«Как пройти к электронике?»

Оглавление:

Ток и напряжение

Переменные напряжения или сигналы в электрических цепях

Небольшой рассказ об усилителе и его характеристиках

Немного о генераторах

Немного о цифровой технике

А что такое микроконтроллер?

Мультивибратор при первом знакомстве с микроконтроллером

Устройства питания и преобразователи напряжения

О программе Qucs и других программах

Ток и напряжение

Пожалуй, это все, что нам понадобится вспомнить из школьного курса физики. Во всяком случае, пока. Если вас заинтересует теория, или если вы почувствуете дискомфорт от недостатка точных определений и описаний процессов, протекающих в электрических цепях, то можно углубиться в чтение учебников по ТОЭ (теоретические основы электротехники), физике (например, физике твердого тела или физике полупроводников). А если вы решите выбрать электронику в качестве сферы деятельности, то вы пойдете в учебное заведение по этому профилю и все предметы изучите (надеюсь, что так) досконально.

Электрический ток, протекающий по компонентам любой электрической схемы, суть всего, что связано с электроникой, электрикой или радиотехникой. В любом описании схемы вы встретите упоминание о токе в несколько миллиампер или ампер. Вы можете измерить ток в электрической цепи с помощью мультиметра. В действительности, когда мы привычно рассуждаем о токе, мы имеем в виду силу тока. Вот определение, которое я выписал, чтобы поговорить о токе.

Сила тока в проводнике - скалярная величина, численно равная заряду, протекающему в единицу времени через сечение проводника: I = δq/δt.

О чем говорит это определение? В первую очередь о том, что по проводнику «протекает» заряд или, другими словами, по проводнику движутся заряженные частицы. Если проводник — металл, то это, скорее всего, электроны. Если проводник — электролит, то это, вероятно, ионы. И т.д. Действительно, электрический ток — это направленное движение электрических зарядов. Направленное, чтобы отличать его от хаотического и беспорядочного, не образующего электрического тока, но которое есть в металлах, прекрасных проводниках электрического тока. И можно догадаться, что есть нечто, направляющее движение зарядов. Называется это нечто источником тока или источником электродвижущей силы (ЭДС). Из физики мы знаем, что заряд, помещенный в электростатическое поле, будет двигаться под действием этого поля. А это позволяет предположить, что источник ЭДС создает в проводнике поле, которое и заставит хаотически движущиеся электроны двигаться упорядоченно, направленно. Математическое описание полей тесно связано с понятием потенциала, которое для электростатического поля определяется (я выпишу это определение) так:

Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду: φ = W/q = const, — энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле.

Так как потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной. За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: потенциал Земли, потенциал бесконечно удаленной точки поля или потенциал отрицательной пластины конденсатора.

Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность. В системе единиц СИ потенциал измеряется в вольтах: 1 Вольт = 1 Джоуль/1 Кулон.

На практике чаще имеют дело с величиной, называемой напряжением:

Напряжение — разность значений потенциала в начальной и конечной точках траектории. К понятию разности потенциалов приводит рассмотрение работы:

A = - (W2 - W1) = - (φ2 - φ1)q = - qΔφ

U = φ1 -φ2 = - Δφ = A/q

Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля. Разность потенциалов (напряжение) не зависит от выбора системы координат.

Я думаю, этих определений пока будет достаточно.

Вернемся к электрическому току. Для того, чтобы по электрической цепи протекал ток, нам нужен источник ЭДС, он же источник питания. Это может быть химический источник тока (батарейка, аккумулятор), это может быть генератор (на электростанции), это может быть фотоэлемент (солнечная батарея) и т.д.

Небольшое отступление: я для иллюстрации сказанного буду использовать программу Qucs. Установленная на моем компьютере операционная система Linux прекрасно работает с этой бесплатной программой. Но вы можете использовать кроме нее (есть версия для Windows) такие прекрасные программы как Multisim, Micro-Cap или Proteus (они, кстати, вполне удачно могут работать в Linux), или любую другую, которая вам кажется интереснее или доступнее.

Так что же с электрическим током?

Не будет большой беды, если в начале освоения электроники мы будем под источником тока подразумевать батарейку, как в фонарике, пульте управления телевизором или плеере. Величина ЭДС измеряется в вольтах, а батарейки в силу ряда причин вы чаще встретите с ЭДС в 1.5, 4.5 или 9 В, чем с другими значениями. Так что, если в примерах мы используем батарейку с напряжением в 10 В, то это только для удобства рассуждений, хотя получить требуемую величину источника питания не составит особого труда от сетевого блока питания, но о нем мы поговорим позже. На электрических схемах батарейка обозначается в виде двух параллельных линий, одна из которых короче и толще, а другая длиннее и тоньше. Чтобы подчеркнуть большее напряжение, чем 1.5 В, таких линий может быть несколько. Вообще, электрическая схема — это записанное графическим языком описание устройства. Каждый элемент схемы имеет свое назначение и изображается рисунком, принятым для его обозначения. По мере рассказа станет ясно, какие элементы электрических схем применяются на практике, как они обозначаются на схеме и для чего служат.

Самую простую электрическую схему (или электрическую цепь) мы получим, если присоединим к батарейке проводник (провод). В такой цепи под действием ЭДС будет протекать постоянный ток. Проводник удобно характеризовать величиной, которая называется сопротивлением (сопротивление протеканию электрического тока). Эта величина для проводника определяется его длиной, толщиной и материалом, из которого сделан проводник. Свойства материала характеризуется удельным сопротивлением, а толщина площадью сечения. Таким образом, сопротивление проводника можно записать в виде:

R = ρ(l/S), где ρ — удельное сопротивление, S — площадь сечения, l — длина.

При протекании тока по проводнику, имеющему сопротивление, на его концах есть разность потенциалов, которую называют падением напряжения (или напряжением). Между током, напряжением и сопротивлением существует простая взаимосвязь, открытая Омом и названная в его честь «Закон Ома»:

I = U/R, где I — ток, U — напряжение, R — сопротивление.

Для простейшей схемы, о которой мы говорили, справедливо и очевидно, что ЭДС источника тока и падение напряжения на проводнике равны. Если обобщить это утверждение, то можно получить еще один из законов, открытых Кирхгофом:

Алгебраическая сумма напряжений в замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС.

Есть еще один закон Кирхгофа, показывающий, что ток не исчезает бесследно, если электрическая цепь разветвляется:

Ток, входящий в точку ветвления электрической цепи, равен сумме токов в ветвях.

И, конечно, это же утверждение справедливо для точки соединения ветвей, где втекающий ток будет равен сумме токов в ветвях.

Принято в этой части рассказа о токах и напряжениях использовать простые (или сложные) схемы с резисторами и источниками питания. Но при этом возникает соблазн игнорировать простые соотношения, считая, что в недрах современных «чипов» все описывается другими законами. Чтобы показать, что это не так, я хочу иллюстрировать все вышесказанное на примере типового простейшего усилительного каскада на транзисторе.

Рис. 1.1. Измерения по постоянному току в транзисторном каскаде

Некоторые пояснения. За техническое направление тока принято считать протекание тока от плюса источника к минусу. В данном случае источник тока (ЭДС) V1 с напряжением 10 В. От его плюса ток течет к прибору (амперметру) Pr1, после которого разветвляется. Часть тока протекает через резистор R1 и прибор Pr2, а часть через Pr3 и резистор R2. В транзисторе Q2N222A эти токи соединяются, чтобы «вытечь» из эмиттера транзистора и через Pr4 отправиться к минусу источника тока. Резисторы R1 и R2 — это компоненты электрической схемы, которые в первом приближении можно рассматривать, как проводники, обладающие сопротивлением в 1 мегаом и 3 килоома, согласно схеме. Конечно проводники с таким сопротивлением получить из обычных электрических проводов сложно. Поэтому резисторы с разным сопротивлением изготавливают специальным образом. Но сути это не меняет. Транзистор. Транзистор — полупроводниковый прибор, входящий в состав очень многих и аналоговых, и цифровых микросхем. В данном случае нарисован биполярный транзистор (есть еще полевые транзисторы), имеющий три вывода: сверху — коллектор, снизу — эмиттер, сбоку — база.

Ток, показываемый амперметром Pr1, равен 1.64 мА (миллиампер, одна тысячная ампера) и делится на базовый Pr2 и коллекторный Pr3 токи. Эти токи соответственно равны 0.01 мА и 1.63 мА. Именно об этом говорит закон Кирхгофа: 1.64 = 1.63 + 0.01. И соединяясь в транзисторе эти токи в ветвях цепи образуют: 1.63 + 0.01 = 1.64 (мА), что и показывает амперметр Pr4.

И так далее...

HOME