Электроника для начинающих [1-е издание]

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