочевидными. Скажем, при сложении двух синусоидальных колебаний с одинаковой частотой и амплитудой, но со сдвигом фаз в 180° (когда колебания находятся в противофазе), результирующая сумма будет равна нулю на всем протяжении оси времени! А если амплитуды таких колебаний не равны друг другу, то в результате получится такое же колебание, амплитуда которого в каждой точке равна разности амплитуд исходных. Запомним этот факт — он нам пригодится, когда мы будем рассматривать усилители звуковой частоты с обратной связью (см. главу 8).

Рис. 4.4. Суммирование колебаний, сдвинутых по фазе на четверть периода

1 — исходные колебания, 2 — их сумма

Можно ли проверить на практике это положение? Для этого нам придется немного забежать вперед: потребуется сетевой трансформатор с двумя вторичными обмотками. Обмотки эти нужно соединить последовательно так, чтобы конец одной обмотки соединялся с концом другой (как находить начала и концы обмоток трансформатора, будет рассказано в главе 9). В обмотках трансформатора напряжения имеют одинаковую частоту и фазу, зависящую от способа их соединения — если соединить так, как указано (конец с концом), то сдвиг фаз составит ровно 180°, т. е. мы воспроизведем условия нашего эксперимента. Теперь осталось только включить трансформатор в сеть и присоединить к свободным выводам обмоток вольтметр (естественно, настроенный для измерения переменного напряжения). Мы получим именно то, что предсказано расчетом: если обмотки одинаковые (т. е. амплитуды напряжений в них одни и те же), то вольтметр не покажет ничего — несмотря на то, что сами напряжения в обмотках могут быть сколь угодно велики! Если же обмотки имеют разное количество витков, то результат измерения будет равен разности напряжений. Комбинируя различные обмотки таким образом, мы можем заставить трансформатор выдавать напряжения, которые в нем вовсе не были предусмотрены!

А вот вопрос на засыпку — что показывал вольтметр в предыдущем эксперименте? Ведь измеряемая величина все время, с частотой 50 раз в секунду, меняется от отрицательного до точно такого же положительного значения, т. е. в среднем напряжение строго равно нулю — и тем не менее, вольтметр нам показывал совершенно определенное значение. Для ответа на этот вопрос отвлечемся от колебаний и поговорим о еще одной важнейшей величине, которая характеризует электрический ток, — о мощности.

Мощность

Согласно определению, мощность есть энергия (работа), выделяемая в единицу времени. Единица мощности называется ватт (Вт). По определению, 1 ватт есть такая мощность, при которой за 1 секунду выделяется (или затрачивается — смотря с какой стороны поглядеть) 1 джоуль энергии. Для электрической цепи ее очень просто подсчитать по закону Джоуля — Ленца:

N(ватт) = U(вольт)·I(ампер)

Эту формулу несложно вывести из определений тока и напряжения (см. главу 1).

Действительно, размерность напряжения есть джоуль/кулон, а размерность тока — кулон/секунду. Если их перемножить, то кулоны сокращаются и получаются джоули в секунду — что, согласно приведенному ранее определению, и есть мощность.

Если подставить в формулу для электрической мощности выражения связи между током и напряжением по закону Ома, то можно вывести еще два часто употребляющихся представления закона Джоуля — Ленца:

N = I2R и N = U2/R

Обратите внимание на одно важное следствие из этих формул — мощность в цепи пропорциональна квадрату тока или напряжения. Это означает, что если повысить напряжение на некоем резисторе вдвое, то мощность, выделяющаяся на нем, возрастет вчетверо.

А вот от сопротивления мощность зависит линейно — если вы при том же источнике питания уменьшите сопротивление вдвое, то мощность в нагрузке также возрастет только вдвое. Это именно так, хотя факт, что согласно закону Ома ток в цепи увеличится также вдвое, мог бы нас привести к ошибочному выводу, будто в этом случае выделяющаяся мощность возрастет вчетверо. Но если вы внимательно проанализируете формулировку закона Джоуля — Ленца, то поймете, где здесь зарыта собака — ведь в произведении U·I увеличивается только ток, а напряжение остается тем же самым.

В электрических цепях энергия выступает чаще всего в роли тепловой энергии, поэтому электрическая мощность в подавляющем большинстве случаев физически означает просто количество тепла, которое выделяется в цепи (если в ней нет электромоторов или, скажем, источников света). Вот и ответ на вопрос, который мог бы задать пытливый читатель еще при чтении первой главы, — куда расходуется энергия источника питания, гоняющего по цепи ток? Ответ — на нагревание сопротивлений нагрузки, включенных в сеть. И даже если нагрузка представляет собой, скажем, источник света (лампочку или светодиод), то большая часть энергии все равно уходит в тепло — к. п. д. лампы накаливания (т. е. та часть энергии, которая превращается в свет), как известно, не превышает единиц процентов. У светодиодов эта величина значительно выше, но и там огромная часть энергии уходит в тепло. Кстати, из всего этого следует, например, что ваш компьютер последней модели, который потребляет сотни ватт энергии, также всю эту энергию переводит в тепло — за исключением исчезающе малой ее части, которая расходуется на свечение экрана и вращение жесткого диска (впрочем, энергия вращения тоже в конце концов переходит в тепло). Такова цена информации!

Если мощность, выделяемая на нагрузке, превысит некоторую допустимую величину, то нагрузка просто сгорит. Поэтому различные типы нагрузок характеризуют предельно допустимой мощностью, которую они могут рассеять без необратимых последствий. Подробнее об этом для разных видов нагрузок мы поговорим в дальнейшем, а сейчас зададимся вопросом — что означает мощность в цепях переменного тока?

Что показывал вольтметр?

Для того чтобы понять смысл этого вопроса, давайте внимательно рассмотрим график синусоидального напряжения на рис. 4.2. В каждый момент времени величина напряжения в нем разная — соответственно, будет разной и величина тока через резистор нагрузки, на который мы подадим такое напряжение. В моменты времени, обозначенные T/2 и Т (т. е. кратные половине периода нашего колебания), напряжение на нагрузке вообще будет равно нулю (ток через резистор не течет), а в промежутках между ними — меняется вплоть до некоей максимальной величины, равной амплитудному значению А. Точно так же будет меняться ток через нагрузку, а следовательно, и выделяемая мощность (которая от направления тока не зависит — физики скажут, что мощность есть величина скалярная, а не векторная). Но процесс выделения тепла крайне инерционен — даже такой маленький предмет, как волосок лампочки накаливания, за 1/100 секунды, которые проходят между пиками напряжения в промышленной сети частотой 50 Гц, не успевает заметно остыть. Поэтому нас чаще всего интересует именно средняя мощность за большой промежуток времени. Чему она будет равна?

Чтобы точно ответить на этот вопрос, нужно брать интегралы — средняя мощность за период есть интеграл по времени от квадрата функции напряжения. Здесь мы приведем только результат — величина средней мощности в цепи переменного тока определяется так называемым действующим значением напряжения (U d ), которое для синусоидального колебания связано с амплитудным его значением (U a ) следующей формулой: U a = U d ·√2 (вывод этой формулы приведен в приложении 3). Точно такая же формула справедлива и для тока. Когда говорят «переменное напряжение 220 В», то всегда имеется в виду именно действующее значение. При этом амплитудное значение равно примерно 310 В, что легко подсчитать, если умножить 220 на корень из двух. Это значение нужно всегда иметь в виду при выборе компонентов для работы в сетях переменного тока — если взять диод, рассчитанный на 250 В, то он легко может выйти из строя при работе в обычной сети, в которой мгновенное значение превышает 300 В, хотя действующее значение и равно 220 В. А вот для компонентов, использующих эффект нагревания (лампочек, резисторов и т. п.), при расчете допустимой мощности нужно иметь в виду именно действующее значение.

Называть действующее значение «средним» неверно, правильно называть его среднеквадратическим (по способу вычисления — через квадрат функции от времени). Но существует и понятия среднего значения, причем не одно, а даже два. Просто среднее (строго по смыслу названия) — сумма всех мгновенных значений за период. И так как нижняя часть синусоиды (под осью абсцисс) строго симметрична относительно верхней, то можно даже не брать интегралов, чтобы сообразить, что среднее значение синусоидального напряжения, показанного на рис. 4.2, в точности равно нулю — положительная часть компенсирует отрицательную. Но такая величина малоинформативна, поэтому чаще используют средневыпрямленное (среднеамплитудное) значение, при котором знаки не учитываются (т. е. в интеграл подставляется абсолютная величина напряжения). Эта величина (U с ) связана с амплитудным значением (U a ) по формуле U а = π·U с /2 т. е. U a равно примерно 1,57·U c .

Для постоянного напряжения и тока действующее, среднее и среднеамплитудное значения совпадают и равны просто величине напряжения (тока). Однако на практике часто встречаются переменные колебания, форма которых отличается и от постоянной величины, и от строго синусоидальной. Осциллограммы некоторых из них показаны на рис. 4.5. Для таких сигналов приведенные ранее соотношения для действующего и среднего значений недействительны! Самый простой случай изображен на рис. 4.5, в — колебание представляет собой синусоиду, но сдвинутую вверх на величину амплитуды. Такой сигнал можно представить как сумму постоянного напряжения величиной А (постоянная составляющая) и переменного синусоидального (переменная составляющая). Соответственно, среднее значение его будет равно А, а действующее A + A/√2. Для прямоугольного колебания (рис. 4.5, б) с равными по длительности положительными и отрицательными полуволнами (симметричного меандра) соотношения очень просты: действующее значение равно среднеамплитудному, как и для постоянного тока, а вот среднее значение равно, как и для синуса, нулю.

Рис. 4.5. Графики некоторых колебаний несинусоидальной формы

В часто встречающемся на практике случае, когда минимум прямоугольного напряжения совпадает с нулем, т. е. напряжение колеблется от нуля до напряжения питания (на рис. 4.5 не показано), такой меандр можно рассматривать аналогично случаю рис. 4.5, в, как сумму постоянного напряжения и прямоугольного. Для самого верхнего случая (рис. 4.5, а), который представляет собой синусоидальное напряжение, пропущенное через двухполупериодный выпрямитель (см. главу 9), действующее и среднеамплитудное значения будут равны соответствующим значениям для синусоиды, а вот среднее будет равно не нулю, а совпадать со среднеамплитудным. Для самого нижнего случая (рис. 4.5, г) указать все эти величины вообще непросто, т. к. они зависят от формы сигнала.

Но, даже выучив все это, вы все равно не сможете измерять величины напряжений и токов несинусоидальной формы с помощью мультиметра! Не забывайте об этом, как и о том, что для каждого мультиметра есть предельные значения частоты колебаний — если вы включите мультиметр в цепь с иными параметрами, он может показать все, что угодно — «погоду на Марсе», по распространенному выражению.

Измерительные приборы для переменного напряжения проградуированы в значениях действующего напряжения, но измеряют они, как правило, среднеамплитудное (по крайней мере, большинство — на подробностях мы не будем сейчас задерживаться), и сообразить, как именно пересчитать показания, далеко не всегда просто. А для сложных сигналов, как на рис. 4.5, г, это выливается в сущую головоломку на уровне задач для студентов мехмата. Выручить может осциллограф и знание соотношений, приведенных ранее для сигналов самой распространенной формы, ну а для более сложных вычислять действующие и средние значения нам и не потребуется.

* * *

Заметки на полях

Единственный прибор, который правильно покажет значение действующего напряжения любой формы, — это аналоговый вольтметр электромагнитной системы (их легко узнать по неравномерной шкале, деления на которой к концу отстоят все дальше и дальше друг от друга). Для того чтобы несинусоидальное напряжение измерить цифровым прибором, между измеряемой величиной и вольтметром можно вставить интегрирующий фильтр (фильтр нижних частот), описанный в главе 5 .

* * *

Для прямоугольных напряжений, представляющих собой меандр, подобный рис. 4.5, б, существует еще одна важная характеристика. Никто ведь не запрещает представить себе прямоугольное напряжение, в котором впадины короче или длиннее всплесков. В электронике меандр без дополнительных пояснений означает симметричную форму прямоугольного напряжения, при которой впадины строго равны всплескам по длительности, но, вообще говоря, это необязательно. На рис. 4.6 приведены два примера таких напряжений в сравнении с симметричным меандром. Характеристика соотношений между длительностями частей периода называется скважностью и определяется, как отношение длительности всего периода к длительности положительной части (именно так, а не наоборот, т. е. величина скважности всегда больше 1). Для меандра скважность равна 2, для узких коротких импульсов она будет больше 2, для широких — меньше.

Рис. 4.6. Примеры напряжений в сравнении с симметричным меандром

Сигналы

Несколько слов о сигналах. Электрический сигнал, по смыслу его названия — какое-то состояние электрической цепи, которое несет информацию. Различают источники сигналов и их приемники. Так как минимальное количество информации (1 бит) подразумевает по крайней мере два различимых состояния (подробнее об этом будет идти речь в главе 14), то и сигнал должен иметь как минимум два состояния. Еще со времен телеграфа Морзе самый простой сигнал: наличие или отсутствие постоянного напряжения или тока в цепи — именно такими сигналами обмениваются логические микросхемы. Однако на большое расстояние такой простейший сигнал не передашь — слишком сложно защититься от помех, из-за них приемник легко может обнаружить наличие сигнала там, где на самом деле всего лишь помеха. Поэтому придумывают разные сложные методы, некоторые из них, например, предусматривают передачу переменного напряжения разной частоты или фазы (именно так устроены модемы). Теория передачи сигналов тесно связана с теорией колебаний — одно только радио чего стоит!

Подробнее о разных сигналах мы будем говорить в соответствующих главах, а сейчас нам важно только одно — когда мы говорим о сигналах, то подразумеваем, что соответствующее напряжение или ток не предназначено для совершения иной работы, кроме как заставить сработать приемник. Потому соответствующие передаваемые мощности значительно меньше, чем при передаче электроэнергии для совершения полезной работы. Действительно — никто еще не придумал, как питать, скажем, спутники на орбите по радиолучу, а вот информацию передают вполне успешно даже за пределы Солнечной системы. В этом и заключается разница между силовыми и сигнальными цепями (если помните, то в главе 3 мы даже специально отмечали, что проводники питания следует делать как можно толще, а для сигнальных цепей это необязательно). И понимание этого тонкого различия очень пригодится нам в дальнейшем изложении.

О переменном токе и электропитании

Кстати, отдельный вопрос — а почему нам вообще надо возиться с переменным током как основой электропитания? Сколько можно было бы сэкономить на трансформаторах и сглаживающих фильтрах, которые зачастую составляют большую часть габаритов и стоимости схемы! Недаром ненавидящие это дело схемотехники и дизайнеры в последнее время полюбили выносные блоки питания, объединенные с сетевой вилкой, — крайне некрасивое решение, которое просто переносит головную боль о габаритах с плеч разработчиков на плечи потребителей.

Дело в том, что никаких других эффективных первичных генераторов электроэнергии (тех, что преобразуют энергию вращения ротора водяной или паровой турбины в электричество на электростанциях), кроме как работающих на переменном токе, не придумали. Интересно, что многие линии электропередач в мире делают-таки на постоянном (точнее, выпрямленном, т. е. пульсирующем) токе, что позволяет во многом избежать реактивных потерь в проводах (см. об этом главу 5). При этом приходится сначала преобразовывать переменный ток в постоянный, а затем производить обратное преобразование, которое куда сложнее, — исключительно для того, чтобы состыковать имеющиеся линии электропитания со стандартными.

Аналогичная задача, только в меньших масштабах, стоит перед разработчиками источников бесперебойного питания (UPS) — питающий ток из сети нужно преобразовать в постоянный для зарядки низковольтного (12 или 24 вольта) резервного аккумулятора, а в случае пропадания сетевого питания это напряжение аккумулятора следует опять преобразовать к стандартному виду переменного сетевого напряжения (такое преобразование называется инверсией), причем желательно, чтобы форма его была максимально близка к синусоидальной. Приходится поломать голову, чтобы компьютер, питающийся через UPS, не заметил подмены!

Децибелы

Эрудированный читатель, несомненно, отметит, что я почти не употребляю в этой книге такой распространенной единицы измерения, как децибелы (дБ). Это вызвано некоторыми трудностями в их определении и понимании, потому по возможности мы постараемся их избегать. Но в некоторых случаях децибелы нам понадобятся, потому иметь представление о том, что это такое, необходимо.

Децибел (одна десятая бела, названного так по имени изобретателя телефона Александра Белла) есть единица, использующаяся для измерения отношений величин. Переведи отношение в децибелы и обратно можно по формуле:

K(дБ) = 20·lg(A 1 /A 0 ),

где A 1 /A 0 — есть отношение значений некоторых амплитуд (напряжений, токов, амплитуд колебаний воздуха или воды при распространении звука и т. п.).

Новичков очень смущает то, что в радиотехнике (например, при сравнении интенсивностей радиосигнала в разных точках) применяют несколько иные «мощностные» децибелы, для которых величина А должна иметь размерность энергии (или мощности), и формула будет иметь иной вид:

1 dB = 10·lg(A/A 0 )

В этой книге мы всегда будем иметь в виду «амплитудные» децибелы — например, коэффициент усиления звукового усилителя, равный 20 dB, будет означать, что напряжение на выходе будет в 10 раз больше напряжения на входе: U вых /U вх = 10db/20 (для «мощностных» децибел величина 20 означает изменение мощности сигнала в 100 раз).

Децибелы удобно использовать для характеристики изменения величин, меняющихся по степенному закону. Их широко используют при расчетах фильтров, анализе частотных и амплитудных характеристик операционных усилителей (ОУ).

График степенной функции, которая быстро возрастает или падает в обычных координатах, в широком диапазоне значений практически невозможно изобразить, а при использовании децибел он будет выглядеть прямой линией (это часто встречающиеся вам графики, где по осям отложены величины, возрастающие не линейно, а в геометрической прогрессии: 1, 10, 100, 1000…). В акустике звуковое давление практически всегда измеряют в «амплитудных» децибелах (относительно порога слышимости) — это связано с тем, что наше ухо реагирует именно на отношение громкостей, а не их абсолютное возрастание. Так, болевой порог звука, определяемый в 120 дБ, означает интенсивность звука в миллион раз выше порога слышимости.

Если отношение величин больше 1, то величина в децибелах будет положительной, если меньше — отрицательной. Для перевода «амплитудных» децибел в обычные относительные единицы и обратно необязательно всегда использовать указанную ранее формулу, достаточно просто запомнить несколько приблизительно выполняющихся соотношений:

□ З дБ соответствует увеличению/уменьшению на треть;

□ 6 дБ соответствует отношению в 2 раза;

□ 10 дБ соответствует отношению в 3 раза;

□ 20 дБ соответствует отношению в 10 раз.

Руководствуясь этими соотношениями, легко перевести любую величину, выраженную в децибелах: например, 73 дБ есть 20 + 20 + 20 + 10 + 3 дБ, что соответствует отношению в 10·10·10·3·1,33 = 4000 раз. Собственный коэффициент микросхемы звукового усилителя TDA2030 (см. главу 11) равен 30 000, т. е. 3·104, или 10 + 4·20 = 90 дБ, максимальный рекомендуемый коэффициент усиления усилителя на ее основе, согласно техническому описанию, равен 46 = 20 + 20 + 6 дБ, что соответствует усилению в 200 раз. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КООС), о котором речь пойдет в главе 12, также чаще всего измеряют в децибелах: так, его величина, равная -60 (= -3·20) дБ, означает, что синфазный сигнал ослабляется в 1000 раз. Крутизна характеристик простейших RC-фильтров низкой и высокой частоты из главы 5 равна, соответственно, — 6 и +6 дБ на октаву, что означает уменьшение/увеличение сигнала в 2 раза при изменении частоты также в 2 раза.

 

ГЛАВА 5

Электроника без полупроводников

Резисторы, конденсаторы и схемы на их основе

Глаза миледи метали такие молнии, что, хотя лорд Винтер был мужчина и стоял вооруженный перед беззащитной женщиной, он почувствовал, как в душе его зашевелился страх.

А.Дюма . Три мушкетера

Резисторы и конденсаторы — основа основ электроники. Эти элементы вместе с индуктивностями относятся к разряду так называемых линейных, потому что ток и напряжение в них зависят друг от друга по линейному закону и образуют группу пассивных элементов. Диоды, транзисторы и прочие нелинейные компоненты относят к активным элементам. Эти названия произошли от того, что эквивалентные схемы нелинейных элементов не могут обойтись без включения в них источников тока или напряжения (активных составляющих). Так как практически ни одна схема без резисторов и конденсаторов не обходится, то мы рассмотрим их свойства подробно.

Резисторы

Резистор — самый распространенный компонент электронных схем. Несмотря на его простоту (в самом деле — это всего-навсего кусок материала с определенным сопротивлением), не существует практически ни одной работоспособной схемы, в которой бы не присутствовали резисторы в том или ином виде. Даже если вы их и специально не ставили, они все равно есть. Скажем, в простейшем случае настольной лампы или карманного фонарика, где вся схема состоит из источника питания (сети или батарейки), выключателя и лампочки, резисторы неявно присутствуют — это и сама лампочка, которая светится, нагреваясь за счет своего высокого сопротивления, и сопротивление проводов, и внутреннее сопротивление источника питания. Все эти элементы могут быть представлены на схеме, как резисторы. Причем последние два элемента из перечисленных только мешают, забирая на себя часть полезной мощности, но избавиться от них невозможно, они присутствуют всегда и везде, поэтому их нужно учитывать и стараться свести их влияние к минимуму.

Если вы вернетесь к рис. 1.4 в главе 1, то при внимательном его рассмотрении поймете, что кроме указанных на схеме резисторов R1 и R2 в деле участвуют еще как минимум четыре резистора: сопротивление проводов, сопротивление амперметра, сопротивление вольтметра и внутреннее сопротивление источника питания. Для простоты влияние паразитных резисторов обычно игнорируют, считая, что они оказывают исчезающе малое влияние на работу схемы, однако это не всегда так.

Ко всем этим тонкостям мы еще будем возвращаться не раз, а пока рассмотрим резисторы, как таковые — т. е. фабрично выпускаемые компоненты электронных схем под таким названием. Они встречаются разных типов, размеров и конструкций. Наиболее часто употребляемые типы — металлопленочные (металлодиэлектрические) резисторы. Наиболее распространены импортные металлопленочные резисторы (MFR), аналоги отечественных МЛТ, которые тоже довольно часто встречаются на рынках до сих пор. Отечественные МЛТ старых выпусков имеют обычно красный или розовый цвет (хотя иногда встречаются и другие цвета, например зеленый), а номинальное значение сопротивления написано прямо на них, в то время как современные резисторы маркируются международным цветным кодом. Есть и другие типы резисторов общего назначения. По функциональным свойствам все они практически идентичны.

В приложении 1 приводится таблица цветных кодов для маркировки резисторов, но сам я практически этим кодом не пользуюсь. Читать цветной код неопытному человеку — мука мученическая, учитывая особенно, что понятие, скажем, «оранжевый» очень часто трактуется производителями весьма вольно, и отличить его от «желтого» на, скажем, темно-синем фоне может только человек с большим опытом. Проще и быстрее просто измерить сопротивление мультиметром. Таблицы рядов номинального сопротивления в зависимости от допустимого разброса значений — допуска, также приведенные в приложении 1, нужно пояснить.

У непосвященных может возникнуть вопрос: почему резисторы имеют такие странные номинальные значения: 4,3 кОм или 5,1 кОм? Почему нельзя привязать номиналы к привычным для нас «круглым» значениям: 4 или 5 кОм? Все объясняется очень просто.

Возьмем, например, широко распространенные резисторы с пятипроцентным допуском и посчитаем резистор 1 кОм за основу ряда. Какой следующий номинал взять? Так как допуск равен 5 %, то в большой партии резисторов могут встретиться сопротивления во всем диапазоне: от 0,95 до 1,05 кОм. Мы, естественно, хотим, чтобы можно было бы (хотя бы теоретически) найти резистор с любым значением сопротивления. Поэтому следующий номинал, который мы выбираем, будет равен 1,1 кОм — т. к. его допуск тоже 5 %, то минимальное допустимое значение для него — 1,045 кОм и, как мы видим, диапазоны перекрываются. Точно так же рассчитываются остальные номиналы, вплоть до 9,1 кОм, возможные значения которого перекрываются с допусками от первого значения из следующей декады — 10 кОм.

Чем строже допуск, тем больше сопротивлений в ряду — если мы встретим резистор с номинальным сопротивлением 2,43 кОм, то можем быть уверены, что допуск у него не хуже 1 %. Конечно, для малых допусков (вроде 0,1 %) ряд получился бы слишком большим, потому его ограничивают, и допуски там уже не пересекаются.

Кстати, забегая вперед, отметим, что те же ряды значений справедливы и для емкости конденсаторов.

Осталось научиться вычислять значения сопротивления для всего диапазона выпускаемых промышленностью резисторов — для обычных металлодиэлектрических это значения от 1 Ом до 10 МОм. Как вы уже догадались, в каждой декаде номиналы получаются из табличного ряда значений путем умножения на соответствующую степень десяти. При этом для краткости часто используют условные обозначения для каждого диапазона: R (или Е) — обозначает омы, к — килоомы, М — мегомы. Эти буквы могут использоваться вместо десятичной точки: так, запись 1к2 есть то же самое, что и 1,2 кОм, a 3R3 (или 3Е3) — то же самое, что 3,3 Ом. При обозначении на схемах целые омы в большинстве случаев вообще опускают — именно так мы будем поступать в этой книге, так что имейте в виду: запись «360» на схеме означает просто 360 Ом.

Хотя я не рекомендую иметь дело в домашних условиях с компонентами поверхностного монтажа (как их еще называют, чип-компонентами или SMD-компонентами), но рано или поздно они вам, безусловно, могут встретиться. Для SMD-резисторов принята другая система маркировки. Самые мелкие SMD-резисторы (допустимой мощностью 0,063 Вт) не маркируются вообще. Наиболее часто встречающиеся SMD-резисторы с допуском 2, 5 и 10 % всех типоразмеров маркируются тремя цифрами. Первые две цифры обозначают мантиссу, а последняя цифра — показатель степени по основанию 10 для определения номинала в омах. Для обозначения десятичной точки к значащим цифрам может добавляться буква R. Например, маркировка 242 означает, что чип-резистор имеет номинал 24х102Ом = 2,4 кОм.

Забегая вперед, заметим, что на похожих принципах основаны обозначения емкости малогабаритных конденсаторов (и SMD, и обычных), только за основу шкалы там приняты пикофарады (1012 Ф), так что надпись, скажем, 474 расшифровывается как 47·104·10-12 = 0,47·10-6 фарады или 0,47 мкФ.

Гораздо реже встречаются прецизионные SMD-резисторы с допуском 1 %. Крупные (0,5 Вт и более) такие резисторы маркируются четырьмя цифрами, которые читаются аналогично обычной маркировке, — например, 4752 означает, что чип-резистор имеет номинал 475x102 Ом = 47,5 кОм. Более мелкие маркируются двумя цифрами от 01 до 96 и буквой, и номинал можно определить по специальным таблицам.

Как уже было отмечено, обычные резисторы выпускаются и с 1 % разбросом, но практически в продаже встречаются только пятипроцентные разновидности. Более точные (прецизионные) резисторы с разбросом в 1 % и ниже носят другие наименования и значительно дороже. Дело в том, что простым отбором нельзя добиться того, чтобы номинал резистора укладывался в однопроцентный допуск — температурный коэффициент сопротивления (ТКС) для рядовых резисторов, как мы уже отмечали в главе 1, может составлять 0,1 % на каждый градус изменения температуры, а так как резисторы при работе греются, то весь наш отбор пойдет насмарку. Поэтому прецизионные резисторы с малыми допусками имеют одновременно и значительно меньший температурный коэффициент. Причем это их качество сохранять номинальное значение в большом диапазоне температур значительно важнее, чем собственно точность номинала — чаще всего нам не столь важно, чтобы, скажем, коэффициент усиления усилителя был равен в точности 3, сколько то, чтобы он не изменялся при изменениях температуры и со временем. Из отечественных прецизионных резисторов наиболее распространен тип С2-29В, который выпускают с допуском 0,05 % и менее при ТКС от 0,0075 %/°С до 0,03 %/°С. Есть и более точные разновидности, например, проволочные С5-54В при допуске до 0,01 % имеют ТКС не более 0,005 %/°С, а тип С5-61 с ТКС не более 0,003 %/°С встречается даже с допуском 0,005 %. Имейте также в виду, что проволочные резисторы (типа С5-54В, к примеру) имеют очень узкий диапазон рабочих частот — фактически они предназначены только для постоянного тока.

Два слова о номинальной мощности резисторов. Резисторы с гибкими выводами выпускаются следующих предельно допустимых мощностей: 0,0625, 0,125, 0,25, 0,5, 1 и 2 Вт, которые отличаются размерами (см. рис. 5.1, вверху).

Рис. 5.1. Различные типы резисторов.

Вверху: сравнительные размеры резисторов разной мощности (слева направо. 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2 Вт; остеклованный резистор 10 Вт). В середине: резисторная сборка из восьми резисторов 0,125 Вт в одном корпусе SIP. Внизу различные переменные и подстроенные резисторы

В приложении 6 вы можете посмотреть, как обозначаются на схемах резисторы разной мощности. Наиболее употребительные — резисторы мощностью 0,125 и 0,25 Вт, которые имеют близкие (а иногда и вовсе одинаковые) размеры, и если обозначение мощности на схеме отсутствует, то обычно имеется в виду именно мощность в 0,125-0,25 Вт. Учтите также, что прецизионные резисторы при той же допустимой мощности имеют больший размер — так, С2-29В мощностью 0,25 Вт выглядит, как полуваттный обычный. В подавляющем большинстве случаев замена на резистор большей мощности может только приветствоваться.

Надо учитывать, что резисторы имеют и предельно допустимое напряжение, которое также зависит от их размеров, — так, для мощностей 0,125 и 0,25 Вт это напряжение не превышает 250 В, поэтому их нельзя употреблять в цепях с сетевым питанием — независимо от того, что тепловая мощность может быть и не превышена. Для цепей, в которых «гуляют» переменные напряжения с действующим напряжением 200 В и выше, минимально допустимая мощность резистора — 0,5 Вт.

Резисторы мощностью более 2 Вт требуются нечасто, и для таких случаев выпускаются специальные проволочные резисторы, залитые термостойким составом (их часто называют «остеклованные»). Резисторы номиналом меньше чем 1 Ом, предназначенные обычно для пропускания больших токов, также, как правило, имеют большие размеры.

Переменные резисторы

Переменные резисторы отличаются от постоянных наличием третьего вывода — движка, представляющего собой подпружиненный ползунок, который может механически передвигаться по резистивному слою. Соответственно, в одном крайнем положении движка сопротивление между его выводом и одним из выводов резистивного слоя равно нулю, в другом — максимуму, соответствующему номинальному сопротивлению.

Поскольку вывода три, то переменный резистор может подключаться двумя способами: как простой резистор (тогда вывод движка объединяется с одним из крайних выводов), и по схеме потенциометра, когда все три вывода задействованы. Оба способа подключения показаны на рис. 5.2. Резисторы по своему предназначению служат для преобразования напряжения в ток и обратно — в соответствии с этим схема обычного включения переменного резистора служит для преобразования напряжения U в ток I, а схема потенциометра (делителя напряжения) — тока I в напряжение U. Кажется, что в схеме обычного включения необязательно соединять вывод движка с одним из крайних выводов — если оставить незадействованный крайний вывод «висящим в воздухе», то ничего в принципе не изменится. Но это не совсем так — на «висящем» выводе возникают наводки от «гуляющего» в пространстве электрического поля, и правильно подключать переменный резистор следует именно так, как показано на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Два способа подключения переменных резисторов

Переменные резисторы делятся на собственно переменные (к которым подсоединена ручка внешней регулировки) и подстроенные — изменяемые только в процессе настройки схемы путем вращения движка отверткой (см. рис. 5.1, внизу). Переменные резисторы мало изменились за все время своего существования еще со времен реостата Майкла Фарадея, и всем им присущ один и тот же недостаток — нарушение механического контакта между ползунком и резистивным слоем. Особенно это касается дешевых открытых подстроечных резисторов типа СПЗ-1 (на рис. 5.1 внизу крайний справа) — представьте себе работу этого резистора, например, в телевизоре, находящемся в атмосфере домашней кухни!

Поэтому, если есть возможность, применения переменных резисторов следует избегать или ставить их последовательно с постоянными так, чтобы они составляли только необходимую часть всей величины сопротивления. Подстроечные резисторы хороши на стадии отладки схемы, а затем лучше заменить их постоянными и предусмотреть на плате возможность подключения параллельных и/или последовательных постоянных резисторов для окончательной подстройки. От внешних переменных резисторов (вроде регулятора громкости приемника), казалось бы, никуда не денешься, но и это не так — использование аналоговых регуляторов с цифровым управлением дает отличную альтернативу переменникам. Но это сложно, а в простых схемах, по возможности, следует вместо переменного резистора ставить многопозиционный ступенчатый переключатель — так гораздо надежнее.

Параллельное и последовательное соединение резисторов

Это хотя и довольно простая тема, но очень важная. Правил всего два: при последовательном соединении складываются сопротивления резисторов, а при параллельном складываются их проводимости, которые, по определению из главы 1, есть величины, обратные сопротивлению (рис. 5.3). Понять, почему правила именно таковы, можно, если рассмотреть течение токов в обоих случаях — при последовательном соединении ток I через резисторы один и тот же, поэтому падения напряжения на них складываются (U = U 1 + U 2 ), что равносильно сложению сопротивлений. При параллельном соединении, наоборот, равны падения напряжений U, а складывать приходится токи (I = I 1 + I 2 ), что равносильно сложению проводимостей. Если вы не поняли сказанного, то посидите над рис. 5.3 с карандашом и бумагой и выведите выражения закона Ома для каждого из случаев — и все станет на свои места.

Последовательное соединение резисторов R = R 1 + R 2

Параллельное соединение резисторов 1/R = 1/R 1 + 1/R 2

Рис. 5.3. Последовательное и параллельное соединение резисторов

Из приведенных общих правил вытекает несколько практических, которые полезно заучить:

□ при последовательном соединении:

• пара резисторов имеет сопротивление всегда больше, чем сопротивление резистора с большим номиналом (правило «больше большего»);

• если номиналы резисторов равны, то суммарное сопротивление ровно вдвое больше каждого номинала;

• если номиналы резисторов различаются во много раз, то общее сопротивление примерно равно большему номиналу (типичный случай упоминался в главе 1 — в примере на рис. 1.4 мы игнорируем сопротивление проводов, т. к. оно много меньше сопротивления резисторов);

□ при параллельном соединении:

• пара резисторов имеет сопротивление всегда меньше, чем сопротивление резистора с меньшим номиналом (правило «меньше меньшего»);

• если номиналы резисторов равны, то суммарное сопротивление ровно вдвое меньше каждого номинала;

• если номиналы резисторов различаются во много раз, то общее сопротивление примерно равно меньшему номиналу (это также можно проиллюстрировать на примере рис. 1.4, где мы игнорируем наличие вольтметра, включенного параллельно R2, т. к. его сопротивление намного больше сопротивления резистора).

Знание этих правил поможет вам быстро оценивать схему, не занимаясь алгебраическими упражнениями и не прибегая к помощи калькулятора. Даже если соотношение сопротивлений не попадает под перечисленные случаи, результат все равно можно оценить «на глаз» с достаточной точностью. При параллельном соединении, которое представляет большую сложность при расчетах, для такой оценки нужно прикинуть, какую долю меньшее сопротивление составляет от их арифметической суммы, — приблизительно во столько раз снизится их общее сопротивление по отношению к меньшему. Проверить это легко: пусть одно сопротивление имеет номинал 3,3 кОм, а второе — 6,8 кОм. В соответствии с изложенным мы будем ожидать, что общее сопротивление должно быть на 30 % меньше, чем 3,3 кОм, т. е. 2,2 кОм (3,3 составляет примерно одну треть от суммы 3,3 + 6,8, т. е. общее сопротивление должно быть меньше, чем 3,3, на треть от этого значения, равную 1,1 — в результате и получаем 2,2). Если мы проверим результат, полученный такой прикидкой в уме, точным расчетом, то мы получим в результате очень близкое значение 2,22 кОм.

В большинстве случаев нам такой точности и не требуется — помните, что и сами сопротивления имеют разброс по номиналу, и в большинстве обычных схем допуски на номиналы стандартных компонентов могут быть довольно велики (по крайней мере, в правильно составленных схемах). Если же схема в некоторых случаях должна все же иметь какие-то строго определенные параметры, то с помощью стандартных компонентов вы все равно этого не добьетесь — параметры будут «гулять» (в пределах допусков, естественно) от дуновения ветерка из форточки, и в таких случаях надо применять прецизионные резисторы и конденсаторы, а во времязадающих цепях использовать кварцевые резонаторы. Но составлять схему так, чтобы она теряла работоспособность от замены резистора 1 кОм на резистор 1,1 кОм, — не наш метод!

Конденсаторы

Все конденсаторы ведут свою родословную от лейденской банки, названной так по имени голландского города Лейдена, в котором трудился ученый середины XVIII века Питер ван Мушенбрук.

Банка эта представляла собой большой стеклянный стакан, обклеенный изнутри и снаружи станиолем (тонкой оловянной фольгой, использовавшейся в те времена для тех же целей, что и современная алюминиевая, — металл алюминий еще не был известен). Так как банку (рис. 5.4) заряжали от электростатической машины (другого искусственного источника электричества тогда еще не придумали), которая запросто может выдавать напряжения в несколько сотен тысяч вольт, действие ее было весьма впечатляющим — в учебниках физики любят приводить случай, когда Мушенбрук продемонстрировал эффект от разряда своей банки через цепь гвардейцев, держащихся за руки. Ну не знали тогда, что электричество может и убить — гвардейцам сильно повезло, что емкость этого примитивного конденсатора была весьма невелика, и запасенной энергии хватило только на то, чтобы люди ощутили чувствительный удар током!

Рис. 5.4. Прадедушка современных конденсаторов — лейденская банка:

1 — стеклянный стакан;  2 — внешняя обкладка из станиоля; 3 — внутренняя обкладка; 4 — контакт для заряда

Схематическое изображение простейшего конденсатора показано на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Схематическое изображение плоского конденсатора и формула для расчета его емкости: С — емкость, Ф; S — площадь пластин, м 2 ; d — расстояние между пластинами, м; s — диэлектрическая проницаемость

Из формулы, приведенной на рисунке (она носит специальное название формула плоского конденсатора, потому что для конденсаторов иной геометрии соответствующее выражение будет другим), следует, что емкость тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Что же такое емкость? Согласно определению, емкость есть отношение заряда (в кулонах) к разности потенциалов на пластинах (в вольтах): С = Q/U, т. е. размерность емкости есть кулон/вольт. Такая единица называется фарадой, по имени знаменитого английского физика и химика Майкла Фарадея (1791–1867) .

Следует подчеркнуть, что величина емкости есть индивидуальная характеристика конденсатора — подобно тому, как номинальное сопротивление есть индивидуальная характеристика конкретного резистора, — и характеризует количество энергии, которое может быть в нем запасено. Емкость в одну фараду весьма велика — обычно на практике используют микрофарады и еще более мелкие единицы, скажем, емкость упомянутой лейденской банки составляла величину всего-навсего порядка 1 нФ.

Смысл понятия емкости раскрывается так: если напряжение от источника напряжения составляет 1 В, то емкость в одну нанофараду, как у лейденской банки, может запасти 10-9 кулон электричества. Если напряжение составит 105 вольт (типичная величина при заряде от электростатической машины, как в опытах Мушенбрука), то и запасенный на этой емкости заряд увеличится в той же степени — до 10-4 кулон. Любой конденсатор фиксированной емкости сохраняет это соотношение — заряд на нем в любой момент времени тем больше, чем больше напряжение, а сама величина заряда определяется номинальной емкостью.

Если замкнуть конденсатор на резистор, то в первый момент времени он будет работать, как источник напряжения с нулевым выходным сопротивлением и номинальным напряжением той величины, до которой конденсатор был заряжен, т. е. ток через резистор определяется по обычному закону Ома. Скажем, в случае гвардейцев Мушенбрука характерное сопротивление цепи из нескольких человек, взявшихся за руки, составляет порядка 104 Ом — т. е. ток при начальном напряжении на конденсаторе 105 В составит 10 А, что примерно в 10 000 раз превышает смертельное для человека значение тока! Выручило гвардейцев то, что такой импульс был крайне кратковременным — по мере разряда конденсатора, т. е. стекания заряда с пластин, напряжение быстро снижается: емкость-то остается неизменной, потому при снижении заряда, согласно формуле на рис. 5.5, падает и напряжение.

Интересно, что при фиксированном заряде (если цепь нагрузки конденсатора отсутствует) можно изменить напряжение на нем, меняя емкость. Например, при раздвижении пластин плоского конденсатора емкость его падает (т. к. расстояние d между пластинами увеличивается), потому для сохранения заряда напряжение должно увеличиться — что и происходит на деле, когда в эффектном школьном опыте между раздвигаемыми пластинами конденсатора проскакивает искра при превышении предельно допустимого напряжения пробоя для воздуха.

На рис. 5.6 изображено подключение конденсатора С к нагрузке R. Первоначально переключатель К ставится в нижнее по схеме положение, и конденсатор заряжается до напряжения батареи Б. При переводе переключателя в верхнее положение конденсатор начинает разряжаться через сопротивление R, и напряжение на нем снижается. Насколько быстро происходит падение напряжения при подключении нагрузки? Можно предположить, что чем больше емкость конденсатора и сопротивление резистора нагрузки, тем медленнее происходит падение напряжения. Правда ли это?

Рис. 5.6. Подключение конденсатора к нагрузке:

К — переключатель, Б — батарея, С — конденсатор; R — сопротивление нагрузки

Это легко попробовать оценить через размерности связанных между собой электрических величин: тока, емкости и напряжения. В самом деле, в определение тока входит и время (напомним, что ток есть заряд, протекающий за единицу времени), и это время должно быть тем самым временем, которое нас интересует. Если вспомнить, что размерность емкости есть кулоны на вольт, то искомое время можно попробовать описать формулой: t = CU/I, где С — емкость, а U и I — ток и напряжение соответственно (проверьте размерность!). Для случая рис. 5.6 эта формула справедлива на малых отрезках времени, пока ток I не падает значительно из-за уменьшения напряжения на нагрузке. Отметим, что формула эта полностью справедлива и на больших отрезках времени, если ток разряда — или заряда — конденсатора стабилизировать, что означает подключение его к источнику втекающего (при разряде) или вытекающего (при заряде) тока.

При обычной фиксированной нагрузке с сопротивлением R так, конечно, не происходит — напряжение на конденсаторе падает по мере истощения заряда, значит, ток через нагрузку также пропорционально снижается — в полном соответствии с законом Ома (помните, мы говорили, что простой резистор есть плохой источник тока?). Опять приходится брать интегралы, потому мы приведем только конечный результат: формула для расчета процесса снижения напряжения на емкости при разряде ее через резистор и соответствующий график показаны на рис. 5.7, а. А на рис. 5.7, б показан аналогичный процесс, который происходит при заряде емкости через резистор.

Рис. 5.7. Процессы при разряде и заряде конденсатора:

С — емкость; R — сопротивление нагрузки; t — время; е — основание натуральных алгоритмов (2,718282)

Нужно отметить два момента: во-первых, процесс разряда по рис. 5.7, а бесконечен (полностью конденсатор не разрядится никогда, если сопротивление нагрузки не равно нулю), но практически это не имеет значения, потому что напряжение на конденсаторе становится исчезающе малым очень скоро. Во-вторых, из формул на рис. 5.7 следует очень интересный вывод: если сопротивление R равно нулю, то время процесса разряда или заряда становится бесконечно малым, а ток через нагрузку — по закону Ома — бесконечно большим!

Обратимся снова к рис. 5.6 — именно нечто подобное должно происходить при переключении К в положение заряда емкости от батареи. Естественно, в реальной жизни ни о каких бесконечных токах речи не идет — для этого батарея должна иметь нулевое выходное сопротивление, т. е. бесконечно большую мощность (подумайте, почему эти утверждения равносильны?). Да и проводники должны обладать нулевым сопротивлением. Поэтому на практике процесс заряда от источника (и разряда при коротком замыкании пластин) происходит за малое, но конечное время, а ток, хоть и не бесконечно велик, но все же может достигать очень больших значений. Потому-то источники питания с отключением по превышению максимально допустимого тока (см. главу 2) могут выключаться при работе на нагрузку с конденсатором большой емкости, установленном параллельно источнику питания (мы дальше увидим, что такой конденсатор устанавливают практически всегда), хотя ток в рабочем режиме может быть и невелик.

Один из методов борьбы с этой напастью — включение последовательно с нагрузкой небольшого резистора, ограничивающего ток в начальный момент времени.

Как рассчитать необходимый номинал? Для этого нужно представить, что конденсатор при заряде в первый момент времени ведет себя так, как будто цепь в месте его установки замкнута накоротко (это очень точное представление!). Тогда нужный номинал резистора определится просто по закону Ома, в который подставляется предельно допустимый ток источника и его напряжение.

Интуитивно кажется, что должна существовать какая-то характеристика цепи из конденсатора и сопротивления, которая позволяла бы описать процесс заряда-разряда во времени — независимо от напряжения на конденсаторе. Такая характеристика рассчитывается по формуле Т = RC. Приведением единиц мы бы здесь занимались довольно долго, потому поверьте, что размерность произведения RC есть именно время в секундах. Эта величина, которая носит название постоянной времени RC-цепи, физически означает время, за которое напряжение на конденсаторе при разряде его через резистор (рис. 5.7, а) снижается на величину 0,63 от начального (т. е. до величины, равной доле 1/e от первоначального U 0 , что и составляет примерно 37 %). За следующий отрезок времени, равный RС, напряжение снизится еще на столько же от оставшегося и т. д. — в полном соответствии с законом экспоненты.

Аналогично при заряде конденсатора (рис. 5.7, б), постоянная времени Т означает время, за которое напряжение увеличится до доли (1–1/e) от конечного значения U 0 , т. е. до 63 % от С/о. Дальше мы увидим, что произведение RC играет огромную роль при расчетах различных схем.

Есть еще одна вещь, которая следует из формулы для плоского конденсатора (см. рис. 5.5). В самом деле, там нет никаких ограничений на величины S и d — даже если развести пластины очень далеко, все же какую-то емкость, хотя небольшую, конденсатор будет иметь. То же происходит при уменьшении площади пластин. Практически это означает, что небольшую емкость между собой имеют любые два проводника, независимо от их конфигурации и размеров, хотя эти емкости и могут быть исчезающе малы. Этот факт имеет огромное значение на высоких частотах — в радиочастотной технике нередко конденсаторы образуют прямо из параллельных дорожек на печатной плате. А емкости между параллельными проводами в обычном проводе-«лапше» или кабеле могут достигать и весьма больших значений — ввиду их большой длины. В большинстве случаев этот эффект весьма вреден, и такие емкости называют паразитными.

Если же учесть, что проводники имеют еще и собственное сопротивление, то мы приходим к выводу, что любую пару проводов можно представить в виде «размазанной» по длине (распределенной) RC-цепи — и это действительно так, со всеми вытекающими последствиями! Например, если подать на вход пары проводников в длинном кабеле перепад напряжения (фронт прямоугольного импульса), то на выходе мы получим картину, которая ничем не отличается от рис. 5.7, б — импульс «размажется», а если он короткий, то вообще может пропасть.

* * *

Заметки на полях

Мало того, провода обладают еще и собственной индуктивностью (об индуктивности мы поговорим в конце главы), что еще более запутывает картину. Крайне неприятное явление, но «такова се ля ви», как любил выражаться один мой знакомый инженер. Впервые с этим делом столкнулись еще при попытке прокладки первого трансатлантического кабеля в 1857 году — телеграфные сигналы (точки-тире) представляют собой именно такие прямоугольные импульсы, и при длине кабеля в 4000 км они по дороге искажались до неузнаваемости. За время до следующей попытки прокладки кабеля (1865) английскому физику У. Томсону пришлось разработать теорию передачи сигналов по длинным линиям, за что он получил рыцарство от королевы Виктории и вошел в историю под именем лорда Кельвина — по названию городка Кельвин на западном побережье Ирландии, откуда начиналась прокладка кабеля.

* * *

В выражении для емкости на рис. 5.5 фигурирует постоянная ε, представляющая собой диэлектрическую проницаемость среды. Для воздуха и большинства обычных изолирующих материалов (полиэтилена, хлорвинила, лавсана, фторопласта) константа е близка к величине ее для полного вакуума ε 0 . Величина ε 0 зависит от применяемой системы единиц измерения, и в Международной системе единиц измерения СИ равна 8,854-10-12 Ф/м. На практике удобно применять относительную диэлектрическую проницаемость конкретного материала: ε r = ε/ε 0 . Естественно, что в практических конструкциях конденсаторов желательно, чтобы величина ε r была как можно выше, — если вы заполните промежуток между пластинами, скажем, ацетоном или спиртом, то емкость такого конденсатора сразу возрастет раз в двадцать! К сожалению, чем выше ε r , тем обычно выше и собственная проводимость материала, потому такой конденсатор быстро разрядится за счет собственных токов утечки через среду между пластинами. Ясно, что производители конденсаторов стараются упаковать как можно большую емкость в как можно меньшие размеры, пытаясь одновременно обеспечить токи утечки на приемлемом уровне. По этой причине количество практически используемых типов конденсаторов значительно больше, чем сопротивлений. Причем надо также учесть, что чем тоньше прослойка диэлектрика между пластинами, тем меньше предельно допустимое напряжение (т. е. напряжение, при котором наступает электрический пробой, и конденсатор выходит из строя).

Самым высоким соотношением емкость/габариты обладают электролитические (оксидные) конденсаторы, которые в настоящее время широко представлены серией, известной под отечественным наименованием К50-35 (импортные конденсаторы такого же типа обычно все равно продают под этим названием). Емкости их достигают 100 000 кФ, а допустимые напряжения — 600 В, но у них есть три главных недостатка, которыми приходится платить за повышенную емкость. Первый и самый главный — эти конденсаторы полярны, т. е. подразумевают включение только в определенной ориентации по отношению к полярности источника питания. Обычно на корпусе таких конденсаторов обозначается либо отрицательный (жирным «минусом»), либо положительный (знаком «плюс») вывод. Если же габариты корпуса не позволяют применить обозначение (либо производителям лень налаживать соответствующую полиграфию), то полярность пытаются обозначить толщиной или длиной вывода — более длинный и/или более толстый вывод обычно обозначает положительный контакт (но не всегда!). Если же включить такой электролитический конденсатор в противоположной полярности, то он может просто взорваться, забрызгав электролитом всю остальную схему. Есть и другие, более дорогие типы полярных конденсаторов (например, танталовые К52 или ниобиевые К53), которые обладают значительно меньшими токами утечки. Электролитические конденсаторы обычно используют в качестве фильтров в источниках питания — хотя и иные применения не исключены.

Следует учесть и вторую дурную особенность «электролитов» (как их называют на инженерном жаргоне и как мы будем называть их в дальнейшем) — они обеспечивают номинальную емкость только на низких частотах. При быстром перезаряде их емкость существенно снижается — поэтому в фильтрах источников питания рекомендуется параллельно ставить неполярные (керамические или иные) конденсаторы — в целях лучшей защиты от высокочастотных помех. На самом деле эти конденсаторы лучше ставить не в источнике питания, а непосредственно вблизи выводов компонента, для которого высокочастотные помехи критичны, и на практике так и поступают (такие конденсаторы называют развязывающими).

Эта особенность связана с третьим паразитным свойством электролитов — эффектом «аккумулятора» (или «накопления заряда»). То есть, если вы полностью разрядите электролитический конденсатор (например, коротким замыканием выводов), через некоторое время напряжение на выводах опять восстановится до некоторого значения (обычно небольшого — около 1–1,5 В), и чтобы этот заряд полностью рассосался, требуется довольно значительное время (часы или даже сутки). Эффект «аккумулятора» тем сильнее, чем больше емкость и чем выше допустимое напряжение электролита. Имеют электролиты и высокий заводской разброс номинального значения — до нескольких десятков процентов. По этим причинам полярные конденсаторы очень не рекомендуется употреблять во времязадающих цепях, если требуется хоть какая-то точность.

Для использования в других областях применяют конденсаторы с неполярным диэлектриком: бумажные, слюдяные, керамические, полиэтилентерефталатные (лавсановые) или фторопластовые (тефлоновые). Емкость их (в соотношении емкость/габариты) значительно меньше, и номинальная емкость обычно не превышает нескольких микрофарад (сравнительные размеры конденсаторов показаны на рис. 5.8).

Рис. 5.8. Сравнительные размеры конденсаторов.

Вверху, слева — электролитический конденсатор К50-35 3,3 мк х 25 В; справа — близкий к нему по допустимому напряжению неполярный конденсатор К73-17 3,3 мк с лавсановым диэлектриком. Внизу: электролитические конденсаторы К50-35 ( справа налево : 6800 мк х 35 В; 2200 мк х 35 В; 2200 мк х 16 В; далее два идентичных конденсатора 100 мк х 16 В, но производства разных фирм)

У старинных металлобумажных конденсаторов (типа МБГ или МБГЧ) есть интересная особенность — они могут самовосстанавливаться после пробоя. Но чаще всего сейчас употребляются неполярные конденсаторы с керамическим или органическим диэлектриком (типы К10, К73 и др.), и под неполярными мы будем обычно понимать конденсаторы именно этих серий. Именно они обеспечивают наиболее точное соответствие кривой заряда-разряда теоретической форме (как на рис. 5.7). Причем для применения в точных времязадающих! цепях рекомендуется не просто выбирать конденсатор с подходящим изолятором (лучше всего — тефлоновый или старинный слюдяной), но и с как можно большим допустимым напряжением (в применении конденсатора с номинальным допустимым напряжением 630 В в цепях с напряжением 12 В нет ничего особенного).

Наиболее распространены неполярные керамические конденсаторы (отечественный аналог — К10), которые имеют оптимальное соотношение емкость/габариты и приемлемые характеристики по долговечности и стабильности. Они выпускаются как с гибкими выводами (обычно почему-то в корпусах желтого цвета), так и в SMD-исполнении. Емкости их могут варьировать в широком диапазоне от 1 пФ до 47 мкФ, а максимально допустимое напряжение, как правило, не менее 50 В.

В добавление к тому, что было сказано в разд. «Резисторы» про условные обозначения, нужно отметить, что, поскольку емкости обычно употребляемых конденсаторов находятся в пределах от пико- до микрофарад, то при обозначении на схемах единицу измерения Ф часто опускают и пишут просто «мк» (мкФ), «н» или «п» (нФ), «п» или «р» (пФ). Пикофарады (подобно омам) могут и не писать вообще. Часто микрофарады обозначаются просто лишним десятичным знаком (мы именно так и будем поступать) — например, запись 100,0 означает 100 мкФ, в то время как просто 100–100 пФ.

Параллельное и последовательное включение конденсаторов

Как и резисторы, конденсаторы могут включаться последовательно или параллельно, однако расчет полученных величин производится противоположным образом: при параллельном соединении емкости складываются (по правилу «больше большего»), а при последовательном соединении складываются их обратные величины (правило «меньше меньшего»). К счастью, в отличие от резисторов, конденсаторы включают практически только параллельно — можно это представить так, как будто при этом складываются площади их пластин, следовательно, складываются и емкости. Последовательное же соединение емкостей само по себе не имеет практического смысла, и знание правил сложения для него необходимо лишь изредка при анализе цепей переменного тока.

Конденсаторы в цепи переменного тока

Из этой большой темы мы здесь рассмотрим только самое необходимое. В дальнейшем мы будем иметь дело в основном с цепями постоянного тока или низкой частоты, и углубленное изучение поведения компонентов при высокой частоте нам не потребуется. В предыдущей фразе слова «низкой частоты» нужно понимать условно, и вот почему — любой перепад напряжения (например, при включении или выключении питания) есть импульс высокой частоты, и тем она выше, чем быстрее происходит сам процесс снижения или повышения напряжения. Если представить себе фронт импульса постоянного тока как сумму гармонических (т. е. синусоидальных) колебаний, то импульс этот предстанет перед нами как сумма колебаний, начиная сверху с той частоты, при которой происходило бы наблюдающееся нами на деле нарастание (или спад) напряжения импульса, если бы сигнал был чисто гармонический. То есть, если импульс строго прямоугольный, то эта самая верхняя частота должна быть равна бесконечности, чего на деле, конечно, не бывает, поэтому реальные импульсы всегда не строго прямоугольны. Прохождение прямоугольных импульсов через конденсаторы и резисторы мы рассмотрим далее, а пока изучим поведение конденсаторов в цепях с обычным синусоидальным переменным током.

Постоянный ток конденсатор не пропускает по определению — поскольку представляет собой разрыв в цепи. Однако переменный ток через него протекает — при этом происходит постоянный перезаряд конденсатора из-за того, что напряжение все время изменяется по величине и полярности. Поэтому конденсатор в цепи переменного тока можно представить себе как некое сопротивление — чем меньше емкость конденсатора и чем ниже частота, тем выше величина этого условного сопротивления. Ее можно подсчитать по формуле R = 1/2πfC (если емкость С выражена в фарадах, а частота f в герцах, то сопротивление получится в омах). В пределе конденсаторы очень малой емкости (которые представляют собой, как мы выяснили, почти все пары проводников на свете) будут выглядеть в цепи полными разрывами, и ток в этой цепи окажется исчезающе мал.

Сам по себе конденсатор в такой цепи энергии не потребляет (в отличие от обычного резистора), потому его сопротивление переменному току называют еще реактивным — в то время, как обычное резистивное сопротивление называют активным (не путать с активными и пассивными компонентами схем, о которых шла речь в начале главы). Понять, почему так происходит, можно, если нарисовать графики тока и напряжения в цепи с конденсатором — ток опережает напряжение по фазе ровно на 90°, поэтому их произведение, которое и есть потребляемая мощность по закону Джоуля — Ленца, в среднем равно нулю — можете проверить! Однако если в цепи присутствуют еще и обычные резисторы (а, как мы. знаем, они всегда присутствуют — взять хотя бы сопротивление проводов), то этот реактивный ток приведет ко вполне материальным потерям на их нагревание — именно поэтому, как мы упоминали в главе 4, линии электропередач выгоднее делать на постоянном токе.

Дифференцирующие и интегрирующие цепи

Если подать на вход цепи, состоящей из резистора R и конденсатора С, прямоугольный импульс напряжения, то результат будет различным в зависимости от включения R и С. Переходные процессы в таких цепях подчиняются основным закономерностям, представленным на рис. 5.7, но имеют и свою специфику. На рис. 5.9 показаны два способа включения RC-цепочки в схему с прямоугольными импульсами на входе (здесь они не такие, как на рис. 4.6, б, а однополярные, т. е. напряжение меняется по величине, но от потенциала «земли» до напряжения источника питания).

Такое включение называется дифференцирующей цепочкой или фильтром высоких частот — потому что оно пропускает высокочастотные составляющие, полностью отрезая постоянный ток. Чем больше постоянная времени RC в этой схеме, тем ниже частота, которая может быть пропущена без изменений, — в пределе импульсы высокой частоты пройдут почти неизмененными. Наоборот, если постоянную времени уменьшать, то пики на графике будут все больше утончаться. Этим эффектом широко пользуются для выделения фронтов и спадов прямоугольных импульсов (см. главу 16).

Так как через эти схемы постоянная составляющая напряжения не проходит, то полученные импульсы привязаны к выходному потенциалу схемы — в зависимости от того, куда подключен резистор. На графиках на рис. 5.9 резистор подключен к «земле» (а) или к источнику питания (б), потому и для выходного напряжения базовым будет либо нулевой потенциал, либо потенциал источника (при этом амплитуда импульсов будет такой, как у входного напряжения). Но вы можете подключать резистор на выходе такой схемы к любому потенциалу — она все равно передаст только переменную составляющую (с чем мы еще столкнемся при конструировании звукового усилителя).

Этим широко пользуются при необходимости формирования двуполярного напряжения из имеющегося однополярного или для умножения напряжения: если выходное напряжение на рис. 5.9, б пропустить через выпрямитель и сглаживающий фильтр низкой частоты (см. далее, а также главу 9), то на выходе получится напряжение выше, чем напряжение питания, причем в отсутствие нагрузки оно будет в точности вдвое превышать исходное напряжение («удвоитель напряжения»).

Рис. 5.9. Дифференцирующие цепочки:

а — при подключении резистора к нулевому потенциалу; б — к потенциалу источника питания

Иногда эффект удвоения вреден — подачей отрицательного или превышающего потенциал источника питания напряжения можно вывести из строя компоненты схемы (о защите от этого см. главы 11 и 16).

А интегрирующая цепочка (фильтр нижних частот) получается из схем рис. 5.9, если в них R и С поменять местами. График выходного напряжения будет соответствовать рис. 5.10. Такие цепочки, наоборот, пропускают постоянную составляющую, в то время как высокие частоты станут отрезаться. Если в такой цепочке увеличивать постоянную времени RC, то график будет становиться все более плоским — в пределе пройдет только постоянная составляющая (которая для случая рис. 5.10 равна среднеамплитудному значению исходного напряжения, т. е. ровно половине его амплитуды). Этим широко пользуются при конструировании вторичных источников питания, в которых нужно отфильтровать переменную составляющую сетевого напряжения (см. главу 9). Интегрирующими свойствами обладает и обычный кабель из пары проводов, о котором мы упоминали ранее, потому-то и теряются высокие частоты при прохождении сигнала через него.

Рис. 5.10. Интегрирующая цепочка и ее график выходного напряжения в одном масштабе с входным

Индуктивности

Таким же свойством реактивного сопротивления в цепи переменного тока обладают индуктивности — хотя они по всему противоположны конденсаторам. Мы не будем здесь рассматривать индуктивности подробно по простой причине — в обычной схемотехнике (кроме радиочастотной, а в настоящее время уже и там) индуктивностей в основном стараются избегать, и используют лишь в трансформаторах и еще разве что в фильтрах для защиты от помех. Но вкратце все же рассмотрим их свойства.

Простейшая индуктивность — катушка из провода, а если ее намотать на основу из ферромагнитного материала, то ее индуктивные свойства значительно улучшатся.

Индуктивности очень сложно делать автоматизированным способом, кроме самых простых (не говоря уж об их включении в состав микросхем), и это одна из причин того, почему их стараются не использовать в массовой аппаратуре.

Измеряют индуктивность в генри (Гн), по имени выдающегося американского физика Джозефа Генри (1797–1878) . Стандартные индуктивности со значениями порядка микро- и миллигенри выпускаются промышленно, внешне они похожи на резисторы и точно так же маркируются цветным кодом. Обычно они покрашены в светло-зелено-голубой цвет — чтобы отличить их от резисторов.

Если конденсатор для постоянного тока представляет собой разрыв цепи, то индуктивность, наоборот, — нулевое сопротивление. С ростом частоты переменного тока реактивное сопротивление индуктивности растет (у конденсатора, напомним, падает). Реактивное сопротивление индуктивности величиной L (Гн) можно вычислить по формуле: R L = 2πfL.

Мы уже знаем, что любой перепад напряжения есть импульс высокой частоты, и что попытка разорвать (или наоборот, соединить) цепь, содержащую индуктивность, приводит к неожиданным последствиям. Из курса физики известно, что после разрыва цепи за счет самоиндукции ток продолжает некоторое время течь в витках катушки, а так как сопротивление цепи становится бесконечно велико, и течь ему некуда, то на индуктивности возникает большой (тем больший, чем больше величина индуктивности и чем меньше ее активное сопротивление, т. е. чем она ближе к идеалу) выброс напряжения — в полном соответствии с законом Ома. Этот эффект, например, приводит к выбросам напряжения на фронтах прямоугольных импульсов в схемах с использованием быстродействующих компонентов. Мы еще вспомним об этом явлении, когда будем говорить о реле в главе 7.

Ток в цепи, содержащей индуктивность, отстает от напряжения на 90° (для конденсатора ток, наоборот, опережает напряжение), но результат оказывается аналогичным — чистая индуктивность, включенная последовательно с нагрузкой, не потребляет энергии в цепи переменного тока, хотя ток в цепи будет зависеть от величины индуктивности. Только эффект этот проявляется обратно случаю с конденсатором — ток в цепи с индуктивностью падает с увеличением частоты (у конденсатора, как мы видели, он увеличивается), а для постоянного тока индуктивность представляет собой нулевое сопротивление. Для того чтобы получить эффект, близкий к расчетному, активное сопротивление индуктивности (т. е. ее сопротивление постоянному току) должно быть как можно ближе к нулю, что на практике достичь довольно сложно.

Это другая причина того, что индуктивности очень не любят схемотехники, — их характеристики гораздо дальше от идеала, чем у резисторов и конденсаторов. Но надо помнить, что любой проводник всегда наделен этими тремя свойствами: т. е. в небольшой степени является и резистором, и конденсатором, и индуктивностью. Эти мелочи могут иногда сыграть довольно неожиданную роль в разных схемах.

* * *

Подробности

В силу указанных причин при наличии реактивной нагрузки в цепи переменного тока полезная мощность (в нагрузке) может отличаться от величины произведения потребляемого тока на напряжение — она всегда меньше. Поэтому в электротехнике различают реактивную мощность, выраженную в вольт-амперах, и активную мощность в ваттах, а отношение их называют коэффициентом мощности . Другое его общепринятое название — «косинус фи», потому что коэффициент мощности есть не что иное, как cos( φ ), где  φ — угол фазового сдвига тока относительно напряжения. При постоянном токе, а также в случае чисто активной нагрузки, этот угол равен нулю, потому коэффициент мощности равен 1. В другом предельном случае — когда нагрузка чисто реактивная — коэффициент мощности равен 0. В реальных цепях с электродвигателями или, скажем, с мощными вторичными импульсными источниками питания в качестве потребителей (офис с большим количеством компьютеров), коэффициент мощности может лежать в пределах 0,6–0,95. Следует подчеркнуть, что коэффициент мощности — это не КПД, как можно себе вообразить. Разница между вольт-амперами и ваттами никуда не теряется в физическом смысле, она всего лишь приводит к таким неприятным последствиям, как увеличение потерь в проводах, о котором мы упоминали (потери пропорциональны именно вольт-амперам), а также к возникновению разбаланса между фазами трехфазной промышленной сети, в результате чего через нулевой, обычно более тонкий, чем все остальные, провод начинают протекать значительные токи.

 

ГЛАВА 6

Изобретение, которое потрясло мир

Диоды, транзисторы и простейшие схемы на их основе

Не имея намерения подробно описывать осаду и приводя лишь те события, которые имеют непосредственную связь с рассказываемой нами историей, скажем вкратце, что предприятие удалось

А. Дюма. Три мушкетера

Казалось бы, все так просто: есть очень хорошие проводники (металлы), есть очень плохие — изоляторы (фарфор или пластмасса), а есть — полупроводники. Подумаешь! Причем полупроводников на свете гораздо больше, чем проводников и изоляторов, что, если подумать, представляется естественным. Однако когда научились получать очень чистые полупроводники со строго дозированными определенными примесями, то оказалось, что это — революция, потому что такие материалы обладают совершенно необыкновенными электрическими характеристиками.

Электроника на основе полупроводников носит также название твердотельной. Полупроводниковые приборы делают на основе разных материалов — в основном, кремния. Первым промышленным полупроводником стал германий (а до него еще существовали купроксные и селеновые диоды), но сейчас он практически не употребляется, и только небольшая часть полупроводниковых компонентов — например, светодиоды — делается из материалов, отличных от кремния.

Из всех полупроводниковых устройств исторически первыми были диоды.

Диоды

Вообще-то диод — устройство вовсе не обязательно полупроводниковое. Были и ламповые диоды (кенотроны), но они давно вымерли, потому мы будем рассматривать только твердотельные.

Диод — простейший активный электронный прибор, проще не бывает. В одну сторону диод проводит ток (т. е. представляет собой в идеале проводник с малым сопротивлением), в другую — нет (т. е. превращается в очень большое сопротивление) — одним словом, обладает односторонней проводимостью. Соответственно, выводов у него всего два: они, как повелось еще со времен ламповой техники, называются анодом (положительным выводом) и катодом (отрицательным). Если подключить диод к регулируемому источнику напряжения, то он будет вести себя, как показано на рис. 6.1, где представлена так называемая вольт-амперная характеристика диода. Из нее, в частности, следует, что в прямом включении (т. е. анодом к плюсу источника) после превышения некоторого порогового напряжения (U пр ) прямой ток через диод (I пр ) растет неограниченно и будет лимитироваться только мощностью источника (скорее всего, диод сгорит раньше, чем эта мощность будет достигнута).

Рис. 6.1. Вольт-амперная характеристика диода

В обратном же включении (катодом к плюсу) ток через диод (I обр ) пренебрежимо мал и составляет несколько микро- или даже наноампер для обычных маломощных кремниевых диодов или до единиц миллиампер для мощных выпрямительных. Причем для германиевых диодов обратный ток намного выше, чем для кремниевых, отчего их сейчас практически и не употребляют. Этот ток сильно зависит от температуры и может возрасти на несколько порядков (от нано- до микроампер) при повышении температуры от -50 °C до +50 °C, поэтому на графике его величина показана очень приблизительно (обратите внимание, что для наглядности верхняя и нижняя половины графика по оси токов построены в разных масштабах).

В отличие от обратного тока, прямое падение напряжения U пp гораздо меньше зависит как от типа и конструкции, так и от температуры. Для кремниевых диодов прямое падение напряжения U д всегда можно считать равным примерно 0,6–0,7 В , для германиевых и так называемых диодов Шоттки (маломощных диодов с переходом металл-полупроводник) — порядка 0,2–0,4 В. Для кремниевых диодов при увеличении температуры U пр падает примерно на 2,3 мВ на один градус, и этот эффект нередко используют для измерения температуры. В германиевых диодах, кстати, этот эффект в разы больше (порядка 10 мВ на градус).

Если умножить указанное прямое падение напряжения на проходящий через диод в прямом включении ток, то мы получим тепловую мощность, которая выделяется на диоде. Именно она приводит диоды к выходу из строя — при превышении допустимого тока они просто сгорают. Обычное предельно допустимое среднее значение тока через маломощные диоды — десятки и сотни миллиампер. Впрочем, тепловые процессы инерционны, и мгновенное значение тока, в зависимости от длительности импульса, может превышать предельно допустимое среднее значение в сотни раз! Мощные диоды (рассчитанные на токи 3–5 А и выше) часто приходится устанавливать на радиаторы.

Другая характеристика диодов — предельно допустимое обратное напряжение. Если оно превышено, то диоды также выходят из строя — электрически пробиваются и замыкаются накоротко. Обычная допустимая величина обратного напряжения для маломощных диодов — десятки вольт, для выпрямительных диодов — сотни вольт, но есть диоды, которые выдерживают и десятки тысяч вольт (обычно они составляются из нескольких последовательно включенных диодов с меньшим допустимым значением). Интересно, что кремниевые диоды при кратковременном превышении максимального обратного напряжения пробиваются обратимо — если ток невелик и допустимая мощность не превышена, то после спада напряжения диод восстанавливает свои свойства. Далее мы увидим, что существуют и диоды, для которых пробой в обратном включении является рабочим режимом — они называются стабилитронами.

Физически диод состоит из небольшого кристаллика полупроводникового материала, в котором в процессе производства формируются две зоны с разными проводимостями, называемыми проводимостью n- и p-типа. Ток всегда течет от направления p-зоны по направлению к n-зоне, в обратном направлении диод заперт. Более подробные сведения о физике процессов, происходящих в p-n-переходе, излагаются во множестве пособий, включая школьные учебники, но для практической деятельности почти не требуются.

Транзисторы

Транзистор — это электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления сигналов. Первым таким прибором в истории была электронная лампа (а еще до нее — электромагнитные реле, которые с некоторыми оговорками тоже можно отнести к усилителям тока или напряжения, — их мы рассмотрим в главе 7).

Лампа сумела сделать немало — именно в ламповую эпоху возникли радио и телевидение, компьютеры и домашняя звукозапись. Но только транзистор и возникшие на его основе микросхемы сумели действительно перевернуть мир, ввести электронные устройства в наш повседневный быт так, что мы теперь уже и не мыслим себя без них.

Транзисторы делятся на биполярные и полевые (или униполярные). Пока мы будем говорить только о биполярных транзисторах.

Физически биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника, разделенных двумя p-n-переходами. Поэтому можно себе представить, что он состоит как бы из двух диодов, один из слоев у которых общий, и это представление весьма близко к действительности! Скомбинировать два диода можно, сложив их либо анодами, либо катодами, соответственно, различают n-р-n- и p-n-р-транзисторы.

Различаются эти разновидности только полярностями соответствующих напряжений, поэтому, чтобы заменить n-р-n- на аналогичный p-n-р-транзистор, надо просто поменять знаки напряжений во всей схеме на противоположные (все полярные компоненты, — диоды, электролиты — естественно, тоже надо перевернуть).

N-p-n-типов транзисторов выпускается гораздо больше, и употребляются они чаще, поэтому мы пока что будем вести речь исключительно о них, но помнить, что все сказанное справедливо и для p-n-р, с учетом обратной их полярности. Правильные полярности и направления токов для n-р-n-транзистора показаны на рис. 6.2.

Рис. 6.2. N-р-n -транзистор:

а — рабочие полярности напряжений и направления токов в n-р-n - транзисторе ( к — коллектор, б — база, э — эмиттер);

б — условное представление транзистора как элемента, состоящего из двух диодов

* * *

Заметки на полях

Первый в истории транзистор (рис. 6.3) был создан в 1947 году в знаменитых Лабораториях Белла ( Bell Labs ) Дж. Бардиным и У. Браттейном по идеям Уильяма Брэдфорда Шокли. Кроме изобретения транзистора, У. Шокли известен так же как основатель знаменитой Кремниевой долины — технополиса в Калифорнии, где сегодня расположено большинство инновационных полупроводниковых и компьютерных фирм. Из фирмы Шокли под названием Shockley Semiconductor Labs вышли, в частности, Гордон Мур и Роберт Нойс — будущие основатели фирмы Intel , крупнейшего ныне производителя микропроцессоров. Г. Мур еще известен как автор знаменитого «закона Мура», а Р. Нойс — как изобретатель микросхемы (совместно с Д. Килби — подробнее об этом см. главу 11 ).

* * *

Три вывода биполярного транзистора носят названия коллектор, эмиттер и база. Как ясно из рис. 6.2, б, база присоединена к среднему из трех полупроводниковых слоев. Так как согласно показанной на рисунке полярности включения, потенциал базы n-р-n-транзистора более положителен, чем у эмиттера, то соответствующий диод всегда открыт для протекания тока. Парой страниц ранее мы убедились, что в этом случае на нем должно создаваться падение напряжения в 0,6 В. Именно так и есть — в рабочем режиме напряжение между эмиттером и базой кремниевого транзистора всегда составляет 0,6 В, причем на базе напряжение выше, чем на эмиттере (еще раз напомним, что для p-n-р-транзисторов напряжения обратные, хотя их абсолютные величины совпадают). А вот диод между коллектором и базой заперт обратным напряжением. Как же может работать такая структура?

Практически это можно себе представить, как если бы ток, втекающий в базу, управлял бы неким условным резистором, расположенным между коллектором и эмиттером (пусть вас не смущает помещенный там диод коллектор-база, через него-то ток все равно не потечет). Если тока базы нет, т. е. выводы базы и эмиттера закорочены (необязательно, чтобы непосредственно, главное, чтобы напряжение на базе относительно эмиттера было бы близко к нулю), тогда промежуток эмиттер-коллектор представляет собой очень высокое сопротивление, и ток через коллектор пренебрежимо мал (сравним с током обратной утечки диода). В таком состоянии транзистор находится в режиме отсечки (транзистор заперт — закрыт).

В противоположном режиме ток базы велик (U бэ  = 0,6–0,7 В, как мы говорили ранее), а промежуток эмиттер-коллектор тогда представляет собой очень малое сопротивление. Это режим насыщения, когда транзистор полностью открыт. Естественно, в коллекторной цепи должна присутствовать какая-то нагрузка, иначе транзистор в этом режиме может просто сгореть. Остаточное напряжение на коллекторе транзистора может при этом составлять всего около 0,3 В. Эти два режима представляют часто встречающийся случай, когда транзистор используется в качестве «ключа» (говорят, что обработает в ключевом режиме), т. е. просто как обычный выключатель тока.

А в чем смысл такого режима, спросите вы? Такой режим вполне осмыслен — ток базы может управлять током коллектора, который на порядок-другой больше — т. е. налицо усиление сигнала по току (за счет, естественно, энергии источника питания). Насколько велико может быть такое усиление? Для режима «ключа» почти для всех обычных типов транзисторов можно смело полагать коэффициент усиления по току (т. е. отношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы I к /I б ) равным 10–30 — не ошибетесь. Если ток базы и будет больше нужного — не страшно, он никуда не денется, лишь бы он не превысил предельно допустимого, а открыться сильнее транзистор все равно не сможет. Коэффициент усиления по току в ключевом режиме еще называют коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала и обозначают буквой β. Есть особые «дарлингтоновские» транзисторы, для которых β может составлять до 1000 и более — о них мы расскажем позже.

Рис. 6.3. Первый транзистор

(Фото Lucent Technologies Inc./Bell Labs)

Ключевой режим работы биполярного транзистора

Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. 6.4 показана простейшая схема включения транзистора в таком режиме, для наглядности — с лампочкой в качестве коллекторной нагрузки. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе.

Рис. 6.4. Включение биполярного транзистора в ключевом режиме

Для почти любых схем с биполярными транзисторами характерно, что напряжения в схеме никакой роли не играют, только токи. Можно подключить коллекторную нагрузку хоть к напряжению 200 В, а базовый резистор питать от 5-вольтового источника — если соотношение β > I к /I б соблюдается, то транзистор (при условии, конечно, что он рассчитан на такое высокое напряжение) будет послушно переключать 200-вольтовую нагрузку, управляясь от источника 5 В. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению!

В нашем примере используется небольшая автомобильная лампочка 12 В, 100 мА (примерно, как для подсветки приборной доски в «Жигулях»), а цепь базы питается от источника 5 В (например, через контакты реле). Расчет такой схемы элементарно прост: при токе в коллекторе 100 мА в базе должно быть минимум 10 мА (рассчитываем на самый «дубовый» транзистор, реально можно и меньше). О падении между базой и эмиттером забывать не следует, поэтому считаем, что напряжение на базовом резисторе R б составит 5 В — 0,6 В = 4,4 В, т. е. нужное сопротивление будет 440 Ом. Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем 430 Ом. Все?

Нет, не все. Схема еще не совсем доделана. Она будет работать нормально, если вы поступите так: подключите базовый резистор к напряжению 5 В (лампочка горит), а затем переключите его к «земле» (лампочка гаснет). Но довольно часто встречается случай, когда напряжение на базовый резистор подается-то нормально, а вот при отключении его резистор не присоединяется к «земле», а просто «повисает в воздухе» (именно этот случай и показан на схеме в виде контактов). Так мы не договаривались — чтобы транзистор был в режиме отсечки, надо, чтобы база и эмиттер имели один и тот же потенциал, а какой потенциал у базы, если она «в воздухе»? Это только формально, что ноль, а на самом деле всякие наводки и внутренние процессы в транзисторе формируют небольшой базовый ток. И транзистор не закроется полностью — лампочка будет слабо светиться! Это раздражающий и очень неприятный эффект, который даже может привести к выходу транзистора из строя (а старые германиевые транзисторы приводил с гарантией).

Избежать такого эффекта просто — надо замкнуть базу и эмиттер еще одним резистором R бэ . Самое интересное, что рассчитывать его практически не надо, — лишь бы падение напряжения на нем при подаче напряжения на базу не составило меньше, чем 0,6 В. Чем оно больше, тем лучше, но все же сопротивление не должно быть слишком велико. Обычно его выбирают примерно в 10 раз больше, чем резистор R б , но если вы здесь поставите не 4,3 кОм, как указано на схеме, а, к примеру, 10 кОм, тоже не ошибетесь. Работать этот резистор будет так: если включающее напряжение на R б подано, то он не оказывает никакого влияния на работу схемы, поскольку напряжение между базой и эмиттером все равно 0,6 В, и он только отбирает на себя очень небольшую часть базового тока (легко подсчитать какую — примерно 0,15 мА из 10 мА). А если напряжения нет, то R бэ надежно обеспечивает равенство потенциалов базы и эмиттера, независимо от того, подключен ли базовый резистор к «земле» или «висит в воздухе».

Я так подробно остановился на этом моменте потому, что о необходимости наличия резистора R бэ при работе в ключевом режиме часто забывают — даже в очень интересной во всех отношениях книге [3]И это не совсем точно — амперметр тоже имеет некоторое сопротивление и может быть представлен, как еще один последовательный резистор. Но, как и в случае с вольтметром, этим на практике пренебрегают.
повсеместно встречается эта ошибка.

Простейшая ключевая схема представляет собой вариант так называемой схемы включения транзистора с общим эмиттером (о. э.). В наших примерах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Во-первых, это подключение базовой цепи к питанию от 5 В. Это очень часто встречающийся случай, с которым и в этой книге вам придется иметь дело. Напряжением 5 В обычно питаются распространенные типы контроллеров и логических микросхем, и управление таким напряжением устройствами, которым требуется более высокое напряжение питания, чаще всего осуществляется именно по схеме рис. 6.4.

Во-вторых, обратите внимание, что сигнал на коллекторе транзистора инвертирован (т. е. противоположен по фазе) по отношению к входному сигналу. То есть, если на базе (точнее, на базовом резисторе) напряжение имеется — на коллекторе оно равно нулю, и наоборот! Это и имеют в виду, когда говорят, что транзисторный каскад в схеме с общим эмиттером инвертирует сигнал (это относится не только к ключевому, но и к усилительному режиму работы, о котором будет рассказано далее). При этом на нагрузке (лампочке), которая подключена к питанию, а не к общей для входа и выхода каскада «земле», все в порядке — т. е. она горит, когда на входе сигнал есть, так что визуальный сигнал не инвертирован.

Для подключения мощных нагрузок к маломощным управляющим схемам употребляют различные схемы совместного включения транзисторов. Так, транзистор Дарлингтона (его часто называют транзистор с супербетой, мы будем называть его и так, и так) представляет собой две транзисторные структуры, включенные каскадно, как показано на рис. 6.5, а. Разумеется, можно соорудить такую структуру самостоятельно (левый транзистор обычно меньшей мощности, чем правый), но существуют и приборы, выпускаемые промышленно (на рис. 6.5, а общий корпус показан пунктиром). Величина β для них равна произведению коэффициентов усиления для каждого из транзисторов и может составлять до нескольких тысяч. При использовании таких «супербета»-транзисторов обязательно следует иметь в виду то обстоятельство, что рабочее напряжение между базой и эмиттером у них будет составлять примерно удвоенную величину от обычного транзистора — т. е. 1,2–1,4 В. Сопротивление резистора, как сказано ранее, принципиального значения не имеет и для мощных транзисторов может составлять несколько килоом.

Рис. 6.5. Другие схемы подключения:

а — транзистор Дарлингтона; б — параллельное включение транзисторов

На рис. 6.5, б приведена редко требующаяся, но весьма полезная, схема параллельного включения мощных транзисторов с целью увеличения допустимого коллекторного тока и рассеиваемой мощности (см. далее). Она немного напоминает схему Дарлингтона, но никакого умножения «бет» там, естественно, не происходит — суммируются только предельно допустимые показатели. Поскольку транзисторы всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через них в этой схеме служат резисторы в эмиттерных цепях, которые нужно выбирать так, чтобы падение напряжения на них при максимальном токе составляло примерно 0,2 В. Естественно, эти резисторы ухудшают КПД, поэтому для подобных целей удобнее использовать мощные полевые транзисторы, для которых в аналогичном включении дополнительных резисторов не требуется.

Усилительный режим работы биполярного транзистора

Теперь займемся собственно усилительным режимом. Из сказанного ясно, что между режимом насыщения и режимом отсечки должен существовать какой-то промежуточный режим — например, когда лампочка на рис. 6.4 горит вполнакала.

Действительно, в некотором диапазоне базовых токов (и соответствующих им базовых напряжений) ток коллектора и соответствующее ему напряжение на коллекторе будет плавно меняться. Соотношение между токами здесь будет определяться величиной коэффициента усиления по току для малого сигнала, который по некоторым причинам обозначается весьма сложно: h 21э (на Западе — h FE ). В первом приближении h 21э можно считать равным коэффициенту β, хотя он всегда больше последнего. Учтите, что в справочниках иногда приводятся именно h 21э , а иногда β, так что будьте внимательны. Разброс h 21э для конкретных экземпляров весьма велик (и сама величина сильно зависит от температуры), поэтому в справочниках приводят граничные значения (от и до).

Поэкспериментировать с усилительным режимом транзистора и заодно научиться измерять h 21э можно по схеме, приведенной на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема включения биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером в усилительном режиме

Переменный резистор должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы при выведенном в крайнее левое положение его движке ток базы заведомо удовлетворял соотношению I б ·h 21э << I k . Коллекторный ток I k в данном случае определяется нагрузкой. Если для транзистора h 21э по справочнику составляет величину в среднем 50, а в коллекторе нагрузка 100 Ом, то переменник разумно выбирать номиналом примерно 20–30 кОм и более. Выведя движок в крайнее левое по схеме положение, мы задаем минимально возможный ток базы. В этом его положении следует включить питание и убедиться с помощью осциллографа или мультиметра, что транзистор близок к отсечке — напряжение на коллекторе U k будет почти равно напряжению питания (но не совсем — мы уже говорили, что для полной отсечки нужно соединить выводы базы и эмиттера между собой). Осторожно перемещая движок переменника, мы увидим, как напряжение на коллекторе будет падать (а на нагрузке, соответственно, расти). Когда напряжение на коллекторе станет почти равным нулю (т. е. транзистор придет в состояние насыщения), эксперимент следует прекратить, иначе можно выжечь переход база-эмиттер слишком большим прямым током (для предотвращения этой ситуации следует поставить последовательно с переменником постоянный резистор небольшого номинала — на рис. 6.6 он показан пунктиром).

Вернем движок переменника в состояние, когда напряжение на коллекторе примерно равно половине напряжения питания. Это так называемая рабочая точка транзистора в схеме с общим эмиттером — если напряжение на базовом резисторе будет в определенных пределах колебаться, изменяя ток базы, то переменная составляющая напряжения на коллекторе будет повторять его форму (с точностью до наоборот, т. е. инвертируя сигнал, как мы говорили ранее), но усиленную по напряжению и току. Это и есть усилительный режим транзистора.

В какой степени входной сигнал может быть усилен? Все определяется знакомым нам коэффициентом h 21э . Его величину для данного экземпляра транзистора можно определить так: пусть при напряжении на коллекторе, равном ровно половине напряжения источника питания (т. е. 5 В в случае рис. 6.6), сопротивление базового резистора составляет 10 кОм. Ток коллектора (при коллекторной нагрузке 100 Ом) составит 50 мА. Ток базы составит (10 В — 0,6 В)/10 кОм, т. е. чуть меньше 1 мА. Тогда их отношение и будет равно h 21э , т. е. в данном случае 50. Кстати, померить его позволяют и некоторые конструкции мультиметров (хотя лично мне ни разу в жизни не пришлось этого делать, и далее вы поймете почему).

А каков коэффициент усиления такой схемы по напряжению? Это зависит от соотношения резисторов в базе и в коллекторе. Например, если сопротивление базового резистора составляет 1 кОм, то изменение тока базы при изменении входного напряжения на 1 В составит 1 мА. А в пересчете через h 21э это должно привести к изменению тока коллектора на 50 мА, что на нагрузке 100 Ом составит 5 В. То есть усиление по напряжению при таком соотношении резисторов будет равно 5. Чем ниже номинал резистора в базе и чем выше сопротивление нагрузки, тем больше коэффициент усиления по напряжению. В пределе, если положить базовый резистор равным нулю, а коллекторный — бесконечности, то предельный коэффициент усиления современных транзисторов по напряжению может составить величину порядка нескольких сотен (но не бесконечность, за счет того, что база имеет собственное входное сопротивление, а коллектор — собственное выходное). Обратите внимание на это обстоятельство — то, что при повышении величины сопротивления в коллекторе коэффициент усиления увеличивается. В частности, это означает, что лучше вместо резистора включать источник тока, у которого выходное сопротивление очень велико. Именно так и поступают во многих случаях, особенно часто — в усилительных микросхемах.

Схема усилителя по рис. 6.6 исключительно плоха. В самом деле, все зависит от величины коэффициента h 21э , а он, во-первых, «гуляет» от транзистора к транзистору, а во-вторых, очень сильно зависит от температуры (при повышении температуры повышается). Но чтобы понять, как правильно построить усилительный транзисторный каскад со стабильными параметрами, нужно ознакомиться еще с одной схемой включения транзистора — схемой с общим коллектором.

Включение транзистора с общим коллектором

Схема с общим коллектором (о. к.) показана на рис. 6.7. Памятуя, что напряжение базы и эмиттера никогда не отличается более, чем на 0,6–0,7 В, мы придем к выводу, что выходное напряжение такой схемы должно быть меньше входного именно на эту величину. Это так и есть — схема с общим коллектором иначе называется эмиттерным повторителем, поскольку выходное напряжение повторяет входное — за вычетом все тех же 0,6 В. Каков же смысл этой схемы?

Рис. 6.7. Схема включения биполярного транзистора по схеме с общим коллектором

Дело в том, что схема на рис. 6.7 усиливает сигнал по току (в количество раз, определяемое величиной h 21э ), что равносильно тому, что собственное входное сопротивление этой схемы ровно в h 21э больше того сопротивления, которое стоит в цепи эмиттера. Поэтому в этой схеме мы можем подавать на «голый» вывод базы напряжение без опасности сжечь переход база-эмиттер. Иногда это полезно само по себе, если не слишком мощный источник (т. е. обладающий высоким выходным сопротивлением) нужно согласовать с мощной нагрузкой (в главе 9 мы увидим, как это используется в источниках питания). Кстати, схема с о. к. не инвертирует сигнал — в отличие от схемы с о. э.

Но главной особенностью схемы с общим коллектором является то, что ее характеристики исключительно стабильны и не зависят от конкретного транзистора, — до тех пор, пока вы, разумеется, не выйдете за пределы возможного. Так как сопротивление нагрузки в эмиттере и входное напряжение схемы практически однозначно задают ток коллектора, то характеристики транзистора в этом деле никак не участвуют.

Для объяснения этого факта заметим, что ток коллектора и ток эмиттера, т. е. ток через нагрузку, связаны между собой соотношением I н = I к + I б , но ток базы мал по сравнению с током коллектора, потому мы им пренебрегаем и с достаточной степенью точности полагаем, что I н = I к . Но напряжение на нагрузке будет всегда равно входному напряжению минус U бэ , которое, как мы уже выучили, всегда 0,6 В, т. е. ток в нагрузке есть (U вх — U бэ )/R н , и окончательно получаем, что I к   = (U вх — U бэ )/R н .

Разумеется, мы по ходу дела использовали два допущения (что I б  << I к  и что U бэ есть в точности 0,6 В — и то, и другое не всегда именно так), но мы же давно договорились, что не будем высчитывать характеристики схем с точностью до единиц процентов!

Ограничение, которое накладывается транзистором, будет проявляться, только если мы попробуем делать R н все меньше и меньше: в конце концов, либо ток коллектора, либо мощность, на нем выделяемая (она равна (U пит — U вых )·I к ), превысят предельно допустимые значения, и либо сгорит коллекторный переход, либо (если I к чем-то лимитирован) то же произойдет с переходом база-эмиттер. Зато в допустимых пределах мы можем со схемой эмиттерного повторителя творить что угодно, и соотношение I к = = (U вх — U бэ )/ R н будет всегда выполняться.

Про такую схему говорят, что она охвачена стопроцентной отрицательной обратной связью по напряжению. Об обратной связи мы подробнее поговорим в главе 12, посвященной операционным усилителям, а сейчас нам важно, что такая обратная связь ведет к стабилизации параметров схемы и их независимости как от конкретного экземпляра транзистора, так и от температуры. Но ведь это именно то, чего нам так не хватало в классической схеме с общим эмиттером! Нельзя ли их как-то скомбинировать?

Стабильный усилительный каскад на транзисторе

Действительно, «правильный» усилительный каскад на транзисторе есть комбинация той и другой схемы, показанная на рис. 6.8. Для конкретности предположим, что U пит = 10В, U вх = 5 В (постоянная составляющая). Как правильно рассчитать сопротивления R э и R к ? Заметим, что схема обладает двумя выходами, из которых нас больше интересует выход 1 (выход усилителя напряжения, соответствующий выходу в схеме с общим эмиттером по рис. 6.6).

Рис. 6.8. Стандартный усилительный каскад на биполярном транзисторе

При нормальной работе каскада (чтобы обеспечить максимально возможный размах напряжения на выходе) разумно принять, что в состоянии покоя, т. е. когда U вх равно именно 5 В, на выходе (на коллекторе транзистора) была бы половина питания, т. е. в данном случае тоже примерно 5 В. Это напряжение зависит от коллекторного тока и от сопротивления нагрузки по этому выходу, которое равно в нашем случае R к . Как правило, сопротивление нагрузки R к нам задано, примем для определенности, что R к = 5,1 кОм. Это означает, что в «хорошем» режиме, чтобы обеспечить U вых1 = 5 В, ток коллектора должен составлять 1 мА — посчитайте по закону Ома! Но ток коллектора мы уже умеем рассчитывать, исходя из закономерностей для каскада с о. к., — он ведь равен U вх — U бэ )/R э (в данном случае R э и есть R н ). Из этих условий получается, что резистор R э должен быть равен 4,3 кОм (мы всегда выбираем ближайшее из стандартного ряда сопротивлений, и больше не будем об этом упоминать). Мы не сильно нарушим законы природы, если просто положим в этой схеме R э = R к = 5,1 кОм — с точностью до десятых вольта выходные напряжения по обоим выходам будут равны — проверьте!

Такая (очень хорошая и стабильная) схема не обеспечит нам никакого усиления по напряжению, что легко проверить, если при рассчитанных параметрах увеличить U вх , скажем, на 1 В. Напряжение на эмиттере увеличится также на 1 В, общий ток коллектора-эмиттера возрастет на 0,2 мА (1 В/5 кОм), что изменит падение напряжения на коллекторном резисторе также на 1 В в меньшую сторону (помните, что выходы инвертированы?). Зато! Мы в данном случае имеем схему, которая имеет два совершенно симметричных выхода: один инвертирующий, другой точно совпадающий по фазе с входным сигналом. Это дорогого стоит!

Единственное, что портит картинку — факт, что выходные сопротивления такой схемы сильно разнятся. Нагрузив нижний выход (U вых2 ) еще какой-то нагрузкой (что равносильно присоединению параллельного резистора к R э ), мы изменим общий ток коллектора, и напряжение верхнего выхода (U вых1 ) также изменится. А обратного не получается, т. е., если мы уменьшим R к , нагрузив его, то U вых1 изменится — но это практически никоим образом не скажется на U вых2 .

Как нам обеспечить полную (или близкую к таковой) симметричность схемы усилителя — чуть далее. А пока нас занимает вопрос — так как же на этом якобы усилителе что-нибудь усилить? У меня есть микрофон или гитарный звукосниматель с выходом 1 мВ. Хочу получить на выходе хотя бы 100 мВ, чтобы хватило для линейного входа усилителя — ну и? Оказывается, все просто, нужно только поступиться принципами, от чего предостерегала незабвенная Нина Андреева еще в советские времена.

Принципы заключаются в следующем: в рассчитанной схеме мы старались все сбалансировать и обеспечить наилучший режим работы транзистора. Но зло и добро в мире, говорят, существуют в одинаковых количествах — если режим наилучший, значит, что-то будет наихудшим. В данном случае — усиление по напряжению.

Ранее мы писали, что коэффициент усиления по напряжению каскада с общим эмиттером зависит от соотношения сопротивлений (т. е. токов в базе и коллекторе). Сделав его неоптимальным для транзистора, мы можем что-то улучшить для себя.

Практически это делается так: пусть мы предполагаем, что максимально возможная амплитуда на входе каскада (относительно среднего значения) не превысит, допустим, 1 В. При минимуме сигнала напряжение на базе не должно быть меньше 1,7 В, иначе транзистор запрется, и сигнал будет ограничен «снизу». Примем его равным 2 В для надежности. Номинал эмиттерного резистора R э (при все том же оптимальном токе коллектора 1 мА) будет тогда равен 1,3 кОм. Нагрузка коллектора (R к ) пусть останется такой же — 5,1 кОм. Обратите внимание, что на выходе U вых1 среднее напряжение — напряжение покоя — в этом случае осталось тем же самым (5 В).

При таких параметрах каждый вольт изменения напряжения на входе даст уже примерно 4 вольта изменения напряжения на выходе U вых1 , т. е. коэффициент усиления по напряжению составит 4 и всегда будет примерно равен соотношению резисторов в коллекторе и эмиттере. Мы можем в определенных пределах увеличить этот коэффициент, уменьшая номинал R э вплоть до нуля, тем самым все больше дестабилизируя схему (как показано при описании схемы с общим эмиттером) и одновременно уменьшая диапазон усиливаемых входных напряжений. Интересным свойством рассмотренной схемы является то, что абсолютное значение напряжения питания здесь не важно, — рассчитанный на одно питание, каскад сохранит все свои свойства (кроме максимально допустимого выходного напряжения) и при другом, таковы свойства систем с обратной связью.

Для усилителей переменного тока хорошим — и часто используемым — приемом является шунтирование эмиттерного резистора конденсатором большой емкости. В результате режим усилителя по постоянному току (точка покоя, т. е. напряжение на коллекторе) обеспечен, а при наличии переменного входного напряжения эмиттерный резистор по номиналу уменьшается (к нему оказывается подключен параллельно конденсатор, сопротивление которого тем меньше, чем выше частота, как мы узнали из главы 5), поэтому растет и коэффициент усиления по напряжению всей схемы.

Теоретически транзисторный каскад на хорошем биполярном транзисторе в одиночку может усилить переменное напряжение с размахом 1 мВ раз в сто — если он правильно спроектирован, однако лучше полагаться на величину в 10–30 раз (если помните, максимальное увеличение по напряжению для современных биполярных транзисторов ограничено несколькими сотнями, если без всякой стабилизации).

Еще лучше в этом случае работают операционные усилители, но чтобы перейти к ним (см. главу 12), надо еще много понять о работе простых транзисторных каскадов.

Дифференциальный каскад

Значительно улучшает схему использование в паре двух одинаковых транзисторов, соединенных эмиттерами, — так называемого дифференциального каскада (см. рис. 6.9). Дифференциальные каскады в силу их удобства широко применяли еще в эпоху недоступности микросхем (в том числе даже и в ламповые времена), но теперь их отдельно почти не используют, кроме некоторых областей вроде звукотехники. Они являются основой операционных усилителей, которые имеет смысл рассматривать, как единое целое. Тем не менее, понимание принципов работы дифференциального каскада необходимо, и мы рассмотрим его вкратце, а потом (в главе 8) построим на его основе простейший звуковой усилитель.

Рис. 6.9. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах

Дифференциальный каскад, как он показан на рис. 6.9, предполагает два раздельных одинаковых питания (плюс и минус) относительно «земли», но для самого каскада это не более, чем условность, — питание всего каскада можно рассматривать, как однополярное (и равное в данном случае 10 + 10 = 20 В), просто входной сигнал должен находиться где-то посередине между питаниями. Ради удобства проектирования схем источник входного напряжения всегда привязывают к «земле», потенциал которой находится посередине между потенциалами источников питания самого каскада, т. е. общее питание рассматривают, как разделенное на два: положительное и отрицательное. Относительно этой же «земли» мы будем также отсчитывать выходные напряжения U вых1 и U вых2 .

С учетом того, что база и эмиттер транзистора всегда привязаны друг к другу, в этой схеме обе базы в рабочем режиме всегда будут иметь одинаковый потенциал. Поэтому, если на них подавать один и тот же сигнал (базовые резисторы на рис. 6.9 не показаны), то ничего происходить не будет — току течь некуда, т. к. все под одним и тем же напряжением. Вся конструкция из двух транзисторов будет смещаться относительно «земли» в соответствии с поданным сигналом, а на выходах ничего и не шелохнется — это легко проверить. Такой сигнал называют синфазным.

Иное дело, если сигналы на входах различаются — их разность будет усиливаться. Такой сигнал называют дифференциальным. Это основное свойство дифференциального усилителя, которое позволяет выделять небольшой сигнал на фоне довольно большой помехи. Помеха одинаково — синфазно — действует на оба входа, а полезный сигнал усиливается.

Мы не будем здесь подробно разбирать работу этой схемы (рекомендую [4, 5]), только укажем некоторые ее особенности:

□ входное сопротивление дифференциального каскада равно входному сопротивлению каскада с общим коллектором;

□ усиление по напряжению (дифференциальному) составляет 100 и более раз.

Если вы хотите получить точно определенный коэффициент усиления, в каждый из эмиттеров нужно ввести по одинаковому резистору — тогда К ус будет определяться, как для каскада на рис. 6.7. Но обычно в таком режиме дифференциальный усилитель не применяют — их используют в системах с общей обратной связью, которая и задает необходимый коэффициент усиления (см. главу 8);

□ выходы строго симметричны;

□ резистор R к1 , если не используется U вых1 , вообще можно исключить (или наоборот) — смотря, какой выход (прямой или инверсный) использовать.

Полевые транзисторы

Типы полевых транзисторов гораздо более разнообразны, чем биполярных (к полевым, кстати, и принадлежал самый первый прототип транзистора, изобретенный Шокли еще в 1946 году). Только основных разновидностей существует более десятка, но всем им присущи общие черты, которые мы сейчас кратко и рассмотрим.

Простейший полевой транзистор с p-n-переходом показан на рис. 6.10, а — в данном случае с «-каналом. Аналогичные базе, коллектору и эмиттеру выводы называются здесь затвор, сток и исток. Если потенциал затвора равен потенциалу истока (т. е. имеется в виду аналог замыкания цепи база-эмиттер у биполярного), то, в отличие от биполярного, полевой транзистор с p-n-переходом открыт. Но есть и еще одно существенное отличие — если биполярный транзистор при полном открывании имеет почти нулевое сопротивление цепи коллектор-эмиттер, то полевой в этих условиях работает довольно стабильным источником тока — ток в цепи истока почти не зависит от напряжения на стоке. Сама величина тока зависит от конкретного экземпляра транзистора и называется начальным током стока. Запереть его удается подачей отрицательного (порядка 7-10 В) напряжения на затвор относительно истока, а в промежутке полевик с n-каналом находится в активном режиме, когда ток стока зависит от напряжения на затворе.

Уникальной особенностью полевого транзистора является то, что в рабочем режиме он фактически не потребляет тока по входу затвора — достаточно иметь соответствующий потенциал, ведь диод затвор-исток в рабочем режиме смещен в обратном направлении, и ток через него определяется только токами утечки, которые равны нано- и микроамперам, как говорилось ранее! В этом отношении полевой транзистор аналогичен электронной лампе. А если мы сместим этот переход в положительном направлении (когда потенциал затвора превысит потенциал истока, и диод затвор-исток откроется), то полевой транзистор с p-n-переходом уже перестанет работать как транзистор.

Рис. 6.10. Полевые транзисторы:

а — включение полевого транзистора с p-n -переходом и n -каналом; б — полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) в режиме ключа; в — внутренняя структура IGВТ-транзистора 

В различных типах полевых транзисторов с изолированным затвором (так называемых МОП-транзисторах, от «металл-окисел-полупроводник» или, по-английски, MOS, иначе их называют MOSFET), последний вообще изолирован от цепи сток-исток тонким слоем окисла кремния SiO2, и там в принципе нет и не может быть никакого тока через цепь затвора. Правда, когда на затвор подается переменное напряжение или короткий импульс, в дело вступает конденсатор, образованный затвором и истоком. Как следует из главы 5, перезаряд этого конденсатора (его емкость может составлять десятки пикофарад) может приводить к значительному реактивному току в цепи затвора. На подобных транзисторах построены практически все современные логические микросхемы, отличающиеся практически нулевым потреблением тока в статическом режиме (см. главу 15).

Старые образцы MOSFET-транзисторов с «-каналом (например, отечественные КПЗ05, КПЗ13) требовали для полного запирания небольшого отрицательного смещения на затворе относительно истока (порядка 0,5–0,8 В). Современные MOSFET-транзисторы (рис. 6.10, б) управляются аналогично биполярному в схеме с общим эмиттером — при нулевом напряжении на затворе относительно истока транзистор заперт, при положительном напряжении порядка 8-20 В — полностью открыт, причем в открытом состоянии он представляет собой крайне малое сопротивление — у некоторых типов менее 0,01 Ом. Такие транзисторы выпускаются на мощности от единиц до сотен ватт и используются, например, для управления шаговыми двигателями или в импульсных источниках питания.

Вообще полевики гораздо ближе к той модели транзистора, когда промежуток коллектор-эмиттер или сток-исток представляются как управляемое сопротивление — у полевых транзисторов это действительно сопротивление. Условно говоря, со схемотехнической точки зрения биполярные транзисторы являются приборами для усиления тока, а полевые — для усиления напряжения.

Приведенные нами примеры не исчерпывают разнообразия типов полевых транзисторов. Например, так называемые IGBT-транзисторы (Insulated Gate Bipolar Transistors, биполярный транзистор с изолированным затвором), появившиеся в 1980-е годы, объединяют в себе полевую и биполярную структуры, отчего управляющий электрод в них зовется, как и в полевых, затвором, а два других аналогично биполярным: коллектором и эмиттером. На самом деле IGBT-транзистор представляет собой довольно сложную полупроводниковую структуру (рис. 6.10, в), с положительной обратной связью между разнополярными «обычными» транзисторами и с управлением от полевого (ср. со структурой однопереходного транзистора на рис. 10.3).

IGBT-транзисторы используются в качестве мощных ключей: десятки-сотни ампер при напряжениях более 1000 вольт. Управляются они положительным напряжением на затворе относительно эмиттера, причем у некоторых типов насыщение наступает уже при подаче 2,7–4 В на затвор, и такие транзисторы могут управляться непосредственно от логических схем. Платой за такую роскошь является довольно высокое напряжение насыщения между коллектором и эмиттером, характерное для биполярных транзисторов: от 1 В для относительно маломощных приборов (единицы ампер) до 2–3 В для более мощных (десятки и сотни ампер).

Выбор транзисторов

В заключение главы приведем критерии подбора биполярных и полевых транзисторов для конкретной схемы. Сейчас мы оставляем за скобками частотные характеристики транзисторов — будем считать, что достаточно выбрать прибор с рабочей частотой, примерно в 10 раз превышающей самые высокие частоты в схеме.

* * *

Особенности ключевого режима на высокой частоте

В силу того, что у прямоугольного импульса, как сказано в главе 5 , верхняя частота неограниченна, может создаться искушение выбирать как можно более высокочастотные приборы. Но это не вполне разумно — достаточно выбрать компоненты с рабочей частотой примерно в 10–20 раз выше, чем основная частота прямоугольных сигналов.

Быстродействие ключевых схем с общим эмиттером все равно будет существенно ниже ожидаемого, причем повышение частотных свойств транзистора не сильно поможет, и вот почему.

Если ток базы увеличить скачком, то нарастание тока коллектора будет происходить не сразу, а по кривой, аналогичной показанной на рис. 6.1 (если бы по оси абсцисс откладывалось не напряжение, а время). Иными словами, вывод биполярного транзистора из состояния насыщения занимает определенное время, а форма прямоугольных импульсов на коллекторной нагрузке весьма сильно искажается. Это не будет иметь существенного значения для низкочастотных схем, рассматриваемых в этой книге, но может доставить много неприятностей, если вы попробуете, например, с помощью простого ключевого каскада управлять передачей импульсов в скоростных линиях связи. В свое время преодоление этого эффекта доставило немало хлопот конструкторам транзисторных логических схем. Для того чтобы обойти эту неприятность, существует несколько способов держать запертый транзистор на грани насыщения, но мы их в этой книге рассматривать не будем — ныне для упомянутых целей существуют готовые решения в интегральном исполнении.

* * *

Если у диодов определяющих критериев всего три (допустимый прямой ток, допустимое обратное напряжение и допустимая выделяющаяся мощность), то у транзисторов их много больше.

Приведем часть из них:

□ допустимый ток коллектора;

□ допустимый ток базы;

□ допустимая мощность на коллекторе (стоке);

□ допустимое напряжение коллектор-эмиттер (сток-исток);

□ допустимое напряжение коллектор-база (сток-затвор);

□ допустимое обратное напряжение база-эмиттер и др.

Самыми критичными являются опять же три: допустимый ток коллектора, допустимая мощность на коллекторе и допустимое напряжение коллектор-эмиттер. Допустимое обратное напряжение база-эмиттер (т. е. отрицательное напряжение на базе при запертом транзисторе) для большинства типов кремниевых транзисторов, независимо от их мощности, составляет, увы, всего 5 В. На самом деле большинство транзисторов в импульсе выдерживает много больше, но лучше не экспериментировать. Допустимое напряжение коллектор-база, как правило, примерно равно допустимому напряжению коллектор-эмиттер, которое для обычных типов маломощных транзисторов составляет несколько десятков вольт (хотя есть и экстремальные типы, которые могут коммутировать и сотни вольт). Чаще всего в пределах одного типа разные буквы означают разброс в допустимых напряжениях (и/или в коэффициентах усиления β): так, для КТ815А допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер составляет 40 В, а для КТ815Г — 100 В.

Предельно допустимая мощность на коллекторе (то же самое справедливо для диодов) обычно определяется типом корпуса — один и тот же транзистор, помещенный в разные корпуса, может обеспечить разную выделяемую мощность. Критерием тут служит температура самого кристалла, которую померить ох как непросто!

Для ориентировки можно указать, что транзисторы (и другие приборы), помещенные в распространенный корпус ТО-220 (корпуса транзисторов показаны на рис. 6.11), могут без дополнительного радиатора рассеивать мощность до 1–2 Вт, а маломощные типа КТ3102 (корпус типа ТО-92) — до 0,5 Вт. С радиатором возможности сильно возрастают — корпус типа ТО-220 может рассеять до 60 Вт тепла без вреда для кристалла! Образцом тут могут служить микропроцессоры — какой-нибудь Pentium 4 на частоте 3 ГГц потребляет порядка 70–80 Вт мощности, но с внешним радиатором, дополнительно охлаждаемым специальным вентилятором, работает без вреда для многих миллионов транзисторов, которые он содержит. (Расчетом радиатора мы будем заниматься в главе 9.)

Рис. 6.11. Различные типы корпусов транзисторов

В любом случае следует выбирать минимально необходимый по мощности прибор — не только в целях экономии денег и места на печатной плате, но и потому, что чем меньше диод или транзистор, тем лучше у него остальные второстепенные характеристики: быстродействие, уровень собственных шумов, токи утечки и т. д. Но, как и в других случаях, запас обязательно следует иметь: если вы выберете для работы в цепи с напряжением 100 В и с токами до 1,5 А транзистор КТ815Г — это будет формально правильно, но я бы — для надежности — выбрал сюда что-нибудь помощнее.

* * *

Подробности

Есть правило, касающееся любых компонентов, не только диодов или транзисторов: из всех предельных параметров максимально допустимого значения в процессе работы может достигать только один, остальные должны оставаться как можно ниже (для транзисторов даже приводятся специальные графики, называемые областью безопасной работы). Так, если вы выбрали упомянутый КТ815Г для работы в цепи с напряжениями до 100 В — пусть предельные токи через него заведомо никогда не смогут превысить 0,5 А. Это будет правильно! Представьте себе йога, который тренирован для пребывания голым на холоде в минус 30° в течение часа, спокойно ходит по раскаленным угольям, выдерживает давление на грудную клетку большегрузного автомобиля в 10 тонн и при этом ломает кирпичи одним ударом ладони. А теперь заставьте его проделать все это одновременно! Конечно, не исключено, что он выдержит, — ну, а как нет?

* * *

В подавляющем большинстве случаев номенклатура отечественных транзисторов способна удовлетворить самого взыскательного разработчика. Я это пишу не для того, чтобы «поддержать отечественного производителя», а потому, что так и есть — на практике достаточно располагать пятком-десятком типов транзисторов, чтобы этого хватило почти на все случаи жизни. Среди маломощных транзисторов это КТЗ102 (КТЗ107 — здесь и далее в скобках указывается комплементарный p-n-p-вариант). Лично мне очень нравятся архаичные маломощные транзисторы КТЗ15 (КТ361) — они имеют малые размеры и легко вписываются в современные платы с микросхемами (в том числе и с SMD-компонентами), потому что у них шаг между выводами 2,5 мм, выводы плоские и расположёны также в одной плоскости. Хороши невзыскательные и дешевые транзисторы средней мощности в корпусе ТО-126—КТ815 (КТ814) или КТ817 (КТ816), если требуется ток до 1–2 А. Если требуется высокий коэффициент усиления для средней мощности, стоит присмотреться к КТ972 (КТ973), построенным по «дарлингтоновской» схеме.

Среди мощных транзисторов можно отдать предпочтение КТ819 (КТ818) или, когда требуется «супербета», — КТ829 (n-р-n, а также очень мощной комплементарной паре КТ827/КТ825. Выпускаются почти все эти типы мощных транзисторов в основном в корпусах типа ТО-220, но самая мощная пара КТ827 (КТ825) доступна в металлических корпусах ТО-3, что лучше, чем дешевый ТО-220, т. к. рассеиваемая мощность оказывается раза в 2–4 выше: типовая мощность транзистора в корпусе ТО-220 равна 20–45 Вт, а в корпусе ТО-3 — 80-125 Вт. Но ТО-3 намного неудобнее в технологическом плане, потому что крепление к теплоотводящему радиатору гораздо сложнее, и готовый радиатор подобрать под них нелегко. Впрочем, и мощности такие требуются нечасто.

Если трудно подобрать мощную «дарлингтоновскую» пару, то не забывайте, что дарлингтоновский транзистор всегда можно изготовить самостоятельно (см. рис. 6.5, а). Причем в этом случае оба транзистора, составляющие «дарлингтоновскую» пару, должны монтироваться на один радиатор, но т. к. они соединены коллекторами, то это проблем не добавляет, и изолирующая прокладка не требуется.

* * *

Подробности

Для удобства мы употребляем западные наименования корпусов транзисторов, и далее то же самое будет относиться к микросхемам. Разумеется, названия корпусов для микросхем DIP, SOIC, SOT и др., как и транзисторных ТО-92, Т-220 и пр., применимы только к импортным компонентам, однако соответствующие отечественные корпуса микросхем имеют столь замысловатую систему обозначений, что для удобства и унификации мы будем в этой книге пользоваться исключительно западными названиями корпусов; еще и по той причине, что найти чертежи любого импортного корпуса намного легче, чем отечественного. Учтите, что имеется некоторая разница в шаге выводов (т. к. на западе приняты дюймовые стандарты, а у нас — метрические), хотя существенна она только для микросхем с большим числом выводов (см. главу 11 ).

* * *

При замене следует учитывать, что с корпусом мощного транзистора всегда электрически соединен его коллектор (если это корпус ТО-220, то коллектор — всегда средний контакт), а вот разводка двух оставшихся выводов может различаться, и ее нужно обязательно проверять по справочнику.

Все сказанное относится к низкочастотным транзисторам, которые можно употреблять для источников питания, в качестве ключей управления индикацией или для усилителей звуковой частоты. Для многих других применений, где требуется быстрое срабатывание в ключевом режиме или высокие частоты усиления, такие транзисторы, естественно, не годятся, но точных рекомендаций на все случаи жизни дать нельзя. Учтите только, что транзисторы в одинаковых корпусах обычно имеют близкую мощность, и всегда можно попробовать заменить неизвестный импортный транзистор похожим по внешнему виду из того, что есть под рукой.

 

ГЛАВА 7

Ошеломляющее разнообразие электронного мира

Реле, стабилитроны, светодиоды…

Нет такой пустыни, где бы птица не могла пролететь над головой, где бы рыба не могла вынырнуть из воды, где бы кролик не мог выскочить из своей норки А мне кажется, что и птицы, и рыбы, и кролики — все стали шпионами кардинала.

А. Дюма . Три мушкетера

Полупроводниковая промышленность выпускает очень много типов электронных приборов. В этой главе мы подробно рассмотрим только основные, самые широко употребляемые их разновидности. По ходу изложения нам будут встречаться и другие приборы, имеющие более узкий спектр применения, и необходимые пояснения будут даны в соответствующих главах. Все эти компоненты, вместе с диодами и транзисторами, в отличие от интегральных микросхем, называют еще дискретными, а основанную на их использовании схемотехнику — дискретной схемотехникой. Не следует думать, что последняя, в связи с дешевизной микросхем, полностью вышла из моды: во-первых, многие узлы современных схем все равно делают на дискретных компонентах, во-вторых, как ни странно, иногда только использование дискретной схемотехники позволяет достичь наивысшего качества — типичным примером служат высококачественные звуковые усилители мощности.

Электромагнитные реле

Конечно, выдающийся американский физик Джозеф Генри, помогая художнику Самюэлю Морзе в постройке телеграфа, и не думал ни о какой электронике, которая потом завоюет мир. Электромагнитное реле он изобрел даже не в рамках фундаментальной науки, которая, как известно, есть способ познания мира и чурается практики, а просто, чтобы «помочь товарищу», который, впрочем, наверняка платил неплохие деньги.

Так это было или иначе — важно, что электромагнитное реле стало одним из самых главных технологических изобретений XIX века. По популярности ему не затмить, конечно, электрического освещения, электрогенератора и электродвигателя, телеграфа, телефона и прочих достижений «века электричества», но факт, что именно этот не очень известный широкой публике приборчик еще недавно был одним из важнейших компонентов любой электрической системы и широко используется до сих пор.

Рис. 7.1. Схематическое устройство ( а ) и рекомендуемая схема включения ( б ) электромагнитного реле

Реле стало первым в истории — задолго до ламп и транзисторов — усилителем электрических сигналов. С помощью реле напрямую не усилить предвыборную речь кандидата в президенты, но если ее, по современной моде, закодировать нулями-единицами, то реле справится с такой задачей в принципе ничуть не хуже любого другого устройства, — именно на этом свойстве было основано его применение в телеграфе Морзе.

Конечно, быстродействие реле, как ключевого элемента, оставляет желать лучшего — даже о килогерцах здесь речь не идет, обычная скорость срабатывания для самых малогабаритных и быстродействующих реле составляет десятки миллисекунд, что соответствует частотам в десятки герц. Но в режиме быстрого переключения реле использовать и не надо, для этого существуют другие электронные компоненты. Реле применяют там, где нужно надежно коммутировать нагрузку с минимальными потерями в контакте. Огромным преимуществом реле является не только полная изоляция между входом и выходом (как говорят, гальваническая развязка), но и низкое сопротивление контактов. По этой причине их в наше время используют, например, для коммутации в измерительных схемах, где очень важно, чтобы сопротивление измерительных цепей было минимальным и стабильным.

Учтите, что указываемые в справочниках параметры контактов (типа «переходное сопротивление не более 1 Ом») обычно сильно завышены, они рассчитаны на наихудший случай.

На рис. 7.1, а схематически изображено устройство простейшего электромагнитного реле. Любое реле — независимо от конструкции — обязательно содержит три главных компонента: обмотку, якорь и контакты. Исключение составляют так называемые герконовые реле, у которых якорем служат сами контакты. Обмотка представляет собой катушку индуктивности (соленоид), около которой (или в которой) при подаче тока перемещается якорь, выполненный из ферромагнитного материала. Теорию этого процесса излагать слишком долго, да к тому же она не нужна для практических целей. Важно понимать, что при подаче переменного или постоянного тока якорь перемещается и через тягу из изолирующего материала (на рис. 7.1, а она показана пунктиром) приводит к перемещению подпружиненных контактов, которые замыкаются (если были «нормально разомкнутыми») или размыкаются (если были «нормально замкнутыми»).

Также используется и вариант «перекидных» контактов, в которых присутствует центральный общий подпружиненный контакт, в нормальном положении замкнутый с одним из соседних, а при подаче тока перекидывающийся к другому. Если ток через обмотку снимается, то все возвращается в исходное состояние. Большинство типов реле содержит не одну, а несколько групп таких контактов, управляемых одним якорем. Это можно увидеть на рис. 7.2, где представлены некоторые типы реле.

Рис. 7.2. Некоторые разновидности электромагнитных реле

Разумеется, вокруг этого базового принципа работы за много лет были накручены различные «прибамбасы»: так, существуют реле, которые при каждой подаче импульса тока перебрасываются в противоположное положение (пускатели), реле, контакт в которых может иметь три положения (трехпозиционные: замкнутонейтраль-замкнуто) и т. п., но мы не будем их рассматривать, потому что большинство функций таких специализированных реле давно выполняют логические микросхемы. Мало того, вместо электромагнитных реле во многих случаях (но не во всех!) лучше использовать оптоэлектронные (твердотельные) реле — принцип тот же, но нет никаких соленоидов и движущихся частей. Их мы кратко рассмотрим далее, а пока изучим важнейшие характеристики обычных реле — они мало меняются даже с переходом к твердотельной электронике.

В обычных реле (кроме так называемых поляризованных) эффект не зависит от направления тока в обмотках, но все-таки некоторая разница в конструкции у реле, специально предназначенных для работы на переменном токе, имеется. Мы будем заниматься только реле постоянного тока (т. е. такими, обмотки которых работают от постоянного тока, хотя коммутировать они могут любой сигнал), потому углубляться в этот вопрос не станем.

В справочниках приводится либо величина тока через обмотку, либо величина рабочего напряжения, что равнозначно, потому что величина сопротивления обмотки тоже всегда приводится. Обычно конкретные типы реле имеют разновидности с разными сопротивлениями обмоток (это определяется так называемым паспортом реле).

Главный недостаток электромагнитных реле в сравнении с полупроводниковыми устройствами — то, что энергетический порог, с которого начинается управление обмотками, весьма велик. Все же токи в 30–50 мА при напряжениях 5-30 В, т. е. мощности порядка ватта (и это для малогабаритных реле, для реле покрупнее нужна еще большая мощность), — запредельны для современной электроники и являются слишком большой роскошью, если требуется всего только включить нагрузку в виде лампочки. А вот когда необходимо от маломощного сигнала включить, например, мощный нагреватель — тут реле оказываются вне конкуренции. В большинстве современных бытовых нагревательных приборов (в калориферах, электродуховках, хлебопечках и пр.), по моим наблюдениям, для включения-отключения мощного нагревателя применяют именно электромагнитные реле, а не бесконтактные выключатели — так надежнее, дешевле и, к тому же, уровень электромагнитных помех оказывается гораздо ниже.

* * *

Заметки на полях

Кстати, а как определить напряжение срабатывания незнакомого реле, если справочника нет под рукой? Это несложно, только надо иметь регулируемый источник питания. Найдите с помощью тестера выводы обмотки (она имеет обычно сопротивление от десятков ом до нескольких килоом, а если реле в прозрачном корпусе, то найти ее можно просто визуально) и подключите обмотку к источнику. Найдите нормально замкнутые контакты (прозвонкой) и подключите к ним тестер. Выведите источник на минимальное напряжение, включите его, а затем постепенно добавляйте напряжение.

Вместо подключения тестера можно просто поднести реле к уху, но если оно малогабаритное и, тем более, герконовое, то щелчок при срабатывании можно и не услышать. Отметьте значение напряжения, когда реле сработает, а затем умножьте его на полтора — это и будет приблизительное значение номинального напряжения срабатывания.

* * *

Другим недостатком реле, как нагрузки для полупроводниковых приборов, является то, что его обмотка представляет собой индуктивность. Для постоянного тока это просто сопротивление, но в момент переключения, как описано в главе 5, на обмотке реле возникает импульс напряжения (по полярности он противоположен направлению изменения тока в обмотке). Если индуктивность обмотки велика, а ее собственное (активное) сопротивление мало, то импульс этот может вывести из строя коммутирующий прибор (например, транзистор) и в любом случае создает сильные помехи остальным элементам схемы по шине питания. Поэтому при стандартном включении реле всегда рекомендуется включать параллельно его обмотке диод (даже если коммутация происходит не от полупроводниковых источников, а от таких же реле) — в таком направлении, чтобы в статическом режиме, когда все успокоилось, диод этот тока не пропускал (см. рис. 7.1, б). Тогда выброс напряжения ограничивается уровнем напряжения на открытом диоде, т. е. 0,6 В.

Следует учитывать еще одну особенность электромагнитных реле. Ток (напряжение) срабатывания у них намного превышает ток (напряжение) отпускания — так, если в характеристиках указано, что номинальное напряжение реле составляет 27 В, то при этом напряжении гарантируется замыкание нормально разомкнутых до этого контактов. Но совершенно необязательно выдерживать это напряжение длительное время — так, 27-вольтовые реле спокойно могут удерживать контакты в замкнутом состоянии вплоть до того момента, пока напряжение на их обмотке не снизится до 8-10 вольт. Подобный гистерезис — очень удобное свойство электромагнитных реле, которое позволяет избежать дребезга при срабатывании-отключении и даже сэкономить энергию при работе с ними. Например, на рис. 7.3, а приведена схема управления реле, которое в начальный момент времени подает на него нужное номинальное напряжение для срабатывания, а затем неограниченное время удерживает реле в сработавшем состоянии при пониженной величине тока через обмотку.

На рис. 7.3 также приведены еще две классические схемы. Схема на рис. 7.3, б называется схемой самоблокировки (после нажатия кнопки «Пуск» ее можно отпустить, и реле останется замкнутым — блокируется) и очень часто применяется в управлении различными мощными устройствами — например, электродвигателями станков или насосов. Мощные реле-пускатели для таких двигателей имеют даже специальную отдельную пару маломощных контактов, предназначенную для осуществления самоблокировки. В этих случаях ток через стандартные кнопки «Пуск» и «Стоп» не превышает тока через обмотку пускателя (который составляет несколько десятков или сотен миллиампер), в то время, как мощность разрываемой цепи может составлять многие киловатты, притом это может быть трехфазная цепь со всякими дополнительными неприятностями вроде огромных индуктивностей обмоток мощных двигателей.

Рис. 7.3. Некоторые схемы включения реле:

а — со снижением напряжения удержания; б — схема самоблокировки с кнопками «Пуск» и «Стоп», в — схема классического электромеханического звонка

Другая схема (рис. 7.3, в) скорее забавна и представляет собой дань прошлому, когда никакой электроники не существовало. Это схема простейшего электрического звонка, который может быть реализован на любом реле. Оно и само по себе при подключении по этой схеме задребезжит (правда, звук может быть самым разным, в зависимости от быстродействия и размеров реле, потому лучше употребить слово «зазуммерит»), но в обычном звонке якорь еще связывают со специальной тягой, которая в процессе работы стучит по металлической чашке, формируя звуковой сигнал. Есть и более простая конструкция электромеханического звонка, когда на обмотку реле просто подают переменное напряжение, от чего якорь вибрирует с его частотой (так устроены, например, звонки старинных телефонов с крутящимся диском), но нас тут интересует именно классическая схема, потому что в ней в чистом виде реализован другой основополагающий принцип электроники, так или иначе присутствующий в любых генераторах колебаний, — принцип положительной обратной связи. Якорь в первый момент притягивается — питание размыкается — якорь отпускает — питание замыкается — якорь притягивается и т. д. Частота генерируемых колебаний зависит исключительно от механической инерции деталей реле.

Стабилитроны

Стабилитрон представляет собой обычный диод с вольт-амперной характеристикой, подобной показанной на рис. 6.1, за одним исключением — при превышении некоторого обратного напряжения (индивидуального для каждого типа стабилитрона) он обратимо пробивается и начинает работать как очень малое сопротивление, при этом уровень напряжения сохраняется. Это можно представить себе, как если бы обычное прямое падение напряжения, составляющее 0,6 В, увеличилось вдруг до большой величины. Стоит только снизить напряжение ниже оговоренного — стабилитрон опять запирается и больше не участвует в работе схемы. Напряжения стабилизации могут быть самыми разными — от 2 до 300 В. Учтите, что тепловая мощность, равная произведению тока через стабилитрон на его напряжение стабилизации, выделяется на нем самом, поэтому чем выше напряжение стабилизации, тем ниже допустимый ток. В характеристиках также указывается обычно минимально допустимое значение тока, при котором стабилитрон еще «держит» нужное напряжение.

Удобно использовать двусторонние стабилитроны (которые представляют собой два обычных, соединенных анодами) для того, чтобы и в положительном и в отрицательном направлении включения характеристики были бы симметричны. Вольт-амперная характеристика такого двустороннего стабилитрона (типа КС170) показана на рис. 7.4. Отметьте, что характеристика в области пробоя все же имеет некоторый наклон — т. е. при возрастании тока через прибор напряжение на нем не остается строго постоянным, а растет (это называется дифференциальным сопротивлением). К тому же напряжение стабилизации меняется с температурой.

Рис. 7.4. Вольт-амперная характеристика двустороннего стабилитрона

Кстати, простейший стабилитрон — это обычный диод, включенный в прямом направлении, и их часто употребляют в таком качестве. Напряжение стабилизации составит при этом, естественно, 0,6 В (для его увеличения можно включить последовательно два и более диодов). Как видно из вольт-амперной характеристики диода (см. рис. 6.1), стабильность пресловутого напряжения 0,6 В оставляет желать лучшего (зависит и от тока, и от температуры), но во многих случаях особой стабильности и не требуется.

На рис. 7.5 приведена схема ограничителя напряжения на двух диодах (если требуется более высокое напряжение ограничения, их можно заменить на стабилитроны или на один двусторонний стабилитрон). Эту схему удобно применять, например, для защиты высокоомного входа микрофонного усилителя — нормальное напряжение с микрофона составляет несколько милливольт, и диоды никак не влияют на работу схемы, поскольку таким маленьким напряжением не открываются. Но если микрофон присоединен через длинный кабель, то на входе могут создаваться помехи от промышленного оборудования, от поднесенного к неподключенному входу пальца, или, скажем, от грозовых разрядов, которые сильно превышают указанные милливольты и могут вывести из строя каскады усилителя. В приведенной схеме такие помехи любой полярности замыкаются через диоды, и входное напряжение не может превысить 0,6–0,7 В ни при каких условиях.

Рис. 7.5. Схема для защиты входа микрофонного усилителя

У внимательного читателя может возникнуть вопрос — ведь согласно вольт-амперной характеристике и стабилитрона, и диода ток при превышении соответствующего напряжения растет очень быстро, так не сгорят ли эти входные диоды при наличии высоковольтной помехи? Ответ прост — энергия помехи обычно очень мала, поэтому ток хоть и может быть достаточно велик, но действует на протяжении очень короткого промежутка времени, а такое воздействие и диоды, и стабилитроны выдерживают без последствий.

Стабилитроны в чистом виде хороши в качестве ограничителей напряжения, а для формирования действительно стабильного напряжения (например, опорного для АЦП и ЦАП) следует применять специальные меры для стабилизации тока через стабилитрон и одновременно обращать внимание на стабильность его температурных характеристик. Хотя и существуют специальные прецизионные стабилитроны, но все же, если вам нужен действительно качественный результат, то лучше применять интегральные стабилизаторы, которые дают на выходе гораздо более стабильное напряжение. Например, интегральный стабилизатор типа МАХ873, который в диапазоне 4-30 В на входе дает на выходе ровно 2,5 В, обладает еще и весьма высокой стабильностью — если даже положить на него паяльник (тем самым нагрев его градусов до 250), то напряжение на выходе этого стабилизатора и не шелохнется. В современной интегральной технике обычно источники опорного напряжения встраивают прямо в нужные микросхемы, но часто предусматривают вход и внешнего такого источника, потому что вы всегда можете захотеть изобрести что-нибудь получше.

Оптоэлектроника и светодиоды

Очень многие физические процессы обратимы. Типичный пример — если пластинка кварца изгибается под действием электрического поля, то можно предположить, что принудительное изгибание пластинки приведет к возникновению зарядов на ее концах. Так и происходит в действительности, и этот эффект лежит в основе устройства кварцевых резонаторов для реализации высокоточных генераторов частоты (см. главу 16), Не давало покоя физикам и одно из первых обнаруженных свойств полупроводникового p-n-перехода — зависимость его проводимости от освещения. Этот эффект немедленно стал широко использоваться в различных датчиках освещенности (фотосопротивлениях, фотодиодах, фототранзисторах), которые пришли на замену хоть и весьма чувствительным, но крайне неудобным для широкого применения вакуумным фотоэлементам и фотоумножителям. Затем вырос целый класс устройств — оптоэлектронные приборы.

* * *

Заметки на полях

Кстати, любой полупроводниковый диод в стеклянном корпусе является неплохим датчиком освещенности, его обратный ток сильно зависит от наличия света, — особенно этим отличаются старые германиевые диоды (например, Д2 или Д9). Можете попробовать поэкспериментировать, только не забывайте, что, во-первых, сам этот ток очень мал (обратное сопротивление диода весьма велико), что потребует хороших высокоомных усилителей, а во-вторых, от температуры этот обратный ток зависит еще больше, чем от света.

Оптоэлектроника

В оптоэлектронных приборах (оптронах) через светодиод (обычно инфракрасный, о них мы поговорим позже) пропускается зажигающий его ток, в результате чего в воспринимающем p-n-переходе фотодиода или фототранзистора ток резко возрастает. Между входным светодиодом и выходом при этом имеется прозрачная изолирующая прокладка, которая позволяет гальванически развязать выводы входа и выхода.

Самый простой вариант такого прибора — диодная оптопара (рис. 7.6), которая обычно служит для электрически изолированной передачи линейных сигналов (например, звуковых колебаний или уровней постоянного тока в регулирующих устройствах). В ней обратный ток (I вых ) приемного диода линейно зависит от управляющего тока через светодиод (I упр ). Обратите внимание, что рабочая полярность у фотодиода обратная, чем у обычного диода, поэтому у таких компонентов, если они выпускаются в отдельном корпусе, плюсом помечен катод, а не анод.

Рис. 7.6. Диодная оптопара

Один из главных параметров оптопар — коэффициент передачи по току К п . Это величина, равная отношению выходного тока приемника оптопары (за вычетом темнового тока) при определенном напряжении на выходе, к входному току. Он характеризует чувствительность оптопары. Диодные оптопары (АОД101, АОД130), подобные показанной на рис. 7.6, имеют высокое быстродействие (типовое время нарастания сигнала — десятки наносекунд), но небольшой Кп, порядка единицы и даже меньше. Их основное назначение — преобразование линейных аналоговых сигналов. У транзисторных оптопар, в которых приемником служит фототранзистор, К п намного больше (порядка сотен), зато быстродействие гораздо ниже, типичная транзисторная оптопара (АОТ110, TLP521) может работать с прямоугольными сигналами на частотах не выше 10 кГц. При этом для обеспечения достаточного быстродействия входные токи таких оптопар должны составлять порядка 10 мА и более, а коллекторное сопротивление — не превышать сотен ом.

* * *

Подробности

При выборе оптопар стоит также учесть, что многие отечественные оптопары имеют низкую стойкость изоляции (предельное напряжение 100–200 В), причем в справочниках приводятся противоречивые данные. Диодная оптопара АОД130 выдерживает не менее 1500 В между входом и выходом и заведомо годится для работы с сетевым напряжением, а вот популярная АОД101 с допустимым напряжением 100 В — увы, нет. Импортные оптопары имеют допустимое напряжение изоляции не менее единиц киловольт, т. е. подходят для работы с сетевым напряжением без оговорок.

* * *

Если требуется обеспечить гальваническую развязку при передаче прямоугольных импульсов с достаточным быстродействием, то можно воспользоваться более сложными по конструкции оптопарами. Так, одноканальные 6N135/136 или двух-канальная HCPL-0560 (специально предназначенная для интерфейса RS-232) с диодом в качестве приемника и дополнительным усилительным транзистором обеспечат; передачу импульсов до 1 МГц, более чувствительная 6N139 с дарлингтоновским транзистором — до 100кГц. Специализированная оптопара TLP558 с логическим; элементом на выходе может обеспечить скорость передачи до 6 МГц при входном токе всего 1,6 мА. Такие оптопары часто применяют для гальванической изоляции, линий передачи данных. Например, медицинские приборы должны быть очень хорошо изолированы от потенциалов, связанных с электрической сетью, и прямое их подключение к компьютерным портам недопустимо — тогда и применяют оптопары, которые обеспечивают их полную изоляцию.

Упомянутые ранее оптоэлектронные реле (часто их также называют твердотельными) устроены аналогично оптопарам, но с мощным фототиристором (о тиристоpax см. главу 10) в качестве приемника: так, бесконтактное реле типа D24125 фирмы Crydom позволяет коммутировать сетевой переменный ток до 280 В при 125 А путем подачи напряжения 3–5 В при токе 3 мА (т. е. непосредственно от логической микросхемы) через управляющий светодиод. Мощностью 10 мВт напрямую управляют мощностью примерно в 35 кВт при полной гальванической развязке ей-богу, совершенно беспрецедентный случай, обычным электромагнитным реле недоступный! Недостатком оптоэлектронных реле является большое сопротивление «контактов» — так, указанное реле D24125 приходится ставить на теплорассеивающий радиатор уже при коммутируемых токах порядка 5–8 А, что совершенно не требуется для обычных электромагнитных реле. Пример использования такого реле, управляемого непосредственно от микроконтроллера, мы увидим в главе 21.

Светодиоды

Набиравшая обороты космическая отрасль быстро сосредоточила усилия вокруг реализации другого эффекта — возможности генерации тока в полупроводниковом переходе под действием света, и картинка искусственного спутника Земли с широко раскинутыми темно-синими панелями солнечных батарей теперь стала уже традиционной. Но, может быть, таким же образом возможно генерировать свет, если подавать на p-n-переход напряжение? Оказалось, что можно, но это было реализовано далеко не сразу.

Первым поддался инфракрасный (ИК) и красно-зеленый участок спектра. К началу 1980-х годов полупроводниковые светодиоды (LED, Light Emission Diode), излучающие в ИК-диапазоне, уже стали широко использоваться в дистанционных пультах управления, а красненькие и зелененькие сигнальные светодиоды хоть и были тогда еще куда тусклее традиционных лампочек накаливания, зато оказались намного более долговечны и потребляли принципиально меньше энергии.

В настоящее время в целом проблемы решены, и освоен фактически весь видимый спектр, включая синий и даже ультрафиолетовый диапазоны. Характерной особенностью цветных светодиодов является то, что они излучают свет одной (точнее, близкой к этой одной) длины волны, из-за чего насыщенность излучаемого света превосходит все чаяния художников. Существуют не менее двух десятков разновидностей светодиодов для разных длин волн, охватывающих все цвета видимого спектра (частично они перечислены в табл. 7.1, обозначения соответствуют продукции фирмы Kingbright и некоторых других фирм). Часто можно встретить в продаже и светодиоды белого свечения (они получаются из цветных, если покрыть часть кристалла люминофором, преобразующим оттенки света), которые все больше используются в качестве экономичных и долговечных источников света.

  * Часто продают под названием ультрафиолетовых, потому что этот тип LED действительно захватывает УФ область, и может вызывать свечение многих типов люминесцентных красителей.

Сами по себе светодиоды делятся на обычные и повышенной яркости. Не следует сломя голову кидаться на повышенную яркость — в большинстве случаев она не нужна и только будет слепить глаза, если светодиод используется в качестве, скажем, индикатора наличия напряжения, причем регулировать такую яркость непросто. Очень тщательно следует подходить и к выбору корпуса — матовый (диффузный) рассеиватель обеспечивает меньшую яркость, зато светящуюся полусферу видно под углом почти 180° во все стороны.

Со схемотехнической точки зрения все светодиоды, независимо от цвета свечения, представляют собой обычные диоды, за одним исключением — прямое падение напряжения на них превышает обычные для кремниевых p-n-переходов 0,6 В и составляет: для красных и инфракрасных 1,5–1,8 В, для желтых, зеленых и синих — 2–3 В. В остальном их включение не отличается от включения обычных диодов в прямом направлении. То есть светодиод есть прибор, управляемый током (а не напряжением, как лампа накаливания), поэтому обязательно должен иметь токоограничивающий резистор. При питании осветительных светодиодных приборов в токоограничивающем резисторе впустую терялась бы слишком большая мощность, потому в них используют источники не напряжения, а стабилизированного тока.

Значение тока, при котором практически любой светодиод нормально светится, составляет 3–8 мА (хотя предельно допустимое может быть и 40 мА), на эту величину и следует рассчитывать схему управления светодиодами. При этом нужно учитывать, что яркость, воспринимаемая глазом, не зависит линейно от тока — вы можете и не заметить разницу в свечении при токе 5 и 10 мА, а разница между 30 и 40 мА еще менее заметна. Светодиоды — одни из самых удобных электронных компонентов, т. к. один можно поменять на другой практически без ограничений и без необходимости пересчета схемы.

Иногда токоограничивающий резистор встраивают прямо в светодиод (в этом случае яркость свечения уже управляется напряжением, как у обычной лампочки, а не током) — это распространенная практика для «мигающих» светодиодов со встроенным генератором частоты. Обычное предельное напряжение для таких светодиодов составляет 12–15 В. В остальных случаях вопрос «каким напряжением питать светодиод», вообще говоря, не имеет смысла.

Светодиоды делают разной формы — обычно они круглые, но используются также плоские, квадратные и даже треугольные. Широкое распространение сейчас имеют двухцветные светодиоды. Они бывают двух- и трехвыводные. С последними все понятно — это просто два разноцветных светодиода (зеленый и красный) в одном корпусе, управляющиеся раздельно. Подал ток на один — зажегся красный, на другой — зеленый, на оба — желтый (третий вывод общий), а манипулируя величиной токов, можно получить все промежуточные переходы. Но еще интереснее двухвыводной тип, который представляет собой два разноцветных светодиода, включенные встречно-параллельно. Поэтому в них цвет свечения зависит от полярности тока: в одну сторону красный, в другую — зеленый. Самое интересное получается, если подать на такой светодиод переменный ток — тогда он светится желтым!

* * *

Заметки на полях

Двухцветные светодиоды с тремя выводами (т. е. с раздельным управлением красным и зеленым) по какой-то неясной причине чаще всего поступают в продажу в прозрачном корпусе. Такой светодиод имеет небольшой угол рассеяния и сбоку почти не виден — прозрачные светодиоды ориентированы на применение в случаях, когда нужно сконцентрировать поток в небольшом угле (для наблюдения издалека, например). В остальных случаях целесообразно использовать светодиоды с матовым диффузным рассеивателем.

Для того чтобы превратить прозрачный светодиод в матовый, его можно покрасить «молочным» лаком. Такой лак не стоит искать в продаже — проще сделать его самому на один раз. Для этого возьмите на самый кончик кисточки чуть-чуть белой краски на основе масляного связующего (например, художественные белила из школьного набора, подойдет и алкидная или пентафталевая белая эмаль) и интенсивно перемешайте ее в посуде небольших размеров, вроде рюмочки или пробки от шампанского, с 5-10 граммами бесцветного нитроцеллюлозного мебельного лака (НЦ-222, НЦ-218 и т. п.). Посуда должна быть стеклянной или полиэтиленовой (одноразовую посуду применять нельзя — она может расползтись). Окуните светодиод в этот лак и снимите отжатой кисточкой, которой производилось размешивание, образующуюся каплю (просто осторожно прикоснитесь к ней, и лишний лак перейдет на кисточку). Через час светодиод готов к установке на место.

Светодиодные индикаторы

Поскольку собственное падение напряжения на светодиодах невелико, их можно включать последовательно, чем пользуются производители цифровых сегментных индикаторов. Но тут дело осложняется тем, что отдельный светодиод представляет собой фактически точечный источник света, и нарисовать с его помощью длинную светящуюся полоску непросто даже при наличии рассеивающей свет пластмассы (причем, как ни парадоксально, чем мельче, тем хуже выглядят плоские светодиоды). Мелкие цифровые индикаторы (с длиной одного сегмента до 5–6 мм) содержат по одному светодиоду в сегменте, а более крупные — по два и более. Это нужно учитывать при проектировании, т. к. семисегментный цифровой индикатор с высотой цифры 12,7 мм и более имеет падение напряжения на каждом сегменте, превышающее 4 В, и управлять им от пятивольтового микроконтроллера напрямую затруднительно — номинальный запас в несколько десятых вольта легко «сожрется» собственным сопротивлением выхода контроллера, отчего ваш индикатор вообще может и не загореться. Для таких случаев приходится идти на заведомые потери и питать индикаторы от повышенного напряжения через транзисторные ключи или специальные схемы управления индикаторами. Красота требует жертв! Набор семисегментных цифровых светодиодных индикаторов в четыре цифры в каком-нибудь мультиметре может потреблять до 100–200 мА тока — зато насколько он выглядит красивее по сравнению с почти ничего не потребляющими, но совершенно слепыми черно-белыми жидкокристаллическими панелями!

Семисегментные индикаторы (рис. 7.7, а) бывают сдвоенными и строенными; кроме них встречаются шестнадцатисегментные индикаторы, которые позволяют формировать буквы и специальные знаки. Такие индикаторы для удобства управления ими делают с общим анодом (тогда на индикатор подается общее питание, а зажигание сегментов производится коммутацией их к «земле») и с общим катодом (сегменты имеют общую «землю», а зажигание производится подачей тока на каждый сегмент). Почти всегда выпускаются идентичные внешне типы и той и другой конфигурации. Для формирования длинных строк используют матричные индикаторы (рис. 7.7, б), которые нередко встречаются в виде довольно больших дисплеев в несколько сотен точек.

В последние годы появились и сборные индикаторы на органических светодиодах (OLED), причем как символьные, так и графические (т. е. состоящие из матрицы точек). По внешнему виду они практически идентичны жидкокристаллическим (см. следующий раздел), но сегменты или точки в них светятся сами. Отличаются от обычных LED они гораздо меньшим потреблением тока — например, двухстрочный дисплей по 16 символов в строке может потреблять около 40 мА при напряжении 3–5 В. С одним из таких дисплеев мы познакомимся в главе 22 в связи с проектом метеостанции на платформе Arduino.

Рис. 7.7. Светодиодные индикаторы:

а — семисегментный; б — дисплей на основе матричного индикатора

ЖК-дисплеи

Жидкокристаллические (ЖК) индикаторы в бытовой аппаратуре встречаются чаще всего только в виде готовых ЖК-дисплеев для распространенных применений — например, для часов, магнитол, музыкальных центров или в виде многоразрядного набора цифр. Есть и матричные ЖК-дисплеи для формирования бегущей строки, многострочные — для текстовых сообщений и т. п., вплоть до полнофункциональных цветных ЖК-матриц, — тех, что, используются в качестве экранов большинства современных массовых устройств: от мобильных телефонов до широкоэкранных телевизионных панелей.

Все ЖК-дисплеи сами по себе отличаются практически нулевым потреблением энергии в статическом режиме; энергия уходит только на переключение ЖК-ячейки. Правда, большинство матричных ЖК-дисплеев, предназначенных для демонстрации произвольных изображений, не могут обойтись без подсветки, которая будет потреблять довольно много (так, в ноутбуках — более половины общего потребления). Но нас здесь интересуют лишь обычные ЖК-дисплеи, используемые в качестве цифровых или цифробуквенных табло. Устройство ячейки такой простейшей (пассивной) матрицы или индикатора, вместо подсветки использующей зеркало, отражающее внешний свет, показано на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Устройство пассивной ЖК-ячейки

Здесь слой жидких кристаллов толщиной несколько микрон находится между двумя стеклянными электродами, причем, за счет специальной структуры поверхности стекла, молекулы кристалла ориентированы параллельно плоскости этих электродов. Сверху и снизу такого «сэндвича» расположены пластины-поляризаторы, ориентированные перпендикулярно друг другу. Толщина слоя жидких кристаллов рассчитана так, что в исходном состоянии он поворачивает плоскость поляризации световой волны ровно на 90°. В результате в обесточенной ячейке (рис. 7.8, слева) свет беспрепятственно проходит через весь «пирог», отражается от зеркала (оно сделано матовым, чтобы не отражало окружающих предметов) и возвращается обратно. Подобная матрица в обесточенном состоянии выглядит как обычная стеклянная пластинка.

Когда вы подаете на электроды напряжение (рис. 7.8, справа), электрическое поле ориентирует молекулы жидкого кристалла вдоль его силовых линий, т. е. перпендикулярно плоскости электродов. Жидкий кристалл теряет свои свойства и перестает поворачивать плоскость поляризации света. За счет перпендикулярной ориентации поляризационных пластин весь «пирог» перестает пропускать свет. Образуется черная точка (или сегмент цифрового индикатора —, в зависимости от конфигурации электродов). Это так называемая TN-технология (от Twisted Nematic — название разновидности жидких кристаллов).

Подобные монохромные ЖК-дисплеи всем хорошо знакомы по наручным и настольным часам, портативным измерительным приборам, дисплеям калькуляторов, плееров, магнитол. Величина напряжения сверх некоего, очень небольшого, предела (порядка 1–3 В) на «яркость» (точнее, на контрастность) ЖК-ячейки практически не влияет. Поэтому таким способом получаются очень контрастные, выразительные монохромные цифробуквенные индикаторы и небольшие табло, для приличной разборчивости символов на которых достаточно лишь слабой внешней засветки.

Управлять сегментами такого индикатора приходится с помощью разнополярного напряжения (это существенное, но не принципиальное неудобство), потому что однажды «засвеченный» сегмент может оставаться в таком состоянии часами даже после снятия напряжения с электродов, и возвращать в исходное состояние его приходится принудительно, подачей напряжения противоположной полярности.

Пассивные ЖК-матрицы, как уже говорилось, отличаются практически нулевым потреблением энергии, но имеют малое быстродействие, — система параллельных электродов, по сути, представляет собой отличный конденсатор, да еще и заполненный электролитом (жидкими кристаллами) как будто специально для увеличения его емкости. Вместе с неизбежно высоким сопротивлением тончайших прозрачных электродов ячейка образует отличный фильтр низкой частоты. Поэтому время реакции при подаче импульса напряжения — сотня-другая миллисекунд. Для цифровых индикаторов это не имеет никакого значения, но для компьютерных и телевизионных дисплеев с сотнями тысяч и миллионами ячеек это никуда не годится, потому там используют активные матрицы, содержащие усилительные тонкопленочные транзисторы (TFT).

Управляют ЖК-дисплеями обычно с помощью специальных микросхем-драйверов (с некоторыми из таких микросхем мы познакомимся в главе 14, а в главе 21 рассмотрим подключение графического ЖК-дисплея со встроенным драйвером). Следует отметить, что применение ЖК-индикаторов, на взгляд автора, оправданно лишь в автономных устройствах, где важно низкое потребление.

В приборах, питающихся от сети, целесообразнее использовать светодиодные индикаторы — они значительно красивее и эргономичнее. Конечно, есть и ЖК-дисплеи с подсветкой, но тогда теряется их главное преимущество, заключающееся в малом потреблении, а в эстетике выигрыш получается невелик. Однако сформировать на светодиодах произвольное изображение (например, даже просто отобразить названия месяцев и дней недели в часах-календаре) гораздо сложнее, чем на ЖК-дисплее, конфигураций которых выпускается значительно больше. Выпуск упомянутых OLED-панелей, аналогичных ЖК-дисплеям по конфигурации и управлению, значительно облегчил эту задачу.

Простейший уровнемер для водяных баков

Эта Простая конструкция здесь приводится как пример того, что для создания весьма полезных устройств часто не требуется сложной электроники. За простоту схемы придется заплатить относительной сложностью ее изготовления и настройки. Но дело того стоит — описываемая конструкция содержит минимум деталей, имеет высокую надежность и информативность. Особенно удобно, что такой уровнемер позволяет его устанавливать на баке любой конфигурации — в том числе плоском, где максимальный перепад уровней незначителен.

Электрическая схема уровнемера предельно проста, и приведена на рис. 7.9. Главная деталь — переменное сопротивление, включенное по схеме потенциометра. Оно управляет перераспределением тока через плечи двухцветного светодиода. При нахождении ползунка в крайних положениях горит практически только один из светодиодов (либо красный, либо зеленый), в промежуточном состоянии цвет свечения меняется от красного к зеленому через оттенки розового и желтого.

Рис. 7.9. Электрическая схема уровнемера

Двухцветный красно-зеленый светодиод VD1 трехвыводной, любого типа (автор использовал большой 10-миллиметровый L-819EGW фирмы Kingbright). Общим выводом он присоединен к источнику питания, двумя остальными — к крайним выводам потенциометра R2. Ползунок потенциометра соединяется с другим выводом источника питания через резистор R1, ограничивающий ток при нахождении ползунка в крайних положениях. Резистор R д , показанный на схеме пунктиром, необязательный и служит для выравнивания яркостей, если одно из плечей (обычно — красное) горит сильнее другого, и изменение цвета при вращении ползунка происходит неравномерно. Номинал резистора R1 и переменного R2 должны находиться примерно в соотношении R1/R2 = 1/4-1/5. При этом яркость в крайних положениях ползунка максимальна, а к середине диапазона, когда светятся оба светодиода примерно одинаково, падает, но зрительно это почти незаметно, — меняется лишь оттенок свечения.

Такая полярность подключения источника питания, как показана на рисунке, годится для светодиода с общим анодом (положительным выводом), для светодиода с общим катодом (например, BL–L109EGW фирмы Betlux) она, соответственно, будет противоположной. Сам источник питания может быть любым низковольтным (вплоть до батареек) напряжением от 5 до 18 вольт. От напряжения источника зависит подбор номиналов резисторов — такие номиналы, как на схеме, годятся для питающего напряжения 5 В, при 12 вольтах их надо увеличить примерно втроевчетверо. Автор использовал стабилизированный источник, встроенный в вилку, разобрав его и поместив в общий с постоянными резисторами и светодиодом корпус. При использовании батареек можно обойтись тремя штуками типоразмера АА (не меняя номиналов, указанных на схеме), только тогда целесообразно встроить в схему выключатель или кнопку — при непрерывном горении щелочных АА-батареек хватит всего примерно на неделю.

Вся электрическая часть, исключая потенциометр, смонтирована в герметичном пластиковом корпусе, в котором делается отверстие, куда должен изнутри плотно входить светодиод (для надежности все стыки стоит проклеить «алюминиевым» скотчем, а место стыка светодиода с крышкой и отверстия для вывода проводов промазать герметиком). Потенциометр, который устанавливается на баке, может соединяться со схемой трехжильным гибким проводом в двойной изоляции (тем, на который обычно вешают подвесные светильники). Для надежности не стоит распаивать такой толстый провод непосредственно к потенциометру — лучше сделать промежуточную колодку с винтовыми соединениями.

Теперь о конструкции механической части, которая схематически приведена на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Конструкция механической части уровнемера

Ползунок переменного резистора жестко закреплен на одном валу с вращающимся шкивом, через который перекинута капроновая нитка с поплавком на одной стороне и грузом-противовесом на другой. Поплавок тоже подгружен дополнительным грузом так, чтобы сила натяжения нити на воздухе была достаточно большой, и нить не пыталась размотаться со шкива (вес этих грузов может составлять несколько сотен граммов). Поплавок делается из пенопласта, и разность между его весом в воздухе (вместе с весом груза) и весом груза-противовеса должна быть меньше плавучести поплавка (последняя по закону Архимеда равна в граммах объему вытесненной поплавком воды, выраженной в кубических сантиметрах). Грузы могут быть изготовлены из свинца, латуни, бронзы и даже алюминия — в общем, из любого материала, не подверженного воздействию воды. Угол поворота подвижной системы φ у разных типов переменных резисторов несколько различается, и обычно находится в пределах 240–260° (если не найдете данных по справочнику, придется измерить). Длина окружности шкива должна быть такой, чтобы обеспечить полный поворот ползунка на эту величину при движении поплавка от самого дна до поверхности. То есть диаметр шкива рассчитывается по формуле: (360/φ·Н)/π, где φ — максимальный угол поворота подвижной системы потенциометра, Н — максимальный перепад уровней. Диаметр шкива, измеренный по месту прилегания нити, должен быть подогнан под эту величину максимально точно. Нить несколько раз оборачивается вокруг шкива, чтобы она по нему не скользила.

Самое сложное в этой конструкции — смонтировать систему так, чтобы длина нити точно соответствовала перепаду уровней, и при нахождении поплавка в верхнем положении, движок потенциометра находился также в крайнем положении (соответствующем зеленому свечению светодиода). Автор делал это «насухую», разместив всю конструкцию со шкивом и поплавком на возвышении, точно соответствующем по высоте перепаду уровней воды в баке, и установив для удобства подгонки в одном из грузов винтовой зажим для нитки. Затем отлаженную и проверенную конструкцию аккуратно переносят, закрепляют на баке и проверяют с водой. Если над баком нет крыши, то всю конструкцию стоит накрыть отдельным колпаком для защиты от дождя и любопытных птиц.

Пара слов о подборе переменного резистора, от которого в значительной степени зависит надежность конструкции. Для наших целей категорически не подходят современные резисторы для аудиоаппаратуры, особенно с открытым резистивным слоем. Идеально для этой цели пригодны старинные отечественные герметичные резисторы типа СПО-1, но сегодня их можно разыскать только случайно на развалах или разобрав какой-нибудь старый прибор военной приемки. Если вы их не найдете, попробуйте разыскать отечественные герметизированные СПЗ-9а или аналогичные — они меньше по размерам, но тоже очень надежные. Для глубоких емкостей заманчиво попробовать приспособить многооборотные потенциометры, но автор так и не смог найти типа, достаточно надежного для работы в этой конструкции. Разумеется, характеристика резистора предпочтительно должна быть линейной (т. е. типа А), нелинейные (Б или В) дадут неравномерную зависимость цвета свечения от уровня. Если все указанные операции выполнить аккуратно, то уровнемер подстройки больше не потребует и будет надежно служить годами, не требуя никакого обслуживания.