Электроника для начинающих [1-е издание]

Основные измерения

Электрический потенциал измеряется за счет сложения зарядов отдельных электронов. Основной единицей измерения заряда является кулон, который равен заряду примерно 6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Если вы знаете, как много электронов проходит через кусок провода каждую секунду, то вы можете определить поток электрических зарядов, который выражается в амперах. Фактически один ампер может быть определен, как один кулон в секунду.

Таким образом:

1 ампер = 1 кулон/сек = примерно 6,25 квинтильонов электронов/сек = 6,25 х 1018 электронов/сек.

Не существует такой возможности непосредственно «увидеть» то количество электронов, которое протекает по проводнику (рис. 1.66), но имеются косвенные методы получения этой информации. Например, когда электрон перемещается по проводу, он создает электромагнитное поле вокруг себя. Это поле может быть измерено, и мы можем рассчитать число ампер на основе этого измерения. Счетчик, установленный в вашем доме электросбытовой компанией, может функционировать именно по этому принципу.

Рис. 1.66. Если вы посмотрите внутрь электрического провода с помощью достаточно мощного увеличительного устройства, а по проводу будет протекать поток электронов силой в 1 А в единицу времени, то вы сможете увидеть примерно 6,25 квинтильона электронов, проходящих мимо вас каждую секунду

Если электроны двигаются свободно, то они не совершают работы. Если у вас имеется замкнутая цепь из провода с нулевым сопротивлением, и вы каким-либо образом создадите в нем поток электронов (электрический ток), то он может перемещаться по проводу бесконечно долго. (Это то, что происходит внутри сверхпроводников — картина почти аналогична.)

В обычных условиях провод имеет то или иное значение сопротивления. Сила, которая нужна, чтобы «проталкивать» электроны по проводу, известна как «напряжение», она создает ток, который может выделять тепло, наблюдаемое вами при закорачивании батареи питания. (Если используемый вами провод имеет нулевое сопротивление, то поток электронов, который по нему движется, не будет создавать какую-либо теплоту). Мы можем использовать тепло напрямую, как это делается при эксплуатации электропечи, или же мы можем использовать электрическую энергию другими способами — для запуска двигателя, например. Тем или иным способом мы отбираем энергию электронов для того, чтобы выполнять какую-либо работу.

Один вольт может быть представлен, как единица напряжения, которая нужна для создания тока величиной 1 А, совершающего работу величиной 1 Вт. Как уже было определено ранее:

1 Вт = 1 В х 1 А. Однако эта формула может быть переписана и по-другому:

1 в = 1 вт/1 а.

Эта форма записи более правильная, поскольку «ватт» в принципе может быть определен, как неэлектрическая единица измерения. Только для расширения ваших знаний мы можем вернуться назад к метрической системе единиц:

1 ватт = 1 джоуль/сек.

1 джоуль — это единица работы (энергии), равная работе силы величиной в 1 ньютон при перемещении тела на расстояние в 1 метр в направлении действия силы; 1 ньютон — это сила, которая необходима, чтобы придать телу массой 1 кг скорость 1 м/сек в течение 1 секунды.

На этой основе электрические единицы могут быть связаны с измерениями массы, времени и заряда электронов.

Рассуждая с практической точки зрения

Для практических задач интуитивное понимание того, что такое электричество, может быть более полезным, чем теория.

Лично я предпочитаю аналогии с водой, которые использовались десятилетиями для объяснения электричества. На рис. 1.67 показан высокий наполовину заполненный водой бак, в котором почти у дна сделано отверстие. Представим, что этот бак электрическая батарейка. Высоту воды можно сравнить с напряжением. Объем воды, который проходит через отверстие в секунду, можно сравнить с силой тока в амперах. Малая величина отверстия сравнима с большим сопротивлением.

Рис. 1.67. Если вы хотите получить больше работы от системы …

А где же прячется мощность на этой картинке? Предположим, что рядом с баком расположено небольшое водяное колесо, которое будет крутиться потоком воды из отверстия. Мы можем подключить какой-либо механизм к этому водяному колесу. Теперь поток будет совершать некоторую работу. Имейте в виду, что мощность это мера работы, иначе говоря, мощность равна отношению работы к промежутку времени, в течение которого она совершается.

Может быть, это выглядит, как будто мы получаем что-то даром, извлекая работу из водяного колеса, не возвращая какую-либо энергию обратно в систему. Но помните, уровень воды в баке падает. Но как только я добавлю несколько помощников, которые будут перетаскивать воду обратно в сосуд (рис. 1.68), вы сможете увидеть, что мы обязательно должны совершить работу, чтобы получить ее обратно.

Рис. 1.68. …тем или иным способом, вы должны вернуть «работу» (энергию) обратно в бак

Аналогичным образом батарея отдает энергию не получая ничего, лишь только химические реакции внутри батареи будут преобразовывать чистые металлы в металлические соединения, а мощность, которую мы извлекаем из батарейки, не дает возможности изменить это состояние. Если же это аккумуляторная батарея (аккумулятор), то мы можем «помещать» энергию обратно в нее, направляя химическую реакцию в обратном направлении.

Возвращаясь обратно к сосуду с водой, предположим, что мы не можем извлечь достаточно мощности из него, чтобы крутить колесо. Одним способом решения проблемы будет добавление воды. Больший уровень воды приведет к более высокому давлению и соответственно большему напору воды (рис. 1.69). Это будет то же самое, что и удвоение напряжения при последовательном соединении двух батареек, когда отрицательный вывод одной батарейки подключается к положительному выводу другой (рис. 1.70). В течение всего времени пока сопротивление в цепи будет оставаться неизменным, увеличение напряжения будет приводить к соответствующему увеличению тока, поскольку ток равен напряжению, деленному на сопротивление.

Рис. 1.69. Больший уровень воды создает более мощный поток, пока сопротивление ему остается таким же

Рис. 1.70. Когда вы подключаете две одинаковых батарейки последовательно, то вы тем самым увеличиваете их общее напряжение

А что если нам надо крутить два колеса вместо одного? Мы можем пробить второе отверстие в баке, и давление при этом будет одинаковым для каждого из отверстий. Однако уровень воды в сосуде будет понижаться в два раза быстрее. На самом деле нам лучше бы взять точно такой же второй сосуд. По аналогии с батарейками, если вы соедините две одинаковые батарейки параллельно, то в результате получите точно такое же общее напряжение, но которое будет поддерживаться в два раза более продолжительного времени (рис. 1.71). Кроме того, две такие батарейки будут в состоянии выдавать соответственно больший ток, чем в том случае, когда вы используете только одну батарейку.

Рис. 1.71. Две одинаковые батарейки, соединенные параллельно, будут выдавать одно и то же напряжение в два раза дольше, чем одна

Итак, подведем итоги.

• Две одинаковые батарейки, соединенные последовательно, увеличивают общее напряжение в два раза.

• Две одинаковые батарейки, соединенные параллельно, при одном и том же значении напряжения могут в два раза увеличить ток.

Отлично, теперь в нашем распоряжении теоретических сведений более чем достаточно. В следующей главе мы продолжим выполнять некоторые эксперименты, которые будут и далее закладывать фундаментальные представления об электричестве, постепенно продвигая нас к пониманию внутренней конструкции различных электронных устройств, которые могут быть нам интересными и полезными.

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