Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
Опытному радиолюбителю достаточно порой одного взгляда на схему и он, на уровне подсознания, уже все понял: что оно собой представляет и как работает или, напротив, почему «барахлит».
Язык схем интернационален, почти как музыка, и также красив. В то время как лингвисты не одно столетие бьются над созданием эсперанто (искусственный международный язык), «электрорадиосообщество» давно обо всем договорилось. Остается только приобщиться к этой части общей культуры. «Игра стоит свеч» — именно схема тот заветный ключ, который открывает дверь в страну «Радиоэлектроника».
Слово «схема» происходит от греческого schema, означающего образ, вид. В электронике используются схемы, под которыми подразумевают чертеж в виде условных графических изображений и буквенно-цифровых обозначений, показывающий составные части устройства (или системы) и взаимосвязь между ними.
Наиболее распространены схемы: структурные, принципиальные, монтажные и замещения.
Структурная схема определяет основные функциональные части устройства в виде укрупненных блоков, их назначение и взаимосвязи. Эту схему зачастую называют блок-схемой, а иногда, следуя анатомической аналогии — «скелетной».
Принципиальная электрическая схема, называемая также полной, определяет наиболее полный состав устройства и дает детальное представление о принципах его работы. Радиолюбители под термином «схема» подразумевают именно этот вид схем.
Монтажная схема или схема соединений показывает соединения составных частей устройства и определяет провода, жгуты, кабели и т. п. элементы, которыми осуществляются эти соединения, а также места этих присоединений и ввода (соединители, платы, зажимы и т. п.). Радиолюбители используют также объединенные «компоновочные» схемы, на которых, наряду с расположением компонентов и законченных функциональных блоков, показывают и монтажные элементы.
Схема замещения (или эквивалентная схема) — схема электрической цепи устройства (или его части), отображающая ее свойства при определенных условиях. По своей сути является расчетной моделью устройства.
При использовании компьютерного моделирования мы будем применять принципиальные схемы, имеющие атрибуты схем замещения. Это позволяет создавать виртуальные модели рассматриваемых электронных устройств.
Основу подобного моделирования составляет теория электрических цепей. Электрическая цепь представляет собой совокупность соединенных определенным образом элементов, устройств и объектов, образующих путь для прохождения электрического тока.
Электронные цепи, содержащие электронные компоненты (диоды, транзисторы и т. п.), являются частным случаем таких цепей. Любая электрическая цепь, лежащая в основе того или иного электронного устройства, может быть представлена в виде схемы.
Для составления схемы, прежде всего, необходимо представить в виде схемных моделирующих элементов каждый компонент цепи, а затем соединить их определенным образом.
Компоненты цепей и соответственно их схемные модели имеют определенные характеристики (параметры, свойства). В языке схем в качестве слов используются специальные, так называемые условные графические изображения и буквенно-цифровые обозначения; упрощая, и то и другое будем называть обозначениями (УГО). Соответствие основных компонентов и их УГО частично было показано выше.
Поскольку в качестве основного теоретического инструмента в познании электроники мы избрали метод компьютерного моделирования, то и графику схем рассмотрим далее с использованием компьютера.
Простейшие цепи
Не знаешь закон Ома — сиди один дома.
Поговорка
Вряд ли кто-нибудь сейчас с достоверностью скажет, откуда родился этот премудрый императив. Скорее всего, некий преподаватель физики в реальном училище или университете лет сто назад именно так в сердцах повелел незадачливому студиозу, не освоившему столь важный и простой закон.
Что ж, давайте мы сегодня воспользуемся этим советом по-своему: ведь сидя дома тоже можно постигать великие истины мироздания, сочетая «приятное с полезным». Устроимся по-рабочему. Под рукой надо иметь нехитрый инструмент, наборы электронных деталей Мастер КИТ и, конечно, обязательно — компьютер.
Начнем с простого.
Возьмем комплект Мастер КИТ NK 143 «Юный электротехник». Здесь пока еще не потребуется паяльник, так как используются простейшие разъемные клеммные соединения, но еще не вечер… Дополнительно желательно иметь простейший мультиметр (тестер). На компьютер необходимо установить схемотехническую программу Electronics Workbench («Электронная лаборатория»), лучше 5-й версии. Далее мы будем называть ее сокращенно программа EWB. При установке программы желательно выбрать европейский стандарт УГО схемотехнических обозначений в DIN, к которому ближе российские ГОСТы (рис. 38).
Рис. 38. Окно установки стандарта УГО (EWB)
Необходимые приготовления сделаны: реальный мир «железа» — наборы Мастер КИТ и «виртуальный» мир — программа EWB готовы к нашим услугам. Мы вольны свободно перемещаться во времени и пространстве.
Вернемся на некоторое время к достопочтенному господину Георгу Симону Ому, преподававшему математику и физику в г. Кельн в далеком XVIII веке. Ему пришлось преодолеть громадные экспериментальные трудности (несовершенные источники тока, отсутствие электроизмерительных приборов и т. п.). Составляя цепи из различных проводников, он устанавливает взаимосвязь между напряжением и током на участке электрической цепи, названную позже его именем. Конечно, у Ома были непосредственные предшественники, среди них которых в первую очередь надо отметить первого русского электротехника, профессора Петербургской медико-хирургической академии, академика В. В. Петрова.
Радиолюбители всегда вспоминают Ома, так как значения номиналов одного из самых распространенных компонентов электрических цепей резисторов измеряются именно в омах. Вот просто был когда-то всего лишь один Ом, а теперь, пожалуйста, пачками: и тысячи Ом (килоОм), и миллионы Ом (МегаОм) и еще больше, или, наоборот, много меньше.
Величину протекающего тока Ом оценивал по отклонению магнитной стрелки. Эти исторические опыты можно теперь с легкостью воспроизвести на вышеуказанном комплекте Мастер КИТ.
Физический эксперимент
Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе таков бросание будет просто забавою.
Кузьма Прутков. Афоризм № 156
Наш комплект Мастер КИТ «Юный электротехник» имеет чуть меньший номер: NK 143, но глубина мысли, при работе с ним, должна соответствовать бессмертному афоризму.
Соберем простейшую электрическую цепь, показанную на рис. 39.
Рис. 39. Простая электрическая цепь Мастер КИТ NK143 «Юный электротехник»
Здесь миниатюрная лампочка накаливания присоединяется через клеммную колодку к батарее. В результате образуется замкнутая последовательная электрическая цепь — контур. Его можно мысленно обойти от положительного полюса батареи «+» через соединительный провод, нить накала, провода, идущие к отрицательному полюсу «-», и, пройдя «внутри батареи», вернуться к исходной точке «+».
Направление этого обхода принимается за положительное направление тока в данной цепи. Ом мыслил механическими понятиями и считал, что так течет некоторая «электрическая жидкость». Напряжение — ее напор, ток — ее поток. Источник тока также характеризуется в терминах механики — «электродвижущая сила» (ЭДС).
Введя некоторую величину, названную сопротивлением, Ом получил закон, который, нисколько не умаляя его заслуг, можно было бы назвать «законом водопроводчиков». Авторская формулировка была весьма витиевата: «Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме всех приведенных длин». Под «приведенными длинами» и скрывалось сопротивление. Теперь же, в простейшем случае, не мудрствуя лукаво, делят «вольты» на «амперы» и получают «омы» или составляют другие тождественные комбинации из названных ученых господ. Эти три господина всегда вместе, как три мушкетера: «Один за всех и все за одного». Недаром в «электрической азбуке», вместо «аз, буки, веди» значится: «ампер, вольт, ом». Это настолько ходовые величины, что есть даже комбинированный прибор: «ампер-вольт-омметр», название которого сокращают панибратски до «авометра».
