Электроника для начинающих [1-е издание]

Рис. 1.33. Тот же самый предохранитель после того, как он был расплавлен электрическим током

Изобретатель батарейки

Алессандро Вольта (рис. 1.34) родился в Италии в 1745 году задолго до того, как наука стала делиться на различные отрасли. После изучения химии (он открыл метан в 1776 году) он стал профессором физики и стал интересоваться так называемым гальваническим откликом, который заключался в том, что нога лягушки начинала дергаться под воздействием удара статического электричества.

Используя стакан для вина, заполненный соленой водой, Вольта продемонстрировал, что химическая реакция между двумя электродами, один из которых был сделан из меди, а другой из цинка, будет приводить к возникновению постоянного электрического тока. В 1800 году он улучшил свою конструкцию, выполнив ее в виде пластин из меди и цинка, разделенных картоном, смоченным в соленой воде. Эта «вольтова стопка» стала первой электрической батареей.

Рис. 1.34. Алессандро Вольта открыл, что химические реакции могут создавать электрический ток

Основные сведения о вольтах

Электрическое напряжение измеряется в вольтах. Вольт является международной единицей измерения (входит в систему СИ). Один милливольт это 1/1000 вольта (табл. 1.2).

Основные сведения об амперах

Мы измеряем электрический ток в амперах. Ампер — это международная единица, которая очень часто имеет такое международное обозначение, как «A». Один миллиампер это 1/1000 ампера (табл. 1.3).

Постоянный и переменный ток

Электрический ток, который вы получаете с помощью батарейки, называется постоянным током и в английской литературе обозначается, как DC (direct current).

Как и поток воды из крана постоянный ток это поток электрических зарядов, который движется в одном направлении. Ток, который имеется в проводе под напряжением, подключенном к сетевой розетке в вашем доме, существенно отличается. Он меняет свое направление от положительного полюса к отрицательному около 50 раз в секунду (в Великобритании и в некоторых других странах эта величина составляет 60 раз в секунду). Этот ток известен, как переменный ток и обозначается в английской литературе, как AC (alternating current), и больше похож на пульсирующий поток воды, который вы можете наблюдать в мощном душе.

Переменный ток очень важен при осуществлении некоторых задач, например при передаче электрического напряжения на большие расстояния. Переменный ток также используется при подключении двигателей и различного домашнего оборудования. Внешний вид сетевой розетки, используемой в США, приведен на рис. 1.35. В некоторых других странах, например в Японии, также используются розетки того же типа, что и в США.

Рис. 1.35. Этот тип сетевой розетки можно видеть в Северной Америке, Южной Америке, Японии и некоторых других странах. Европейские розетки выглядят несколько иначе, но принцип их конструкции является аналогичным. Контакт «А» это контакт, который находится под напряжением и называется «фазой», он подает напряжение, которое меняется от положительного до отрицательного значения относительно потенциала контакта «В», который называется «нейтралью» или «нулем». Если в каком-либо домашнем приборе возникает неисправность, например появление фазы на корпусе, то можно защитить от этого, отведя это напряжение через контакт «С» на землю

В большей части своей книги я собираюсь говорить о постоянном напряжении по двум причинам: во-первых, большинство простейших электронных схем в качестве источников напряжения используют источники постоянного тока, а, во-вторых, его поведение гораздо легче понять.

Я не хочу больше повторять, что я использую источник постоянного тока. Просто предполагается, что везде используется именно постоянный ток, за исключением специально оговоренных случаев.

Отец электромагнетизма

Родившийся в 1775 году во Франции, Андре-Мари Ампер (рис. 1.36) был математически одаренным ребенком, который стал преподавателем естественных наук, несмотря на то, что большую часть своих знаний он приобрел самостоятельно — в лаборатории своего отца. Его наиболее известной работой была разработанная им в 1820 году теория электромагнетизма, которая позволяет объяснить, что источником магнитного поля является движущийся электрический заряд, т. е. электрический ток. Он также построил первый прибор для измерения слабого электрического тока (сейчас этот прибор известен, как гальванометр) и открыл такой элемент, как фтор.

Рис. 1.36. Андре-Мари Ампер обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле вокруг него. Он использовал этот принцип для того, чтобы создать первый надежный способ измерения того, что теперь известно, как сила тока

Наведение порядка и повторное использование компонентов

Первая батарейка типа AA, которая была закорочена и приведена в неисправное состояние до такой степени, что ее невозможно отремонтировать. Вы должны ее утилизировать. Выбрасывать батарейку в мусорное ведро не представляется разумным решением, поскольку в батарейке содержатся тяжелые металлы, которые будут пагубно влиять на экосистему. Возможно, в вашей области или городе осуществляется утилизация батареек в соответствии с локально действующей схемой. (Например, в штате Калифорния в США существует закон, требующий утилизации почти всех батареек). Вы можете изучить ваши местные законы для получения более подробной информации.

Перегоревший предохранитель не может быть использован повторно, поэтому его следует выбросить.

Вторая батарейка, которая была защищена предохранителем, должна находиться в исправном состоянии. Кроме этой батарейки повторно можно использовать и держатель для нее.

Эксперимент 3. ВАША ПЕРВАЯ СХЕМА

Теперь настало время заставить электричество сделать что-нибудь такое, что может принести какую-либо пользу. Для этой цели мы будем использовать компоненты под названием резисторы и светодиоды.

Вам понадобятся:

• батарейка типа АА с напряжением 1,5 В. Количество — 4 шт.;

• держатель для четырех батареек. Количество — 1 шт.;

• резисторы: 470 Ом, 1 кОм, 2 кОм или 2,2 кОм (номинал 2,2 кОм встречается гораздо чаще, чем 2 кОм, и также может использоваться в данном эксперименте). Количество — по одному резистору каждого номинала;

• светодиод любого типа. Количество — 1 шт.;

• зажимы типа «крокодил». Количество — 3 шт.

Предварительная подготовка

Наступило время познакомиться с одним из самых фундаментальных компонентов, который будет использоваться в электронных схемах, — обычным резистором (resistor). Как указывает его наименование, он создает сопротивление электрическому току. Как вы уже можете предположить, его величина измеряется в омах.

Если вы приобрели недорогой набор резисторов на распродаже, то вы можете не найти ничего такого, что могло бы указать на величину их сопротивлений. Это ничего; мы можем измерить их достаточно легко. На самом деле даже, если они имеют четкую маркировку, то я все равно хочу, чтобы вы сами проверили их значения самостоятельно. Вы можете это сделать двумя способами.

• Применив ваш мультиметр. Это отличная практика для понимания тех цифр, которые отображаются мультиметром.

• Изучив цветовую кодировку, которая нанесена на большинство резисторов (для получения дополнительной информации см. разд. «Фундаментальные сведения — Расшифровка маркировки резисторов»).

После проверки значений сопротивлений неплохо было бы выполнить сортировку, разложив их по маленьким пластмассовым коробочкам с нанесенными на них номиналами. Мне лично нравятся коробки, которые продаются в сети хозяйственных супермаркетов Michaels, но вы можете найти любые другие, которые вас устроят.

Расшифровка маркировки резисторов

На некоторых резисторах их номинал сопротивления указывается цифрами, которые напечатаны достаточно мелким шрифтом (рис. 1.37). Эти значения можно без проблем прочитать с помощью увеличительной лупы. Однако в большинстве случаев в современных резисторах применяется маркировка с использованием цветных полосок.

Рис. 1.37. Некоторые современные резисторы имеют нанесенные на их цифровые значения сопротивления, хотя вам для их чтения может потребоваться лупа. Этот резистор номиналом 15K (15 кОм) имеет длину менее половины дюйма (около 12 мм)

Порядок действий для определения номинала при цветовой маркировке следующий: во-первых, следует исключить из рассмотрения цвет корпуса резистора. Во-вторых, нужно найти серебряную или золотую полоску. Если вы ее найдете, то поверните резистор таким образом, чтобы эта полоска находилась с правой стороны. Серебряный цвет означает, что величина сопротивления резистора выполнена с точностью в пределах 10 %, а золотой цвет означает, что — в пределах 5 %.

Если же вы не можете найти серебряную или золотую полоску, то надо повернуть резистор таким образом, чтобы группа полосок находилась с левой стороны. Вы теперь должны обратить внимание на три цветных полоски, которые расположены слева. Некоторые резисторы имеют больше полосок, но мы в настоящий момент будем иметь дело только с трехцветной маркировкой (рис. 1.38, ЦВ[1] — рис. 1.38).

Рис. 1.38. Пример трех резисторов с цветовой маркировкой. Номиналы приведенных резисторов (сверху вниз) следующие: 56 000, 5600 и 560 Ом. Размер резистора указывает на мощность, которую он может выдержать; эта мощность никак не влияет на его сопротивление. Два крайних резистора меньшего размера имеют мощность 0,25 Вт, а резистор большего размера рассчитан на 1 Вт

Начиная слева, первая и вторая полоски имеют цветовую кодировку, которая соответствует приведенной далее табл. 1.4.

Третья полоска имеет другое значение: она указывает количество нулей (табл. 1.5), которое следует добавить к полученному предыдущему цифровому значению.

Следует помнить, что цветовая маркировка является вполне согласующейся и логичной, например, зеленый цвет означает либо величину 5 (для первых двух полосок), либо 5 нулей (для третьей полоски). Сама последовательность цветов совпадает с последовательностью цветов в радуге.

Таким образом, резистор с маркировкой коричневая-красная-зеленая будет иметь значение 1 2 и пять нулей, что в итоге составляет 1 200 000 Ом или 1,2 МОм (1.2 МΩ). Резистор с маркировкой оранжевый-оранжевый-оранжевый будет иметь значение 3 3 и три нуля, что в итоге составляет 33 000 Ом или 33 кОм (33 KΩ). А резистор с маркировкой коричневая-черная-красная будет иметь значение 1 0 и два дополнительных нуля, что составляет в сумме 1000 Ом или 1 кОм (1 KΩ). На рис. 1.39 (ЦВ-рис. 1.39) приведены некоторые другие примеры.

Рис. 1.39. Чтобы определить значение сопротивления резистора с цветовой маркировкой, сначала надо повернуть его таким образом, чтобы его серебряная или золотая полоски находились справа, а группа других полосок — слева. При этом, если смотреть на резисторы последовательно сверху вниз: первый резистор имеет сопротивление 1 2 и пять нулей или 1 200 000 Ом, что означает 1,2 МОм (1.2 МΩ). Второй резистор — 5 6 и один ноль, т. е. 560 Ом (560 Ω). Третий резистор — 4 7 и два нуля, или 4700, что означает 4,7 кОм (4.7 KΩ). Последний имеет 6 5 1 и два нуля — 65100 Ом, или иначе 65,1 кОм (65.1 KΩ)