Глава 2 ОСНОВЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ И МНОГОЕ ДРУГОЕ

Концепция переключения (коммутации) является фундаментальной в электронике, и я имею в виду не только мощные сетевые выключатели. Под «переключением» я имею в виду использование одного электрического тока для переключения или управления другим. Это настолько важный принцип, что ни одно цифровое устройство не может существовать без него.

Сегодня переключение в основном осуществляется полупроводниками. До того, как я начну разбираться с этим понятием, я вернусь назад и проиллюстрирую вам принцип работы реле, которые легче для понимания, поскольку можно увидеть, что происходит у них внутри. И еще до того, как я перейду к реле я хочу обсудить обычные переключатели, которыми мы пользуемся очень часто. Эти переключатели, выглядя очень простыми, помогут нам определить и понять основные принципы.

Также в этой главе рассмотрим электрическую емкость, поскольку емкость и сопротивление являются фундаментальными понятиями в электронных схемах. В конце данной главы вы получите основные сведения об электронных элементах, которые позволят вам построить схему, генерирующую звук в простой системе сигнализации, предназначенной для защиты от проникновения. Это будет ваша первая схема, которая будет делать что-то гениально полезное!

СПИСОК НЕОБХОДИМЫХ ПОКУПОК ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С 6 ДО 11

Как и в случае с первым списком закупок, вам надо будет с помощью Интернета посетить несколько различных сайтов поставщиков электронных изделий и определить цены компонентов и устройств. Как правило, производители редко продают небольшие партии изделий напрямую. Полный список сайтов компаний, которые здесь будут упоминаться, представлен в приложении.

Устройства

• Блок питания или универсальный сетевой адаптер, на выходе которого имеется напряжение от 3 до 12 В при токе до 1 А (1000 мА) (рис. 2.1). Компонент 273–029 от компании RadioShack, или PH-62092 от Philips, или аналогичные им.

Рис. 2–1. Этот сетевой адаптер на выходе выдает напряжение от 2 до 12 В и является идеальным устройством для реализации электронных проектов

• Макетная плата, пригодная для установки на нее интегральных схем. Количество — 1 шт. (рис. 2.2–2.3). Компонент 276–002 от компании RadioShack, компонент 383-X1000, изготовленная PSP, деталь 923252-I от 3M или аналогичные им. Макетная плата, которая имеет клеммы с винтовым креплением, находящиеся на краю платы, которыми несколько легче пользоваться, но они гораздо дороже тех, которые не имеют таких клемм.

Рис. 2.2. Эта макетная плата предназначена для быстрого сбора электронных схем; она имеет металлическое основание, а также клеммы с винтовым креплением для подключения проводов от источника питания

Рис. 2.3. Макетная плата без клемм почти такая же удобная, но немного дешевле

Приборы и инструменты

Инструменты для снятия изоляции с проводов

Идеальный инструмент для снятия изоляции с проводов (зачистки проводов), которые согласно американскому обозначению AWG (American Wire Gauge — американский сортамент проводов или иначе «калибр проводов») имеют значения от 16 до 26. Инструмент 45–121 или аналогичные ему (рис. 2.4). Понятие «сортамент проводов» или «калибр проводов» указывает на совокупность проводов, отличающихся по толщине (диаметру)[3].

Рис. 2.4. Для того чтобы использовать такой инструмент для снятия изоляции, надо вставить конец изолированного провода в отверстие соответствующего размера между губками инструмента, а затем сжать рукоятки и снять изоляцию

Большее значение по американскому стандарту (AWG) означает более тонкий провод. В этой книге мы будем в основном применять тонкие провода от 20 до 24 AWG, что соответствует диаметру от 0,81 до 0,51 мм для одножильного провода.

Вы конечно для использования можете рассматривать и автоматические устройства для снятия изоляции с проводов компании Kronus компонент 64–2981 с сайта компании RadioShack или компании GB — компонент SE-92 с сайта компании Amazon.com (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Такие автоматические устройства для снятия изоляции дают возможность выполнять эту операцию, используя только одну руку, но непригодны для снятия изоляции с проводов малой толщины (см. подразд. «Инструменты» разд. Эксперимент 6. Очень простое переключение» этой главы)

По своим функциональным возможностям инструменты для снятия изоляции компаний Kronus и GB идентичны. Преимуществом такой конструкции инструментов является то, что она дает возможность снимать изоляцию, используя только одну руку.

Однако такие устройства не слишком хороши для очень тонкого провода.

Расходуемые материалы

Монтажный провод

Одножильный провод 22 AWG (диаметром 0,64 мм), минимальной длиной 7,6 м каждого цвета (рис. 2.6). Компонент 278–1222 с сайта компании RadioShack, номер по каталогу 9948T17 от McMaster-Carr или проверьте похожие предложения, которые есть на интернет-аукционе eBay.

Рис. 2.6. Использование монтажных проводов с разным цветом изоляции поможет вам в ваших схемах отличать один провод от другого

Очень просто можно купить не тот провод, что требуется.

Для экспериментов вам понадобится одножильный провод, который имеет один проводник внутри синтетической изоляции, а не многожильный, который содержит много скрученных проводящих проводов меньшего диаметра (рис. 2.7–2.8). Поскольку вам понадобится проталкивать провода в маленькие отверстия макетной платы, а многожильные провода из скрученных проводков вам этого сделать не позволят. Вы также будете иметь проблемы, если приобретете толстый провод с размером меньше 22 AWG. Следует помнить, что: чем меньше значение в американском обозначении AWG, тем толще провод.

Рис. 2.7. Для выполнения экспериментов этой главы лучше всего подойдет одножильный провод 22 AWG (диаметр 0,64 мм) или 24 AWG (0,51 мм)

Рис. 2.8. Многожильные провода, состоящие из скрученных проводков, обладают большей гибкостью, но их не всегда легко вставлять в макетные платы

За небольшие дополнительные деньги вы можете купить набор уже предварительно нарезанных проводов и со снятой на концах изоляцией, которые будут готовы для использования (рис. 2.9). Попробуйте ознакомиться с позицией JW-140 (ассортимент проводов для перемычек) в каталоге компании All Electronics или поищите в интернет-аукционе eBay по запросу «провод для макетной платы» («breadboard wire»).

Рис. 2.9. Предварительно нарезанные провода с уже зачищенными концами помогут вам сохранить много времени и уменьшить количество проблем, если конечно вы готовы потратить на провода несколько большую сумму

Соединительные провода

Такие соединительные провода не являются обязательными, но они очень удобны. Вам не потребуются провода, предназначенные для аудио- и видеооборудования, которые обычно имеют разъемы на обоих концах, а пригодятся провода с обычными зажимами типа «крокодил» с каждого конца, которые также иногда называют «проверочными концами» (test leads). Попробуйте посмотреть позицию 461–1176-ND из каталога компании Digi-Key или позицию MTL-10 из каталога компании All Electronics (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Соединительные провода, иногда называемые проверочными концами, состоят из проводов с присоединенными зажимами типа «крокодил» на обоих концах. Это еще один удобный небольшой предмет «роскоши», который наверняка станет вам очень полезным

Компоненты

Кнопки

Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный однопозиционный (SPST — single-pole single-throw switch), который иногда называют переключатель типа Выкл.-(Вкл.) или (Вкл.) — Выкл. (в англ. обозначении OFF-(ON) или (ON)-OFF).

Он должен быть пригоден для монтажа на печатной плате или в ПК, что означает, что он должен быть с небольшими штырьковыми выводами в нижней части (рис. 2.11). Количество — 1 шт.

Примерами могут служить кнопка AB11AP от компании NKK switches, или MPA103B04 от Alco-switch, или кнопка EP11SD1CBE от компании C&K switch. Если у вас есть выбор, то покупайте самые дешевые, поскольку мы собираемся использовать кнопочные переключатели, спроектированные на очень малые значения тока.

Рис. 2.11. Контактные выводы этого маленького кнопочного переключателя выступают на 0,2'' (5 мм), что делает его идеальным для крепления на макетной плате, которую вы собираетесь использовать

Переключатели

Перекидной переключатель или просто тумблер (рис. 2.12), однополюсный на два положения или переключатель на одно направление и два положения (SPDT — single-pole, double-throw), иногда обозначается, как переключатель типа Вкл. — Вкл. (англ. ON-ON). Количество — 2 шт. Тумблер типа S302T-RO от компании NKK switches является идеальным выбором; он имеет выводы с винтовым соединением, которые устраняют необходимость использования «крокодилов». Другими возможными вариантами могут быть переключатель MTS-4PC от компании All Electronics или компонент 275–603 от RadioShack.

Мы не собираемся переключать большие токи или высокие напряжения, поэтому выбор конкретной модели переключателя не играет большой роли. Однако выводы на переключателях большого размера расположены соответственно на большем расстоянии друг от друга, что упрощает их использование.

Рис. 2.12. Это относительно большой тумблер, изготовленный компанией NKK, имеет выводы с винтовым соединением, которые более удобны для крепления к ним коммуникационных проводов

Реле

Электромеханическое силовое реле с двумя направлениями и двумя положениями переключения (DPDT — double-pole double-throw) или иначе двухполюсное двухпозиционное, с самовозвратом (без фиксации), на постоянное рабочее напряжение 12 В. Количество — 2 шт.

Очень важно использовать правильный тип реле — а именно такое, которое аналогично изображенному далее на картинках для эксперимента 7 и которое использую я. Обратите внимание на реле FTR-F1CA012V или FTR-F1CD012V от компании Fujitsu, G2RL-24-DC12 от Omron или OMI-SH-212D от Tyco. Следует избегать использовать другие.

Потенциометр

Потенциометр с линейной характеристикой на 1 МОм, номер компонента № 271–211 от компании RadioShack, компонент № 24N-1M-15R-R от Jameco или аналогичные им.

Транзисторы

Биполярный транзистор n-p-n-типа общего назначения (рис. 2.13), например, такой как 2N2222 от компании STMicroelectronics, PN2222 от Fairchild или 2N2222 от Radio-Shack. Количество — 4 шт.

Однопереходный транзистор с управляемым порогом 2N6027, произведенный компанией On Semiconductor или Motorola. Количество — 4 шт.

Рис. 2.13. Транзисторы обычно продаются либо в маленьких металлических корпусах, либо в небольших герметичных пластиковых полуцилиндрах. Для нашей цели форма, в которую «упакованы» транзисторы, не имеет никакого значения

Конденсаторы

Электролитические конденсаторы в ассортименте (рис. 2.14). Конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение минимум 25 В и, по меньшей мере, один из них должен иметь емкость 1000 мкФ (микрофарад). Если вы осуществляете поиск деталей на интернет-аукционе eBay, то необходимо убедиться в том, что вы нашли именно электролитические конденсаторы.

Если они имеют рабочее напряжение больше указанного значения, то это нормально, хотя их физические размеры и будут больше, чем это вам необходимо.

Рис. 2.14. Электролитические конденсаторы в ассортименте

Керамические конденсаторы в ассортименте (рис. 2.15). Следует убедиться, что у вас есть, по меньшей мере, один конденсатор номиналом 0,0047 мкФ (который также можно записать, как 47 нФ (нанофарады)).

Рис. 2.15. Керамические конденсаторы в основном выглядят так, как этот, хотя многие из них являются круглыми или имеют полукруглую форму вместо квадратной. Внешняя форма конденсатора для нас не имеет никакого значения

Резисторы

Если вы купили только минимальный набор резисторов для экспериментов с 1 до 5, то теперь наступает момент приобретения более широкого ассортимента, чтобы вы не попадали в затруднительное положение при наличии всего одной позиции данного номинала. Мощность резисторов должна быть минимум 0,25 Вт.

Динамик

Подойдет любой миниатюрный динамик сопротивлением 8 Ом и диаметром около 2,5 см, как например, компонент номер 273–092 от компании RadioShack (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Этот миниатюрный динамик диаметром немногим более 1'' (2,54 см) применяется в транзисторных цепях для проверки аудиовыхода

Эксперимент 6. ОЧЕНЬ ПРОСТОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ

Вам понадобятся:

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

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

3. Светодиод. Количество — 1 шт.

4. Тумблер на одно направление (однополюсный) (см. рис. 2.12). Количество — 2 шт.

5. Резистор сопротивлением 220 Ом или близкий к этому значению мощностью минимум 0,25 Вт. Количество — 1 шт.

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

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

8. Кусачки для проводов и инструмент для снятия изоляции с проводов (см. рис. 2.4), если вы не собираетесь использовать коммуникационные провода.

В эксперименте 6 вы зажигали светодиод за счет подключения батарейки, а также выключали его, отключая батарейку. Для большего удобства наши цепи должны иметь подходящие переключатели для управления напряжением питания, а поскольку я использую переключатели общего назначения, то собираюсь пустить в ход все их разновидности, используя цепь, которая предоставляет такие возможности.

Соедините все компоненты так, как это показано на рис. 2.17 и рис. 2.18. Длинный вывод светодиода должен быть подключен к резистору, поскольку в этой точке цепи будет более положительный потенциал, чем в точке подключения короткого вывода.

Рис. 2.17. Если светодиод горит, то переключение любого из тумблеров приведет к его выключению. Если светодиод выключен, то переключение любого из тумблеров будет включать его. Для присоединения проводов друг к другу следует использовать зажимы типа «крокодил». Некоторые провода подключаются прямо к тумблерам, и поэтому будет лучше, если их выводы будут иметь винтовые соединения. Будьте внимательны, чтобы оголенные части «крокодилов» не касались друг друга

Рис. 2.18. Полноразмерные тумблеры с выводами, имеющими винтовые соединения, спроектированы именно для того, чтобы можно было легче их включать в цепь

Вы можете заметить, что в этой схеме добавлена пара небольших отрезков проводов, подключаемых к тумблерам. Я предлагаю для этого использовать зеленый провод, чтобы напомнить, что эти части схемы не имеют прямого соединения с положительным или отрицательным выводом источника питания. В принципе вы можете использовать провод любого цвета. Кроме того, для этой цели вы можете использовать коммуникационные провода с уже подсоединенными «крокодилами», если они у вас, конечно, есть. В противном случае вам наверняка придется удалять часть изоляции с проводов, что, безусловно, потребует от вас некоторого навыка, поэтому сейчас давайте потренируемся с этим.

Инструменты

Если автоматический инструмент для снятия изоляции (рис. 2.19) не захватывает провод 22 AWG (диаметром 0,64 мм) достаточно эффективно, то попробуйте инструменты компании Kronus, которые показаны ранее на рис. 2.4, или используйте удобные и простейшие инструменты для снятия изоляции, которые показаны на рис. 2.20.

Рис. 2.19. Использование автоматического инструмента для удаления изоляции, когда вы сжимаете рукоятки, губки слева зажимают провод, а острые лезвия с вырезами справа надкусывают изоляцию. Увеличение сжатия приводит к тому, что губки и лезвия отходят друг от друга, снимая изоляцию с провода

Рис. 2.20. Чтобы снять изоляцию с конца провода, вы можете использовать простые кусачки для проводов, но для этого вам потребуется немного попрактиковаться

При использовании простых кусачек для проводов надо держать провод одной рукой и, удерживая инструмент другой рукой, слегка сжать рукоятки — с таким расчетом, чтобы этого усилия было достаточно только для снятия изоляции, и в то же время надо не переусердствовать, чтобы не перерезать провод. Затем потяните за провод, одновременно отводя в противоположную сторону кусачки. После небольшой практики вы научитесь легко снимать изоляцию, оголяя концы проводов.

Некоторые крутые компьютерные фанаты для снятия изоляции с проводов используют свои зубы (рис. 2.21). Когда я был молод, я тоже использовал такой способ. У меня были два слегка раздвинутых зуба, чтобы делать это. На самом деле такую работу лучше всего доверить соответствующему инструменту.

Рис. 2.21. Те, кто склонен забывать место, куда они положили свой инструмент, и кто чувствует, что искать его бесполезно, могут успокоить себя, используя свои зубы для снятия изоляции с провода. Однако это может оказаться не слишком хорошей идеей…

Проблемы подключения

В зависимости от размера тумблера, который вы используете, у вас могут возникнуть проблемы при закреплении «крокодилов» на выводах тумблера для подключения к ним проводов.

С миниатюрными тумблерами, которые встречаются в наше время гораздо чаще, чем полноразмерные, может быть особенно хлопотно (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Можно, конечно, использовать миниатюрные тумблеры, лучше, конечно, соответственно с миниатюрными зажимами типа «крокодил», но при этом надо быть очень внимательным, чтобы не допустить короткого замыкания

Потерпите, очень скоро мы будем использовать макетную плату, которая почти совсем не требует использования «крокодилов».

Тестирование

Следует убедиться, что вы подключили более длинный вывод светодиода так, что он соединен с точкой, расположенной ближе к положительному выводу источника напряжения (в данном случае к резистору). Теперь щелкните любым тумблером. Если светодиод находился во включенном состоянии — светил, то он отключится, а если был в выключенном состоянии, то включится.

Переключите другой тумблер, вы получите тот же самый эффект. Если же светодиод вообще никак не загорается, то возможно вы неверно собрали схему. Другая опасность заключается в том, что при использовании «крокодилов» можно случайно закоротить батарейку.

Предположим, что все получилось, и два переключателя выполняют работу так, как я описывал ее. Что же в данном случае происходит? Подошло время разобраться с несколькими основными фактами.

Все о переключателях

Когда вы переключаете тумблер, который используется в эксперименте 3, то вы соединяете центральный вывод тумблера с одним из его выводов на краю. Переключение назад приводит к тому, что центральный вывод соединяется с другим крайним выводом, как это показано на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Центральный вывод называют полюсом переключателя. Когда вы перемещаете тумблер, полюс меняет позицию подключения

Центральный контакт называют полюсом переключателя.

Поскольку вы можете выполнить переключение или вернуть его обратно, то этот переключатель имеет только два возможных положения, поэтому он называется двухпозиционным переключателем или переключателем на два положения.

Как указывалось ранее, однополюсный двухпозиционный переключатель имеет аббревиатуру SPDT (single-pole, double-throw).

Некоторые переключатели являются переключателями типа Вкл./Выкл. (англ. ON/OFF), что означает, что они могут выполнить только одно соединение в одном положении, а в другом положении нет. Большинство из выключателей света в вашем доме являются именно переключателями такого типа. Они известны как однопозиционные переключатели.

Однополюсный однопозиционный переключатель имеет аббревиатуру SPST (single-pole single-throw).

Некоторые переключатели имеют два совершенно независимых полюса, поэтому вы можете одновременно делать два независимых подключения, когда переключаете переключатель. Такой переключатель называется двухполюсным переключателем.

Обратитесь к фотографиям на рис. 2.24–2.26, где показаны перекидные переключатели «ножевого» типа устаревшей конструкции (рис. 2.27) (они все еще используются на уроках электроники в школах), и вы получите начальное представление об одно- и двухполюсных, а также об одно- и двухпозиционных переключателях и тумблерах. Различные виды тумблеров, контактные группы которых находятся внутри корпуса, показаны на рис. 2.28.

Рис. 2.24. Эта простейшая конструкция однополюсного двухпозиционного переключателя выполняет в точности то же самое, что и тумблеры, которые показаны на рис. 2.23 и 2.28

Рис. 2.25. Однополюсный однопозиционный переключатель выполняет подключение только одного полюса. У него имеется только два простых состояния: замкнуто и разомкнуто, т. е. Вкл. и Выкл

Рис. 2.26. Двухполюсный однопозиционный переключатель выполняет два раздельных включения/выключения одновременно

Рис. 2.27. Этот сошедший с ума ученый готов подать напряжение на свою экспериментальную установку. С этой целью он использует однополюсный двухпозиционный переключатель ножевого типа, удобно смонтированный на стене в его подвальной лаборатории

Рис. 2.28. Все эти переключатели являются тумблерами. Как правило, чем большие размеры имеет переключатель, тем больший ток он может коммутировать

Для интереса вы можете приобрести переключатели, у которых три или четыре полюса. (Некоторые поворотные переключатели имеют даже большее количество полюсов, но мы их не будем использовать.) Кроме того, некоторые двухпозиционные переключатели имеют дополнительное «среднее выключенное» положение.

Собрав их все вместе, я составил таблицу возможных типов переключателей (табл. 2.1). Когда вы читаете каталог деталей, вы можете легко проверять по этой таблице и вспоминать, что означает каждая аббревиатура.

Теперь выясним, что такое кнопочный переключатель? Когда вы нажимаете кнопку дверного звонка, вы замыкаете электрический контакт, поэтому это какой-то тип переключателя; на самом деле корректным названием для этого переключателя является «переключатель с самовозвратом» или «переключатель без фиксации», поскольку он осуществляет кратковременное соединение контактов. Любой подпружиненный переключатель или кнопка, которые «хотят» вернуться в свое исходное положение, называется переключателем без фиксации. При обозначении переключателя его кратковременное состояние будем заключать в скобки. Далее приведем некоторые примеры.

• Выкл.-(Вкл) — поскольку состояние Вкл. (ON) заключено в скобки, то это означает, что в этом состоянии переключатель пребывает кратковременно. Поэтому это однополюсный переключатель, который выполняет замыкание контактов только тогда, когда вы на него нажимаете, и возвращается обратно, выполняя отключение, когда вы его отпускаете. Он также известен, как переключатель без фиксации с «нормально разомкнутыми» контактами, сокращенно «НР» (англ. NO — normally open).

• Вкл.-(Выкл.) — противоположный ему по свойствам однополюсный переключатель без фиксации. В нормальном состоянии он включен — Вкл. (ON), но когда вы нажимаете на него, он размыкает цепь. Поэтому выключенное состояние — Выкл. (OFF) — является его кратковременным состоянием. Он также известен, как переключатель без фиксации с «нормально замкнутыми» контактами, сокращенно «НЗ» (англ. NС — normally closed).

• (Вкл.) — Выкл.-(Вкл.) — этот переключатель имеет среднее выключенное (нейтральное) положение. Когда вы меняете его положение в любую сторону, он мгновенно выполняет соединение, а затем возвращается в среднее положение, когда вы его отпускаете.

Другими возможными версиями переключателей такого типа могут быть: Вкл. — Выкл.-(Вкл.) или Вкл.-(Вкл.). Так как вы теперь понимаете, что состояние в скобках означает, что в нем переключатель находится кратковременно, то вы можете подумать, зачем нужны такие переключатели.

Искрение

Когда вы замыкаете или размыкаете электрический контакт, возникают условия, способствующие возникновения искры.

Искрение пагубно влияет на контакты переключателей. Оно «поедает» их до тех пор, пока переключатель уже не сможет выполнить нормальное соединение. По этой причине вы должны использовать переключатель, который рассчитан именно на те значения напряжения и тока, с которыми вы будете работать.

Электронные цепи обычно относятся к цепям с относительно низкими значениями тока и напряжения, поэтому вы можете использовать практически любой переключатель. Однако если вы с его помощью включаете двигатель, то у него есть свойство создавать в момент подключения начальный импульс тока, который, по меньшей мере, будет в два раза больше номинального тока двигателя, когда он вращается с постоянной скоростью. Поэтому для включения и выключения двигателя, потребляющего ток 2 А, вам, возможно, понадобится переключатель на 4 А.

Проверка переключателя

Для проверки переключателя вы можете использовать мультиметр. С его помощью вы можете определить: какие именно контакты переключателя замыкаются, когда вы выполняете переключение в одну или другую сторону. Прибор будет также полезен, если у вас есть кнопочный переключатель, и вы не можете вспомнить какого он типа — нормально разомкнутый (вы нажимаете на кнопку, чтобы замкнуть контакт) или нормально замкнутый (вы нажимаете на кнопку, чтобы разорвать контакт). На приборе выберите режим измерения сопротивления и коснитесь измерительными щупами выводов переключателя, когда вы его включаете/выключаете.

При этом возникает некоторая трудность, которая связана с тем, что для того чтобы получить точный результат измерения, нужно ожидать некоторое время после изменения положения переключателя. Поэтому, если вы всего лишь хотите узнать о наличии или отсутствии контакта, то на мультиметре надо выбрать режим «прозвона» (continuity tester) (рис. 2.29). При этом прибор будет выдавать звуковой сигнал при замыкании контактов и хранить молчание, если замыкания нет. На рис. 2.30 приведен пример выполнения прозвона тумблера.

Рис. 2.29. Чтобы прозвонить цепь, нужно в вашем мультиметре повернуть переключатель режимов в положение, обозначенное символом, показанным на рисунке. Функцией прозвона следует пользоваться только тогда, когда на компоненты или в цепи, которые вы проверяете, напряжение не подано.

Рис. 2.30. Когда переключатель замкнет контакты, то между соответствующими его выводами, к которым подсоединены измерительные щупы мультиметра, установленного в режим прозвона, прибор будет показывать нулевое сопротивление, и при этом еще будет раздаваться звуковой сигнал

Примечание

В мультиметре режим прозвона можно использовать только при измерении в цепях или на компонентах, которые не находятся под напряжением в момент выполнения их прозвона.

Старые системы переключателей

Переключатели относятся к настолько фундаментальному явлению, существующему в нашем мире, а их концепция настолько проста, что очень легко забыть, что они прошли многоступенчатый процесс развития и улучшения конструкции.

Примитивные ножевые переключатели вполне устраивали основоположников электричества, которые просто хотели выполнить или разорвать электрическое соединение каких-либо аппаратов в лаборатории, но затем, когда стали развиваться телефонные системы, потребовался более сложный подход.

Обычно оператор на «коммутаторе» должен был найти способ подключить любую из 10 000 линий на своей панели. Как это можно было сделать?

В 1878 Чарльз Е. Скрибнер (Charles E, Scribner) (рис. 2.31) разработал «гнездовой ножевой переключатель» («jack-knife switch»), названный так, поскольку часть этого переключателя оператор держал как ручку складного ножа. Выступающей частью в нем был штырь, и когда этот штырь вставлялся в гнездо, то он замыкал контакт внутри гнезда. Гнездо, по сути, и было переключателем (коммутатором).

Рис. 2.31. Чарльз Е. Скрибнер (Charles E. Scribner) изобрел «перекидной ножевой переключатель», который удовлетворял потребностям телефонных систем в начале 1900-х. Сегодня вилки для подключения аудиоустройств работают по тому же принципу

Аудиоразъемы гитар и усилителей все еще работают по тому же принципу, а когда мы говорим про них «вставить в гнездо» («jacks»), то этот термин относится к изобретению Скрибнера. Контакт переключателя все еще находится внутри гнезда. В настоящее время, конечно, телефонные коммутаторы стали такой же редкостью, как и телефонные операторы. Сначала их заменили реле — переключатели с электрическим управлением, о которых я расскажу далее в этой главе. А затем реле были заменены транзисторами, которые осуществляют подключения не имея подвижных частей. Еще до конца этой главы мы, используя транзисторы, научимся выполнять переключения.

Введение в графическое отображение схем

На рис. 2.32 я схему эксперимента 6 нарисовал несколько иначе, в более упрощенном виде, который известен, как «графический» или «схематический». Начиная с этого места и далее, я буду иллюстрировать цепи, изображая их графически, поскольку это делает их более простыми для понимания. Вам надо будет запомнить несколько символов, чтобы их интерпретировать.

Рис. 2.32. Эта схема отображает ту же самую цепь, приведенную ранее на рис. 2.17. На этой схеме более понятны функции используемых переключателей (тумблеров)

Сравним это схематическое представление с изображением цепи, приведенной на рис. 2.17. Они оба иллюстрируют одну и ту же цепь: компоненты и соединения между ними. Серые прямоугольники на графическом отображении означают переключатели, а точнее тумблеры, зигзагообразной линией показан резистор, а символом в виде черного треугольника с поперечной линией, размещенных в небольшом кружке, и с двумя параллельными стрелками, направленными от него, показан светодиод.

В условном графическом изображении светодиода эти две стрелки показывают, что этот элемент излучает свет, поскольку таким же символом, но без стрелок, изображаются обычные диоды, к которым мы еще обратимся позднее. Черный треугольник внутри символа диода всегда направлен от более положительного к отрицательному выводу.

Проследим путь, который проходит электрический ток в цепи, и мысленно представим, что переключатели установлены в то или иное положение. Вы теперь ясно должны понимать, почему тумблеры изменяют состояние светодиода при их переключении.

Та же самая цепь используется в домах, когда для подсветки ступенек один выключатель находится внизу, а другой, который управляет той же лампочкой, находится вверху пролета лестницы (рис. 2.33). Провода в доме, конечно, значительно длиннее и они переплетаются друг с другом прямо в стене, но поскольку их соединения аналогичны, они могут быть представлены той же самой схемой.

Рис. 2.33. Схемы с двумя переключателями (выключателями) на рис. 2.17 и рис. 2.32 часто используются в электросети дома, особенно, когда надо установить выключатели для одного и того же светильника в нижней и верхней частях пролета лестницы. На эскизе показано, что можно найти внутри стен. Провода подключены к специальным клеммам, находящимся внутри распределительных коробок, которые скрыты от повседневного наблюдения

В этой схеме не указано конкретно, где вы должны установить компоненты цепи. Она только показывает, каким образом нужно выполнить соединения. При графическом отображении схем имеется одна проблема: разные люди несколько по-иному изображают различные схематические символы, которые имеют один и тот же смысл. Обратитесь к расположенному несколько далее разд. «Фундаментальные сведения — Основные графические условные обозначения», где эти сведения приведены более подробно.

Примечание редактора

Обратите внимание, что все графические условные обозначения в России должны отображаться согласно принятым ГОСТ'ам. При этом надо иметь в виду, что некоторые российские условные обозначения отличаются от американских обо-значений. В книге же рисунки и соответственно все графические обозначения оставлены без изменений, т. е. в исходном виде.

Примечание

Версии большего размера фотографий всех схем и макетных плат можно найти в Интернете на сайте издательства английского варианта этой книги: http://oreilly.com/catalog/9780596153748

Основные графические условные обозначения

Графические условные обозначения (символы) элементов схем это все равно, что слова в языке: они меняются с годами, проходя иногда ряд превращений. Например, простой выключатель типа Вкл. — Выкл. (ON-OFF) (однополюсный, однопозиционный или иначе SPST) может быть представлен одним из символов, которые приведены рис. 2.34. Все они имеют одно и то же значение.

Рис. 2.34. Вариации графического представления одного и того же однополюсного однопозиционного переключателя на схемах. Нижний вариант используется в данной книге

На рис. 2.35 показаны двухполюсные двухпозиционные переключатели. Штриховая линия показывает механическую связь внутри переключателя — таким образом, при его переключении из одного состояния в другое вы влияете на переключение обоих полюсов одновременно. Помните, что полюсы электрически изолированы один от другого.

Рис. 2.35. Некоторые различные виды отображения двухполюсного двухпозиционного переключателя. В данной книге используется нижний вариант справа

Иногда вы можете обнаружить на схеме несколько переключателей, которые размещены в разных местах, но буквенные, используемые для их обозначения, выглядят очень похожими (например: S1A, S1B, S1C и т. д.). Это говорит о том, что они представляют собой один переключатель, но с несколькими полюсами.

На схемах в данной книге каждый переключатель выделен серым прямоугольником вокруг него. Этот серый прямоугольник не является стандартным символом; вы не найдете его в других книгах. Я включил его просто для напоминания того, что все элементы внутри него физически расположены в одном корпусе.

Очень важные стилистические вариации в схемах являются способом отображения, каким образом провода соединяются друг с другом. На устаревших схемах для обозначения пересечения проводов, выполненного под прямым углом и не имеющего контакта между проводами, используется небольшой полукруг в изображении одного из проводов. Поскольку современное программное обеспечение для рисования схем не поддерживает такой стиль отображения, то теперь он используется достаточно редко. Современный стиль, который вы, вероятно, можете найти, если будете смотреть схемы, выложенные в Интернете, можно обобщить следующим образом:

• точка, соединяющая два провода, означает электрическое соединение;

• отсутствие точки означает отсутствие соединения.

Проблема заключается в том, что эти обозначения не относятся к интуитивно понятным, когда вы только начинаете осваивать схемы. Когда вы видите два пересекающихся провода, вы можете просто представить, что между ними есть соединение, даже если на пересечении этих линий нет точки. Поэтому с точки зрения ясности я выбрал «старомодный полукруг» для схем, приведенных в этой книге (рис. 2.36, нижнее правое изображение).

Рис. 2.36. На современных схемах точка всегда означает наличие соединения. Однако изображение пересечения проводов, которое приведено в верхнем ряду справа, на мой взгляд, считается плохим стилем. Дело в том, что если будет случайно пропущена или плохо пропечатана точка, то пересечение может быть ошибочно принято за пересечение, которое показано внизу слева и в котором меж ду проводами нет соединения. Все три варианта, которые приведены в нижнем ряду, означают отсутствие соединения между пересекающимися проводами, первый пример это наиболее распространенный стиль. Пример, приведенный в центре, применяется реже, а третий вариант относится к «старомодному» стилю, хотя с точки зрения четкости отображения принят в качестве обозначения, используемого в данной книге

Итак, можно обобщить и подытожить графическое обозначение пересекающихся проводов следующим образом:

• точка, соединяющая два провода, означает электрическое соединение;

• полукруг в изображении провода, который пересекает другой провод, означает, что между этими проводами соединения нет.

В данной книге вы не найдете проводов, которые пересекаются друг с другом и между которыми нет контакта, без изображения этого полукруга.

В цепи, в которой в качестве источника напряжения используется батарейка, гораздо чаще вы сможете найти маленький знак, обозначающий в каком месте положительный вывод подключен к цепи, в то время как отрицательный вывод обозначается символом «заземления». На практике символ заземления может быть изображен в разных местах схемы. Вы должны запомнить, что, когда вы рисуете схему, все провода и точки, которые будут подключены к земле, фактически соединены друг с другом и с отрицательным выводом источника питания.

Идея указывать символ заземления относится к тем временам, когда электронные изделия монтировались на металлических шасси, которые были подключены к отрицательному полюсу источника питания. Символ заземления означает «подключено к шасси». Некоторые варианты изображения символа заземления показаны на рис. 2.37.

Рис. 2.37. Все эти символы используются для обозначения одного и того же, т. е. подключения провода к «земле» или к «шасси» или к отрицательному полюсу источника питания. В данной книге используется крайний справа символ.

В данной книге на многих рисунках используется цвет[4], поэтому я буду показывать красным положительный полюс, а синим отрицательный, чтобы различать, каким образом подключено напряжение питания, а символы заземления я использовать не буду. Кроме того, моей задачей является снижение риска неправильного понимания схемы, поскольку я знаю, насколько угнетающе действует изготовление схемы, которая не работает.

Большие различия в обозначениях присутствуют при отображении резисторов. Традиционный зигзагообразный символ, например, был запрещен в Европе. Вместо этого используется прямоугольник с цифровым обозначением номинала сопротивления (рис. 2.38).

Рис. 2.38. Два способа отображения резистора номиналом 220 Ом. Верхний способ — используется в США, а нижний — в Европе[5]

Европейцы также изменили способ отображения десятичной точки: они стараются убрать ее там, где это возможно, поскольку она очень плохо отображается при печати, маленькая точка имеет тенденцию теряться (или может появиться из-за наличия пыли и грязи). Поэтому резистор номиналом 4,7 кОм может быть обозначен, как 4K7, а резистор номиналом 1,2 МОм, как 1M2. Мне нравится такое обозначение, поэтому я тоже буду его использовать, но я оставлю изображение резистора зигзагообразной линией, т. е. символ, который широко используется в США.

Обозначение потенциометров тоже имеет различие в их изображении в США и Европе, но в любом случае вы всегда обнаружите стрелку, которая показывает в каком месте движок (обычно центральная клемма) касается сопротивления (рис. 2.39).

Рис. 2.39. Символы для условного графического обозначения потенциометра: слева это традиционное и повсеместно используемое в США, а справа европейский вариант. В обоих случаях стрелка означает движок (обычно центральная клемма)

Условное графическое обозначение кнопочного переключателя, батареи источника питания, а также лампы накаливания показаны, соответственно, на рис. 2.40, 2.41 и 2.42. В некоторых случаях светодиоды изображают внутри кружков, а некоторые нет. Я предпочитаю использовать кружки (рис. 2.43).

Рис. 2.40. Существуют три способа обозначения кнопочного переключателя

Рис. 2.41. Символ для графического обозначения батарейки обычно показывают без символов «+» и «—». Я же их привожу для ясности и однозначного толкования

Рис. 2.42. Символ для графического изображения лампы накаливания

Рис. 2.43. Иногда светодиоды изображают с кружком вокруг символа диода; иногда нет. В этой книге я везде добавляю кружок. Стрелки означают излучение света.

Далее в книге я буду использовать и другие символы. В данный же момент наиболее существенно запомнить следующее:

• не является особо важным положение компонентов на схеме;

• не очень важен так же способ отображения компонентов;

• очень важно — соединение между компонентами схемы.

Например, для трех светодиодов, которые я включил в отдельную соответствующую схему, на рис. 2.44 показаны с различным расположением компонентов и с использованием разных символов, но функции всех этих трех цепей одинаковы, поскольку все их элементы имеют одни и те же соединения. Фактически это изображение одной и той же схемы (см. рис. 1.45), которую вы уже собирали при выполнении эксперимента 4.

Рис. 2.44. Все эти три схемы отображают одну и ту же схему. Это схема, которую вы уже собирали при выполнении эксперимента 4

Часто символы на схеме расположены таким образом, чтобы можно было интуитивно понять их назначение вне зависимости от того каким образом вы можете соединить реальные компоненты. Сравним пример на рис. 2.45, на котором показаны два двухполюсных двухпозиционных переключателя (DPDT), с вариантом, который был показан ранее на рис. 2.32. Первая версия более близка к реальному исполнению схемы на вашем столе, зато на рис. 2.45 четко виден путь протекания тока.

Рис. 2.45. Это всего лишь другое изображение, представляющее собой более четкий и простой способ изображения схемы, приведенной на рис. 2.32

На многих схемах положительный полюс источника питания показан в верхней части схемы, а отрицательный или «земля» — в нижней. Многие люди предпочитают рисовать вход (например, аудио-вход в цепи усилителя) с левой стороны схемы, а выход — с правой. Поэтому обычно «положительное напряжение» «перетекает» сверху вниз, в то время как сигнал проходит по цепи слева направо.

Когда я планировал эту книгу, то изначально рисовал схемы в соответствии с этим соглашением — «сверху вниз» и «слева направо», но когда я начал собирать и тестировать цепи, то изменил свое мнение. Для сбора схем предполагается использовать макетную плату, а ее внутренние соединения потребуют от нас расположения на ней компонентов, которое будут отличаться от типичного графического изображения схемы. А поскольку вы только начинаете изучать электронику, то вам, скорее всего, будет несколько затруднительно осуществлять соответствие между взаимным расположением компонентов, изображенных на схеме, с расположением их на макетной плате.

Поэтому в этой книге вы найдете такое графическое изображение схем, которое позволит достаточно легко перенести их на макетную схему при монтаже. Я считаю, что такие преимущества выполнения работы при сборе схем перевесят те недостатки, которые возникают из-за отказа рисовать схемы в соответствии со стандартными стилями изображения схем, принятыми повсеместно.

Эксперимент 7. ВКЛЮЧЕНИЕ СВЕТОДИОДОВ С ПОМОЩЬЮ РЕЛЕ

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, кусачки для проводов и инструмент для снятия изоляции.

2. Реле с двумя направлениями и двумя положениями переключения (DPDT — double-pole double-throw), с самовозвратом (без фиксации). Количество — 2 шт.

3. Светодиоды. Количество — 2 шт.

4. Резистор с сопротивлением около 680 Ом. Количество — 1 шт.

5. Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный однопозиционный (SPST — single-pole single-throw switch).

Количество — 1 шт.

6. Одножильный провод 22 AWG (диаметром 0,64 мм) или коммутационные провода с зажимами типа «крокодил».

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

8. Универсальный нож.

Следующим шагом в нашем исследовании концепции переключения является использование переключателей с дистанционным управлением. Под термином «дистанционное управление» я имею в виду переключатель, которому вы можете послать сигнал на включение или выключение. Этот тип переключателя известен как реле (от английского слово «relay» — передавать, транслировать). Это связано с тем, что реле передает некоторое управляющее воздействие из одной части цепи к другой. Часто реле управляется относительно низким напряжением или малыми токами, а вот переключает или иначе коммутирует оно довольно большие напряжения или токи.

Такая организация его работы может быть наиболее экономичной. Когда вы запускаете ваш автомобиль, например, относительно небольшой, дешевый переключатель посылает небольшой сигнал по относительно длинному, тонкому, недорогому куску провода на реле, которое находится возле двигателя стартера. Реле запускает двигатель, используя короткий, толстый более дорогой провод, который в состоянии выдержать ток до 100 А.

Аналогичное происходит тогда, когда вы во время вращения стиральной машины с вертикальной загрузкой поднимаете ее крышку. При этом вы замыкаете маленький выключатель и посылаете небольшой сигнал по тонкому проводу на реле, которое в свою очередь выполняет более сложную задачу отключения большого мотора, вращающего барабан, заполненный мокрой одеждой.

До начала этого эксперимента вам потребуется заменить ваш источник питания. Мы больше не собираемся применять батарейки, поскольку для использования реле требуется напряжение величиной более 6 В, и поэтому вы должны иметь источник питания, который будет в состоянии при необходимости выдать разные по величине напряжения. Самый простой способ решения этой задачи — это использование сетевого адаптера.

Сначала вам надо подготовить сетевой адаптер. После того, как он будет нормально включен, вы сможете использовать его напряжение для подачи питания на реле. Изначально реле будет просто включать один из двух светодиодов, но затем мы модифицируем цепь, чтобы заставить светодиоды мигать автоматически. В конце концов, мы соберем схему на макетной плате и скажем «прощайте» зажимам типа «крокодил», по меньшей мере, в большинстве наших экспериментов.

Подготовка сетевого адаптера

Вилка сетевого адаптера вставляется в сетевую розетку и преобразует относительно высокое переменное напряжение вашей домашней электросети в безопасное низкое постоянное напряжение, предназначенное для использования в электронных схемах. Любое зарядное устройство, которые вы используете для подзарядки сотового телефона, айпода (iPod) или ноутбука, по своей сути представляет собой сетевой адаптер, который предназначен для выдачи одного напряжения через специальный разъем. Я просил вас приобрести адаптер общего назначения, который выдает на выходе много различных значений напряжения, и сейчас мы должны начать с того, чтобы избавиться от его разъема.

1. Прежде всего, убедитесь, что ваш сетевой адаптер не подключен к сетевой розетке!

2. Отрежьте маленький разъем на конце его провода (рис. 2.46).

Рис. 2.46. Подготовка сетевого адаптера. Сначала надо отрезать низковольтный выходной разъем и отправить его в мусорную корзину

3. Используя монтажный нож, универсальный нож или ножницы, сделайте разрез между двумя проводами длиной около 13 мм, а затем разделите эти два провода примерно на 50 мм.

4. Используя кусачки для проводов, отрежьте провода так, чтобы один из них был короче другого. Это делается для того, чтобы сместить между собой концы проводов, с которых в дальнейшем будет снята изоляция. Эта предосторожность необходима для предотвращения короткого замыкания в выходной цепи вашего сетевого адаптера, что может привести к его выходу из строя (перегоранию).

5. Удалите изоляцию с концов проводов, используя инструмент для снятия изоляции. Скрутите медный многожильный провод на концах двух проводов, захватив указательным и большим пальцами их так, чтобы на концах оголенных жил не торчали отдельные проволочки (рис. 2.47).

Рис. 2.47. Затем, чтобы уменьшить риск соприкосновения оголенных частей проводов, нужно обрезать и зачистить провода, сделав один из них короче другого. Чтобы впредь было легче ориентироваться в проводах, один из них, на котором имеется положительное выходное напряжение, пометьте красным маркером

6. Убедитесь, что два провода не касаются друг друга, а затем вставьте ваш сетевой адаптер в сетевую розетку. Затем на мультиметре выберите режим измерения постоянного напряжения и коснитесь измерительными щупами концов проводов адаптера. Если на дисплее прибора будет отображаться напряжение со знаком минус, то вы подключили пробники к проводам в неправильной полярности. Нужно поменять их местами и знак минус на дисплее должен пропасть. Это подскажет вам, какой из этих двух выходных проводов является положительным.

7. Пометьте положительный провод адаптера. Если провод имеет изоляцию белого цвета, вы можете пометить его красным маркером. Если же изоляция черного цвета, то вы можете пометить его белым цветом. Положительный провод будет оставаться положительным вне зависимости от того, каким образом вы вставили адаптер в сетевую розетку

Реле

То реле, которое я хочу использовать, имеет небольшие заостренные выводы внизу при однозначном их расположении между собой. Если же вы приобретете реле другого типа, то вам придется самому определить, какие выводы внутри корпуса реле подключены к катушке, а какие выводы являются полюсами внутреннего переключателя. Кроме того, нужно будет выяснить какие выводы переключателя являются нормально замкнутыми, а какие нормально разомкнутыми. Вы, конечно, можете без проблем решить эту задачу с помощью справочного листа технических данных на ваше реле, но я настоятельно рекомендую использовать одно из тех реле, которые приведены в списке закупок, чтобы вам было проще следовать инструкциям, приведенным в этой книге.

Я просил вас купить именно два реле с тем расчетом, чтобы вы могли использовать их для исследовательских целей. Это значит, что одно из них можно будет разобрать и посмотреть его внутреннее устройство (рис. 2.48). Если вы сделаете все очень аккуратно, то реле после сборки можно будет еще использовать.

Рис. 2.48. Один из вариантов внутреннего расположения элементов реле. Катушка с обмоткой «A» создает магнитное поле, которое притягивает якорь «B» к сердечнику электромагнита. Пластмассовый толкатель «C», соединенный с якорем, выталкивает наружу упругие металлические полоски с закрепленными на них контактами и перемещает полюса «D» переключателя реле, соединяя их с нормально разомкнутыми контактами

Если нет, ничего страшного, у вас есть еще одно в запасе. Самый простой способ вскрыть реле это использовать монтажный или универсальный нож. На рис. 2.49, 2.50 и 2.51 показана последовательность вскрытия. Сначала срежьте края пластмассового корпуса, в котором находятся все элементы реле, делая скосы до тех пор, пока вы не увидите узкий просвет толщиной примерно с человеческий волос. Поскольку все внутренние элементы реле расположены очень близко к стенкам корпуса, то далее продолжать не нужно и на этом следует остановиться. После этого надо вскрыть верх корпуса. Чтобы удалить оставшуюся его часть, можно воспользоваться остроносыми плоскогубцами.

Рис. 2.49. Чтобы посмотреть внутреннее устройство реле, нужно срезать края пластмассового корпуса до тех пор, пока не появится узкий просвет

Рис. 2.50. Вставьте лезвие ножа в узкий просвет и, пользуясь ножом, как рычагом, отделите верхнюю часть корпуса, затем повторите эту процедуру для боковых сторон

Рис. 2.51. Если вы будете очень осторожны, то после того как вы вскроете реле, оно может остаться в рабочем состоянии

Не торопитесь и старайтесь делать все очень аккуратно (рис. 2.52).

Рис. 2.52. При вскрытии корпуса реле очень важно не торопиться и выполнять все очень аккуратно. Более быстрые методы, такие как использование томагавка (а) или огнемета (б), как показано на этом рисунке, с эмоциональной точки зрения очень выигрышны и не требуют длительной концентрации внимания, но результаты могут оказаться непредсказуемыми

После вскрытия корпуса реле оно может выглядеть так, как это показано на рис. 2.51 и 2.53.

Рис. 2.53. Четыре различных реле на рабочее напряжение 12 В для наглядности показаны в корпусах и без них. Автомобильное реле (крайнее левое) самое простое из них и его принцип работы легко понять, поскольку оно спроектировано без особого стремления сделать все максимально компактно. Миниатюрные реле небольшого размера сконструированы с высокой степенью изобретательности, они имеют более сложную конструкцию, которую не так-то просто понять. Обычно, но не всегда, реле небольшого размера спроектированы соответственно для меньших значений тока, чем большие

Прежде чем на реле подать напряжение питания, надо, прежде всего, понять, как оно работает. Для этого прочитайте следующий разд. «Фундаментальные сведения — Внутри реле».

Внутри реле

Реле состоит из катушки с обмоткой, выполненной изолированным проводом. Внутри катушки расположен сердечник.

Когда электрический ток проходит по обмотке, то в сердечнике создается магнитное поле, которое притягивает якорь, соединенный с толкателем из непроводящего материала. Толкатель в свою очередь выталкивает или втягивает гибкие пружинистые полоски металла с размещенными на них контактами, замыкая два из них. Контакты остаются замкнутыми до тех пор, пока электрический ток протекает по обмотке, а реле находится под напряжением.

Когда же электрического тока в обмотке реле не будет, то металлические пластинки с контактами возвращаются в свое исходное положение, размыкая контакты. (Исключение составляют реле с фиксацией (самоудерживанием), которые требуют дополнительного импульса, проходящего через отдельную обмотку для того, чтобы вернуть реле обратно в исходное положение; но мы пока такие реле использовать не собираемся).

Реле с точки зрения коммутирования могут быть разделены на аналогичные типы, что и переключатели. Таким образом, имеются однополюсные однопозиционные реле (SPST), двухполюсные однопозиционные (DPST), однополюсные двухпозиционные (SPDT) и т. д.

Сравните условное графическое обозначение реле, представленных на рис. 2.54, с обозначениями переключателей на рис. 2.35.

Рис. 2.54. Различные виды условных графических обозначений реле на схемах. Верхнее слева реле — однополюсное однопозиционное (SPST). Верхнее справа и нижнее слева реле — однополюсные двухпозиционные (SPDT). Нижнее справа реле — двухполюсное двухпозиционное (DPDT). В этой книге используются только показанные в нижнем ряду

Основное отличие реле заключается в наличии в них обмотки электромагнита, который и осуществляет переключение. Контакты реле показаны в своем исходном положении, когда по обмотке не протекает ток срабатывания.

Контакты на графических условных обозначениях реле показаны в виде маленьких черных треугольников. Когда у реле имеется два полюса, то электромагнит управляет их одновременным подключением к соответствующим контактам.

Большинство реле являются неполяризованными, что означает, что по их обмоткам вы можете пропускать ток в любом направлении и это никак не повлияет на работу реле. Чтобы узнать наверняка, какого типа то или иное реле, вы можете обратиться к листу технических данных. Некоторые обмотки реле могут работать от переменного напряжения, но большинство реле малого напряжения используют постоянный ток, аналогичный тому, который можно получить от батарейки. В данной книге мы будем применять только реле постоянного тока.

На реле накладываются те же самые ограничения, что и на переключатели. Их контакты также будут портиться из-за искрения, если вы будете пытаться с их помощью осуществлять коммутацию слишком большого напряжения. Не стоит экономить деньги, используя реле, которое предназначено для коммутирования меньшего тока или напряжения, чем это требуется. Реле может подвести вас в тот момент, когда оно вам больше всего необходимо, и будет крайне сложно осуществить его замену.

Поскольку существует такое огромное количество реле различных типов, то нужно очень внимательно читать технические характеристики перед тем, как приобретать их. Надо обязательно обратить внимание на такие основные характеристики, как:

• Номинальное напряжение обмотки или иначе рабочее напряжение

Напряжение, которое предполагается подавать на реле, чтобы заставить его сработать.

• Минимальное напряжение срабатывания

Минимальное напряжение, которое требуется, чтобы сработало реле, т. е. замкнуло контакты реле. Это напряжение будет несколько меньше напряжения, чем идеальное значение напряжения на обмотке реле.

• Номинальный рабочий ток

Когда через обмотку реле проходит ток, то обычно он составляет несколько миллиампер. Иногда мощность реле выражается в милливаттах.

• Коммутируемый ток и напряжение

Максимальные значения тока и напряжения, которые с помощью контактов могут коммутировать реле. Обычно в качестве нагрузки имеется в виду «резистивная нагрузка», что означает некое пассивное устройство типа обычной лампочки накаливания. Когда же вы используете реле для включения, например, двигателя, надо учитывать, что в момент разгона двигателя в цепи будет присутствовать мощный импульс тока. В этом случае вы должны выбирать реле, рассчитанное на двойное значение тока, по сравнению тем током, который потребляет двигатель, когда он уже вращается.

Порядок действий

Поверните реле таким образом, чтобы его выводы были направлены вверх, и присоедините к ним провода и светодиоды так, как это показано на рис. 2.55, с резистором 680Ω (резистор на 1K также можно использовать, если у вас нет сопротивления именно такого номинала). Также следует присоединить кнопочный переключатель. (Ваш кнопочный переключатель может отличаться от того, который показан, но если это кнопочный переключатель типа SPST с двумя контактами внизу, то он будет работать таким же образом.) Когда вы нажимаете кнопку, реле будет заставлять гаснуть первый светодиод и включать второй. Когда вы отпустите кнопку, первый светодиод загорится, а второй погаснет.

Как это работает

Следует собрать цепь, показанную на рис. 2.55, и сравнить ее с электрической схемой на рис. 2.56.

Рис. 2.55. Вместо некоторых соединений, выполненных проводами, которое показаны на этом рисунке, вы, как и раньше, можете использовать коммутационные провода с зажимами типа «крокодил», если они у вас, конечно, есть

Рис. 2.56. Одна из схем, выполненная с использованием условных графических обозначений

Примечание

Версии фотографий большего размера для всех схем и макетных плат можно найти в Интернете на сайте издательства англоязычного варианта этой книги: http://oreilly.com/catalog/9780596153748

Обратитесь также к рис. 2.57–2.58, на которых показано расположение выводов реле и контакты, замыкаемые внутри реле, когда через катушку пропускается электрический ток и когда этот ток отключен.

Рис. 2.57. Расположение выводов реле, нанесенных на сетку с шагом 1/10'' (2,54 мм). Это именно тот тип реле, который вам потребуется для выполнения эксперимента 8

Рис. 2.58. На рисунке показаны выводы, замкнутые при подаче рабочего напряжения на обмотку реле (справа) и когда напряжение не подано (слева)

Это двухполюсное двухпозиционное реле (DPDT), но мы используем только один полюс, игнорируя другой. Почему же нам тогда было не купить однополюсное двухпозиционное реле (SPDT)? Потому что я хочу, чтобы контакты реле были расположены именно таким образом, чтобы в дальнейшем было проще осуществить перенос данной цепи на макетную плату, что случится очень и очень скоро.

На графическом представлении схемы (см. рис. 2.56) я показал переключаемые контакты реле в состоянии, когда напряжение на обмотку реле не подано. Если же напряжение подать, то полюс реле замкнется с верхним контактом, что выглядит немного противоестественно, но часто это бывает именно так, потому что реле изготовлено именно таким образом.

Итак, когда вы будете уверены, что понимаете, как работает эта схема, наступит время перехода к следующему шагу, а именно выполнению небольшой модификации схемы в эксперименте 8, чтобы получить реле, которое должно само по себе включаться и выключаться.

Эксперимент 8. РЕЛЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, макетная плата, провод, кусачки для отрезания проводов и инструменты для снятия изоляции.

2. Реле с двумя направлениями и двумя положениями переключения (DPDT — double-pole double-throw) или, иначе, двухполюсное двухпозиционное, с самовозвратом (без фиксации). Количество — 1 шт.

3. Светодиоды. Количество — 2 шт.

4. Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный однопозиционный (SPST — single-pole single-throw switch).

Количество — 1 шт.

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

6. Резистор с сопротивлением близким к 680 Ом. Количество — 1 шт.

7. Конденсатор электролитический емкостью 1000 мкФ на рабочее напряжение не менее 25 В. Количество — 1 шт.

Посмотрите на откорректированное изображение цепи, показанное на рис. 2.59, и исправленную электрическую схему на рис. 2.60 и сравните их с предыдущими вариантами (см. рис. 2.55 и 2.56). Изначально в схеме было прямое соединение кнопки и обмотки реле. В новой версии напряжение питания поступает на обмотку, проходя сначала через контакты реле.

Рис. 2.59. Небольшое изменение предыдущей цепи заставляет реле генерировать колебания, когда к нему приложено напряжение питания

Рис. 2.60. Схема релейного генератора, выполненная с использованием условных графических обозначений

Теперь, когда вы нажмете на кнопку, положительное напряжение источника питания с помощью изначально замкнутых контактов реле поступает на ее обмотку и одновременно на левый по схеме светодиод. Но как только на обмотку реле будет подано напряжение, оно сработает, а изначально замкнутые контакты реле размыкаются. Это приводит к разрыву цепи, по которой напряжение питания подается на обмотку, поэтому реле возвращается в исходное состояние и контакты замыкаются снова. При этом напряжение питания опять будет подано на обмотку реле, которое снова разомкнет контакты. Такой периодический процесс будет повторяться бесконечно.

Поскольку мы используем очень маленькое реле, оно включается и выключается очень быстро. Фактически частота этих колебаний будет составлять 50 раз в секунду (слишком быстро для светодиода, чтобы увидеть то, что собственно делает реле). Прежде всего, надо убедиться, что цепь выглядит именно так, как это показано на схеме, а затем ненадолго нажать на кнопку. При этом вы услышите, что реле издает жужжащий звук. Если же вы плохо слышите, то слегка коснитесь реле пальцем, и вы почувствуете, что реле вибрирует.

Когда вы заставляете реле колебаться таким образом, то вы подвергаете риску сгорания или выходу из строя его контактов. Именно поэтому советую нажимать на кнопку в течение очень короткого промежутка времени. Чтобы сделать цепь более практичной, нам нужно нечто такое, что замедлило бы работу реле и защитило его от саморазрушения. Этим необходимым компонентом будет конденсатор.

Добавление емкости

Добавьте электрический конденсатор емкостью 1000 мкФ параллельно катушке реле, как это показано на схеме, которая приведена на рис. 2.61 и соответственно на рис. 2.62. Если вы не уверены, что конденсатор выглядит так, как он изображен на рисунке, то обратитесь к рис. 2.14. Значение «1000 μF» должно быть нанесено на его боковой стороне, а что это значит, я объясню несколько позже.

Рис. 2.61. Конденсатор подключается в нижней части этой схемы

Рис. 2.62. Добавление конденсатора заставляет реле вибрировать с меньшей частотой

Следует убедиться, что короткий вывод конденсатора подключен к отрицательному полюсу цепи; в противном случае он не будет работать. Дополнительно к короткому выводу на корпусе конденсатора имеется знак минуса, который напомнит вам, какой его вывод имеет отрицательную полярность. При подключении электролитических конденсаторов надо обязательно учитывать их полярность.

Теперь, когда вы нажмете на кнопку, реле должно медленно щелкать вместо генерирования жужжащего звука. Что же произошло?

Конденсатор похож на маленькую батарейку, которую можно подзаряжать. Он настолько мал, что заряжается за доли секунды, за это время у реле достаточно времени, чтобы разомкнуть нижнюю пару контактов. Затем, когда контакты разомкнуты, конденсатор начинает работать, как батарейка, подавая свое накопленное напряжение на реле. Это поддерживает реле в состоянии, когда на его контакты подается напряжение в течение 1 с. После того как конденсатор израсходует свой резерв энергии, реле переходит в исходное состояние и процесс повторяется.

Основные сведения о фарадах

Фарада это международная единица измерения емкости. Современные цепи обычно требуют небольших емкостей. Следовательно, обычно мы видим, что емкость измеряется в микрофарадах (одна миллионная фарады) и даже в пикофарадах (одна миллиардная фарады). Нанофарады чаще используются в Европе, чем в США. Посмотрите на приведенную таблицу пересчета (табл. 2.2).

(Вы, конечно, можете столкнуться с емкостью величиной более 1000 мкФ, но такое значение встречается крайне редко.)

Основные сведения о конденсаторе

Постоянный ток не проходит через конденсатор, но напряжение на его контактах накапливается очень быстро, затем оно остается после отключения напряжения питания. Помочь вам понять то, что происходит внутри конденсатора, когда он полностью заряжен, могут рис. 2.63 и 2.64.

Рис. 2.63. Когда постоянное напряжение достигает конденсатора, по нему ток не протекает, но конденсатор заряжается, как маленькая батарейка. Положительный и отрицательный заряды на конденсаторе будут равны и противоположны по знаку

Рис. 2.64. Вы можете представить, что положительные «заряженные частицы», которые накапливаются на одной стороне конденсатора, притягивают отрицательные «заряженные частицы» на противоположной стороне

В большинстве электролитических конденсаторов пластины представляют собой две полоски очень тонкой, гибкой, металлической пленки, часто обернутых вокруг друг друга и разделенных равномерным слоем тонкого изолятора. Дисковые керамические конденсаторы часто состоят из одного диска непроводящего материала с металлической краской, нанесенной на обе стороны, и припаянными к ней проводами.

К двум наиболее распространенным типам конденсаторов относятся керамические (они способны накапливать относительно небольшой заряд) и электролитические (которые могут быть намного большего размера). Керамические конденсаторы обычно имеют форму диска и окрашиваются в желтый цвет; электролитические конденсаторы обычно выглядят как миниатюрные консервные банки и могут быть практически любого цвета. Посмотрите примеры на рис. 2.14 и 2.15, приведенные ранее.

Керамические конденсаторы не имеют полярности, что означает, что вы можете приложить отрицательное напряжение к любому его контакту. Электролитические конденсаторы имеют полярность и не будут работать, если их подключить наоборот.

Условное графическое обозначение, изображающее конденсатор, может быть в виде одного из двух вариантов: двух прямых параллельных линий (обозначающих пластины внутри конденсатора) или одной прямой и одной закругленной линии, как это показано на рис. 2.65. Когда вы увидите такую линию, то знайте, что эта пластина конденсатора должна быть более отрицательной, чем другая. Условное графическое обозначение полярного конденсатора может также включать символ «+». К сожалению, некоторые не утруждают себя рисованием изогнутой скругленной пластины полярного конденсатора, а другие используют такое изображение и для неполярных конденсаторов.

Рис. 2.65. Слева приведено общее графическое условное обозначение конденсатора. Изображение справа демонстрирует обозначение полярного конденсатора, которое требует, чтобы левая пластина конденсатора была более положительной, чем правая. Обратите внимание, знак «+» зачастую опускается

 Быть пораженным конденсатором

Если большие конденсаторы заряжены с помощью большого значения напряжения, то они могут удерживать это напряжение достаточно длительное время. Поскольку цепи в данной книге используют низкие напряжения, то вы не должны видеть здесь какой-либо опасности, но если вы настолько безрассудны, чтобы открыть корпус старого телевизора и начать копаться внутри него (что я настоятельно не рекомендую делать), то вы можете напороться на очень неприятный сюрприз. Неразряженные высоковольтные конденсаторы могут даже убить вас, так же легко, как и в том случае, когда вы сунете пальцы в электрическую сетевую розетку. Никогда не следует касаться больших конденсаторов, если вы четко не представляете, что именно делаете!

 Полярность конденсатора

Вы можете подключить электролитический конденсатор таким образом, чтобы более длинный его вывод был бы более положительным, чем короткий. Корпус конденсатора обычно маркируется знаком минус возле короткого его вывода.

Некоторые конденсаторы не работают, если вы не соблюдаете полярность их подключения. Однажды я подключил танталовый полярный конденсатор к цепи, используя источник напряжения, который был в состоянии обеспечить достаточно большой ток, и стал смотреть на схему, удивляясь, почему она не работает, как вдруг конденсатор взорвался и выдал небольшой поток горящих фрагментов своих внутренностей в радиусе около 3'' (7,62 см). Я просто забыл, что танталовые конденсаторы обязательно требуют правильного соблюдения полярности при их подключении. На рис. 2.66 показана макетная плата с последствиями этого взрыва.

Рис. 2.66. Танталовый конденсатор был вставлен в макетную плату. Случайно он был неправильно подключен к источнику напряжения, который был способен выдавать достаточно большой ток. Через минуту или около того после такой ошибки конденсатор взорвался, выдав небольшую вспышку пламени, которая сожгла на своем пути пластик макетной платы. Поэтому, чтобы не получить аналогичный результат, следите за правильным соблюдением полярности

Майкл Фарадей и конденсаторы

Первые конденсаторы состояли из двух металлических пластин с очень тонким зазором между ними. Принцип работы этого устройства очень прост.

• Если одна пластина подключена к положительному выводу источника, то положительные заряды притягивают отрицательные заряды к другой пластине.

• Если одна пластина подключена к отрицательному выводу источника, то отрицательные заряды притягивают положительные заряды к другой пластине.

Обратитесь к рис. 2.63 и 2.64, на которых изображена основная идея работы конденсатора.

Способность конденсатора хранить определенный по величине заряд называют его емкостью.

Она измеряется в фарадах в честь Майкла Фарадея (Michael Faraday) (рис. 2.67) — еще одного представителя пионеров электричества. Он был английским химиком и физиком и жил с 1791 по 1867 г.

Рис. 2.67. Майкл Фарадей (Michael Faraday)

Хотя Фарадей был относительно необразованным человеком и имел очень ограниченные познания в математике, у него была возможность читать большое количество книг, работая в течение семи лет в качестве помощника переплетчика и таким образом повышать свой образовательный уровень. Кроме того, он жил во времена, когда относительно простые эксперименты могли раскрыть фундаментальные свойства электричества. Таким образом, он сделал большие открытия, в том числе электромагнитной индукции, что привело к созданию электромоторов. Он также открыл, что магнетизм может влиять на поток света.

Его работа была отмечена многочисленными премиями, а его портрет помещен на английскую 20-фунтовую банкноту, которая была в обороте с 1991 по 2001 год.

Сбор схемы на макетной плате

Я обещал освободить вас от тех неудобств, которые связаны с использованием «крокодилов», и вот это время пришло. Пожалуйста, обратите ваше внимание на пластиковый блок с большим количеством маленьких отверстий в нем, который я просил вас купить. По причинам, о которых мне неизвестно, его называют макетной платой.

Когда вы вставляете различные электронные компоненты в отверстия этой платы, скрытые металлические полоски внутри макетной платы соединяют компоненты, давая возможность собрать ту или иную схему, протестировать ее, а затем также легко модифицировать. В заключение вы можете просто снять все компоненты с макетной платы и отложить их для будущих экспериментов.

Без сомнения, использование макетной платы это наиболее удобный путь проверить что-либо прежде, чем вы решите это сделать.

Почти все макетные платы сконструированы совместимыми с корпусами интегральных микросхем (которые мы будем использовать в главе 4 данной книги). Место для установки микросхемы это пустое пространство в центре макетной платы с рядами небольших отверстий с любой стороны — обычно 5 отверстий в каждом ряду. В эти отверстия можно вставлять и другие компоненты.

Кроме того, макетная плата должна иметь две колонки отверстий, проходящих вдоль двух сторон платы. Они используются для подключения положительных и отрицательных выводов источника питания.

Посмотрите на рис. 2.68, на котором показана верхняя часть типичной макетной платы, а на рис. 2.69 соответствующее изображение этой же самой платы в рентгеновских лучах, где видны металлические полоски внутри пластика под отверстиями.

Рис. 2.68. Типичная макетная плата. Вы можете вставить компоненты в отверстия для очень быстрого сбора и последующего тестирования схемы

Рис. 2.69. Это изображение той же макетной платы, но в рентгеновских лучах. Оно показывает положение медных проводящих полосок, которые находятся внутри пластика платы. Эти полоски позволяют соединять между собой все электронные компоненты схемы

Важное замечание!

На некоторых макетных платах каждая вертикальная колонка отверстий с левой и правой стороны разделена еще на две отдельные секции — верхнюю и нижнюю. Нужно использовать мультиметр в режиме прозвона для того, чтобы определить имеется ли между ними контакт или нет. На вашей макетной плате таких секций нет. Если же у вас плата с такими секциями, то, при необходимости их соединения, следует добавить перемычки из проводов.

На рис. 2.70 показано, как вы можете использовать макетную плату для сбора схемы генератора на основе реле (см. рис. 2.62).

Рис. 2.70. Если вы разместите компоненты на вашей макетной плате в тех местах, которые показаны на рисунке, то получите ту же самую схему, которую вы сделали из проводов и «крокодилов» в эксперименте 8.

_{Обозначения компонентов схемы: D1, D2 — светоизлучающие диоды; S1 — двухполюсное двухпозиционное электромагнитное реле; S2 — кнопочный однополюсный однопозиционный переключатель без фиксации; C1 — электролитический конденсатор на 1000 мкФ; R1 — резистор с минимальным сопротивлением 680 Ом}

Чтобы выполнить эту работу вам понадобится подключить отрицательный и положительный выводы от вашего сетевого адаптера. Поскольку провода сетевого адаптера почти всегда выполнены из многожильного провода, то у вас, наверняка, возникнут затруднения при проталкивании их в маленькие отверстия макетной платы. Для решения этой проблемы к монтажной плате можно присоединить пару одножильных проводов 22 AWG (диаметром 0,64 мм) с оголенными концами, а затем использовать их в качестве клемм, к которым присоединить многожильные провода вашего сетевого адаптера, как это показано на рис. 2.71. (К сожалению, вам все еще потребуется пара «крокодилов» для этой цели.)

Рис. 2.71. Если ваша макетная плата не имеет винтовых клемм, то надо к ней присоединить два коротких одножильных провода с оголенными концами, а уже к ним с помощью «крокодилов» подключать многожильные провода сетевого адаптера

В качестве альтернативы вы можете использовать макетную плату со встроенными в нее клеммами для подключения напряжения питания, что, конечно, более удобно.

Вам понадобится небольшой отрезок одножильного провода 22 AWG (диаметром 0,64 мм) или какой-либо готовый коммуникационный провод для подачи напряжения питания на ваши компоненты, которые установлены на макетную плату, как это показано на рис. 2.72 и 2.73. Если вы выполнили соединения правильно, то цепь должна функционировать точно также, как и та, которая была изготовлена ранее.

Рис. 2.72. На макетную плату следует установить два светодиода большого размера, один резистор и все необходимые провода для изготовления перемычек

Рис. 2.73. Теперь следует добавить кнопочный переключатель, реле и конденсатор, чтобы завершить сбор схемы, которая показана на рис. 2.62 и 2.70. Когда кнопка нажата, реле начинает переключаться, а светодиоды мигать

Геометрия металлических соединительных полосок в макетной плате часто заставляет вас соединять компоненты каким-либо «окольным» путем. Кнопочный переключатель, например, должен подавать напряжение на полюс реле, но он не может быть установлен на плату прямо напротив реле, поскольку в этом случае другой его вывод попадет на один из контактов реле.

Следует помнить, что полоски внутри макетной платы, к которым не подключены провода или в них не вставлены компоненты, останутся не использованными; они не будут оказывать какого-либо влияния на схему.

Я и далее буду приводить возможные варианты расположения элементов на макетных платах для схем, которые вы будете собирать в дальнейшем при усвоении материала этой книги, но, в конечном счете, вам придется начинать осваивать самостоятельную компоновку деталей на платах, поскольку это одна из существенных частей такого хобби, как электроника.

Примечание

Версии фотографий большего размера для всех схем и макетных плат можно найти в Интернете на сайте издательства англоязычного варианта этой книги: http://oreilly.com/catalog/9780596153748

Эксперимент 9. ВРЕМЯ И КОНДЕНСАТОРЫ

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, макетная плата, провод, кусачки для отрезания проводов и инструменты для снятия изоляции.

2. Мультиметр.

3. Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный однопозиционный (SPST). Количество — 1 шт.

4. Резисторы и электролитические конденсаторы в ассортименте.

В эксперименте 8, когда вы устанавливали конденсатор параллельно обмотке реле, конденсатор заряжался практически мгновенно перед тем, как разрядиться через обмотку реле. Если бы вы последовательно к конденсатору добавили резистор, то длительность разряда конденсатора, безусловно, возросла бы.

Изменяя длительность разряда конденсатора, вы можете измерять время, что является очень важным.

Снимите все компоненты с вашей макетной платы и используйте ее для сбора другой очень простой схемы, монтаж которой показан на рис. 2.74, где C1 — электролитический конденсатор емкостью 1000 мкФ, R1 — резистор 100 кОм, R2 — резистор 100 Ом и S1 — кнопочный переключатель, который вы уже использовали ранее. Установите на вашем мультиметре режим для измерения постоянного напряжения, подсоедините наконечники измерительных щупов к контактам конденсатора и нажмите на кнопку. Вы должны увидеть, как прибор будет увеличивать показания по мере того, как конденсатор будет накапливать заряд. (Это легче сделать с мультиметром, который не имеет автоматического определения диапазона, поскольку вам не придется ждать до тех пор, пока тестер определит используемый диапазон). Резистор R1 будет замедлять время заряда конденсатора.

Рис. 2.74. Посмотрите, как конденсатор накапливает заряд (увеличивает напряжение на выводах) после того, как вы нажали кнопку.

_{Замените резистор R1 резистором другого номинала, разрядите конденсатор, замкнув его выводы резистором R2, и повторите процесс измерения. S1 — кнопочный переключатель типа Выкл. (Вкл.); R1 — резистор 100 кОм; R2 — резистор 100 Ом; C1 — конденсатор 1000 мкФ} 

Отпустите кнопку, отсоедините ваш мультиметр и разрядите конденсатор, замкнув его выводы резистором R2 в течение одной или двух секунд. Теперь замените резистор R1, установив резистор номиналом 50 кОм, и повторите измерение. Тестер должен завершить отсчет за время, по меньшей мере, в два раза меньшее, чем в предыдущем варианте схемы.

Напряжение, сопротивление и емкость

Представьте, что резистор, имеющий некоторое сопротивление (resistance), это водопроводный кран, а конденсатор это некоторый надувной баллон (balloon) — емкостью (capacitance), которую вы хотите заполнить водой. Когда вы закрываете кран до такой степени, что через него течет маленькая струйка, емкость будет наполняться дольше. Тем не менее медленный поток воды все равно заполнит всю емкость, если вы будете ждать достаточно долго (предполагая, что баллон не будет разорван) и процесс закончится, когда давление внутри емкости не станет равным давлению (pressure) внутри трубопровода, который подает воду через кран (рис. 2.75).

Рис. 2.75. Когда кран закрыт наполовину, емкость будет заполняться дольше, но все равно она может «принять» такое же количество воды, которое будет равно ее объему и которое создаст давление, равное давлению внутри трубопровода

Аналогичное происходит и в нашей схеме, если вы ждете достаточно долго, то напряжение на выводах конденсатора должно достичь того же значения, которое имеет источник напряжения.

В цепи с напряжением питания 12 В конденсатор должен достичь напряжения 12 В (хотя это в итоге займет гораздо больше времени, чем вы думаете).

Это может показаться удивительным, поскольку ранее вы усвоили, что когда вы подаете напряжение на один конец резистора, то вы получаете меньшее напряжение по мере прохождения тока через него. Почему резистор передает полное напряжение, когда соединен с конденсатором?

Забудьте на некоторое время о конденсаторе и вспомните, как вы тестировали два одинаковых резистора с сопротивлением 1 кОм, соединенных последовательно (см. рис. 1.56). В этой ситуации каждый резистор представляет собой половину общего сопротивления цепи, поэтому на каждом резисторе падает половина общего напряжения цепи. Если вы подсоедините наконечник измерительного щупа черного цвета, подключенного к общей клемме (COM) вашего мультиметра, к отрицательному выводу источника напряжения, а затем другим щупом красного цвета, подключенным к гнезду для измерения напряжения (V), коснетесь центральной точки цепи, расположенной между двумя резисторами, то вы получите результат измерения, равный 6 В (рис. 2.76).

Рис. 2.76. Когда два резистора соединены последовательно, то на большем сопротивлении будет падать большее напряжение, чем на меньшем. Если резистор будет иметь бесконечно большое сопротивление (как это будет в случае конденсатора), то меньшее сопротивление больше не будет давать какой-либо вклад в падение напряжения, а напряжение на его выводах будет одинаковым (т. е. между этими точками разность потенциалов будет равна нулю)

Теперь предположим, что вы убрали один резистор номиналом 1K (на рисунке он справа) и заменили его резистором 9K. Общее сопротивление цепи теперь станет равным 10K и поэтому на резисторе номиналом 9K будет падать 90 % общего напряжения 12 В. Оно будет равным 10,8 В. Вы должны проверить это с помощью своего мультиметра. (Вряд ли вам удастся найти резистор с сопротивлением 9K, поскольку это нестандартное значение. Замените его ближайшим по величине сопротивлением, которое вы найдете.)

Затем предположим, что вы убрали резистор номиналом 9K и заменили его резистором на 99K. Падение напряжения на нем станет равным 99 % возможного напряжения или 11,88 В. Теперь вы можете заметить общую закономерность: чем больше сопротивление резистора, тем больше его вклад в падение напряжения.

Однако, как я уже отмечал ранее, конденсатор полностью блокирует все постоянное напряжение. Он может аккумулировать электрический заряд, но при этом никакого тока через него не проходит. Поэтому конденсатор ведет себя, как резистор, который по постоянному току имеет бесконечное сопротивление. (В действительности изоляционные материалы внутри конденсатора допускают небольшие токи «утечки», а вот идеальный конденсатор обладает бесконечным сопротивлением.)

Величина сопротивления любого резистора, который вы подключаете последовательно конденсатору, по сравнению с его сопротивлением практически равна нулю. Вне зависимости от того, насколько велико сопротивление резистора, конденсатор обладает гораздо большим сопротивлением. Это означает, что на конденсаторе падает практически все напряжение источника питания, а разность напряжений на одном и другом выводе резистора будет равна нулю (в предположении, что мы пренебрежем некоторой неидеальностью используемых компонентов).

Помочь прояснить это может изображение на рис. 2.76.

Используя реальные резисторы и конденсаторы, вы можете проверить это, хотя наверняка столкнетесь с небольшой проблемой. Когда вы для измерения постоянного напряжения будете использовать мультиметр, который должен при этом находиться в соответствующем режиме, то он будет слегка влиять на ток, протекающий по цепи в процессе измерения, хотя это влияние и очень мало. Прибор отбирает небольшое значение тока на себя, и это не оказывает существенного влияния на показания, в том случае, когда вы измеряете падение напряжения на резисторе. Внутреннее сопротивление мультиметра намного больше, чем величина сопротивления большинства резисторов. Однако следует помнить, что внутреннее сопротивление конденсатора почти равно бесконечности.

В этом случае внутреннее сопротивление мультиметра уже будет иметь значение. Поскольку вы никогда не сможете иметь идеальный мультиметр, даже тогда, когда у вас будет идеальный конденсатор и резистор, ваш прибор всегда будет немного влиять на схему, и вы, наверняка, получите приблизительный результат измерения.

Если же вы попытаетесь измерить напряжение на конденсаторе, который был заряжен, но в данный момент не подключен к какой-либо цепи, то вы увидите, что значение напряжения будет медленно уменьшаться, поскольку конденсатор будет разряжаться через подключенный мультиметр.

Постоянная времени

Вы можете удивиться, если узнаете, что существует способ точно предсказать время, в течение которого будут заряжаться различные конденсаторы, когда они подключены к различным резисторам. Существует ли формула для расчета этого?

Естественно, ответ будет — «да», но способ, которым мы будем измерять это время, будет несколько замысловатым, поскольку конденсаторы не заряжаются с постоянной скоростью. Они достигают значения напряжения равного 1 В очень быстро, значения 2 В уже не так быстро, а 3 В еще медленнее и т. д. Вы можете представить себе электроны, накапливающиеся на пластине, людьми, которые прогуливаются в аудитории и которые ищут место для того, чтобы сесть. Чем меньше мест остается, тем больше людям нужно времени, чтобы найти их.

Величина, которая описывает это, называется «постоянная времени». Определение этой величины очень простое:

τ = R∙C,

где τ — это постоянная времени; C — емкость конденсатора в фарадах, который заряжается через резистор сопротивлением R в омах.

Возвращаясь к цепи, которую вы только что тестировали, используем резистор на 1 кОм и конденсатор емкостью 1000 мкФ.

Мы должны перевести эти значения в фарады и омы прежде, чем использовать их в формуле. Отлично, 1000 мкФ это 0,001 Ф и 1 кОм это 1000 Ом, поэтому формула будет выглядеть следующим образом:

τ = 1000 х 0,001

Другими словами, τ = 1 — вывод, который просто нельзя упростить еще больше для лучшего запоминания:

Резистор с сопротивлением 1 кОм, подсоединенный последовательно с конденсатором емкостью 1000 мкФ, имеет постоянную времени τ равную 1.

Означает ли это, что конденсатор будет полностью заряжен в течение 1 сек? Нет, все не так просто. τ — это постоянная времени, которая указывает время, нужное конденсатору, чтобы достичь 63 % от напряжения, которое подается на него, если в начале процесса конденсатор бел полностью разряжен, т. е. имел напряжение равное 0 В.

(Почему именно 63 %? Ответ на этот вопрос слишком сложен для того, чтобы его объяснить в рамках этой книги, и если вы хотите узнать больше о постоянной времени, то вам надо изучить другую литературу. При этом вам надо быть готовыми разбираться в дифференциальных уравнениях.) Здесь приведено формальное определение для сведения в будущем:

Постоянная времени τ — это время, которое необходимо конденсатору, чтобы он зарядился до значения, равного 63 % от разности между текущим напряжением на конденсаторе и напряжением подключенного источника питания. Когда τ = 1, конденсатор заряжается до значения 63 % от полной величины в течение 1 сек. Когда τ = 2, конденсатор заряжается до значения 63 % от полной величины в течение 2 сек. И т. д.

Что произойдет, если продолжить подавать напряжение?

История повторится снова. Конденсатор зарядится на следующие 63 % оставшейся разности между текущим значением напряжения и напряжением, которое будет к нему приложено.

Представим, что некто ест торт. Когда он первый раз кусает его и при этом еще голоден, то съедает 63 % за одну секунду (рис. 2.77).

Рис. 2.77. Если наш гурман каждый раз съедает только 63 % от торта, который в данный момент находится на тарелке, он «заряжает» свой желудок точно так же, как это делает конденсатор, когда заряжается. Не имеет значения, как много времени это займет, его желудок никогда не будет заполнен полностью

В течение второго откусывания он не хочет выглядеть слишком жадным и съедает только следующие 63 % от оставшейся части торта, и поскольку он уже не так голоден, ему потребуется столько же времени, сколько он потратил на поглощение первого куска. В течение третьего «подхода» он съедает еще 63 % от оставшейся части торта и потратит на это тоже количество времени и т. д. Он ведет себя точно так же, как конденсатор, когда «поедает» электричество.

Любитель тортов всегда будет оставлять что-то, что можно еще съесть, поскольку он никогда не отправляет в рот все 100 % оставшегося торта. Точно также, как и конденсатор никогда не может зарядиться полностью. В идеальном мире, состоящем из идеальных компонентов, этот процесс будет продолжаться бесконечное время.

В реальном времени мы можем произвольно сказать:

После периода, равного 5хτ, конденсатор будет заряжен практически полностью, и мы будем считать, что разница между имеющимся зарядом и полным зарядом ничтожно мала.

В табл. 2.3 приведен расчет (округлен до двух цифр после запятой), который показывает накопление заряда конденсатора в цепи с источником питания 12 В, когда постоянная времени равна 1 сек.

Здесь приведены пояснения к содержимому таблицы. V1 это текущее значение напряжения на конденсаторе в вольтах. Нужно вычесть это значение из напряжения источника питания (12 В), чтобы определить разность. Обозначим эту разность, как V2. Теперь возьмем 63 % от V2 (это V3) и добавим это значение к текущему значению напряжения (V1) и получим результат, который обозначим V4. Это новое значение напряжения, до которого конденсатор зарядится через 1 сек, поэтому мы копируем это значение в следующую строку таблицы и оно становится новым текущим значением напряжения на конденсаторе V1.

Теперь повторим этот процесс снова и снова. На рис. 2.78 это показано в графической форме. Заметим, что через 5 сек конденсатор достигнет значения 11,92 В, что составляет 99 % от напряжения источника питания. Это должно быть достаточно близко, чтобы удовлетворить любым требованиям, которые могут встретиться в реальной ситуации.

Рис. 2.78. Конденсатор начинает заряжаться, начиная с напряжения 0 В. Через промежуток времени, равный постоянной времени, он добавит 63 % от приложенного напряжения. После окончания второго периода такой же длительности будет добавлено еще 63 % оставшейся разности напряжений и т. д.

Если вы хотите проверить эти цифры путем измерения напряжения на конденсаторе по мере его зарядки, то следует помнить, что поскольку ваш тестер «приворовывает» немного тока, поэтому будет небольшое различие между реальным и расчетным приращением напряжения. Однако для практических целей эта система работает достаточно удовлетворительно.

Эксперимент 10. ТРАНЗИСТОРНОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, макетная плата, провод и мультиметр.

2. Светодиоды. Количество — 1 шт.

3. Резисторы различного номинала.

4. Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный однопозиционный (SPST). Количество — 1 шт.

5. Транзистор типа 2N2222 или аналогичный ему. Количество — 1 шт.

Транзистор может переключать электрический ток точно так же, как и реле. Но он является более чувствительным и универсальным устройством по сравнению с тем, что было продемонстрировано в первом очень простом эксперименте.

Мы начнем с использования транзистора типа 2N2222, который является наиболее широко используемым полупроводником (он был представлен компанией Motorola еще в 1962 году и находится в производстве, начиная с этого времени).

Но прежде всего вы должны познакомиться с транзистором.

Поскольку патент на транзистор 2N2222 был получен компанией Motorola очень давно, то любая компания в настоящее время может производить собственную версию этого транзистора. Некоторые модели помещают в небольшой пластмассовый черный корпус; другие упаковывают в небольшие металлические корпуса (рис. 2.79).

Рис. 2.79. Типичный транзистор может быть помещен либо в небольшой металлический, либо в черный пластмассовый корпус. В листе технических данных производителя указывается, каким образом идентифицировать три вывода транзистора при его подключении относительно плоской стороны, если корпус выполнен из пластмассы, или относительно небольшого выступающего лепестка (ключа), который находится в нижней части металлического корпуса (рис. 2.80)

Рис. 2.80. Транзистор 2N2222 может иметь один из двух приведенных здесь типов корпуса. Слева: в пластмассовом корпусе, а справа в металлическом (следует иметь в виду, что лепесток для этого корпуса должен находиться слева внизу). Если вы используете другую марку транзистора, то вы должны определить назначение его выводов по лист у технических данных. Вставьте транзистор в вашу макетную плату так, чтобы плоская сторона пластмассового корпуса была справа, как это показано на рисунке, или чтобы лепесток (ключ) металлического корпуса был направлен вниз и влево

В любом случае он содержит внутри кристалл кремния, который разделен на три части, известные как коллектор, база и эмиттер. Я опишу его функционирование более подробно, но изначально вам всего лишь требуется знать, что в этом типе транзистора на коллектор подается ток, напряжение на базе управляет им, а эмиттер выдает на выходе окончательное значение тока.

Для сбора схемы используйте макетную плату, пример монтажа которой приведен на рис. 2.81. Будьте аккуратны, чтобы с самого начала использовать транзистор правильно! Для тех видов транзистора, которые я упомянул ранее в списке необходимых закупок, плоская часть должна быть направлена вправо, если транзистор выполнен в корпусе из черной пластмассы, или лепесток (ключ) должен находиться внизу слева, если корпус транзистора изготовлен из металла (см. рис. 2.80).

Рис. 2.81. В исходном состоянии транзистор не пропускает ток, блокируя напряжение, которое подается на него через резистор R1. Но когда нажата кнопка S1, на базу транзистора подается сигнал, который разрешает пройти току через него.

_{Следует запомнить, что транзисторы на монтажных и принципиальных схемах всегда обозначаются буквой Q}[6]_{: S1 — кнопочный переключатель без фиксации, типа Выкл. (Вкл.); R1 — резистор с сопротивлением 180 Ом; R2 — резистор с сопротивлением 10 кОм; R3 — резистор с сопротивлением 680 Ом; Q1 — транзистор 2N2222 или аналогичный ему; D1 — светодиод}

Изначально светодиод гореть не будет. Теперь нужно нажать кнопку S1 и светодиод ярко загорится. Электрический ток в данной схеме имеет два пути. Посмотрите на схему, которая приведена на рис. 2.82. Я изобразил вверху часть схемы, имеющую более положительное напряжение, а более отрицательное напряжение — внизу (как это делается на большинстве схем), поскольку такое изображение помогает лучше понять их функционирование. Если вы посмотрите на схему сбоку, то будет легче увидеть совпадение схемы с компоновкой ее на макетной плате.

Рис. 2.82. Здесь показана та же самая схема, что собрана на макетной плате и приведена на рис. 2.81

Через резистор R1 напряжение подается на верхний вывод (коллектор) транзистора. Транзистор практически не пропускает ток, поэтому светодиод остается темным. Когда же вы нажмете на кнопку S1, для тока появляется еще один отдельный путь, через резистор R2 на средний вывод (базу) транзистора. Это приказ транзистору «замкнуть контакты» его «твердотельного переключателя», что позволяет току протекать через третий вывод (эмиттер) транзистора, резистор R3 на светодиод.

Чтобы проверить напряжение в этих точках цепи, вы можете использовать мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения. Подключите общий (COM) отрицательный измерительный щуп мультиметра к отрицательному выводу источника напряжения, затем другим щупом последовательно коснитесь верхнего, среднего и нижнего вывода транзистора. Когда вы нажмете на кнопку, то вы заметите изменения этих напряжений.

Переключение кончиками пальцев

Теперь обратимся к некоторым более значимым вещам. Удалите резистор R2 и кнопку S1, а вместо них установите два провода, как это показано на рис. 2.83, а. Верхний провод будет подключен к положительному полюсу источника напряжения; нижний провод подключается к среднему выводу транзистора (к его базе). Теперь кончиком вашего пальца коснитесь двух проводов. Снова загорится светодиод, хотя не так ярко, как это было ранее. Смочите свой палец и попробуйте снова, теперь светодиод будет гореть более ярко.

 Никогда не следует использовать обе руки

Демонстрация с переключением кончиком пальца безопасна только в том случае, когда электрический ток проходит только через ваш палец. Вы даже ничего не почувствуете, поскольку 12 В постоянного напряжения источника питания может создать ток величиной 1 А[7] или меньше. Но прикладывать один палец одной руки к одному проводу, а палец другой руки к другому проводу не лучшая идея. Это даст возможность электрическому току пройти через ваше тело. Хотя шанс получить серьезную травму таким образом крайне мал, никогда не позволяйте электрическому току проходить от одной руки к другой через ваше тело. Кроме того, при прикосновении к проводам не допускайте, чтобы они проникали в вашу кожу.

Ваш палец подключает положительное напряжение на базу транзистора. Даже, несмотря на то, что ваша кожа имеет высокое сопротивление, транзистор будет реагировать. В данном случае имеет место не только простое включение и выключение светодиода, здесь осуществляется усиление силы тока, который подается на базу транзистора. Поэтому в данном случае следует отметить очень важный вывод: транзистор усиливает любые изменения тока, который проходит через его базу.

Посмотрите на рис. 2.83, б, чтобы понять более четко, что происходит.

Рис. 2.83. На этих рисунках (а и б) показаны те же компоненты, что и ранее на рис. 2.82, с заменой резистора R2 и кнопки S1 кончиком пальца. Хотя только небольшая часть напряжения теперь достигает базы транзистора, его вполне достаточно, чтобы транзистор на него отреагировал

Если вы изучили разд. «Базовые сведения — Положительный и отрицательный» в главе 1, то вы понимаете, что в реальности не существует такой вещи, как положительное напряжение (избыток положительных зарядов в одном месте). Все, что у нас есть это отрицательное напряжение (создаваемое избытком свободных электронов) и отсутствие отрицательного напряжения (такое место, где мало свободных электронов). Но, поскольку идея о потоке электрических зарядов от положительного полюса к отрицательному была настолько широко распространена до открытия электрона и поскольку внутренний механизм «работы» транзистора включает в себя «дырки», которые представляют собой отсутствие электронов и могут считаться положительными зарядами, мы все еще можем считать, что положительные заряды перемещаются от положительного полюса к отрицательному. Для более подробного описания смотрите следующий разд. «Важные сведения — Все о n-p-n- и p-n-p-транзисторах».

Все о n-p-n и p-n-p транзисторах

Транзистор это полупроводник, что значит нечто, что иногда проводит электрических ток, а иногда нет. Его внутреннее сопротивление меняется в зависимости от напряжения, которое приложено к его базе.

Транзисторы n-p-n и p-n-p являются биполярными полупроводниками. Они содержат два слегка различных варианта кремния и проводят ток, используя носители обеих полярностей — дырки и электроны.

Транзистор n-p-n-типа представляет собой некоторый сэндвич с кремнием p-типа в середине, а транзистор p-n-p-типа — кремнием n-типа. Если вы хотите в большей степени овладеть терминологией и узнать о поведении электронов, когда они пытаются пересечь n-p-переход или p-n-переход, вы должны обратиться к другим источникам технической информации, посвященным этому предмету. Это слишком сложная техническая тема, выходящая за рамки этой книги. Все, что необходимо запомнить вам, это:

• все биполярные транзисторы имеют три вывода: коллектор, базу и эмиттер, которые обозначаются соответствующими буквами «К» (C), «Б» (B) и «Э» (E) в листах технических данных, где описано, как определить назначение выводов;

• транзисторы n-p-n-типа управляются (активируются) положительным напряжением, которое прикладывается к базе транзистора относительно эмиттера;

• транзисторы p-n-p-типа управляются отрицательным напряжением, которое создается на базе относительно эмиттера.

В пассивном состоянии оба типа транзисторов препятствуют прохождению тока от коллектора к эмиттеру точно также, как и однополюсное однопозиционное реле (SPST), у которого в обычном состоянии контакты нормально разомкнуты. (Фактически транзисторы пропускают очень небольшой ток, который известен, как «ток утечки».)

Вы для простоты понимания можете представить, что биполярный транзистор внутри имеет очень маленький кнопочный переключатель, как это показано на рис. 2.84 и 2.85.

Рис. 2.84. Вы можете представить себе биполярный транзистор устройством, внутри которого находится кнопочный переключатель, позволяющий соединять коллектор и эмиттер. В n-p-n-транзисторах кнопку нажимает небольшой положительный потенциал

Рис. 2.85. В p-n-p-транзисторах небольшой отрицательный потенциал создает такой же эффект. Стрелки показывают направление «потока положительных зарядов»

Когда кнопка нажата, это дает возможность проходить большому току. Чтобы нажать эту кнопку, вы должны дать возможность пройти через базу очень небольшому по величине току путем подачи на базу небольшого напряжения. В n-p-n-транзисторе управляющее напряжение является положительным. В p-n-p-транзисторе управляющее напряжение является отрицательным.

Основные сведения о n-p-n-транзисторах

• Чтобы пропустить электрический ток от коллектора к эмиттеру транзистора, надо относительно эмиттера приложить к базе более положительное напряжение.

• На условном графическом обозначении транзистора стрелка указывает направление тока от базы к эмиттеру и показывает направление перемещения потока положительных зарядов.

• Чтобы через транзистор начал проходить ток, потенциал его базы должен быть, по меньшей мере, на 0,6 В «более положительным», чем потенциал эмиттера.

• Коллектор должен быть «более положительным», чем эмиттер.

Основные сведения о p-n-p-транзисторах

• Чтобы пропустить электрический ток от эмиттера к коллектору транзистора, надо приложить к базе относительное отрицательное напряжение.

• На условном графическом обозначении транзистора стрелка указывает направление тока от эмиттера к базе и показывает направление перемещения потока положительных зарядов.

• Чтобы через транзистор начал проходить ток, потенциал его базы должен быть, по меньшей мере, на 0,6 В «более отрицательным», чем потенциал эмиттера.

• Эмиттер должен быть «более положительным», чем коллектор.

Основные сведения о всех транзисторах

• Никогда не следует прикладывать питающее напряжение напрямую к транзистору. Вы можете сжечь его током слишком большой величины.

• Транзистор следует защищать резистором точно так же, как вы защищали светодиод.

• Следует избегать подключения транзистора в обратной полярности.

• Бывает, что в некоторых схемах использование n-p-n-транзисторов более удобно; в других случаях проще установить p-n-p-транзистор. Оба они работают, как переключатели и усилители; единственное различие между ними состоит в том, что к базе n-p-n-транзистора прикладывается более положительное напряжение, а к базе p-n-p-транзисторов — более отрицательное.

• Транзисторы p-n-p-типа применяются относительно редко; в основном это связано с тем, что их производство требует использования более сложной современной технологии производства полупроводников. Люди привыкли проектировать схемы на основе n-p-n-транзисторов.

• Следует помнить, что биполярные транзисторы это усилители тока, а не напряжения. Небольшое изменение тока через базу дает возможность проходить большому току от эмиттера к коллектору.

• На схемах транзисторы иногда изображаются с кружком, а иногда без него. В этой книге я всюду использую обозначение с кружками (рис. 2.86–2.87).

Рис. 2.86. На этом условном графическом обозначении биполярного n-p-n-транзистора стрелка всегда направлена от базы к эмиттеру. Иногда символ транзистора заключают в кружок, а иногда нет. Стиль изображения стрелки может варьироваться. Но направление для данного типа должно быть всегда одно и то же. Для использования в данной книге я выбрал вариант отображения транзистора на рисунках сверху слева

Рис. 2.87. На этом условном графическом обозначении биполярного p-n-p-транзистора стрелка всегда направлена от эмиттера к базе. Иногда символ транзистора помещают в кружок, а иногда нет. Стиль изображения стрелки может варьироваться. Но значение всегда одно и то же. Для использования в данной книге я выбрал вариант отображения транзистора вверху слева

• На схемах допускается указывать эмиттер вверху и коллектор внизу, возможен также и обратный вариант. База может находиться слева или справа в зависимости от того, каким образом удобнее рисовать схему. Будьте внимательны, рассматривая стрелки в транзисторах, чтобы увидеть каким образом идет ток, а также транзистор какого типа имеется в виду: n-p-n или p-n-p. Вы можете вывести из строя транзистор, если подключите его неправильно.

• Транзисторы могут иметь различные размеры и конфигурации. Во многих из них нет способа определить, какие провода подключены к эмиттеру, коллектору или базе, а некоторые транзисторы даже не имеют обозначений на корпусе. Перед тем, как выбросить упаковку, в которой были приобретены транзисторы, следует проверить не указано ли на ней обозначение контактов (ножек).

• Если вы забыли, какой провод к чему подключен, то некоторые мультиметры имеют функцию, которая дает возможность определить эмиттер, коллектор и базу. Более подробно эта функция изложена в руководстве пользователя мультиметра.

Изобретение транзисторов

Хотя некоторые историки проводят линию происхождения транзистора к изобретению диодов (устройств, которые дают возможность проходить току только в одном направлении и не дают в обратном), не существует расхождений в том, что первый работающий транзистор был разработан в компании Bell Laboratories в 1948 году Джоном Бардиным (John Bardeen), Уильямом Шокли (William Shockley) и Уолтером Браттейном (Walter Brattain) (рис. 2.88).

Рис. 2.88. На фотографии, представленной Нобелевским фондом, слева направо Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн. За их сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году они разделили Нобелевскую премию 1956 года

Уильям Шокли был лидером этой группы, который предвидел насколько важным потенциалом могут обладать «твердотельные переключатели». Джон Бардин был теоретиком, а Уолтер Браттейн практически выполнил эту работу. Это было исключительно продуктивное сотрудничество до тех пор, пока они не добились успеха. После этого Уильям Шокли пытался запатентовать транзистор только под своим именем. Когда же он уведомил об этом своих соавторов, то они, естественно, не обрадовались этой идее.

Широко распространенная публичная фотография не могла помочь Шокли, на ней он сидел в центре перед микроскопом, что выглядело так, как будто он сделал всю черновую работу, в то время как остальные стоят позади него, показывая, что они играют меньшую роль. На самом деле фактически Уильям Шокли был куратором, который редко присутствовал в лаборатории, когда выполнялась основная работа.

Продуктивное сотрудничество быстро распалось. Уолтер Браттейн попросил о переводе в другую лабораторию в компанию AT&T, а Бардин перешел на работу в Университет Иллинойса, чтобы заняться теоретической физикой. Шокли вскоре покинул Bell Labs и основал компанию Shockley Semiconductor в том месте, которое впоследствии стало называться Силиконовой долиной (Silicon Valley), но его амбиции превосходили возможности технологии, существовавшей на тот момент времени. Компания Уильяма Шокли так и не произвела ничего такого, что могло бы приносить прибыль.

Восемь сотрудников компании Уильяма Шокли вскоре предали его, уволившись и основав свой собственный бизнес, т. е. компанию Fairchild Semiconductor, которая впоследствии стала необычайно успешной, как производитель транзисторов, а позднее и интегральных схем.

Транзисторы и реле

Одно из ограничений, которое накладывается на биполярные транзисторы n-p-n- и p-n-p-типа, заключается в том, что они естественным образом находятся в состоянии «выключено» до тех пор, пока вы не переведете их в положение «включено». Они ведут себя как нормально разомкнутые кнопки, которые проводят электрический ток только тогда, когда находятся в нажатом состоянии. Они не похожи на обычные переключатели, которые находятся во включенном состоянии до тех пор, пока сигнал их не переведет в состояние выключено.

Реле обладает большими возможностями переключения. Оно может быть нормально разомкнутым, нормально замкнутым или может быть двухпозиционным переключателем, который предоставляет вам возможность выбора из двух позиций «включено». Оно также может быть двухполюсным, что делает возможным соединять (или разрывать) два полностью раздельных контакта, когда вы подаете на реле напряжение. Устройства, состоящие из одного транзистора, не могут обеспечить двухпозиционные и двухполюсные функции, хотя вы можете сделать более сложную схему на основе транзисторов, которая будет выполнять и эти функции.

Далее в табл. 2.4 приведен обобщенный список некоторых сравнительных характеристик транзистора и реле.

Выбор между реле или транзистором будет зависеть от каждого конкретного случая использования.

Наблюдение тока

Если вы хотите получить более точное представление о том, как работает транзистор, то вам нужно попытаться выполнить приведенный далее опыт. Он показывает точное поведение и ограничения транзистора 2N2222, который вы использовали в эксперименте 10.

Я уже говорил, что в n-p-n-транзисторах коллектор должен быть всегда более положительным, чем эмиттер, а база должна иметь потенциал где-то между этими двумя значениями напряжения. На рис. 2.89 показано это приблизительное соотношение. Теперь я хочу добавить некоторые цифры в эти общие заявления.

Рис. 2.89. Для правильного функционирования n-p-n-транзисторов требуется поддерживать это соотношение между потенциалами точек

Посмотрите на схему на рис. 2.90 и проверьте значения компонентов. Следует заметить, что общее сопротивление резисторов R1 + R2, расположенных выше транзистора, является таким же, что и суммарное сопротивление резисторов R3 + R4. Поэтому потенциал базы транзистора должен быть где-то посередине между двумя максимумами, до тех пор, пока вы не будете с помощью потенциометра P1 регулировать напряжение на базе транзистора.

Рис. 2.90. Это практически та же самая схема только с добавленным потенциометром и удаленным светодиодом.

_{Значения компонентов: R1 — резистор с сопротивлением 180 Ом; R2 — резистор с сопротивлением 10 кОм; R3 — резистор с сопротивлением 180 Ом; R4 — резистор с сопротивлением 10 кОм; P1 — потенциометр с линейной характеристикой и сопротивлением 1 МОм; Q1 — транзистор типа 2N2222}

Два резистора R1 и R3 сопротивлением 180 Ом защищают транзистор от избыточного тока. Два резистора R2 и R4 сопротивлением 10 кОм защищают базу транзистора, когда движок потенциометра перемещен в крайнее верхнее или в крайнее нижнее положение.

Я хотел бы посмотреть, что делает транзистор. Сделать это можно путем измерения тока, протекающего через базу в месте, помеченном, как A1 (см. рис. 2.90), а также измерить суммарный ток, который протекает через эмиттер в месте, обозначенном, как A2. Для этого было бы очень хорошо иметь два прибора, но поскольку это не совсем практично, то на рис. 2.91 и 2.92 показано, как вы можете, переключая один мультиметр на макетной плате, выполнить измерения в двух этих местах.

Рис. 2.91. Мультиметр, измеряющий ток через базу транзистора в точке А1 (см. рис. 2.90)

Рис. 2.92. Один конец резистора R3 был отсоединен от макетной платы, поэтому мультиметр в настоящий момент измеряет ток, который проходит через эмиттер транзистора, и сопротивление R3, т. е. в точке А2 (см. рис. 2.90)

Помните, что при измерении тока вы должны сделать так, чтобы ток проходил через мультиметр. Это означает, что прибор должен быть включен в разрыв цепи, а как только вы отключите его, вы должны восстановить соединение между точками, к которым был подключен мультиметр. Из приведенных рисунков легко понять, как это можно было бы сделать на макетной плате. К счастью, на макетной плате очень легко и просто отключать и снова подключать провода и компоненты. Там, где измерительные провода подключаются к потенциометру и во втором случае к резистору R3, вам могут потребоваться зажимы типа «крокодил».

Начинайте вращать потенциометр, повернув его примерно до половины. Измерьте ток в точках A1 и A2. Переместите движок немного вверх и измерьте ток в этих же точках снова. Далее приведена табл. 2.5, в которой показаны реальные результаты измерений, которые я получил, одновременно используя два цифровых мультиметра.

Получается довольно очевидное соотношение. Ток, проходящий через эмиттер, измеренный в точке А2, в 24 раза больше тока, проходящего через базу, и измеренного в точке А1.

Соотношение между током, проходящим через эмиттер n-p-n-транзистора, к току, проходящему через базу этого же транзистора, называется бета-параметром для транзистора. Величина этого параметра выражает величину усиления транзистора.

Это достаточно постоянная величина до тех пор, пока базовый ток не становится более 0,12 мА, когда транзистор переходит в состояние насыщения, что означает, что его внутреннее сопротивление не может более уменьшаться.

В моем маленьком эксперименте я обнаружил, что максимальный ток, который может быть достигнут при измерении в точке А2, равен 33 мА.

Простое вычисление с помощью закона Ома показало, что при этом значении тока внутреннее сопротивление транзистора стало практически равно нулю. Именно поэтому-то вы должны защищать транзистор каким-либо дополнительным резистором, установленным в цепь. Если вы этого не сделаете, то малое значение внутреннего сопротивления транзистора приведет к такому большому значению эмиттерного тока, что это станет причиной сгорания транзистора.

А что можно сказать про другой конец диапазона? В этом случае, когда через эмиттер проходит ток, равный 1,9 мА, транзистор имеет внутреннее сопротивление, равное примерно 6000 Ом. Из этого можно сделать следующий вывод: в зависимости от того, какой ток вы прикладываете к данному транзистору, его внутреннее сопротивление меняется от нуля до приблизительно 6000 Ом.

Вот и вся теория. Что бы теперь мы могли сделать такое с транзистором, что нас бы развеселило, или было бы полезно, или бы сделало и то и другое? Итак, мы можем приступить к выполнению эксперимента 11.

Эксперимент 11. МОДУЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, макетная плата, провода и мультиметр.

2. Светодиоды. Количество — 1 шт.

3. Резисторы различного номинала.

4. Конденсаторы различного номинала.

5. Биполярный транзистор 2N2222 или аналогичный ему. Количество — 2 шт.

6. 2N6027 программируемый однопереходный транзистор. Количество — 2 шт.

7. Миниатюрный динамик сопротивлением 8 Ом. Количество — 1 шт.

До сих пор я описывал небольшие схемы, которые выполняли очень простые функции. Теперь наступило время для создания модуля, на основе которого можно соорудить устройство, способное на гораздо большее.

Конечным продуктом данного эксперимента будет схема, генерирующая звуковой сигнал, подобный небольшой сирене, которую можно будет использовать для создания сигнализации несанкционированного проникновения. Вас может интересовать или не интересовать обладание таким сигнальным устройством, но четыре этапа этого процесса очень важны, поскольку наглядно демонстрируют каким образом можно заставить отдельные группы компонентов обмениваться данными друг с другом.

Я начну с того, что покажу вам, как нужно использовать транзистор, чтобы создать схему генератора, которую мы построили ранее на основе реле при выполнении эксперимента 8. Реле, вы наверно помните, было подключено так, что напряжение питания на его обмотку поступало через контакты реле. Как только на обмотку подавалось напряжение, реле размыкало контакт, одновременно отключая подачу напряжения питания на обмотку. Как только контакты освобождались, они возвращались в исходное состояние, снова замыкая контакты и подавая напряжение питания на обмотку.

Не существует способа сделать это на основе одного биполярного транзистора. Для этого вам потребуется два таких транзистора, которые будут включать и выключать друг друга, и то, как они это делают, будет довольно сложно понять. Более простой способ — это использование другого компонента, который известен под названием программируемый однопереходный транзистор (PUT — programmable unijunction transistor).

Однопереходные транзисторы были разработаны в середине 1950-х годов, но оставались невостребованными, пока дешевые кремниевые кристаллы выполняли те же самые функции более надежно и точно. Однако программируемые однопереходные транзисторы широкодоступны, поскольку часто используются в регуляторах света и устройствах управления двигателями. Поскольку их основная задача генерировать поток импульсов, они идеальны и для нашей задачи.

Если вы соедините компоненты так, как показано на рис. 2.93, то светодиод начнет мигать сразу же после включения напряжения питания.

Рис. 2.93. Соберите эти компоненты, приложите напряжение питания и светодиод начнет мигать.

_{Значения компонентов: R1 — резистор с сопротивлением 470 кОм; R2 — резистор с сопротивлением 15 кОм; R3 — резистор с сопротивлением 27 кОм; C1 — электролитический конденсатор емкостью 2,2 мкФ; D1 — светодиод; Q1 — программируемый однопереходный транзистор 2N6027} 

Следует заметить, что цепь работает от источника питания с напряжением 6 В. Вы не сможете повредить что-либо в этой схеме, если в качестве напряжения питания будете использовать 12 В, но при добавлении следующих компонентов вы поймете, что напряжение 6 В лучше, чем 12 В. Для того чтобы разобраться в том, каким образом работает эта схема, прочтите следующий разд. «Важные сведения — Все о программируемых однопереходных транзисторах».

Все о программируемых однопереходных транзисторах

Схематическое изображение программируемого однопереходного транзистора (PUT — programmable unijunction transistor) существенно отличается от обозначения обычного биполярного транзистора, а его части имеют другое название. Тем не менее он обладает теми же самыми функциями, что и твердотельный полупроводниковый переключатель. Условное графическое обозначение и три наименования его выводов приведены на рис. 2.94.

Рис. 2.94. Условное графическое обозначение программируемого однопереходного транзистора

Следует заметить, что это очень редкий случай (может быть единственный во всей электронике), когда компонент везде обозначается на схемах одним и тем же символом. Программируемый однопереходный транзистор выглядит всегда так, как я его нарисовал здесь. Лично мне хотелось бы поместить этот символ в кружок, но больше никто этого не делает, поэтому я тоже не буду это делать.

Программируемый однопереходный транзистор 2N6027 является наиболее распространенным транзистором такого типа, поэтому он имеет стандартный корпус и стандартное назначение выводов. Мне такие транзисторы попадались только в пластмассовых корпусах, а вот в металлических корпусах я их не встречал. На рис. 2.95 показаны названия выводов транзистора, если транзистор 2N6027 был произведен компанией Motorola или On Semiconductor. Если вы приобрели этот компонент от другого производителя, то вам следует уточнить назначение его выводов по листу технических данных.

Рис. 2.95. Название и расположение выводов программируемого однопереходного транзистора 2N6027, выпускаемого компаниями On Semiconductor и Motorola

Следует отметить, что плоская часть пластмассового корпуса биполярного транзистора 2N2222 направлена в противоположную сторону по сравнению с положением плоской части корпуса однопереходного транзистора, что важно, когда эти два устройства используются вместе.

Однопереходный транзистор препятствует прохождению тока до тех пор, пока его внутреннее сопротивление не падает до такого значения, что ток начинает протекать от «анода» к «катоду». В этом он кажется похожим на n-p-n-транзистор, но существует большая разница в условиях, которые заставляют однопереходный транзистор снизить свое сопротивление. Так, для того, чтобы программируемый однопереходный транзистор открылся для прохождения тока, определяется напряжением на его аноде.

Предположим вы начали, скажем, с напряжения 1 В, приложенного к аноду. Затем постепенно и медленно повышаете это напряжение. Транзистор остается закрытым до тех пор, пока напряжение на аноде не станет близким к 6 В. Внезапно это напряжение падает, поскольку падает сопротивление и импульс тока поступает на катод. Если напряжение снова снижается, то однопереходный транзистор возвращается в свое исходное состояние и снова препятствует прохождению тока.

Я добавил новый вариант рисунка с изображением «пальца на кнопке» для того, чтобы упрощенно объяснить поведение однопереходного транзистора (рис. 2.96). Напряжение на аноде само несет ответственность за нажатие на кнопку, которая открывает путь прохождения тока на катод.

Рис. 2.96. Когда напряжение на аноде однопереходного транзистора превышает пороговое значение, которое определяется напряжением на управляющем электроде, транзистор начинает пропускать ток и создается импульс, проходящий от анода к катоду. В этом случае ситуация выглядит так, как будто напряжение на аноде само нажимает на кнопку для замыкания контакта внутри транзистора при некоторой помощи напряжения на управляющем электроде

Для вас может оказаться проблемой определение того, какую функцию выполняет управляющий электрод. Вы можете считать его неким компонентом, «помогающим» пальцу нажимать на кнопку. Фактически управляющий электрод это «программируемый» элемент однопереходного транзистора. Изменяя уровень напряжения на этом электроде, вы можете задать точку срабатывания, при которой транзистор начинает пропускать ток.

Итак, приведем простое обобщение.

• Анод должен быть более положительным, чем катод, а напряжение на управляющем электроде должно находиться между этими двумя значениями.

• Если напряжение на аноде становится больше некоторого порогового уровня, то через однопереходный транзистор начинает проходить ток, и течет он от анода к катоду.

• Если напряжение на аноде снова становится меньше порогового уровня, то транзистор прекращает пропускать ток.

• Напряжение, приложенное к управляющему электроду, определяет уровень порогового напряжения.

• Напряжение на управляющем электроде транзистора задается с помощью двух резисторов, которые обозначены, как R1 и R2 на схеме, приведенной на рис. 2.97. Обычно сопротивление каждого из этих резисторов составляет 20 кОм. Однопереходный транзистор защищен от полного напряжения питания с помощью резистора R3, сопротивление которого может быть 100 кОм или выше, поскольку для напряжения смещения транзистора требуется очень небольшой ток.

Рис. 2.97. На этой простой схеме показано каким образом можно использовать однопереходный транзистор. Сопротивления резисторов R1 и R2 определяют напряжение на управляющем электроде, которое в свою очередь задает пороговое значение для входного напряжения на аноде. Как только входное напряжение становится больше порогового значения, транзистор начинает пропускать ток от анода к катоду

• Вы подаете на анод транзистора входной сигнал в форме положительного напряжения. Когда сигнал превысит пороговое значение напряжения, то через катод начинает протекать ток, который может использоваться в качестве управляющего выходным устройством.

Единственно оставшийся вопрос, как мы заставим однопереходный транзистор генерировать колебания, чтобы создавать импульсы включения/выключения. Ответ заключается в наличии конденсатора, который вы включали в цепь, собранную на макетной плате в начале эксперимента 11 (см. рис. 2.93).

Шаг 1. Колебания с малой частотой

На рис. 2.98 приведено графическое изображение схемы, собранной на макетной плате с использованием однопереходного транзистора и показанной на рис. 2.93; оно выполнено так, что компоновка условных обозначений компонентов в максимальной степени соответствовала бы их расположению на макетной плате.

Рис. 2.98. Такое изображение схемы облегчает восприятие того, что находится на макетной плате

Резисторы с сопротивлениями 15 кОм и 27 кОм задают напряжение на управляющем электроде. Через резистор сопротивлением 470 кОм напряжение подается на анод однопереходного транзистора, а он начинает свою «работу» с состояния «выключено» (заперт), в котором он не пропускает ток. Напряжение, поступающее на анод транзистора, будет равно напряжению на электролитическом конденсаторе емкостью 2,2 мкФ, который вначале начинает заряжаться.

Вы наверно помните, что резистор замедляет скорость заряда конденсатора. Причем чем больше сопротивление резистора и/или емкость конденсатора, тем будет больше длительность полного заряда конденсатора. В этой схеме, чтобы зарядиться до значения 6 В, конденсатору требуется примерно 0,5 сек.

Но не следует забывать, что однопереходный транзистор 2N6027 подключен параллельно с конденсатором. Поэтому все напряжение, которое накопилось на конденсаторе, также будет влиять и на транзистор. Так, по мере увеличения этого напряжения наступит момент, когда оно превысит уровень порогового напряжения, и однопереходный транзистор переключается в состояние «включено» (открыт), в котором он пропускает ток. При этом конденсатор через транзистор и светодиод (который в это время будет светиться) начнет немедленно разряжаться током, поступающим на отрицательный вывод источника питания.

Импульс тока разряжает конденсатор. Напряжение на аноде транзистора падает, и он возвращается в исходное состояние. Теперь конденсатор снова начнет заряжаться до тех пор, пока весь процесс не повторится снова.

Если вы замените конденсатор на конденсатор емкостью 22 мкФ, то время заряда/разряда увеличится в 10 раз и вы сможете его измерить. Установите на вашем мультиметре режим измерения постоянного напряжения и прикоснитесь измерительными щупами к контактам конденсатора. Вы реально увидите процесс повышения напряжения до порогового уровня, а затем разряд конденсатора и повторное уменьшение напряжения.

Теперь мы получили генератор. Что дальше?

Шаг 2. За пределами возможностей визуального наблюдения

Если вы выполните замену на конденсатор малой емкости, то он будет заряжаться быстрее, а светодиод чаще мигать. Предположим, вы установили конденсатор емкостью 0,0047 мкФ (которую можно записать так же, как 47 нФ). Это значение емкости использует нечетное число, но это одно из стандартных значений емкостей выпускаемых конденсаторов. Установка такого конденсатора уменьшает емкость более чем в 500 раз, поэтому светодиод в этом случае будет мигать с частотой в 500 раз большей, что будет соответствовать частоте колебаний, равной примерно 1000 раз в секунду. Человеческий глаз уже не в состоянии заметить мигание с такой частотой. Однако ухо человека может слышать частоту до 10 000 колебаний в секунду и даже выше.

Поэтому, если мы заменим светодиод небольшим динамиком, то будем в состоянии услышать сгенерированные колебания.

На рис. 2.99 показано, как я хочу, чтобы вы это сделали.

Рис. 2.99. Дополнительные компоненты, которые смонтированы в нижней части макетной платы, имеют те же функции, что и компоненты, установленные выше, но при этом параметры некоторых компонентов несколько изменены:

 _{R4 — резистор с сопротивлением 470 кОм; R5 — резистор с сопротивлением 33 кОм; R6 — резистор с сопротивлением 27 кОм; R7 — резистор с сопротивлением 100 Ом; C2 — конденсатор емкостью 0,0047 мкФ; Q2 — программируемый однопереходный транзистор 2N6027; L1 — миниатюрный динамик с сопротивлением 8 Ом диаметром 1'' (25,4 мм)}

Пожалуйста, оставьте вашу предыдущую схему с низкой частотой колебаний нетронутой и соберите ее копию в нижней части макетной платы, заменив пару элементов на указанные ранее.

В схеме на рис. 2.100 новая часть схемы изображена сплошными черными линиями, а старая серыми.

Рис. 2.100. Та часть схемы, которая была выполнена ранее, показана серым цветом. Просто добавьте ту часть схемы, которая выполнена черным цветом

Я хочу, чтобы вы оставили предыдущую схему, работающую с низкой частотой, нетронутой, потому, что у меня есть идея использовать ее несколько позднее. Вы можете оставить светодиод мигающим.

Динамик подключается последовательно с резистором номиналом 100 Ом для ограничения тока, который протекает через однопереходный транзистор. Динамик не имеет полярности, тем не менее, у него один провод красного, а другой черного цвета.

Вы можете подключать его любым способом.

Изначально вы будете разочарованы, поскольку будет казаться, что схема ничего не делает. Однако если вы приложите ухо очень близко к динамику, и если вы все выполнили правильно, то услышите негромкое жужжание, похожее на писк комара.

Очевидно, что такая громкость совершенно недостаточна, чтобы иметь какую-либо практическую ценность. Нам нужно увеличить эту громкость. Другими словами, мы должны ее усилить.

Может быть, вы еще не забыли, что транзистор 2N2222, который вы применяли ранее, может использоваться в качестве усилителя. Поэтому давайте попробуем использовать его в этом качестве.

Монтаж динамика

Диафрагменный или конический динамик спроектирован для того, чтобы воспроизводить звук, но когда он колеблется взад и вперед, он излучает звук от своей задней панели точно так же, как и от передней. Поскольку эти звуковые колебания находятся в противофазе, то наблюдается тенденция приглушения звука.

Воспринимаемый сигнал от динамика может быть существенно увеличен, если добавить к нему рупор в виде трубы для отделения колебаний от передней и задней частей динамика.

Для миниатюрного динамика диметром около 1'' (25,4 мм) вы можете изготовить рупор из листа картона (рис. 2.101).

Рис. 2.101. Динамик излучает звук от своей нижней поверхности точно так же, как и от верхней. Чтобы увеличить полезную составляющую аудиосигнала, можно использовать картонную трубку для разделения источников звука или установить динамик в небольшой корпус

Еще лучше установить динамик в корпус, в котором звук от задней панели динамика будет поглощаться. Для задач, связанных с такими простыми экспериментами, я не буду беспокоиться о таких деталях, как применение корпуса с акустическим фазоинвертором.

Шаг 3. Усиление

Отсоедините динамик и установленный последовательно с ним резистор с сопротивлением 100 Ом. Затем добавьте транзистор 2N2222, который для защиты от избыточного тока должен быть подключен к однопереходному транзистору через резистор с сопротивлением 1 кОм (рис. 2.102).

Рис. 2.102. Добавив биполярный транзистор 2N2222 общего назначения, мы усиливаем сигнал, поступающий от однопереходного транзистора Q2: R8 — резистор с сопротивлением 1 кОм; Q3 — биполярный транзистор 2N2222. Другие компоненты аналогичны тем, которые использовались ранее при монтаже этой схемы

Эмиттер транзистора 2N2222 подключается к «земле» (отрицательному выводу источника питания), а коллектор к динамику и установленному последовательно с ним резистору номиналом 100 Ом. Теперь небольшие колебания тока на выходе однопереходного транзистора будут улавливаться базой транзистора 2N2222, который будет преобразовывать их в большие колебания между коллектором и эмиттером, а соответственно и в большие колебания тока в динамике. Проверьте соединения по схеме, приведенной на рис. 2.103.

Рис. 2.103. Электрическая схема, соответствующая собранной на макетной плате и показанной на рис. 2.102 схеме

Теперь звук в динамике будет несколько мощнее, чем жужжание насекомого, но все еще недостаточно мощным. Что же делать?

Отлично, если вы подумали о подключении еще одного транзистора 2N2222. Биполярные транзисторы устанавливаются последовательно, поэтому выход одного транзистора подключается к базе другого. Усиление первого, равное 24:1, будет умножаться на усиление следующего, которое также равно 24:1, что даст общее усиление, равное более 500:1.

Но при использовании такой технологии существуют ограничения. Транзистор 2N2222 может проводить такой большой ток только до того момента, пока не достигнет тока насыщения, а избыточное усиление может привести к искажениям. Когда я создавал эту схему, я использовал мультиметр, чтобы проверить, что мы находимся в пределах проектных значений; кроме того, в данном случае искажения звука для меня не имели особого значения.

Добавление второго биполярного транзистора 2N2222 (Q4) показано на рис. 2.104. На рис. 2.105 ранее собранная схема приведена серым цветом, а черным те изменения, которые сделаны.

Рис. 2.104. Q4 это другой биполярный транзистор 2N2222, который производит дальнейшее усиление сигнала. Он получает питание через резистор R9 с сопротивлением 2,2 кОм

Рис. 2.105. Эта схема аналогична собранной на макетной плате и показанной на рис. 2.104

Если накопление количества компонентов на плате приводит к затруднениям восприятия, то следует помнить, что каждая совокупность деталей имеет свою отдельную определенную функцию. Для иллюстрации наглядности работы отдельных блоков схемы можно нарисовать соответствующую блок-схему, которая для данного случая приведена в верхней части на рис. 2.106.

Рис. 2.106. Верхняя часть рисунка: блок-схема генератора звуковых колебаний, работающего на относительно высокой частоте («быстрый» генератор). Нижняя часть рисунка: блок-схема генератора, в котором добавлен относительно низкочастотный («медленный») генератор для управления другим («быстрым») генератором, работающим на более высокой частоте

При использовании второго транзистора 2N2222 вы должны заметить, что выходной звук стал более громким, по меньшей мере, в пределах возможностей вашего небольшого динамика диаметром 1'' (25,4 мм). Сложите ладони вокруг динамика, и вы услышите, что громкость звучания увеличилась (см. рис. 2.101).

Кроме того, вы можете попробовать использовать динамик диаметром 3'' (76,2 мм), который будет генерировать выходной сигнал лучшего качества, оставаясь в рамках предельных возможностей транзистора 2N2222 (рис. 2.107).

Рис. 2.107. Биполярный транзистор 2N2222 в состоянии подать сигнал достаточной мощности на динамик диаметром 3'', который может выдать звуковой сигнал более высокого качества

Шаг 4. Прерывистые выходные сигналы

Если вы хотите использовать выходной сигнал в качестве сигнала охранной сигнализации, то непрерывный жужжащий звук не относится к числу тех, которые удовлетворительно выполняют эту задачу. Прерывистый сигнал будет привлекать гораздо больше внимания.

Отлично, первая часть схемы, которая была создана ранее, генерирует сигнал с частотой порядка двух импульсов в секунду, вы использовали его для включения светодиода (см. рис. 2.98).

Может быть нам убрать светодиод и использовать выход первой части схемы во второй части схемы генератора? Эту идею может пояснить блок-схема, приведенная в нижней части на рис. 2.106.

Однако можно ли это сделать так просто? И да, и нет. Сложность заключается в том, чтобы согласовать выход первой части схемы с входом второй. Если вы просто подключите провод от катода первого программируемого однопереходного транзистора к аноду второго, то это не будет работать, поскольку второй транзистор уже выполняет генерацию колебаний, изменяя напряжение от низкого до высокого значения с частотой порядка 1000 раз в секунду. Добавьте еще напряжение, и в результате вы нарушите баланс, который дает возможность создавать колебания.

Однако мы помним, что напряжение на управляющем электроде однопереходного транзистора влияет на пороговое значение, при котором меняется его проводимость. Может быть, если мы при соединим выход транзистора Q1 к управляющему электроду транзистора Q2, мы будем в состоянии регулировать изменение порогового значения автоматически? Напряжение будет находиться в диапазоне, который все еще остается приемлемым для однопереходного транзистора. Мы можем попробовать различные транзисторы, чтобы найти тот, который лучше всего подходит для этой цели.

Это выглядит как метод проб и ошибок, чем на самом деле и является. Выполнение математических расчетов для предсказания поведения такой цепи, как эта, выглядит достаточно сложной задачей, для меня во всяком случае. Я всего лишь посмотрел на справочные листы технических данных, чтобы выбрать именно те транзисторы, диапазон значений которых будет приемлем для однопереходных транзисторов, и выбрал из них тот, который, казалось, должен работать.

Если убрать светодиод и заменить его сопротивлением R10, как это показано на схеме, собранной на макетной плате и приведенной на рис. 2.108, то вы обнаружите, что выходной переменный сигнал однопереходного транзистора Q1 заставляет другой транзистор Q2 генерировать двухтональный сигнал. Это достаточно интересно, но все же не то, что мне нужно. Я думаю, что, если мы сделаем выходные импульсы транзистора Q1 менее резко прерывающимися, то результат мог бы быть лучше, а способом сглаживания выходных импульсов должно быть подключение другого конденсатора, который будет заряжаться в начале каждого импульса и разряжаться в его конце. В этом-то и заключается назначение конденсатора С3 емкостью 2,2 мкФ на рис. 2.109, и это будет завершающим элементом схемы, который приведет к генерированию «воющего» сигнала, который будет звучать почти как настоящий сигнал тревоги.

Рис. 2.108. Резистор R10 соединяет «медленный» генератор в верхней части макетной платы с управляющим электродом однопереходного транзистора Q2, установленный в центре макетной платы. Это приводит к модулированию колебаний акустического генератора с дальнейшим изменением звука за счет добавления сглаживающего конденсатора

Рис. 2.109. На этой схеме приведена та же самая схема, что и на макетной плате, приведенной на рис. 2.108: R10 — резистор с сопротивлением 10 кОм; C3 — электролитический конденсатор емкостью 2,2 мкФ

Если вы не получите на выходе никакого аудиосигнала, то очень тщательно проверьте подключение проводов в вашей схеме. Очень легко сделать неправильное подключение на макетной плате, особенно, если имеешь дело с тремя выводами транзисторов. Для проверки того, что каждая часть схемы питается положительным напряжением, следует использовать мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения, и выполнить измерения относительно отрицательного вывода источника питания.

На рис. 2.110 показано каким образом должна выглядеть ваша окончательная схема, полностью смонтированная на макетной плате.

Рис. 2.110. На этой фотографии приведена полностью собранная схема охранной звуковой сигнализации, смонтированная на макетной плате

Тонкая настройка схемы

Здесь существует огромное пространство для творчества.

• Отрегулируйте частоту звука — используйте конденсаторы меньшей или большей емкости вместо конденсатора C2 (в два раза больше или меньше текущего значения); используйте большее или меньшее сопротивление для резистора R5.

• Отрегулируйте параметры генерирования — используйте конденсаторы меньшей или большей емкости вместо конденсатора C1 (в два раза больше или меньше текущего значения); используйте большее или меньшее сопротивление для конденсатора R2.

• Настройки общих эксплуатационных характеристик — попытайтесь увеличить сопротивление резистора R1; попытайтесь уменьшить или увеличить емкость конденсатора С3.

• Попытайтесь включить схему, используя в качестве напряжения питания значения 7,5 В, 10 и 12 В.

Предполагается, что все схемы в этой книге приведены в качестве начальной идеи. Вы должны всегда пытаться изменять их так, чтобы создавать собственные схемы. До тех пор пока вы будете следовать общему правилу защиты транзисторов и светодиодов с помощью резисторов и соблюдать соответствующие правила при подключении положительного и отрицательного напряжения, вам вряд ли удастся их сжечь. Конечно, инциденты будут иметь место — я лично был не слишком внимателен и сжег пару светодиодов, работая над этой схемой, поскольку я их подключал неправильно.

Шаг 5. Усовершенствования

Схема для генерирования сирены является всего лишь выходным каскадом системы охранной сигнализации. Вам же, чтобы сделать эту схему полезной, нужно выполнить ряд следующих требований по усовершенствованию:

1. Нужен какой-либо датчик регистрации проникновения. Может быть, магнитные переключатели[8] для окон и дверей?

2. Необходим какой-то способ для включения звука, если какой-либо из датчиков сработал. Способ, как это сделать, уже существует. Надо пропустить небольшой постоянный ток через все датчики (магнитные переключатели), подключенные последовательно. Если любой из этих переключателей размыкается или если провод сам по себе обрывается, то это приводит к разрыву токовой цепи, что будет приводить к включению сигнализации. Вы могли бы это сделать, используя двухпозиционное реле, поддерживая реле в состоянии срабатывания до тех пор, пока цепь не будет разорвана, когда реле переходит в исходное состояние, замыкая контакты, которые включают напряжение питания устройства генерирования сирены.

Проблема заключается в том, что реле потребляет достаточно большую мощность, когда на нее подается напряжение питания и одновременно разогревается. Я бы хотел сделать свою систему сигнализации, потребляющую очень малый ток, когда она находится в режиме «готовности», и чтобы она могла питаться от батарейки. Системы сигнализации никогда не должны полностью зависеть от сетевого напряжения дома.

Если же мы не используем реле, то можем ли мы применить транзистор для включения остальной части схемы, когда напряжение питания отключено? Разумеется; практически достаточно одного транзистора, чтобы сделать это.

3. Но каким образом нашу систему сигнализации ставить на охрану? На практике нам понадобится трехэтапная процедура. Сначала надо проверить небольшую индикацию, которая включается, когда все двери и окна закрыты. Затем, нажатие на кнопку должно включать 30-секундный отчет, давая вам время выйти из помещения, если это то, что вам надо сделать. И, наконец, после этих 30 сек сигнализация должна встать на охрану сама.

4. Если сигнализация сработала, что должно произойти далее? Если какая-либо сила открывает окно, должна ли сигнализация отключить звук, как только окно будет закрыто? Нет, сигнализация должна оставаться включенной до тех пор, пока вы ее не отключите.

5. Как надо отключать ее? Ввод какого-либо кода с помощью клавиатуры был бы неплохим решением.

6. Но следует избегать нервировать кого-либо, если сигнализация будет срабатывать ложно, поэтому когда вы не находитесь дома, она должна отключаться сама, например, через 10 мин. В этом случае она не должна генерировать звуковой сигнал, но при этом светодиод должен вам показывать, что произошло. Вы можете затем нажать кнопку перезагрузки для того, чтобы отключить светодиод.

Реализация перечня требований

Итак, я подготовил перечень требований, которые, вероятно, сделают проект, по меньшей мере, в пять раз более сложным, чем он есть в настоящий момент. Отлично, это именно то, что должно случиться, когда вы идете дальше, отталкиваясь от небольшой демонстрационной схемы, и пытаетесь спроектировать нечто такое, что окажется полезным в повседневной жизни. Внезапно вы обнаружите, что самостоятельно пытаетесь учесть все возможные обстоятельства и ситуации.

Действительно, я могу и покажу, как позаботиться обо всех усовершенствованиях, приведенных в этом перечне, но я думаю, что они потребуют от нас сначала использования несколько более серьезного общего подхода к электронным проектам. Если вы собираетесь изготовить нечто амбициозное, то вы должны сделать это более надежным и возможно более компактным, чем просто макетная плата с размещенными на ней компонентами.

Вам надо будет узнать, как, используя пайку, соединить все компоненты на перфорированной печатной плате, которую вы затем можете установить в аккуратном небольшом корпусе с переключателями и индикаторными лампочками снаружи.

Я собираюсь уделить внимание пайке и размещению деталей схемы в главе 3. После этого мы опять вернемся к проекту охранной сигнализации.