Эта глава посвящена обсуждению основных понятий из области электрических цепей.
Первое же практическое занятие состоит в том, чтобы построить незамысловатую
поделку, подтверждающую эти понятия, подготовить макетную плату для дальнейшей
работы и приобрести простейшие навыки радиомонтажа.
Обратно, к оглавлению
Предположим, что нам уже известно следующее: электрический ток представляет собою движение малюсеньких частиц, каждая из которых несет в себе малюсенький электрический заряд - при этом мы не вдаемся в подробности о том, что же такое собственно электричество - об этом пущай болит голова у физиков. В металлах этими заряженными частицами являются электроны - это такие ерундовинки, которые входят в состав любых атомов - там они крутятся вокруг атомного ядра, как планеты вокруг Солнца.
Электрический ток в проводе можно сравнить с током воды в водопроводной трубе. При этом аналогом электронов будут собственно молекулы воды. Какие характеристики можно ввести для такой трубы? В первую очередь в голову приходит такой параметр, как производительность - количество воды, протекающее через какое-либо сечение трубы за единицу времени. Например, я вижу, что ванна объемом 1 кубометр наполняется из крана за 10 минут - из этого я могу сделать вывод, что производительность крана в данном случае равна около 1.5 литров в секунду (нехилый кран!). Аналогичная величина для электрического тока называется силой тока - правда измерять ее в "электронах в секунду" неудобно, поэтому в международной системе единиц (СИ) для заряда используют более крупную единицу 1 Кулон (Кл) содержит около 1.6e+19 электронных зарядов (1.6 помноженные на десять в 19-й степени - 16 миллиардов миллиардов). Так вот, если мы заметим, что через какое-то сечение провода за секунду протекает N Кулонов, мы можем смело сказать, что ток в этом проводе равен N Амперам. То есть 1 Ампер = 1 Кулон / 1 секунду.
Чуть сложнее разобраться с напряжением. Вернемся к нашей водопроводной трубе. Предположим, что через некоторую толстую трубу, некоторый большой насос прокачивал водичку. И вот какой-то урод решил погреться и засунул в трубу некий поршень. С одной стороны поршня создалось избыточное давление воды и под действием силы этого давления поршень стал двигаться. Поршень движется, трется о стенки трубы и наш урод от этого дела греется - это детально показано на нижеприведенной картинке.
В этом случае давление с обеих сторон от поршня представляет из себя аналог электрического потенциала. Потенциал - это такая несколько абстрактная величина, определяющая потенциальную энергию тела в данной точке. Например для электрического потенциала можно сказать, что если 1 электрон переместился из точки с потенциалом Ua в точку с потенциалом Ub, то его энергия изменилась на Ua-Ub электрон-Вольт. Соответственно если в точке Ua потенциал был больше, то энергия эта может выделиться (например, в виде света) - а в противном случае энергию нужно задать извне - то есть помочь электрону переместиться в положение, где потенциал выше.
Продемонстрируем этот энергетический расчет на примере трубы. Если давление слева (p1) больше давления справа (p2) и площадь поршня с обеих сторон (равная сечению трубы) составляет S квадратных метров, то в целом на поршень действует сила F=(p1-p2)*S направленная вправо. Под действием этой силы поршень движется вправо со скоростью v. При этом, поскольку направление действия силы и направление скорости совпадают, выделяется мощность (в виде тепла) равная, как известно N=F*v=(p1-p2)*S*v=U*I - мы можем обозначить производительность (объем, деленный на время) как I=S*v=V/t, а разницу давлений как водяное напряжение U=p1-p2.
То же самое и с электричеством. Если заряд Q перемещается из точки с потенциалом fi1 в точку с потенциалом fi2 , то выделяется энергия E=(fi1-fi2)*Q. Если это злое дело совершается за время t, то можно сказать, что между точками с разностью потенциалов U=fi1-fi2 протек электрический ток силой I=Q/t и при этом средняя выделенная мощность составила N=E/t=(fi1-fi2)*Q/t=U*I - эту формулу рекомендуется запомнить, ибо она важна во всех своих проявлениях.
В дальнейшем понятием самого потенциала мы пользоваться не будем. Нас всегда будет интересовать только разность потенциалов, которая и зовется напряжением.
Любопытно задаться вопросом: А как зависит сила тока, возникающего в каком-либо проводнике под действием приложенного напряжения (разности потенциалов на концах) от величины этого напряжения? Возвращаясь к картинке с уродом, греющимся на водопроводной трубе, мы можем перефразировать это так - как зависит скорость движения поршня от разницы давлений?
Ну в целом можно радостно заявить, что зависимость такая есть, но она почти всегда непростая. Конечно, для примитивных случаев существует закон Ома , который гласит, что эти величины пропорциональны, а коэффициент пропорциональности зависит от свойств агрегата, через который протекает этот самый ток и называется сопротивлением. Чем больше сопротивление, тем слабее протекающий ток: I=U/R. Или наоборот - если через агрегат с известным сопротивлением протекает известный ток, то напряжение между его концами составит U=I*R. Измеряется сопротивление в Омах - сопротивлением в 1 Ом обладает такой проводник, через который, при подключении напряжения в 1 Вольт начинает течь ток в 1 Ампер. Разумеется введены величины 1 килоом и 1 мегаом. Однако будьте внимательны 1 МОм это мегаом, а 1 мОм - это миллиом. Различие в миллиард раз.
Закон Ома справедлив для большинства простых веществ и тел, при условии, что сила тока изменяется не слишком сильно. Во многих других случаях пользоваться им нельзя. Например, сопротивление человеческого тела между кончиками указательных пальцев составляет порядка 100 килоом. Однако большая часть этого сопротивления создается кожными покровами рук. Если подключить к человеку 1000 Вольт, то кожные покровы "пробьются" - их сопротивление резко уменьшится и, соответственно, вместо ожидаемого тока в 10 миллиампер мы получим во много раз больше.
В большинстве случаев ЧЕЛОВЕК НАВСЕГДА ВЫХОДИТ ИЗ СТРОЯ, если по нему пройдет ток силой превышающей 0.1 Ампера (100 миллиампер).
Продолжая вопрос о сопротивлениях заметим, что в электронике широко используются специальные компоненты (элементы, детали, финтиклюшки) обладающие заданным сопротивлением. Такие компоненты называются резисторами (от буржуйского слова "resistance", которое можно перевести и как "сопротивление") - некоторые виды резисторов приведены на прилагаемой (довольно убогой) фотографии.
Такие фабричные резисторы обладают ценным достоинством - их сопротивление остается почти неизменным в довольно различных условиях (бури, грозы, ураганы, кривые руки). Впрочем, на этой картинке можно видеть и два резистора с изменяемым сопротивлением - "подстроечный" и "переменный". Все такие резисторы делаются с тремя выводами, так что между двумя крайними сопротивление остается постоянным, а между средним и одним из крайних изменяется в зависимости от положения движка. Схематичные изображения резисторов приведены здесь же.
Важно отметить еще и то, что для резисторов, обычно, есть еще один важный параметр, кроме самого сопротивления - это максимальная мощность которую на этом резисторе можно рассеивать. Из приведенных выше формул можно записать зависимость мощности от сопротивления: поскольку N=U*I=U*(U/R)=(I*R)*I, то N = U2/R = I2*R. Соответственно ту или другую формулу нужно применять в зависимости от того, известно ли нам, какое напряжение приложено к резистору, либо какой ток через него течет.
Сопротивление на резисторах обозначается обычно по-разному - на отечественных и некоторых иностранных резисторах можно встретить надписи типа 1.5кОм. Кроме того иногда буква "к" или "М" может использоваться вместо десятичной точки. Тогда 1к5=1.5кОм, M120=0.12МОм=120кОм и все в таком духе. За рубежом принята другая система обозначений: сопротивления указываются тремя цифрами, из которых первые две значащие, а третья обозначает число нулей. Таким образом 203 это 20000 Ом или 20кОм. На резисторах с гибкими выводами часто вместо цифр используют цветные пояски, которые обозначают: 0-черн. 1-коричн. 2-красн. 3-оранж. 4-желт. 5-зелен. 6-голуб. 7-фиолет. 8-серый 9-белый. Четвертый поясок (если их всего четыре) обозначает точность исполнения - обычно он золотой, что подразумевает погрешность меньше 5%. Эту цветовую систему рекомендую выучить - искать в схеме резисторы с поясками очень удобно, поскольку они видны с любой стороны, в отличие от резисторов с напечатанными буквами. Если вы присмотритесь, то заметите, что для цифр от 2 до 7 использованы цвета радуги с пропуском синего. Так что выучить это действительно несложно.
Пример: на картинке резисторы (хоть это плохо видно) имеют пояски кориченвый-черный-оранжевый, (10000=10кОм), красный-черный-оранжевый (20000=20кОм) и оранжевый-оранжевый-оранжевый (33000=33кОм).
Ну а мощность резисторов обычно не пишется на них, а определяется их размером - в нашем примере присутствуют резисторы от 0.125 Вт до 2 Вт.
В качестве классических элементов, для которых закон Ома не выполняется, рассмотрим диоды. "Идеальный" диод - это элемент, который пропускает ток в одном направлении и не пропускает его в обратном. Таким образом в "прямом" направлении через него может протекать сколь угодно большой ток, при том, что напряжение на нем практически не падает. У "реальных" диодов в обратном направлении ток тоже протекает, но маленький. А при протекании тока в прямом направлении на диоде падает некоторое (небольшое) напряжение. Чтобы это изобразить, используют график зависимости тока от приложенного напряжения, называемый Вольт-Амперной Характеристикой (ВАХ). Ниже приведена ВАХ диода, несколько диодов собственной персоной и их обозначения.
Основной особенностью такой характеристики является, как видим, то, что в прямом направлении диод начинает пропускать ток не сразу, а только после того, как преложенное напряжение превысит некоторый предел - прямое падение напряжения на диоде. Эта величина может быть довольно различной для разных видов диодов. У наиболее обычных, кремниевых, она составляет около 0.7В, у германиевых около 0.3, минимальное значение - у диодов Шоттки (0.1В), а больше всего бывает у некоторых светодиодов (3В и больше).
Понятно, что если через диод течет какой-то ток и при этом на нем падает какое-то напряжение, то в целом в этом диоде пропадает электроэнергия - мощность потерь составляет N=U*I. Как было сказано, падение напряжения остается почти постоянным, поэтому потери практически прямо пропорциональны току. В обычных диодах эта мощность рассеивается в тепло, однако если правильно подобрать материал, то можно добиться того, чтобы часть ее излучалась в виде света. Такие диоды (два из них представлены на нашей фотографии) называются СветоИзлучающими Диодами (СИД) или по-английски LED - Light-Emitting Diode - а сокращенно просто светодиодами.
Светодиоды массово используются в качестве индикаторов (например, зелененькие "лампочки" на клавиатуре - это они) из-за практически вечного срока службы. Правда относительная стоимость (деньги/яркость) у них значительно выше и поэтому для освещения они используются реже. Впрочем, сейчас стали довольно популярны фонарики на ультраярких светодиодах. Кроме того часто малюсенькие светодиоды используют для подсветки экранов мобильных телефонов.
В магазинах можно встретить разные специальные виды СИДов - например, многоцветные (два или больше диодов в одном корпусе, с нужным количеством ног), мигающие, квадратные или выполненные в виде различных индикаторных матриц - например семь светодиодов в виде палочек, образующих цифру 8, либо 35 штук организованных в виде матрицы 5*7 и т.д...
Мы будем использовать светодиоды как очень дешевое и удобное в применении средство индикации в наших самоделках.
Поскольку, как было сказано выше, мы будем часто использовать светодиоды, необходимо для начала испытать, как они вообще работают. Попробовать подключить к чему-нибудь и посмотреть, на что оно похоже.
Что ж. Надо - так надо. Заодно поучимся паять. Схема нашей первой самоделки очень проста, однако чуть сложнее, чем можно было подумать с первого взгляда.
Дело в том, что напрямик подключить светодиод к источнику питания (например, к аккумулятору мобильного телефона) - нельзя. Проблема в том, что, как мы видели выше, на светодиоде, практически при любом допустимом токе, теряется напряжение около 1.5 Вольт (для красного светодиода). Аккумулятор же выдает (обычно) около 3.6 Вольт. Если подключить их друг к другу напрямую, ток через светодиод постарается вырасти до такой величины, при которой его ВАХ пересекает отметку 3.6В - к сожалению эта величина тока значительно превышает максимально допустимую. Светодиод в таком случае сгорит. Чтобы избежать этого, мы последовательно с ним включим небольшой резистор. Тогда току придется пройти еще через это дополнительное сопротивление - и именно на нем он сможет потерять "излишек" напряжения.Вот пример расчета. Пусть я собираюсь подключить конструкцию к источнику напряжением 5В. "Излишек" составляет 5-1.5=3.5В. Максимальный допустимый ток через светодиод обычно составляет от 5 до 20 мА (это можно примерно определить по размеру СИДа). Чтобы при токе в 20мА на резисторе "пропало" 3.5В напряжения, нужно взять его сопротивление равным R=U/I=3.5/0.02=175 Ом. Нарисуем схему примерно с такими параметрами. Что касается типа светодиода, вовсе необязательно искать именно АЛ102 - берите, что найдете под рукой. Подпись на схеме сделана просто для придания ей завершенного вида.
Обратите внимание, что на белом проводе завязан узелок. Таким образом я обозначаю провод, который подключается к "плюсу". Для данной самоделки неправильное включение питания не опасно - при обратном подключении она просто не будет работать, так как ток через светодиод не пойдет (проверьте!). Однако в дальнейшем мы, вероятно, будем строить схемы, в которых неверное подключение питания приводит к трагическим (для некоторых элементов) последствиям.
Примерный экономический расчет нашей самоделки:
Впрочем, я опытный образец собрал из деталей, добытых из купленных за 10р на барахолке обломков старого советского телевизора. Вышло дешевле!
На этом наш первый урок, в целом, заканчивается. Впрочем, для дальнейших занятий вам пригодится макетная плата из фольгированного текстолита. Как ее сделать - о том прочтите в разделе "основы монтажа".