Глава 1
Уроки юного конструктора

Можно ли сесть за руль автомобиля, не зная, как запустить двигатель и для чего нужны педали и ручки управления?

Конечно, нет, скажете вы. Сначала надо ознакомиться с назначением каждой ручки, выучить строение автомобиля, а потом уже ездить на нем. Так и с нашими конструкциями. В них используются разнообразнейшие детали, каждая из которых выполняет свою заранее установленную функцию. Чтобы создать любое устройство, надо знать, для чего нужны детали, входящие в него, уметь проверять их, соединять между собой, налаживать созданную конструкцию.

Получить базовые знания об электрическом токе, радиодеталях и правилах создания изделий вам поможет этот раздел. Конечно, не все сведения, которые помещены в нем, будут понятны после первого прочтения. Не огорчайтесь — практика вам поможет! Главное — хорошо выучите правила безопасности работы и смелее беритесь за нее. А к этим материалам, имеющим в основном ознакомительный характер, обращайтесь при возникновении вопросов.

Представьте большой резервуар с водой, находящейся под давлением, которая в любой момент может вырваться наружу. От резервуара отходит труба с краном. Открыли кран, и вода полилась через трубу в бассейн. Если диаметр трубы маленький, скорость потока небольшая. С увеличением диаметра трубы вырастает и скорость потока. Происходит это потому, что труба с большим диаметром оказывает меньшее сопротивление напору воды, и она вытекает с более высокой скоростью.

Предположим, что резервуар с водой — это источник электрической энергии, который имеет определенное напряжение (давление воды), а труба — нагрузка, сопротивление (диаметр трубы), которое может изменяться. Тогда водный поток можно воспринять как электрический ток, который проходит через нагрузку.

Пока сопротивление нагрузки маленькое (диаметр трубы большой), через него идет значительный ток (большая скорость потока). Если же сопротивление возрастает (уменьшается диаметр трубы), электрический ток (скорость потока), наоборот, уменьшается. По такой аналогии вы, наверное, можете самостоятельно определить, как изменится ток при увеличении напряжения (повышении давления воды в резервуаре).

А теперь перейдем к единицам измерения напряжения, тока и сопротивления. Напряжение измеряют в вольтах, обозначая эту единицу буквой В (в английском варианте — V). Если вы посмотрите на этикетку, например пальчиковой батарейки, то заметите на ней надпись «1,5 В». Это значит, что напряжение батареи 1,5 В. На этикетке также есть знаки «+» и «-», чаще всего просто «+», что означает полярность выводов. Она указывает, в каком направлении будет идти ток, если к батарее подключить нагрузку, скажем, лампочку карманного фонаря.

Вы все, конечно, видели такую лампочку и знаете, что внутри стеклянного баллона в ней подвешен тонкий металлический волосок. Один его конец припаян к нарезной части лампочки, а второй — к контакту внизу. Нарезная часть и контакт — это выводы лампочки. Как только их подключают к выводам батареи, через волосок лампочки начинает течь электрический ток. Направление его будет определено — от плюсового вывода батареи к минусовому. Поскольку ток идет в одном направлении непрерывно, его называют постоянным, напряжение также — постоянным (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Подключение лампочки к батарее питания.

На рис. 1.2 показано, как данная цепь будет выглядеть на принципиальной схеме. Именно такие схемы мы научимся читать и подбирать к ним детали.

Рис. 1.2. Принципиальная схема подключения лампочки к батарейке.

Вернемся к электричеству. «А почему же не указывают полярности на гнездах сетевой розетки?» — спросите вы.

Дело в том, что сетевое напряжение переменное. Это значит, что в одном гнезде розетки напряжения плюс, в другом минус, и наоборот. Такое изменение полярности происходит 100 раз за секунду. При включении в розетку, например, настольной лампы через ее волосок потечет ток, направление которого будет изменяться столько же раз за секунду, сколько и полярность напряжения.

Силу электрического тока измеряют в амперах, обозначая эту единицу буквой А. Тем не менее на практике такой ток встречается крайне редко, поэтому используют меньшую единицу — миллиампер — тысячную частицу ампера, которую обозначают буквами мА. Существует и другая меньшая единица — микроампер (мкА), и применяется она для описания токов в микромощных электронных схемах.

Очень часто вам придется иметь дело с такой единицей измерения, как сопротивление. Измеряют его в омах (условное обозначение Ом). Кроме этой единицы, используют большие единицы: килоом (1 кОм = 1000 Ом) и мегом (1 МОм = 1000 кОм = 1 000 000 Ом).

Когда прохождение тока через проводник вызывает появление магнитного поля и в этом поле, окружающем проводник, накапливается энергия — то это величина измерения будет называться индуктивностью. Основное свойство индуктивности состоит в том, что она оказывает сопротивление изменениям протекающего тока. Основная единица измерения индуктивности — генри (Гн). На практике используются такие единицы, как миллигенри (мГн) — одна тысячная генри — и микрогенри (мкГн) — одна на миллион генри.

Существует еще одна довольно распространенная величина — электрическая емкость. Она характеризует способность удерживать электрический заряд. Основная единица измерения емкости — фарада (Ф). Фарада — это очень большая емкость, нечасто используемая в электронных схемах, поэтому мы обычно имеем дело с микрофарадами (мкФ) — миллионными долями фарады — и пикофарадами (пФ) — миллионными долями микрофарады. Нужно заметить, что конденсатор емкостью в несколько фарад способен некоторое время работать как аккумулятор. Поэтому многие умельцы ставят их в стационарные электронные часы, чтобы при пропадании электроэнергии, например кратковременном, они могли работать и не сбить свой ход.

В звукоусилительной технике часто используется единица измерения децибел (дБ) — это чувствительность человеческого уха к изменению звуковой мощности.

Мощность — это работа, выполненная в единицу времени. На практике (в том числе и в электронике) в качестве единицы мощности применяется ватт (Вт). В электрических схемах мощность равна напряжению на схемном компоненте или участке цепи, умноженному на ток, протекающий через них. Например, если напряжение 9 В приложено к некоторому компоненту или ко всей схеме и вызывает в них ток 0,5 А, то полная мощность будет равна 9 умножить на 0,5, то есть 4,5 Вт. Стоит отметить, что мощность в любом активном сопротивлении, в том числе в соединительных проводах и резисторах, выделяется в виде тепла.

Существует также единица отклонений от номинальных значений радиодеталей. Данная величина измеряется в процентах, и чем она ниже, тем лучше. В электронике это редко имеет столь большое значение. Более важна ваша внимательность и терпение.

Какие только детали не потребуются для изготовления конструкций, которые предлагаются! Здесь и резисторы, и транзисторы, и конденсаторы, и диоды, и выключатели. Из разнообразных радиодеталей нужно уметь быстро отличить по внешнему виду нужную, расшифровать надпись на ее корпусе, определить выводы и распознать ее на принципиальной схеме (схема самоделки). О том, как это сделать, и будет рассказано далее. Подробные сведения о радиодеталях вы найдете в описании конструкций самоделок. Не лишним будет купить справочник радиолюбителя. На данный момент с поиском такой литературы есть затруднения, поэтому, если отыщите на рынке какой-нибудь старенький справочник, покупайте, пригодится и такой. По моему мнению, на сегодняшний день лучший справочник — Интернет.

Эта деталь встречается практически в каждой конструкции. Она представляет собой фарфоровую трубочку (или стержень), на которую изнутри нанесена тончайшая пленка металла или сажи (углерода). Резистор имеет сопротивление и используется для того, чтобы установить нужный ток в электрической цепи. Вспомните пример с резервуаром: изменяя диаметр трубы (сопротивление нагрузки), можно получить ту или другую скорость потока воды (электрический ток разной силы). Чем тоньше пленка на фарфоровой трубочке или стержне, тем больше сопротивление тока.

Самые популярные из резисторов — постоянные, подстроечные и переменные. Из постоянных чаще всего используются резисторы типа МЛТ (металлизированный лакированный теплостойкий). Подстроечные резисторы предназначены для настройки аппаратуры, а резистор со сменным сопротивлением (переменный, или потенциометр) применяют для регулировки, например громкости в магнитофоне.

Резисторы различают по сопротивлению и мощности. Сопротивление, как вы уже знаете, измеряют в омах, килоомах и мегоомах, а мощность — в ваттах. Резисторы разной мощности отличаются размерами. Чем больше мощность резистора, тем больше его размеры. Внешний вид резисторов показан на рис. 1.3, их обозначение на принципиальных схемах на рис. 1.4.

Рис. 1.3. Внешний вид резисторов:

Рис. 1.4. Обозначение резисторов на принципиальных схемах.

Сопротивление резистора обозначают на схемах рядом с его условным обозначением. Если сопротивление меньше 1 кОм, цифрами указывают число омов без единицы измерения. При сопротивлении от 1 кОм до 1 МОм указывают число килоомов и ставят рядом букву «К». Сопротивление 1 МОм и больше выражают числом мегаомов с написанием буквы «М».

Например, если на схеме рядом с обозначением резистора указано число 510, значит, сопротивление резистора 510 Ом. Обозначениям 3,6 к и 820 к отвечает сопротивление 3,6 кОм и 820 кОм. Надпись на схеме 1 М или 4,7 М означает, что используются резисторы сопротивлением 1 МОм и 4,7 МОм.

Надо отметить, что чем больше размеры резистора, тем больше его мощность. Раньше на принципиальных схемах мощность резисторов обозначалась косыми линиями (рис. 1.5), теперь ее указывают только в случае использования мощных резисторов. Если рядом с резистором не указана его мощность, можно смело ставить самый маленький размер.

Рис. 1.5. Обозначение ваттности резисторов на принципиальных схемах.

В отличие от постоянных резисторов, которые имеют два вывода, у сменных резисторов таких выводов три. На схеме указывают сопротивление между крайними выводами сменного резистора. Сопротивление же между средним выводом и крайними изменяется при вращении оси резистора, которая выступает наружу. Причем, если ось вращают в одну сторону, сопротивление между средним выводом и одним из крайних возрастает, соответственно уменьшаясь между средним выводом и другим крайним. Если же ось возвращают назад, происходит обратное. Это свойство сменного резистора используют, например, для регулирования громкости звука, тембра в усилителях, приемниках, магнитофонах.

Резисторы издают шумы. Различают собственные шумы и шумы скольжения. Собственные шумы резисторов складываются из тепловых и токовых шумов. Их возникновение связано с тепловым движением свободных электронов и прохождением электрического тока. Собственные шумы тем выше, чем больше температура и напряжение. Высокий уровень шумов резисторов ограничивает чувствительность электронных схем и создает помехи при воспроизведении полезного сигнала. Шумы скольжения (вращения) присущи переменным резисторам. Они возникают в динамическом режиме при движении подвижного контакта по резистивному элементу в виде напряжения помех. В приемных устройствах эти помехи приводят к различным шорохам и трескам. Поэтому в электронике стали использовать цифровую регулировку. В настоящее время в аппаратуре не часто встретишь регулятор громкости, построенный на потенциометре.

Кроме постоянных и переменных резисторов, существуют полупроводниковые нелинейные — изделия электронной техники, основное свойство которых заключается в способности изменять свое электрическое сопротивление под действием управляющих факторов: температуры, напряжения, магнитного поля и др. В зависимости от воздействующего фактора они получили название терморезисторы, варисторы, магниторезисторы. В последнее время их стали относить к управляемым полупроводниковым резисторам. Иными словами, это элементы, чувствительные к воздействию определенного управляющего фактора.

Терморезисторы, или термисторы, изменяют свое сопротивление в зависимости от температуры. Существуют терморезисторы как с отрицательным, так и с положительным температурным коэффициентом сопротивления — позисторы. Терморезисторы используются в системах дистанционного и централизованного измерения и регулирования температур, противопожарной сигнализации, теплового «контроля и защиты машин, измерения мощности, измерения вакуума, скоростей движения жидкостей и газов, в схемах размагничивания масок цветных кинескопов и др. Номинальное сопротивление RH — электрическое сопротивление, значение которого обозначено на терморезисторе или указано в нормативной документации, измеренное при определенной температуре окружающей среды (для большинства типов этих резисторов при 20 °C, а для терморезисторов с высокими рабочими температурами до 300 °C).

Варисторы — полупроводниковые резисторы, отличительной особенностью которых является резко выраженная зависимость электрического сопротивления от приложенного к ним напряжения. Их используют для стабилизации и защиты от перенапряжений, преобразования частоты и напряжения, а также для регулирования усиления в системах автоматики, различных измерительных устройствах, в телевизионных приемниках.

Магниторезисторы — полупроводниковые резисторы с резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от магнитного поля. Действие таких резисторов основано на использовании магниторезистивного эффекта, который заключается в изменении сопротивления резистора при внесении его в магнитное поле. Регулируя напряженность управляющего магнитного поля или перемещая резистор в поле постоянного магнита, можно управлять сопротивлением. Их используют в регуляторах громкости высококачественной радиоаппаратуры, в качестве датчиков угла поворота в специальных устройствах автоматики и т. п.

Надо сказать, что конденсатор, как и резистор, можно увидеть во многих самоделках. Как правило, простейший конденсатор — это две металлические пластинки, с воздухом между ними. Вместо воздуха может быть фарфор, слюда или другой материал, который не проводит тока. Если резистор пропускает постоянный ток, то через конденсатор проходит только переменный. Благодаря такому свойству конденсатор ставят там, где надо отделить постоянный ток от переменного.

Как вы знаете, у резистора основной параметр — сопротивление, у конденсатора — емкость. Конденсаторы, как и резисторы, бывают постоянные, подстроечные и переменные. О постоянных конденсаторах нет смысла рассказывать, так как все было сказано выше, а вот про две другие разновидности этой детали стоить упомянуть. У подстроечных и переменных конденсаторов емкость изменяется при обращении оси, которая выступает наружу. Раньше они широко применялись в радиоприемниках. Именно конденсаторы переменной емкости крутили ваши родители для настройки на нужную радиостанцию.

В радиолюбительских конструкциях и промышленной аппаратуре за основу принята единица емкости — микрофарад. Однако чаще применяется другая единица — пикофарад. На схемах вы встретите и ту, и другую. Причем емкость до 9100 пФ включительно указывают на схемах в пикофарадах, а большую — в микрофарадах. Если, например, рядом с условным обозначением конденсатора написано 27, 510 или 6800, значит, емкость конденсатора соответственно 27, 510 или 6800 пФ. А вот цифры 0,015, 0,25 или 1,0 свидетельствуют о том, что емкость конденсатора составляет соответствующее число микрофарад.

Типов конденсаторов очень много. Они отличаются материалом между пластинами и конструкцией. Бывают конденсаторы воздушные, слюдяные, керамические, пленочные и т. п. Одна из разновидностей постоянных конденсаторов — электролитический. Их выпускают большой емкости — от 0,5 до 4000 мкФ. На схемах для них указывают не только емкость, но и максимальное напряжение, на котором их можно использовать.

Например, надпись 5,0x10 В означает, что конденсатор емкостью 5 мкФ надо взять на напряжение не ниже 10 В. Некоторые разновидности конденсаторов показаны на рис. 1.6, а их обозначение на принципиальных схемах на рис. 1.7.

Рис. 1.6. Внешний вид конденсаторов:

Рис 1.7. Обозначение конденсаторов на принципиальных схемах.

Для сменных или подстроечных конденсаторов на схеме указывают крайние значения емкости, которые создаются, если вращать ось конденсатора от одного крайнего положения к другому или вертеть по кругу (как у подстроечных конденсаторов). Например, надпись 5-180 свидетельствует о том, что в одном крайнем положении оси емкость конденсатора составляет 5 пФ, а в другом -180 пФ. При плавном возвращении с одного положения в другое емкость конденсатора также плавно будет изменяться от 5 до 180 пФ или от 180 до 5 пФ.

Их составляет целая группа деталей: диоды, стабилитроны, транзисторы. В каждой детали использован полупроводниковый материал или более простой полупроводник. Что это такое? Все существующие вещества можно условно разделить на три большие группы. В первую входят медь, железо, алюминий и прочие металлы, хорошо проводящие электрический ток, то есть проводники. Вторую группу составляют материалы, не проводящие тока: древесина, фарфор, пластмасса. Это непроводники, то есть изоляторы (диэлектрики). В третью входят полупроводники, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие материалы проводят ток только при определенных условиях.

Из полупроводниковых приборов транзистор чаще всего применяется в радиоэлектронике. У него три вывода: база (б), эмиттер (е) и коллектор (к) (см. обозначение на принципиальных схемах — рис. 1.10).

Рис. 1.10. Обозначение транзисторов на принципиальных схемах.

Транзистор — усилительный прибор. Условно его можно сравнить с таким известным вам устройством, как рупор. Чтобы ваш голос был хорошо слышен человеку, находящемуся в нескольких десятках метров от вас, нужно всего лишь произнести что-нибудь перед узким отверстием рупора, направив широкое в сторону приятеля. Если воспринять узкое отверстие как вход рупора-усилителя, а широкое — как выход, то можно сказать, что исходный сигнал в несколько раз сильнее входного. Это и есть показатель усилительной способности рупора, его коэффициент усиления. Некоторые разновидности транзисторов представлены на рис. 1.8 и 1.9.

Рис. 1.8. Внешний вид устаревших транзисторов.

Рис. 1.9. Внешний вид современных транзисторов.

Если пропустить через участок база-эмиттер слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз и потечет через участок коллектор-эмиттер. В зависимости от тока, который можно пропускать через коллектор, транзисторы бывают маломощные, средней и большой мощности. Кроме того, эти полупроводниковые приборы могут быть структуры p-n-р или n-p-n. Так различаются транзисторы с разным дежурством пластов полупроводниковых материалов (если в диоде два пласта материалов, то здесь их три).

Однако совсем не обязательно транзисторы разной структуры должны иметь разное усиление. Усилительная способность транзистора определяется его так называемым статическим коэффициентом передачи тока. Для некоторых конструкций этот коэффициент важен, и его указывают в описании.

В некоторых самоделках встречается еще одна разновидность транзистора — полевой. У него также три вывода, но называют их по-другому: затвор (как база), исток (эмиттер), сток (коллектор). Подбирать эти транзисторы по усилительной способности не придется, а вот проверять их надо. Чтобы во время подключения того или другого транзистора к деталям самоделки не перепутать выводы, нужно четко знать их расположение — цоколевку, или распиновку. Ее можно посмотреть в различных радиолюбительских справочниках.

Эти полупроводниковые приборы имеют два вывода: анод и катод. В прямом направлении (от анода к катоду) стабилитрон работает как диод, свободно пропуская ток. В обратном направлении он сначала не пропускает ток, а при увеличении подаваемого на него напряжения вдруг «пробивается» и начинает пропускать. Напряжение «пробоя» называют напряжением стабилизации. Оно будет оставаться неизменным даже при значительном увеличении входного напряжения. Благодаря этому свойству стабилитрон применяется в тех случаях, когда надо получить стабильное напряжение питания какого-либо устройства при колебаниях, например сетевого напряжения.

Этот прибор часто используют в блоках питания. Зачастую он похож на диод, поэтому мы покажем внешний вид диода (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Внешний вид диодов (стабилитроны имеют похожий вид).

У диода также два вывода: анод и катод. Если подключить к нему батарею: плюс — к аноду, минус — к катоду, в направлении от анода к катоду потечет ток. Сопротивление диода в этом направлении небольшое. Если же попробовать изменить полюса батарей, то есть включить диод «наоборот», то ток через диод не пойдет. В этом направлении диод имеет большое сопротивление.

Совокупность нескольких диодов — диодный мост (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Диодные мосты (сборки) — совокупность нескольких диодов.

Разновидностей диодов существует достаточно много (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Внешний вид некоторых полупроводниковых приборов.

Самый используемый в любых конструкциях — полупроводниковый. Существуют также выпрямительные диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Бывают универсальные и импульсные диоды, применяющиеся в импульсных режимах работы. Они имеют малую длительность переходных процессов включения и выключения. Туннельные диоды используются в усилителях, переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц. Обращенные диоды сделаны на основе полупроводника с критической концентрацией примеси, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Существует и масса других элементов этой категории. Они используются не так часто, как перечисленные выше, но упомянуть о них стоит.

Варикап — полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения. Он применяется в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более р-n переходов. Он может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. В зависимости от способа управления тиристоры подразделяются на динисторы, трионые тиристоры, не проводящие в обратном направлении, запираемые тиристоры, симметричные тиристоры, оптронные тиристоры.

Светоизлучающий диод (светодиод) — полупроводниковый прибор с одним переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения вследствие рекомбинации электронов и дырок. Он предназначен для использования в устройствах визуального представления информации.

Излучающий диод ПК-диапазона — полупроводниковый диод, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию инфракрасного (ИК) излучения.

Полупроводниковый знаковый индикатор — полупроводниковый прибор, состоящий из нескольких светоизлучающих диодов, предназначенный для использования в устройствах визуального представления информации в качестве индикатора знаков.

Оптопара — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом.

Акустические приборы. С одним из таких приборов вы сталкиваетесь каждый день, когда слушаете радио, плеер, магнитофон. Звук доносится из динамической головки (так называют динамик, или громкоговоритель), которая и превращает электрический ток, поступающий на ее выводы (их два), в колебания звуковой частоты (звук). Для простых приемников или усилителей выпускают наушные телефоны. Они состоят из двух капсюлей («наушников»).

С другими радиодеталями (выключателями, гальваническими элементами и батареями, трансформаторами и т. п.) вы сможете ознакомиться на собственном опыте или благодаря описаниям радиолюбительских самоделок.

В этом особых сложностей не будет. Чтобы вы смогли определить их на принципиальных схемах, обязательно запомните обозначение этих элементов на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Обозначение различных элементов на принципиальных схемах.

Изображение радиодеталей на принципиальных схемах разных стран практически одинаково, но иногда встречаются серьезные отличия (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Детали на принципиальных схемах разных стран.