Электроника для начинающих [1-е издание]

• слишком большой ток может сжечь предохранитель внутри вашего прибора.

Следует убедиться, что на мультиметре установлен режим именно для измерения силы тока в миллиамперах (рис. 1.51–1.52, а), а не напряжения, как это было ранее. В некоторых приборах для измерения тока в миллиамперах требуется переключить одну из вилок измерительного щупа в другое гнездо — «mA» (см. рис. 1.52, б).

Рис. 1.51. Если вы попытаетесь измерить слишком большой ток, то в любом приборе обязательно должен сгореть внутренний предохранитель. В нашей цепи нет никакого риска, если вы установите регулятор потенциометра в среднее положение. Для измерения силы тока в миллиамперах выберите режим «mA» и запомните, что мультиметр при этом будет отображать значения, которые означают тысячные доли ампер

Рис. 1.52. Мультиметр с ручным выбором режима измерения такой, например, как приведенный здесь, при измерении тока в миллиамперах требует от вас переключения красного измерительного щупа в другое гнездо прибора. В большинстве современных мультиметров этого делать не нужно до тех пор, пока вам не понадобится измерять большие значения токов

Подключите ваш тестер в цепь как это показано на рис. 1.53.

Рис. 1.53. Чтобы измерить ток в амперах, как это показано на левом (а) и правом (б) рисунках, измеряемый ток должен проходить через мультиметр. Когда вы будете увеличивать сопротивление потенциометра, то это приведет к уменьшению электрического тока, а меньший ток через светодиод заставит его светиться менее ярко

Не следует поворачивать потенциометр больше чем наполовину. Сопротивление потенциометра будет защищать ваш тестер, как и светодиод. Если через тестер пропускается слишком большой ток, то вы сможете обнаружить себя выполняющим замену внутреннего предохранителя тестера.

Если вы слегка измените положение регулятора потенциометра, повернув его в одну или другую сторону, то обнаружите, что изменение сопротивления в цепи будет приводить к изменению тока. Это может объяснить, почему светодиод перегорел в предыдущем эксперименте. Слишком большой ток делает его горячим, и это тепло расплавит его изнутри, как предохранитель в приведенном ранее эксперименте 2.

Более высокое сопротивление ограничивает ток или ее величину в амперах.

Теперь встройте мультиметр в другую часть исследуемой цепи, как это показано на рис. 1.53, б. По мере поворота потенциометра вперед или назад вы будете получать точно такие же результаты, что и в схеме, приведенной на рис. 1.53. Это происходит потому, что ток во всех точках такой цепи имеет одно и то же значение. Все это именно так, поскольку у потока электронов нет никакого другого пути.

Теперь наступило время, чтобы обратиться к некоторым цифрам. Здесь осталось проверить одну последнюю вещь. Отключите светодиод и замените его резистором с сопротивлением 1 кОм, как это показано на рис. 1.54.

Общее сопротивление в цепи теперь будет равно 1 кОм плюс сопротивление потенциометра, зависящее от положения оси регулятора, в которое вы его установили. (Разумеется, мультиметр тоже имеет некоторое сопротивление, но оно настолько мало, что мы можем им пренебречь).

Рис. 1.54. Если вы вместо светодиода установите резистор, то сможете проверить, что ток, который течет в цепи, будет зависеть от общего сопротивления в цепи при условии неизменного питающего напряжения

Сначала поверните ось потенциометра до упора против часовой стрелки, и у вас получится суммарное сопротивление в цепи, равное 3 кОм. Ваш мультиметр при этом должен показать приблизительно 2 мА. Затем поверните ось потенциометра в среднее положение, и вы получите общее сопротивление в цепи порядка 2 кОм. Ток в этом случае должен быть около 3 мА. Теперь поверните ось потенциометра до упора по часовой стрелке. Общее сопротивление в цепи станет равно 1 кОм, и вы получите ток, который будет около 6 мА. Вы можете заметить, что если умножить сопротивление на силу тока, то каждый раз получится число 6 — что всего лишь означает величину напряжения, которое приложено к цепи (табл. 1.6).

Фактически мы можем сказать:

вольты = килоомы х миллиамперы.

Но подождите секунду: 1 кОм это 1000 Ом, а 1 мА это 1/1000 А. Поэтому наша формула по-настоящему должна выглядеть следующим образом:

вольты = (омы х 1000) х (амперы х 1/1000).

После сокращения числителя и знаменателя на 1000 получим:

вольты = омы х амперы.

Это известно, как закон Ома, см. далее разд. «Фундаментальные сведения — Закон Ома».

Последовательно и параллельно

Перед тем как продолжить, вы должны узнать каким образом изменяется сопротивление цепи при последовательном и параллельном подключении резисторов (рис. 1.55–1.57, ЦВ-рис. 1.55–1.57).

Рис. 1.55. К одному резистору приложено все напряжение и в соответствии с законом Ома по нему протекает ток величиной U/R = 6 В/1000 Ом = 0,006 А = 6 мА

Рис. 1.56. Когда два одинаковых резистора подключены последовательно, электрический ток сначала должен пройти через один из них, а затем только через другой, поэтому на каждом из них падает половина приложенного напряжения. Общее сопротивление теперь становится равным 2000 Ом, и в соответствии с законом Ома по цепи протекает ток величиной U/R = 6 В/2000 Ом = 0,003 А = 3 мА

Рис. 1.57. Когда два одинаковых резистора подключены параллельно, то к каждому из них приложено полное напряжение, т. е. напряжения на них составляют по 6 В. Электрический ток проходит через них одновременно, поэтому общее сопротивление становится в два раза меньше по сравнению с тем, что было. В соответствии с законом Ома по цепи проходит ток, равный U/R = 6 В/500 Ом = 0,012 А = 12 мА

Следует запомнить, что:

• при последовательном соединении резисторов они подключаются таким образом, что следуют друг за другом;

• при параллельном соединении резисторов они подключаются таким образом, что располагаются рядом бок о бок.

Когда вы последовательно подключаете два резистора одного номинала, то вы удваиваете общее сопротивление, поскольку электрический ток в данном случае преодолевает два последовательных препятствия.

Когда два резистора одного номинала подключены параллельно, то вы делите общее сопротивление на два, поскольку предоставляете электрическому току два пути, по которым он может пройти, вместо одного.

На практике нам нет необходимости устанавливать резисторы параллельно, но нам часто приходится подключать компоненты другого типа таким образом. Например, лампочки в вашем доме подключены таким образом. Поэтому очень полезно понимать, что сопротивление цепи уменьшается, если вы добавляете в нее компоненты при параллельном подключении.

Использование закона Ома

Закон Ома очень полезен. Например, он помогает нам определить безопасно ли использовать какой-либо компонент в данной цепи. Вместо того, чтобы подвергать воздействию повышенным напряжением компонент до тех пор, пока он не перегорит, мы можем предсказать, как он будет работать.

Например, вначале, когда вы поворачивали ось потенциометра, вы на самом деле не знали, как долго вы можете это делать, чтобы светодиод не вышел из строя. Поэтому было бы полезно точно знать, какое сопротивление надо подсоединить последовательно со светодиодом, чтобы адекватно защитить его, получая при этом свечение максимальной яркости.

Как читать справочные листы технических данных

Как и для большинства других случаев, ответ на этот вопрос можно найти в Интернете.

Здесь описано как можно найти справочные листы технических данных на изделия (их технические описания), выпускаемых тем или иным изготовителем (рис. 1.58).

Рис. 1.58. Типичный справочный лист технических данных, в который включены соответствующие технические характеристики изделия, в данном случае высокоэффективного светодиода в корпусе диаметром 5 мм

Во-первых, найдите компонент, который вас интересует, у поставщика, оформляющего заказы по электронной почте. Затем введите в поисковую систему Google номер детали и имя производителя.

Обычно в числе первых результатов запроса появятся справочные листы технических данных этого компонента. С использованием таких источников, как сайт компании Mouser Еlectronics, поиск осуществляется еще проще, поскольку он предоставляет прямую ссылку на справочные листы технических данных для многих изделий.

Приведем пример. Предположим, я хочу использовать красный светодиод типа TLHR5400, выпускаемый компанией Vishay Semiconductor, который стал настолько распространенным, что я могу его купить отдельно по цене $0,09 за штуку (≈2,7 руб.). Щелкните мышью по ссылке на лист технических данных, который представлен компанией Vishay Semiconductor. Почти немедленно на экране компьютера появится страница файла в формате PDF.

Этот лист технических данных для светодиодов типа TLHR, TLHG и TLHY, которые соответственно имеют свечение красного, зеленого и желтого цветов, что обозначается буквами «R», «G» и «Y» в наименовании светодиода. Пролистываю документ и нахожу таблицу «OPTICAL AND ELECTRICAL CHARACTERISTICS» (Оптические и электрические характеристики). В ней содержится информация о том, что при токе через светодиод величиной 20 мА он имеет типичное значение («ТYР.») прямого напряжения (Forward voltage) равное 2 В. Слово «MAX.» в таблице означает максимальное значение, которое составляет 3 В.

Теперь посмотрим на другой лист технических данных, поскольку все они имеют одну и ту же форму. Я выберу другой светодиод — компонент WP7113SGC компании Kingbright. Щелчок мышью по ссылке на сайте производителя и я получаю вторую страницу листа технических данных, где типичное значение прямого напряжения составляет 2,2 В, максимальное значение — 2,5 В, а максимальный прямой ток 25 мА. Кроме того, я нашел некоторую дополнительную информацию: максимально допустимое обратное напряжение — 5 В, а максимально допустимый обратный ток 10 мкА (означает микроампер, который составляет величину в 1000 раз меньше ампера). Эти данные говорят нам, что не следует прикладывать избыточное напряжение к светодиоду при подключении с обратной полярностью. Если же для светодиода превысить максимально допустимое значение обратного напряжения, то возникает опасность выхода его из строя.

Поэтому всегда старайтесь соблюдать полярность при подключении!

Компания Kingbright предоставляет сведения о том какую температуру может выдерживать светодиод: 260 °C (500 °F) в течение нескольких секунд. Это полезная информация, поскольку довольно скоро мы отложим в сторону наши зажимы типа «крокодил» и для соединения электрических компонентов будем использовать расплавленный паяльником горячий припой.

Поскольку мы уже вывели из строя батарейку, предохранитель и светодиод при выполнении всего лишь четырех экспериментов, поэтому возможно вы не удивитесь, что мы испортим, по меньшей мере, еще несколько компонентов при определении их предельных температурных значений при воздействии паяльника.

В любом случае теперь мы знаем, что необходимо для нормальной работы светодиода, и мы можем сделать все соответствующие расчеты. Если у вас при вычислении возникнут какие-либо трудности при определении места, куда нужно поставить десятичную запятую, то перед продолжением изучения книги обратитесь к разд. «Фундаментальные сведения — Положение десятичного разделителя».

Закон Ома

По причинам, о которых я расскажу чуть позже, электрический ток обычно обозначается латинской буквой «I». Буквой «U» обозначают напряжение, а буквой «R» — сопротивление, обычно представленное в омах (поскольку с использованием большинства клавиатур не так легко напечатать букву «Ω»). Используя эти символьные обозначения, вы можете написать закон Ома тремя различными способами:

U = I х R.

I = U/R.

R = U/I.

Следует помнить, что U — это разность потенциалов (напряжение) между двумя точками простой цепи, R — сопротивление в омах между двумя этими точками, а I — ток в амперах, который проходит по этой цепи между двумя точками.

Буква «I» используется потому, что сила тока измеряется согласно создаваемой током индукции (inductance), что означает способность током индуцировать (создавать) магнитное поле.

Для обозначения электрического тока гораздо меньше вопросов вызывало бы использование буквы «А», но, к сожалению, уже слишком поздно что-либо менять.

Какое напряжение падает на проводе?

Обычно, мы можем не учитывать сопротивление проводов, например, у проводов малой длины, которые соединяют сопротивления, поскольку это очевидно. Однако если вы попытаетесь пропустить ток большой величины через длинный тонкий провод, то становится важным учитывать его сопротивление.

Насколько же это важно? Чтобы определить это, мы снова можем воспользоваться законом Ома.