Как проектировать электронные схемы

Использование сверл

Знатоки электроники не всегда являются специалистами по механической обработке, поэтому полезно привести простое правило сверления отверстий в таких материалах, как листовое железо или стеклотекстолит. Сначала следует просверлить отверстия меньшего размера. Например, чтобы просверлить отверстие диаметром 6 мм, следует начать со сверла диаметром 2 или 3 мм. Чем больше конечный диаметр, тем больше потребуется промежуточных сверлений. Это обеспечивает получение отверстий точного размера круглой формы и легкое выполнение операции без повышенного износа сверл. В любом случае отверстие необходимо предварительно наметить с помощью кернера.

Сверление отверстий большого диаметра

Для увеличения диаметра отверстий можно применять специальные фрезы или развертки конической формы. Они бывают различных размеров и могут приводиться во вращение как с помощью дрели, так и вручную.

Любители широко используют специальное приспособление — «балеринку» — для выполнения больших отверстий в панелях из пластмассы или алюминия. «Балеринка» содержит ось со втулкой и поперечную планку с закрепленным на конце резцом. Перемещая планку и фиксируя ее во втулке, можно в широких пределах изменять расстояние резца от оси, определяющее диаметр вырезаемого отверстия. Таким образом получают отверстия любого нужного размера для монтажа электрических соединительных элементов, громкоговорителей и т. д. Обычно затраты на приобретение или изготовление такого инструмента быстро окупаются.

Следует помнить, что пластмассы при механической обработке могут плавиться, поэтому нужно применять дрель или сверлильный станок с малой скоростью вращения.

ЗАЩИТА ФОТОДИОДА ОТ ПОМЕХ

Нормальное функционирование ИК приемника системы дистанционного управления требует защиты зоны приема от постороннего излучения. Солнечный свет, как и свет ламп накаливания, содержит излучение ИК диапазона. Для защиты фотодиода можно закрепить на передней панели специальный фильтр номер 87С, выпускаемый фирмой Kodak (или аналогичный). В некоторых случаях удается использовать испорченный диапозитив при условии его предварительной проверки. Помимо основной задачи фильтр выполняет функцию механической защиты приемного отверстия.

УКОРАЧИВАНИЕ КОРПУСА ПРИБОРА

При сборке портативного устройства, размещаемого в каркасе небольшой толщины, нередко возникает проблема монтажа полупроводникового прибора, имеющего значительную высоту корпуса, когда из-за нехватки места его невозможно разместить в горизонтальном положении. Это относится, например, к транзисторам в корпусе Т0220, которые встречаются чаще, чем приборы в небольшом корпусе (Т092). В то же время в малогабаритных устройствах с питанием от батарейки рассеиваемая мощность обычно невелика. В таком случае вполне допустимо аккуратно отпилить верхнюю часть корпуса с отверстием Или удалить ее с помощью кусачек.

ТЕЛЕФОННЫЕ СОЕДИНИТЕЛИ

Иногда телефонные соединители типа RJ на 4, 6 или 8 контактов нужно использовать для других целей. Такие соединительные элементы имеют ряд достоинств. Они недорого стоят, занимают мало места и надежно фиксируются. Однако для монтажа розеточной части соединителей требуется специальный инструмент — обжимные клещи. Такие клещи дорого стоят и обычно предназначаются только для одной модели розеток, поэтому их понадобится столько же, сколько имеется типов розеток. К счастью, можно выполнить монтаж простым способом с помощью тупой стороны лезвия ножа (рис. 1.17). Провода вставляются один за другим, а затем производится фиксация колпачка с помощью тисков. Возможно, предварительно потребуется провести несколько пробных операций. Для этого следует приобрести дополнительные розетки.

ГЕРКОНОВОЕ РЕЛЕ

Малогабаритные герконовые реле содержат герметизированные магнитоуправляемые контакты. Переключение инициируется магнитным полем, которое возникает при подаче питания на катушку реле.

Чувствительность геркона к магнитному полю довольно высока, поэтому каждый намагниченный элемент, расположенный вблизи от реле, может нарушить его работу.

Возможной причиной сбоя может стать громкоговоритель, содержащий сильный магнит. При этом иногда возникает непростая для анализа ситуация: сбой проявляется только тогда, когда крышка корпуса поставлена на место, а закрепленный на ней громкоговоритель приближен на опасное расстояние к печатной плате.

ВЫБОР СЕЧЕНИЯ ПРОВОДОВ

Для устройств, работающих со значительными токами (например, для инверторов или регуляторов скорости вращения двигателей), очень важно выбрать сечение сильноточных проводов. При решении этой задачи можно воспользоваться параметрами, представленными в табл. 1.1, где приведено рекомендуемое сечение провода (в мм2) в зависимости от его длины и максимального тока.

ВОЗДУШНЫЙ ДРОССЕЛЬ

Дроссели (катушки индуктивности) не пользуются большой популярностью среди любителей. Их применяют довольно редко, и если они используются в публикуемых схемах, то в списках компонентов приводятся хорошо известные и доступные типы. При разработке импульсных источников питания иногда нужно изготовить нестандартный дроссель. Такая же потребность может возникнуть при изготовлении фильтра низких частот для подавления высокочастотных гармоник, например в схемах с широтно-импульсной модуляцией (см. главу 2, разделы «Импульсная стабилизация напряжения» и «Широтно-импульсная модуляция»).

На приведенных ниже чертежах (рис. 1.18) представлены воздушные (то есть не имеющие ферромагнитного стержня) дроссели, которые несложно изготовить самостоятельно.

Для расчета индуктивности однослойных и многослойных катушек в зависимости от их размеров и числа витков используются несложные формулы, которые легко найти в учебниках или справочниках. Экспериментальную проверку индуктивности дросселя можно выполнить с помощью небольшой схемы измерения резонансной частоты колебательного контура, состоящего из конденсатора и изготовленного дросселя. Для этого потребуются генератор соответствующего диапазона частот и осциллограф.

Наконец, при выборе сечения провода для обмотки следует учитывать значение тока, который будет проходить через катушку, и использовать данные, приведенные в табл. 1.1.

МОНТАЖ СОЕДИНИТЕЛЯ ЛЕНТОЧНОГО КАБЕЛЯ

Осуществление большого числа соединений между двумя картами персонального компьютера или между картой и периферийными устройствами (например, дисководами) существенно упрощается благодаря применению плоских ленточных кабелей со стандартным расстоянием между жилами, равным 1,27 мм.

Соединительные элементы, расположенные на концах или в средней части кабеля, обычно монтируются с помощью специального дорогостоящего инструмента. Нетрудно выполнить эту операцию, используя тиски с широкими губками. Следует соблюдать осторожность при размещении кабеля в соединителе, поскольку можно вставить контакты между проводниками и вызвать их замыкание. Губки тисков должны быть покрыты мягкими прокладками, чтобы не повредить соединители. Сжатие губок производится до легкого щелчка, свидетельствующего о том, что обе части соединителя зафиксировались в нужном положении. Следует помнить, что в случае неудачи повторить эту операцию невозможно, то есть у вас нет права на ошибку.

ПЕРЕМЫЧКИ НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ

Как любители, так и многие профессионалы редко используют двусторонние печатные платы. Радиоаппаратура массового производства (видеомагнитофоны, проигрыватели лазерных дисков или магнитных кассет и т. д.) обычно оснащена односторонними печатными платами, изготовленными из гетинакса, что существенно сокращает затраты на производство. Этот устаревший тип печатной платы часто совмещается со сложными современными компонентами, имеющими четыре ряда выводов с шагом 1,27 мм. В подобных схемах обычно используется большое число перемычек.

Если в плате должны быть перемычки, при ее проектировании следует соблюдать несколько простых правил. Во-первых, перемычки всегда следует располагать параллельно одной из сторон платы, даже если это приведет к удлинению проводящих дорожек. Во-вторых, если две соединяемые точки слишком удалены друг от друга, лучше использовать несколько коротких перемычек, чем одну длинную (рис. 1.19а).

В результате удастся получить плату более эстетичного вида; кроме того, изготовить очень длинную прямую перемычку довольно сложно. Наконец, стоит попытаться сгруппировать вместе несколько перемычек, придавая им одинаковые длины, даже если для этого придется изменить трассы дорожек (рис. 1.19б).

Об изготовлении перемычек говорилось в разделе «Выпрямление одножильного провода». Следует сохранять отрезки проволоки, образующиеся при укорачивании выводов компонентов, — они могут пригодиться для изготовления перемычек.

БЛОК ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Для кодирования адреса или программирования двоичного слова на логической карте часто используют набор миниатюрных выключателей, собранных в корпусе типа DIP. Такой корпус легко устанавливать, а маркировка выключателей позволяет без труда определять, включены они или выключены.

Основной недостаток блока — его высокая цена. Можно без труда заменить эти выключатели розеточной частью разъема с двумя рядами гнезд, вставив в нужные места съемные перемычки, которые замыкают два контакта, расположенные друг против друга (рис. 1.20). Подобный элемент занимает даже меньше места, чем блок выключателей, а маркировка состояний отчетливо видна (по наличию перемычек). Цена переключателя очень невысока, особенно если используются перемычки карт, вышедших из строя.

ОТВЕРТКА ДЛЯ НАСТРОЙКИ

Переменные резисторы и конденсаторы имеют цилиндрическую ось со шлицом для выполнения регулировки с помощью обычной отвертки. В процессе регулировки довольно сложно удерживать кромку отвертки в нужном положении, одновременно наблюдая за изменением сигнала на экране осциллографа; крестообразная отвертка была бы в данном случае значительно удобнее.

Существует специальная «настроечная» отвертка, имеющая на конце пластмассовый колпачок, который одевается на регулировочную ось и не позволяет отвертке выскальзывать из шлица. Подобный инструмент несложно изготовить, если плотно надеть отрезок хлорвиниловой трубки подходящего диаметра на обычную отвертку (рис. 1.21).

Необходимо следить за тем, чтобы отвертка, используемая для регулировки переменного конденсатора, не была намагничена (это не столь важно при настройке переменного резистора). В противном случае можно сбить регулировку и даже нарушить работу схемы. Поэтому следует выбирать отвертку, которая не находилась в контакте с намагниченными инструментами или в зоне действия высокого магнитного поля.

УСТАНОВКА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Монтаж тороидальных трансформаторов

Тороидальные трансформаторы обычно используются в устройствах высокой мощности, поскольку занимают значительно меньше места, чем классические модели. Во время их монтажа необходимо точно следовать указаниям производителя и применять для крепления только рекомендуемые кольца (из металла или неопрена).

Если два тороидальных трансформатора располагаются в одном корпусе, нельзя использовать для них общий крепежный болт, проходящий по центру. В соответствии с законами магнетизма трансформаторы обязательно будут взаимодействовать, что приведет к нарушению работы устройства.

Крепление трансформаторов

Когда трансформатор (даже небольшого размера) монтируется на печатной плате, следует в дополнение к припаиванию выводов предусмотреть его механическое крепление. Если мощность трансформатора превышает 10 В А, его весом уже нельзя пренебречь. При падении устройства плохо закрепленный трансформатор может повредить соседние компоненты. Классические модели трансформаторов с наборным сердечником начиная с определенных размеров снабжены специальными монтажными скобами. Необходимо крепко стянуть набор с помощью болтов и надежно закрепить трансформатор на плате.

При проектировании размещения элементов нужно оставить достаточно места для выводов и крепежных отверстий. Залитые трансформаторы часто имеют крепежные лапки или сквозные отверстия для крепления. Иногда они снабжены пластмассовыми вставками с отверстиями, которые предназначены для крепления с помощью винтов.

Особенности залитых трансформаторов

Залитые трансформаторы соответствуют более высоким стандартам по изоляции, чем обычные модели. Но у них есть свои недостатки: худшие условия теплоотвода и высокая цена. Некоторые из них снабжены встроенной термозащитой. Следует помнить о том, что такая защита необратима, то есть, если она срабатывает, трансформатор просто выходит из строя.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАКЕТНОЙ ПЛАТЫ

Для изготовления прототипа, макета или единичного экземпляра электронного устройства можно обойтись без выполнения рисунка печатной платы. Когда речь идет о небольшом числе компонентов или о временной схеме, удобно использовать плату с отверстиями (без металлизации), в которые просто вставляют компоненты, соединяя их перемычками.

Для более сложных вариантов подойдет макетная плата с квадратными контактными площадками, размещенными в узлах сетки со стандартным шагом (рис. 1.22).

Каждый компонент припаивается, а контактные площадки соединяются между собой в нужных местах капельками припоя. Использование паяльника с тонким жалом существенно упрощает монтажные операции. В окончательном виде устройство будет эквивалентно схеме, собранной на односторонней печатной плате. Некоторую трудность вызывает, например, соединение двух несмежных выводов одной интегральной схемы. На такую плату можно смонтировать все компоненты со стандартным шагом выводов, включая микроконтроллеры. При формировании перемычек и дорожек следует ориентироваться на величину токов, которые будут по ним проходить.

2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

В данной главе рассматриваются общие вопросы разработки электронных схем, описываются многие стандартные и специализированные компоненты. Каждый читатель в соответствии со своим уровнем подготовки сможет почерпнуть в данном разделе новые знания о деталях и особенностях существующих схем.

Материал, изложенный ниже, поможет разработать и изготовить различные электронные устройства собственными силами. Речь пойдет о проектировании схем, в которых используются только простые компоненты, доступные каждому любителю. Изложение рассчитано на читателя с техническим складом ума, которому уже приходилось собирать электронные устройства, пользуясь готовыми наборами деталей или схемами средней сложности из специальных журналов. Как правило, для этого необходимо изучить принципиальную схему устройства и иметь некоторые навыки по его настройке. После приобретения определенного опыта можно без большого труда самостоятельно конструировать разные типы схем. При этом любитель (в отличие от профессионала) может выбирать разновидность схемы на свой вкус и по своим возможностям.

ЗАРЯДКА АККУМУЛЯТОРОВ

Как известно, аккумуляторы делятся на два больших семейства: свинцовые и никель-кадмиевые. Первые применяются во всех транспортных средствах со стартерами (и в некоторых других областях).

Вторые, менее тяжелые и громоздкие, используются для питания радиотелефонов, переносных компьютеров, видеокамер и другой аппаратуры. Сегодня различные модели обоих типов представлены в большом ассортименте, и каждый может выбрать то, что ему требуется.

Условия перезарядки для обоих семейств различны, и эти правила необходимо строго соблюдать. Ниже представлены основные рекомендации по зарядке аккумуляторов. Свинцовые аккумуляторы с пробками или без пробок (запаянные) заряжаются при ограниченном токе. Его значение выбирают равным С/10, где С — емкость в ампер-часах. Требуемое напряжение зарядного устройства составляет 2,4 В на каждый элемент. Таким образом, аккумулятор с номинальным напряжением 12 В емкостью 5 А∙ч, состоящий из 6 элементов по 2 В, будет заряжаться при напряжении 14,4 В (как у автомобильного генератора) и токе 0,5 А. Избыточная длительность перезарядки не приносит большого вреда. Если аккумулятор находится в нормальном рабочем состоянии, то при достаточном уровне зарядки потребление тока сокращается само по себе.

В процессе зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов рекомендуется использовать ток, составляющий десятую часть номинальной емкости (например, 60 мА для батареи емкостью 600 мА∙ч),

в течение 16 часов. В любом случае ток следует ограничить с помощью резистора, включенного последовательно с источником напряжения (желательно стабилизированного). Если источник позволяет задать ограничение по току, нужно отрегулировать его на величину, не представляющую угрозы для батареи.

Наконец, не следует забывать о том, что напряжение аккумулятора в процессе зарядки увеличивается и что в конце операции оно может превысить заданное напряжение источника питания. Чтобы ток не протекал через источник в обратном направлении, рекомендуется подключить защитный диод (см. также разделы «Выходной конденсатор» и «Генератор тока»).

Пользователям переносных компьютеров и сотовых телефонов хорошо знаком «эффект запоминания». Если аккумулятор начинают перезаряжать, когда он еще не полностью разрядился, его емкость после отключения зарядного устройства будет равна той, что он имел до перезарядки. Иначе говоря, либо аккумулятор надо постоянно оставлять на зарядке, либо надо дождаться его полной разрядки, а затем зарядить. В противном случае срок службы батарей существенно сокращается. По этой причине «разумные» зарядные устройства полностью разряжают аккумулятор перед его зарядкой. Разработаны новые типы аккумуляторов, например никель-марганцевые или литий-ионные, свободные от такого недостатка. Они значительно дороже, но имеют более широкие возможности применения.

СОГЛАСОВАНИЕ КМОП И ТТЛ СХЕМ

Еще совсем недавно все логические интегральные схемы принадлежали к семейству транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Их маркировка начиналась с цифр 74, за которыми следовали буквы LS или ALS. Затем появились КМОП схемы типа CDXX и, наконец, комбинированные микросхемы, сочетающие преимущества обоих семейств (например, 74НС и 74НСТ).

Элементы ТТЛ типа по быстродействию превосходят КМОП микросхемы, но потребляют значительно больше энергии; напряжение питания для них равно 5 В. Схемы на КМОП транзисторах отличаются исключительно малым потреблением тока, особенно при низкой частоте переключения, и способны работать при напряжении питания от 3 до 15 В. Недостатком таких приборов является их высокая чувствительность к статическому электричеству. Чтобы при соприкосновении с изделиями из синтетических материалов приборы не выходили из строя, необходимо принимать специальные меры защиты.