Как устроена электроника

Электроника всем начинающим

Сегодня мы сделаем одно из самых бесполезных устройств из тех, что можно собрать, но как показывает жизнь, лучше сделать что-то, чем не сделать ничего. Тем не менее, в защиту этой бесполезности можно сказать только что-то вроде: много ли интересных дел, которыми мы занимаемся являются хоть сколько бы полезными?

Мы будем делать часы, таймер и игру в одном устройстве.

Готовое устройство и печеньки.

UPD #1

Дисклеймер

Внимание!

Эта статья имеет много профессиональных неточностей, по мнению уважаемых экспертов по всем вопросам и по совместительству комментаторов, также не является руководством к действию, может привести к производственным травмам и нарушениям психики. Автор призывает, не использовать данное руководство для обучения и лишь демонстрирует хаотично накопленные знания и реализует их в горделивой позе больного шизофренией с бредовыми идеями величия. Никогда не верьте мне! Я украл ваши технологии!

Некоторое вступление

Спустя много лет я решил вернуться снова к написанию статей, с новыми знаниями и силами. Знаете, интернет научил меня всему, что я знаю и даже больше, чем просто всему. Интернет стал не просто учением, в котором тяжело, но и боем, в котором легко. И я благодарен всем, кто так или иначе принял участие в моем обучении, через статьи, описание каких-то технологий, видео на YouTube и просто критику моих работ. Это герои моего времени, только благодаря им я сейчас являюсь неплохим специалистом. Ведь я не учился в этих ваших институтах и образований не получал, да и всего у меня 9 классов. Спасибо тем, кто пишет интернет.

И еще

В детстве, когда я только начинал гуглить какие-то схемы, я любил статьи с картинками, больше всего мне нравилось, как нагляден процесс сборки, как процесс обучения реализован через картинки. Буквы придумали не для меня и вообще не для детей, которые хотят заниматься электроникой. Поэтому я приложил грандиозное количество усилий, чтобы эта статья могла стать для кого-то первой ступенью. Я знаю, как сложно сделать первый шаг. Мое соприкосновение с контроллером случилось только в 2016 году, хотя я был знаком с ними и заочно, задолго до 2016 года.

Компоненты

Приступим. Первое, что нужно для разработки любого устройства – это, подготовить все необходимые радиокомпоненты и крепеж или хотя бы основные.

Не все компоненты были куплены мой, некоторые лежали без дела, или появились прямо за часы перед разработкой этого устройства 🙂

Резисторы 150 Ом 0.25 Ватт — 12 шт.

Конденсаторы 50 вольт 10 микрофарад — 4 шт.

Тактовая кнопка 6×6мм — 3 шт.

Светодиод 75×3мм — 1 шт.

Пьезо зуммер — 1 шт.

Кварцевый резонатор 16 МГц — 1 шт.

Разъём типа гребёнка — 7 шт.

Джампер (перемычка) — 1 шт.

Четырехразрядный семисегментный индикатор (Sm56425bsr3 или аналоги) — 1 шт.

Сдвиговый регистр 74ch595 корпус DIP — 1 шт.

Панель под микросхему 74ch595 корпус DIP (16 ножек) — 1 шт.

Микроконтроллер ATmega328p корпус DIP — 1 шт.

Панель под микросхему ATmega328p корпус DIP (28 ножек) — 1 шт.

Монтажная плата 40×60мм — 2 шт.

Батарейный отсек cr2032 — 2 шт.

Батарейка cr2032 — 2 шт.

Втулка 5x8x0мм (Не точно) — 4 шт.

Болт 3×6мм (Не точно) — 4 шт.

Шайба 5мм (Не точно)— 4 шт.

Гайка 3мм (Не точно) — 4 шт.

Преобразователь USB-UART CP2102 — 1 шт.

Также, рекомендую при необходимости купить флюс, припой и паяльник.

Я намеренно не указываю марку проводов, которая вам подойдет, так как совсем не владею информацией об их параметрах. Могу посоветовать МГТФ, вполне возможно, что очень хорошо подойдут. Если вы знаете, какие провода точно оптимальны, оставьте информацию в комментариях или напишите мне в личные сообщения @prohetamine.

Сдвиговый регистр 74ch595

Наверное, многим новичкам станет не по себе от понимания принципов работы микросхемы 74ch595, вне этой статьи и пропустить этот этап я просто не хочу. Сейчас я попробую максимально доступно объяснить, как она работает и чем будет полезна в конкретном случае с моим устройством.

Проще говоря, микросхема предназначена для расширения количества цифровых выходов.

Распиновка. Внимание! Рисунок имеет незначительные неточности в маркировке контактов, это сделано для более простого усвоения и понимания работы.

Самые загадочные контакты управления, которые вызывают интерес:

output pin * — контакты вывода

DS — (Serial Data Input) контакт, который определяет состояние напряжения на контактах вывода

SH — (Shift Register Clock Input) контакт, который записывает состояние которое определенно в DS

ST — (Storage Register Clock Input) контакт, который открывает микросхему для записи и закрывает, устанавливая на контакты вывода нужные состояния определенные DS

Уверен, визуальный пример, поможет вам понять происходящее лучше.

Монтажная схема соединений

Если нет, то я оставил и интерактивную версию, кнопочки работают, можно понажимать.

Теперь, когда вы овладели работой с микросхемой, можно приступить к следующему пункту.

Тонкости

Внимание!

Чтоб ничего не перепутать и ничего не испортить, в том числе настроение. Не ждем, а готовимся! Просто оставлю это здесь, для самых маленьких. Я, конечно, понимаю, что всех тонкостей в рамках и без того длинной статьи мне обозначить не удастся, и у вас все же могут возникнуть ошибки, пускай, хотя бы не самые очевидные.

Когда мы программируем контроллер, очень важно не путать rx и tx, иначе контроллер просто не прошьется.

Это странная шутка, но работает очень просто, каждый разряд имеет 8 сегментов, у каждого разряда есть минус и восемь плюсов, по сути это те же светодиоды, только в общем корпусе.

Каждая микросхема имеет ключ, то есть небольшую метку на корпусе, это признак помогает определить положение установки.

Я смотрю на эту схему каждый раз, когда вспоминаю, как припаял более 671 кнопку не в ту сторону.. Не совершай ошибку.

Плюсик: у всех новых электронных компонентов, которые имеют полярность, выглядит как хромоног.

Батарейный отсек, тоже имеет свою не очевидную полярность..

Монтажная схема соединений

Так выглядит схема нашего устройства:

UPD #2

По требованию комментаторов скоро тут появится принципиальная схема.

Но не спешите собирать, ведь собирать мы будем на плате, а не на коленке. Но сначала поговорим о некоторых спорных конструкциях. Также я буду апеллировать к своему детству: Я искренне не понимал зачем нужна обвязка, мне казались ненужными эти резисторы и конденсаторы, ведь блок питания может работать и на диодном мосте, а светодиод светиться и без понижающего резистора.

Пока пин кнопки состояние, которого мы читаем не притянут к плюсу или минусу он выдает случайные (101010000101010) результаты и кнопка, не может работать нормально, чтобы «Стабилизировать» состояние кнопки нам нужно притянуть наш пин через резистор к минусу или плюсу (принято к минусу). Тогда при нажатии у нас будет 1 иначе 0. На момент создания устройства и написания статьи, автор не знал, что существует pull-up резистор встроенный в саму ATmega328p. Почитать можно об этом на официальном сайте.

В ходе первых экспериментов, с высокочастотной перерисовкой индикатора появлялись ужасные гличи. Из общих соображений, я решил использовать конденсаторы, чтобы их сгладить и да помогло, оставляем. Как подсказал один из комментаторов, это связанно с кривым кодом, но не мешает работе устройства.

Резисторы предназначены для ограничения тока исходящего от ATmega328p, а именно 5 вольт мы ограничиваем до 3-х вольт, так как почти все светодиоды ограничены напряжением в 3 вольта и привыкли работать за еду, более высокое напряжение приведет к деградации, насколько быстрой зависит от тока, хоть у ATmega328p он не большой, примерно 20-40 миллиампер, деградацию и сгорание не будет видно сразу, но оно случится, явно намного раньше положенного.

О нем говорят все, но никто не знает зачем он. На самом деле все просто. Предельно просто. Эта микросхема умножает количество контактов, с условных трех до N. Мой максимум 265+ выводов, но возможно и больше. В этом месте мог бы возникнуть хороший вопрос, по сути ты ведь делаешь из трех контактов четыре, а остальные четыре не используешь(?) На эту тему можно конечно рассуждать, зачем и почему, правильный ответ только один — дать возможность устройству развиваться.

Монтаж компонентов

Внимание!

Контакты компонентов, помеченные красным и черным маркерами, имеют полярность, будьте внимательны при монтаже, придерживайтесь рисунка.

Внимание!

Соблюдайте порядок установки микросхем по ключам.

Устанавливаем конденсаторы и кнопки.

Устанавливаем разъемы и пьезо зуммер.

Устанавливаем микросхемы и резисторы.

Устанавливаем индикатор, светодиод и резонатор.

Устанавливаем батарейные отсеки.

Прототип

Теперь, когда у нас есть не просто бесполезная безделушка, но еще и не рабочая, нужно сделать её рабочей, поэтому добавим много магических проводков.

Объединенная схема

Соединим основные линии питания и необходимую обвязку первой платы.

Соединим кнопки, светодиод индикатор прошивки и пьезо зуммер.

Соединим конденсаторы и семисегментный индикатор с сдвиговым регистром 74ch595.

Соединим семисегментный индикатор с микроконтроллером.

В финале первая плата у вас получится такой:

Вторая плата, но тут все совсем просто. Соединим последовательно элементы питания.

Соединим все вместе.

Устройство

Программирование

Подключаем так как на картинке, и можно начинать прошивать микроконтроллер.

Бесспорно, абсолютно, однозначно. Мой код на C++ далек от идеала, но я, как всегда, пытался. Я пишу на JS (ну, вы поняли). И тем не менее, я все равно собой доволен, хотя бы, потому что не притрагиваясь и без того к незнакомому мне языку больше года, мне как-то удалось организовать не только структуру с своими правилами, а также создать богатый функционал: часы, игру и два таймера c разными уровнями точности. Можешь сделать лучше? Есть что дополнить? GitHub

Основной файл проекта, к которому я подключаю все остальные файлы и библиотеку AsyncDelay, с которой управлять синхронным потоком становится проще, чем обычно (имхо). Изначально, в процессе написания кода, я обозначил для себя два компонента — это actionDriver и actionContoller. где первый переводя на JavaScript — тянский (является почти как Event Loop), то есть выполняет стек задач только не событийных, а перманентных, а второй выполняет роль Setter’a.

Электроника для начинающих

должен знать элементную базу. Основное внимание на курсах электроников, необходимо уделить принципу взаимодействия электронных приборов:

• резисторов
• конденсаторов
• диодов
• транзисторов
• микросхем

Помимо изучения данных приборов, важно знать и применять на практике базовые законы электротехники: Закон Ома, Правила Кирхгофа. А также различные виды соединения электронных компонентов (последовательное, параллельное, смешанное).

На курсах электроников изучают законы взаимодействия заряженных частиц с электромагнитными полями.

Независимо от видов электронной техники, все они имеют одинаковые электронные компоненты, но отличаются схемотехническими и конструктивными построениями.

В области электронной техники существуют пассивные и полупроводниковые элементы.

К пассивным элементам относятся:

• резисторы
• конденсаторы
• катушки индуктивности
• трансформаторы

К полупроводниковым приборам относятся:

• диоды
• транзисторы
• варисторы
• микросхемы

Закон Ома

Интерпретация Закона Ома для участка цепи, на курсах электроников:

Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению

Предохранитель

Предохранитель – элемент электрической схемы, выполняющий защитную функцию. Он защищает электрическую цепь от короткого замыкания в схеме и протекания тока большой силы. В электрических принципиальных схемах обозначается буквой “F”, “FL” или “Пр”.

Графически обозначается прямоугольником со сплошной линией в центре. Предохранители исполняются в стеклянном, керамическом, интегральном корпусах. Рассчитаны на определенный номинальный ток, значение которого указывается на корпусе предохранителя.

Контрольная точка

Контрольная точка – это место в электрической схеме, которое используется для измерения или контроля работы электронной схемы, ее диагностики при ремонте или настройки. Значения электрических параметров в ней указывается производителем или разработчиками электронной техники.

При измерениях значений в контрольных точках и несоответствия их с заданными может подсказать пути поиска, что удобно при ремонте, отладке, настройке любой электронной аппаратуры. На электронных платах обозначается TP (КТ).

Узлом электрической цепи называется точка (место), где соединяются три или более элементов электрической схемы. Сопротивление в узле ничтожно мало. Узел необходим для анализа электрической цепи. В нем происходит разветвление токов. Самым крупным узлом в электрических схемах является узел с нулевым потенциалом (как правило это минусовой потенциал).

Резистор

Резисторы самые распространенные элементы электронных схем. Они предназначены для:

• ограничения тока в электрических цепях
• задания рабочих точек полупроводниковых приборов
• выполняют роль делителей напряжения

Курсы электроников включают в себя изучение принципиальных схем самых распространенных электронных устройств. На схемах, резистор обозначается буквой R, измеряется в Омах. Существуют различные виды резисторов: общего назначения, высокоомные, высоковольтные, прецизионные.

В свою очередь резисторы имеют определенную мощность рассеивания. В современной электронике более часто применяют SMD – резисторы (поверхностный монтаж). Вышеописанные резисторы являются постоянными. Их величина всегда постоянна, отличается погрешностью прибора.

Резисторы имеют свою маркировку и обозначение (либо номинал указан цифрами, либо при помощи цветных полос). Например: полоски на корпусе резистора желтая, черная, коричневая. Что соответствует 40 (коричневый, 1, указывает количество нулей после значения) = 400 Ом.

На курсах электроников, помимо постоянных изучают переменные и подстроечные резисторы. Данные приборы могут изменять свои значения при помощи конструктивных решений. При помощи подстроечных резисторов осуществляется подстройка электрических режимов, а при помощи переменных осуществляются многократные регулировки.

Различают следующие виды соединения резисторов:

• последовательное
• параллельное
• смешанное

Для расчета всех видов соединения применяется закон Ома для участка цепи I=U/R.

У резисторов имеются основные параметры:

• номинальное сопротивление
• допустимое отклонение
• мощность рассеивания
• рабочее напряжение

Маркировка резисторов может иметь полное обозначение или кодироваться в виде цветных полос, или 3-4 цифровыми знаками и имеющие дополнительную букву.

На практике кроме линейных и переменных резисторов используются термозависимые и нелинейные резисторы. Терморезисторы при протекании через них электрического тока нагреваются. Если их сопротивление увеличивается, то они называются – позисторы (PTC). А если их сопротивление уменьшается, то они называются – термисторы (NTC).

Нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от напряжения – называют варисторами. Они чаще всего применяются для защиты от превышения напряжения в блоках питания. В электронных устройствах используют вместе с предохранителями.

Виды соединений резисторов

Мощность любого прибора определяется по формуле: P = I * U. При отсутствии прибора необходимо измерить напряжение источника питания, измерить сопротивление нагрузки, и по формуле Закона Ома для участка цепи рассчитать необходимый параметр. Полученное значение и есть мощность нагрузки, которую должен показывать ваттметр.

Конденсатор

Проходя курсы электроников вы узнаете назначение конденсатора, методы выявления неисправных “емкостей”.

Конденсатор – прибор способный накапливать и хранить длительное время электрический заряд. Он представляет из себя две пластины разделенные диэлектриком. При приложении напряжения к этим пластинам на них накапливается электрический заряд.

Заряд обозначается буквой “q”. Конденсатор на электрических схемах обозначается буквой “C” и измеряется емкость конденсатора в Фарадах (Ф). Так как Фарад величина очень большая на практике используют гораздо меньшее значения:

• микрофарад (10 в минус шестой степени)
• нанофарад (10 в минус девятой степени)
• пикофарад (10 в минус двенадцатой степени)

Соответственно величина заряда определяется емкостью конденсатора и приложенным напряжением. q=C*U

Конденсаторы широко распространены в электрических схем. Они бывают:

• электролитические
• не электролитические
• переменные
• постоянные

Конденсаторы проводят электрический переменный ток, а постоянный ток не проводят. Сопротивление переменному току определяется формулой

где f- частота переменного тока

Конденсаторы можно соединять последовательно, параллельно или смешанно. Это необходимо для получения необходимой емкости и приложенного напряжения. Они имеют полные и сокращенные условные обозначения. Для определения по надписи емкости существуют таблицы, где указаны параметры и значения данных приборов.

Также существуют SMD конденсаторы. Они не имеют надписи и кодировки. Значение их параметров можно определить только при помощи измерения прибором, что существенно затрудняет ремонт техники при отсутствии технической документации на устройство.

Конденсаторы имеют основные параметры:

• номинальное значение емкости
• допустимые отклонения от нормы
• ток утечки
• температурный коэффициент
• номинальное напряжение
• эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)
• зависимость ESR от температуры (с увеличением температуры ESR уменьшается). Именно поэтому правильное показание ESR у холодного конденсатора.

Катушка индуктивности

Индуктивные элементы способны накапливать электромагнитную энергию при прохождении через них электрического тока. К ним относятся катушки индуктивности. В отличие от конденсаторов они менее распространены в электрических схемах. Применяются строго для изготовления определенной аппаратуры, имеют параметры необходимые для конкретных устройств.

Катушки имеют большие габариты и массу поэтому область определения их ограничена. Но при разработке электронной техники обойтись без них невозможно. По конструкции они имеют цилиндрическую или спиралевидную форму витков. Могут наматываться в один или несколько слоев.

Индуктивность обозначается буквой L, измеряется в генри Гн. Так как эта величина является большой на практике применяется меньшее значение – миллигенри и микрогенри. Для увеличения индуктивности катушки применяется магнитопровод. Катушки могут быть постоянными и регулируемыми. Регулировка осуществляется при помощи сердечника.

Данные приборы могут работать на высоких и низких частотах переменного тока. Соответственно сопротивление катушки переменному току определяется формулой

f – частота переменного тока

Важнейшим параметром катушки является добротность. Это отношение реактивного сопротивления к резистивному.

Данное значение зависит от частоты переменного тока. На постоянном токе сопротивление катушки мало. Параллельное и последовательное соединение индуктивностей рассчитывается по тем же формулам, что и для сопротивлений.

Разновидностями катушки являются дроссели. Они обеспечивают большое сопротивление переменному току и маленькое постоянному. Работают на низких и высоких частотах.

Катушки индуктивности имеют основные параметры:

• номинальная индуктивность
• допустимые отклонения
• добротность
• температурный коэффициент индуктивности
• рабочий диапазон температур

Трансформатор

Пройдя курсы электроников, вы научитесь выявлять неисправности трансформаторов на электронных платах. Трансформатор – устройство для преобразования параметров переменных напряжений и токов. Трансформаторы позволяют согласовывать сопротивление источника сигнала и нагрузки, разделять цепи по постоянному току, изменять форму переменного напряжения и тока.

Принцип работы трансформатора основан на преобразовании энергии электрического поля в магнитное и наоборот.

В конструкции трансформатора существует два вида обмоток: первичная и вторичная.

Трансформаторов существует множество:

• силовые
• развязывающие
• импульсные
• сигнальные

Важным параметром трансформатора является коэффициент трансформации, определяющий как изменилось напряжение и ток на выходе относительно напряжения и тока поданного на вход. Обозначается Ku и определяется по формуле:

ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ

Много у нас есть опытных специалистов в схемотехнике, но ещё больше новичков, которые пытаются поддавшись интересу загрузить в себя новые знания. Это правильно, и сейчас мы в поможем сделать первые шаги в радиоделе. Просто читайте теорию и походу выполняйте действия, и через пару часов, которые бы всё-равно потратили на просмотр какого-нибудь фильма, заложите себе неплохую стартовую базу в плане сборки простейших схем и измерении разных их параметров.

Основы радиоэлектроники

Для начала посмотрим на обыкновенную пальчиковую батарейку. На ней можно прочитать, что у неё напряжение 1,5 В. Давайте проверим.

Батарейка АА 1,5 В

Для этого понадобится мультиметр, то есть цифровой измерительный прибор. Вначале стоит обзавестись более дешевой моделью, обязательно с ручным выбором диапазона измерения.

Измерение напряжения

• черный провод подключить к разъему «COM»;
• подключите красный провод к разъему для измерения напряжения «V» (Подключение проводов другим способом может повредить измеритель);
• установите ручку на нужное деление – раз ожидаем получить значение примерно 1,5 В, то установим ручку на значение 20 в диапазоне DCV или V (прямая линия у буквы V означает постоянное напряжение);
• металлическими наконечниками проводов мультиметра касается полюсов батареи, но какой конец к какому? Попробуйте обе комбинации – результат должен быть одинаковым, только один раз оно отображается как «положительное» число, в других случаях ему предшествует минус. Для нас это не имеет значения, с вольтметром тоже ничего не случится;
• читаем значение – в данном случае напряжение новой батарейки 1,62 В;
• выключаем мультиметр (не забывайте, а то сядет батарея).

Измерение напряжения аккумуляторной батареи 1,5 В: а) красный наконечник измерителя касается плюса аккумуляторной батареи – положительный результат; b) красный наконечник измерителя касается минуса батареи – отрицательный результат с минусом перед цифрами.

Внимание! При проведении измерений, чтобы не повредить прибор всегда устанавливаем диапазон измерения на значение, превышающее максимальный результат, который ожидаем получить! Если не знаем чего ожидать, то самый безопасный вариант – установить измеритель на максимально возможный диапазон и уменьшить его потом до максимально точного измерения.

Давайте проверим и другие батарейки / аккумуляторы. Для тестов выбрали: заряженный аккумулятор 1,2 В размера AA – 1,34 В, NiMH аккумулятор частично разряжен – 1,25 В.

Теперь поместим наши 4 батареи в корпус общий, так называемый холдер. Затем вставьте концы проводов аккумуляторной сборки в отверстия макетной платы, как показано на фото ниже:

Батарейный отсек: а) пустой, b) со вставленными батареями, c) подсоединенный к плате

Следующим шагом будет подготовка перемычек, то есть короткие провода, которые будут соединять отдельные компоненты на макетной плате. Для этого достаточно отрезка компьютерного кабеля, кусачки или острый нож.

Компьютерный кабель: а) изолированный, b) после снятия изоляции

Сначала снимите изоляцию с провода. Внутри найдете более тонкие провода, скрученные вместе. Следующим шагом будет отрезание кусочка провода необходимой длины, удаление небольшого, примерно 1 см, фрагмента изоляции с обоих его концов, и все готово. Обратите внимание, что провода в кабеле компьютера тонкие и легко ломаются, с ними нужно обращаться осторожно и часто не гнуть.

a) клещи, b) провод со снятой изоляцией, c) готовые перемычки

Если что, можете купить готовый набор перемычек. Их большим преимуществом является то, что не нужно делать самому, и они сделаны из более толстой проволоки, которая не так легко ломается.

Обломанный конец провода

Вне зависимости от того какие перемычки выберете: ручной работы или готовые, подготовим контактную пласту к дальнейшей работе. Потребуются 4 коротких перемычки (для подключения шин, распределяющих напряжение по плате) и две более длинные, желательно красная и синяя для питания.

Макетная плата с перемычками, соединяющими шины распределения напряжения

Теперь соберем свою первую схему на макетке. Возьмите резистор 22 кОм (красные / красные / оранжевые / золотые полосы). Каково его фактическое сопротивление? Проверим мультиметром.

Измерение сопротивления

• черный провод подключить к разъему «COM»;
• красный провод подключите к разъему красного цвета;
• установите ручку переключателя – ожидаем получить значение примерно 22 кОм, поэтому установите на значение 200 кОм;
• металлические концы проводов мультиметра касаются выводов резистора (неважно каким концом какой вывод);
• считаем значение – для этого резистора сопротивление 22.1 кОм;
• выключаем прибор (не забывайте).

Измерьте сопротивление резистора омметром

Как и в случае с батареями, здесь значение, измеренное мультиметром, отличается от номинала проверяемого элемента. Золотая полоса на резисторе означает допуск 5%.

22 кОм х 5% = 1.1 кОм

Следовательно, диапазон сопротивления для этого резистора может составлять от 20,9 кОм до 23,1 кОм. Теперь подключим пласту, батареи в холдере и резистор, как на фото ниже:

Электронная схема простейшая подключена к макетной плате

В электронике схемы используются для иллюстрации соединений между отдельными элементами. В нашем случае это будет выглядеть так:

Электрическая схема простейшая

Символ, обозначенный как B1, – это батарейки, обеспечивающие общее напряжение 4 x 1,5 В = 6 В. А 22 кОм резистор помечен символом R1. По закону Ома:

I = U / R
I = 6 В / 22 кОм
I = 6 В / 22000 Ом
I = 0,000273A
I = 273 мкА

Теоретически ток в схеме должен составлять 273 мкА. Но что сопротивление резистора может изменяться в пределах 5%. Напряжение обеспечивается батареями также не номинальные 6 В, и оно будет зависеть от уровня заряда батареи. Давайте рассмотрим фактическое напряжение, обеспечиваемое 4 батареями по 1,5 В.

Измерение напряжения

• черный провод подключить к разъему «COM»;
• красный провод подключите к разъему "V";
• устанавливаем ручку переключения – ожидаем получить значение около 6 В, поэтому устанавливаем ручку на значение 20 в диапазоне DCV или V-, при необходимости включаем прибор, который должен показывать 0;
• металлическими щупами проводов мультиметра касаемся проводов аккумуляторного держателя (в зависимости от того, каким концом к какому проводу прикасаемся, результат будет положительным или отрицательным);
• считаем значение – напряжение аккумуляторной сборки 6.50 В;
• выключаем питание.

Измерение напряжения аккумуляторной сборки

Подставим измеренные значения в формулу, полученную из закона Ома:

I = U / R
I = 6.5V / 22.1k Ом
I = 6,5 В / 22100 Ом
I = 0,000294A
I = 294 мкА

Попробуем проверить, получим ли этот результат, измерив ток мультиметром.

Измерение тока

• черный провод подключить к разъему «COM»;
• красный провод подключить к разъему «мА»;
• устанавливаем ручку – ожидаем получить значение 294 мкА, поэтому устанавливаем на значение 2000 мкА в диапазоне A-, при необходимости включаем прибор, который должен показывать 0;
• Для проведения измерения сначала отключите схему, потому что весь ток должен протекать через измеритель полностью – коснитесь металлических концов проводов мультиметра, штырей перемычки, подключенной к положительному полюсу, и ножек резистора, подключенного к отрицательному полюсу;
• считаем значение – ток 294 мкА;
• выключаем прибор.

Измерение тока в схеме

А далее простая схема, показывающая различия в подключении вольтметра и амперметра к тестируемой схеме:

Схема подключения вольтметра и амперметра к тестируемой схеме

Итак, вы научились измерять напряжение, ток и сопротивление с помощью мультиметра, а также собрали первую схему на макетной плате. Теперь добавим больше резисторов и проверим как это повлияет на ток и напряжение. Начнем со сборки в соответствии со схемой ниже:

Схема, состоящая из источника напряжения и 3-х резисторов

• B1 – это по-прежнему холдер батареек с 4 АА, каждая с номинальным напряжением 1,5 В (для простоты назовём его одной батареей)
• R1 – резистор 22 кОм (красные / красные / оранжевые / золотые полосы)
• R2 – резистор 10 кОм (коричневый / черный / оранжевый / золотые полосы)
• R3 – резистор 2,2 кОм (красные / красные / красные / золотые полосы)

Обратите внимание, что у каждого резистора одна и та же буква, меняется только номер рядом с ним. А как бы обозначили резисторы на схеме, если бы все 3 имели одинаковое сопротивление? Как и на схеме выше – каждому элементу будет свой порядковый номер. Это правило при маркировке электронных схем – каждый элемент одного типа имеет одинаковый буквенный символ, а номер рядом с ним отличается.

Вернемся к схеме, если уже нашли резисторы, соберём схему на макетной плате. Всё выглядит так:

Схема состоит из батареи и 3 резисторов, соединенных на плате

Во-первых, посмотрим какое напряжение подает аккумулятор в схему. Возьмем измеритель, подготовленный для измерения напряжения, с ручкой, установленной на 20 В. Приложим щупы измерителя по обе стороны от батареи B1:

Слева: схема подключения мультиметра, справа: мультиметр, измеряющий напряжение на обеих сторонах аккумуляторной батареи

Эта батарея подает в схему 6,02 В. Теперь измерим реальное сопротивление каждого из резисторов, использованных в эксперименте. Получили результаты: 21,9 кОм, 10 кОм и 2,23 кОм соответственно. Какой ток в цепи? Попробуем сначала посчитать:

I = U / R

Символ U означает напряжение, подаваемое в цепь аккумулятором. А символ R – это сумма сопротивлений всех электронных компонентов, то есть резисторов, поэтому:

R = U / (R1 + R2 + R3)
I = 6,02 В / (21,9 кОм + 10 кОм + 2,23 кОм)
I = 6,02 В / 34,13 кОм
I = 6,02 В / 34130 Ом
I = 0.000176 = 176 мкA

Теперь измерим реальную силу тока мультиметром:

Измерение тока в схеме

Проведём измерение, прикоснувшись к красному выводу батареи красным щупом, а черный провод первого резистора – черным. Как видно на картинке, ток точно такой же, как рассчитали выше: 176 мкА. Вы можете попробовать измерить ток подключив измеритель к другому месту в схеме, например между резисторами R3. Вы получите все время один и тот же результат. Сила тока в нашей схеме везде одинакова. Помните сравнение силы тока с напором воды? Наш «водяной ток» течет от одного конца батареи, последовательно через все резисторы, к другому выводу батареи, поэтому ток (протекающая вода) такой же везде.

Давайте проследим что происходит с напряжением в схеме. Аккумулятор дает напряжение 6,02 В, а ток во всей схеме составляет 176 мкА. Рассчитаем падение напряжения на каждом резисторе. Как обычно помогут закон Ома и формула I = U / R. Падение напряжения на резисторе R1, сопротивление которого 22 кОм:

U = I х R
U = 176 мкА х 21.9 кОм

Чтобы избежать путаницы, проведём преобразование единиц измерения:

U = 0.000176 A х 21900 Ом
U = 3.85 В

Падение напряжения на резисторе R2, сопротивление которого 10 кОм:

U = I х R
U = 176 мкА х 10 кОм
U = 0.000176 A х 10000 Ом
U = 1.76 В

Падение напряжения на резисторе R2, сопротивление которого составляет 2,2 кОм:

U = I x R
U = 176 мкА х 2,23 кОм
U = 0,000176 А х 2230 Ом
U = 0,39 В

Обратите внимание, что чем больше сопротивление данного резистора, тем выше падение напряжения на нем.

Теперь проверим какое напряжение получим, приложив щупы мультиметра непосредственно перед и после следующих резисторов:

Слева: схема подключения мультиметра, справа: мультиметром измерение напряжения на обеих сторонах резистора R1

Слева: схема подключения мультиметра, справа: мультиметр измерения напряжения на обеих сторонах резистора R2

Слева: схема подключения мультиметра, справа: мультиметр, измеряющий напряжение на обеих сторонах резистора R3

Измеритель обнаружил определенное падение напряжения на каждом резисторе:

UR1 = 3,83 В
UR2 = 1,75 В
UR3 = 0,39 В
UR1 + UR2 + UR3 = 5,97 В
UB1 = 6,02 В

Сумма падений напряжения на отдельных резисторах практически равна напряжению, подаваемому на батарею. Теоретически напряжения UB1 и UR1 + UR2 + UR3 должны быть равны друг другу, но практика обычно немного отличается от этого. В этом случае разница, вероятно, связана с неточностью измерений. Также следует помнить что резисторы – не единственное сопротивление току. Провода, по которым протекает ток, тоже имеют небольшое сопротивление.

В любом случае мы экспериментально пришли ко второму закону Кирхгофа, который гласит: сумма напряжений источника в цепи постоянного тока равна сумме напряжений нагрузки.

Итак, мы проверили и рассчитали ток и напряжение в цепи, в которой резисторы включены последовательно. Напоминаем, что такое подключение показано на схеме:

Схема цепи, в которой резисторы включены последовательно

Последовательное соединение – это соединение при котором отдельные компоненты соединяются последовательно один за другим. Известно что:

1. во всей такой схеме сила тока постоянна, независимо от того, где ее измеряем.
2. общее сопротивление – это сумма сопротивлений отдельных резисторов Rc = R1 + R2 + R3.
3. сумма падений напряжения на отдельных резисторах равна напряжению батареи U B1 = U R1 + U R2 + U R3.

Рассмотрим схему, в которой резисторы включены параллельно. И начнем со схемы компоновки. Отметки на схеме будут соответствовать значениям элементов:

• B1 – это холдер для батареек, номинальное напряжение на каждом элементе 1,5 В, всего 6 В
• R1 – резистор 22 кОм (красные / красные / оранжевые / золотые полосы)
• R2 – резистор 10 кОм (коричневый / черный / оранжевый / золотые полосы)
• R3 – резистор 2,2 кОм (красные / красные / красные / золотые полосы)

Соберем схему на макетной плате. Каким будет полное сопротивление Rс всех резисторов в цепи? Прежде чем ответить на этот вопрос, обратите внимание что только R1 и R2 подключены параллельно. Вначале будем иметь дело только с ними. Формула общего сопротивления параллельно соединенных резисторов такова:

R 1,2 = (R1 х R2) / (R1 + R2)
R 1,2 = (22 кОм x 10 кОм) / ( 22 кОм + 10 кОм)
R 1,2 = 220 кОм / 32 кОм
R 1,2 = 6,9 кОм
R 1,2 = 6900 Ом

Суммарное сопротивление R1 и R2 составляет 6,9 кОм. Теперь снова посмотрим на схему – резисторы R1 и R2 включены последовательно по отношению к резистору R3. Упрощение схемы позволит выделить:

Последовательные этапы преобразования схемы: а) вид исходной схемы, b) схема эквивалентной схемы после замены двух ветвей одной замещающей ветвью с сопротивлением R1.2, c) схема эквивалентной цепи после замены резисторы R1.2 и R3 с резистором Rc.

Обратите внимание, что при замене исходной принципиальной схемы эквивалентное напряжение и ток в непреобразованной части схемы должны оставаться неизменными.

Возвращаясь к теме: поскольку резисторы R1 и R2 соединены параллельно и последовательно с резистором R3, достаточно добавить сопротивление R 1.2, рассчитанное только что с помощью резистора R3, чтобы получить общее сопротивление Rc:

Rc = [(R1 * R2) / (R1 + R2)] + R3
Rc = R 1,2 + R3
Rc = 6,9 кОм + 2,2 кОм
Rc = 9,1 кОм
Rc = 9100 Ом

Мы знаем как рассчитать полное сопротивление схемы. Помните, что рассчитали его на основе номинальных значений сопротивления используемых резисторов. В качестве упражнения предлагаем рассчитать фактическое полное сопротивление в вашей схеме таким же образом (после измерения сопротивления всех резисторов с помощью мультиметра). Для данного случая это 9,1 кОм.

Для расчета силы тока необходимо знать напряжение, подаваемое аккумулятором:

Слева: схема подключения мультиметра, справа: измерение напряжения на обеих сторонах аккумуляторной батареи

В этой схеме аккумулятор, то есть источник напряжения, обеспечивает схему напряжением 6,10 В. Рассчитаем ток I:

I = U / Rc
I = 6,10 В / 9100 Ом
I = 0,00067 А = 0,67 мА = 670 мкА

Теперь посмотрим на напряжение в схеме, разместив щупы измерителя в разных местах:

Слева: схема подключения мультиметра; справа: измерение падения напряжения на резисторе R1

Слева: схема подключения мультиметра; справа: измерение падения напряжения на резисторе R2

Слева: схема подключения мультиметра; справа: измерение падения напряжения на резисторе R3

Батарея подает на цепь напряжение 6,10 В. Интересно, что падение напряжения на резисторах, подключенных параллельно, одинаковое (4,60 В каждое), хотя они имеют разное сопротивление. Падение на R3 составляет 1,49 В.

Получим ли мы те же значения из расчетов?

U R1.2 = I x R 1.2
U R1.2 = 670 мкА х 6,9 кОм
U R1.2 = 4,62 В
U R3 = I x R3
U R3 = 670 мкА х 2,2 кОм
U R3 = 1,47 В

Результаты вышли практически идентичными.

Теперь измерим ток в отдельных точках схемы:

Слева: схема подключения амперметра к цепи; справа: текущее измерение I

Слева: схема подключения амперметра к цепи; справа: измерение тока I1

Слева: схема подключения амперметра к цепи; справа: измерение тока I2

Батарея обеспечивает 6,10 В напряжения в замкнутом контуре, где течет ток 670 мкА. Сила тока (можем представить как протекающие электроны) делится на две ветви: некоторые из электронов проходят через ветвь, обозначенную I1, а некоторые – через ветвь I2. Во втором узле ветви I1 и I2 снова соединяются, чтобы дать ток I. Здесь и пришли к первому закону Кирхгофа: для каждого узла электрической цепи сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, исходящих из узла. В нашем случае:

I = I1 + I2

Посмотрим, будет ли рассчитанный ток такой же, как и измеренный:

I1 = U R1 / R1
I1 = 4.62 В / 22 кОм
I1 = 210 мкА
I2 = U R2 / R2
I2 = 4.62 В / 10 кОм
I2 = 460 мкА
I = I1 + I2
I = 210 мкА + 460 мкА

Экспериментально полученные результаты очень похожи на полученные расчеты, что прекрасно показывает связь теории и практики в радиоэлектронике.

В общем на сегодня всё, в одном материале не легко охватить огромный мир электроники, да и время нужно чтоб освоить всю полученную информацию. Дальше переходите в раздел схем для начинающих и пробуйте собирать девайсы попроще, а возникающие вопросы можно прояснить на форуме. Успехов!

Цифровая электроника для начинающих (2019)

Основы цифровой электроники изложены простым и доступным для начинающих способом — путем создания на макетной плате забавных и познавательных устройств на транзисторах и микросхемах, которые сразу после сборки начинают работать, не требуя пайки, наладки и программирования. Набор необходимых деталей сведен к минимуму как по количеству наименований, так и по стоимости.

По ходу изложения даются вопросы для самопроверки и закрепления материала, а также творческие задания на самостоятельную разработку схем.

Рассмотрены цифровые сигналы и двоичная система счисления, простейшие схемы на МОП-транзисторах, устройства цифровой логики на транзисторах и микросхемах, комбинационные и последовательностные схемы, сдвиговые регистры и счетчики.

Книга дает необходимые и достаточные знания о работе аппаратной части современных микропроцессоров и микроконтроллеров.
Для интересующихся электроникой.

Оглавление:

Двоичная система в цифровой электронике

Числа, состоящие только из нулей и единиц
Такие разные электрические сигналы
Как перевести электрические сигналы на язык цифр?
Ответы на вопросы для самопроверки

Первые схемы на МОП-транзисторах

Транзистор — что это такое?
Что потребуется для сборки схем из этой книги?
Как выбрать подходящие для экспериментов транзисторы и другие детали?
Первая практическая схема, которая помогает увидеть нули и единицы
Игра «Кто быстрее?» на двух транзисторах
Ответы на вопросы для самопроверки
Ответы на задания по конструкциям для самостоятельной разработки

Цифровая логика на транзисторах

Собираем элемент, который переворачивает сигналы наоборот
Основные логические схемы: И, ИЛИ и все-все-все
Логическое И
Логическое ИЛИ
Вентиль ИЛИ-НЕ
Вентиль И-НЕ
Исключающее ИЛИ и Исключающее ИЛИ-НЕ
Конструирование всех базовых логических элементов: от таблиц истинности к схемам на транзисторах
Практическая схема ИЛИ-НЕ на транзисторах
Алгоритм создания цифровых логических схем на транзисторах
Практическая схема вентиля И-НЕ на транзисторах
Практические схемы вентилей И и ИЛИ на транзисторах
Практическая схема Исключающего ИЛИ на транзисторах
Добавляем входы в логические схемы
Создание логического вентиля по произвольной таблице истинности
Ответы на вопросы для самопроверки
Ответы на задания по конструкциям для самостоятельной разработки

Микросхемы цифровой логики

Общежитие для транзисторов: что важно знать о микросхемах цифровой логики
Приступаем к опытам с микросхемами
Соединим вместе входы логических элементов
Добавим недостающие входы
Инвертируем входы
Что делать с ненужными входами?
Кодовый замок: от идеи до готовой конструкции
Замысел
Приступаем к конструированию схемы
Доработка схемы: экономим энергию
Оборудуем замок сигнализацией
Игра «Угадай число» на базе схемы кодового замка
Ответы на вопросы для самопроверки
Ответы на задания по конструкциям для самостоятельной разработки

Основные комбинационные схемы

Как процессор выполняет вычисления: конструируем сумматор
Тайны двоичных кодов: шифраторы и дешифраторы
Схема дешифратора для клавиатуры кодового замка
Схема дешифратора
Учим цифровые схемы показывать десятичные числа
Мультиплексоры и демультиплексторы — регулировщики цифрового движения
Практическая схема мультиплексора
Демультиплексор
Транзисторные мультиплексоры
Ответы на вопросы для самопроверки

Последовательностные схемы

Два пишем, три в уме: как запомнить результат вычислений?
Практическая схема RS-триггера на вентилях И-НЕ
Входить только по сигналу: как в триггерах разрешают и запрещают запись данных?
Практическая схема тактируемого триггера
Триггеры без запрещенных состояний
Приказано задержать! D-триггер
Двухступенчатые триггеры: теория и практическая схема
Т-триггер, или как посчитать импульсы?
Практическая схема D-триггера на транзисторах
От одного триггера к целому регистру, и зачем процессору конвейер
Ответы на вопросы для самопроверки
Ответ на задание по конструкции для самостоятельной разработки

Сдвиговые регистры и счетчики

Эстафета для триггеров: конструкция сдвигового регистра
Забавный светильник «Бегущие огни»
Считалочка для цифровых схем
Схема простейшего счетчика на Т-триггерах
Вычитающий счетчик
Как научить двоичный счетчик десятичной системе?
Две схемы электронного кубика для игр
Синхронные и асинхронные счетчики
Ответы на вопросы для самопроверки
Ответ на задание по конструкции для самостоятельной разработки

Макет оперативного запоминающего устройства

Как устроена память цифрового мозга?
Собираем память на макетной плате
Заключение

Приложение 1. Список дополнительной литературы для изучения электроники и двоичной логики
Приложение 2. Цоколевки транзисторов и микросхем, применяемых в схемах этой книги
Приложение 3. Цветовая маркировка резисторов
Приложение 4. Сводная таблица используемых компонентов
Приложение 5. Аналоги импортных микросхем серии CD4000BE
Предметный указатель

Название: Цифровая электроника для начинающих
Автор: Кириченко П. Г.
Издательство: СПб.: БХВ-Петербург
Серия: Электроника
Год издания: 2019
Страниц: 176
ISBN: 978-5-9775-4010-0
Формат: DjVu
Качество: отличное
Размер: 28 Мб
Язык: русский