Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Что потребуется для экспериментов второй главы
Дальше: Эксперимент 7. Исследование реле
Эксперимент 6. Обычные переключатели
Этот эксперимент мы проведем с обычными тумблерами. Вам может показаться, что вы хорошо знаете, как их использовать, но далее мы рассмотрим гораздо более интересный вариант, когда два переключателя на два направления объединены в одной схеме.
Что вам понадобится
• Отвертка, кусачки, инструмент для зачистки проводов
• Монтажный провод 22-го калибра (диаметр 0,64 мм), длина не более 30 см
• Батарея 9 В (1 шт.)
• Стандартный светодиод (1 шт.)
• Тумблеры, однополюсные или двухполюсные, на два направления (2 шт.)
• Резистор номиналом 470 Ом (1 шт.)
• Тестовые провода с зажимами «крокодил» на концах (2 шт.)
Соедините детали так, как показано на рис. 2.26. Вам придется немного попрактиковаться в зачистке проводов, чтобы аккуратно снять изоляцию с двух концов провода. Для фиксации проводов в зажимных клеммах переключателя согните плоскогубцами конец каждого провода так, чтобы он выглядел в виде буквы «J». Затем подведите его под винт слева так, чтобы винт наматывал провод, когда его закручивают по часовой стрелке.
Длинный вывод светодиода также зажмите в одной из клемм. Не перепутайте контакты светодиода. Помните о том, что длинный вывод всегда должен быть более положительным, чем короткий.
Если ваши тумблеры не имеют зажимных клемм, то для их придется подключать к схеме с помощью тестовых проводов с зажимами «крокодил». Потребуется также еще один тестовый провод, чтобы подключить светодиод к центральной клемме левого тумблера.
Рис. 2.26. Ваш первый эксперимент с переключателями
Подсоединив батарею, поэкспериментируйте, переключая тумблеры. Что вы наблюдаете?
Если светодиод горит, то переключение любого тумблера его выключит. Если светодиод не горит, любой из тумблеров включит его. Я вскоре объясню это интересное поведение (см. раздел «Введение в электрические схемы» этой главы), но вначале должен довести до вас некоторые основные понятия и справочную информацию.
Все о переключателях
Рукоятка переключателя — это деталь, которую вы передвигаете пальцем. В тумблере, подобном изображенному на рис. 2.26, при переключении рукоятки центральный контакт соединяется с одним из двух контактов по бокам, как показано на рис. 2.27.
Центральный вывод называется полюсом переключателя. Так как вы можете переводить, или перекидывать тумблер, создавая два возможных подключения, такой компонент называется переключателем на два направления, в англоязычной литературе его сокращенно обозначают как DT (или, иногда, 2Т). Однополюсный переключатель на два направления сокращенно обозначается SPDT (или, иногда, 1Р2Т).
У некоторых переключателей только два контакта вместо трех. Они являются выключателями — это означает, что если вы переведете их рукоятку в одно положение, соединение появится, а если в другое, то соединение будет разомкнуто. Многие выключатели освещения в вашем доме именно такие. Их называют переключателями на одно направление. Однополюсный переключатель на одно направление обозначается SPST (или, иногда, 1Р1Т).
Иногда переключатели имеют два полностью раздельных полюса, и поэтому, манипулируя рукояткой, вы можете создать два независимых подключения одновременно. Такие переключатели называются двухполюсными, сокращенно DP (или, иногда, 2Р). Посмотрите на рис. 2,28- 2.30 с фотографиями старомодных рубильников, которые до сих пор используются при изучении электроники в школах. Вам вряд ли потребуются такие переключатели для каких либо практических целей, но они очень наглядно иллюстрируют различия между соединениями SPST, SPDT и DPST.
Рис. 2.27. Обычно так переключаются контакты тумблера
Рис. 2.28. Демонстрационный однополюсный переключатель на одно направление (SPST)
Рис. 2.29. Однополюсный переключатель на два направления (SPDT) соединяет один полюс с выбранным контактом
Единственная возможность увидеть сегодня используемый с определенной целью рубильник — это фильмы ужасов. На рис. 2.31 некий одержимый ученый подает электропитание для своего эксперимента с помощью однополюсного рубильника на два направления, который практично установлен на стене в его подвальной лаборатории.
Рис. 2.30. Двухполюсный переключатель на одно направление (DPST) имеет два полюса, которые полностью изолированы друг от друга. Каждый полюс может соединяться только с одним из контактов
Рис. 2.31. Одержимый ученый запускает свою «адскую машинку» с помощью рубильника SPDT
Чтобы добиться более интересных эффектов, вы можете купить переключатели с тремя или четырьмя полюсами. (У некоторых поворотных переключателей полюсов еще больше, но мы не будем работать с ними.) Кроме того, некоторые тумблеры на два направления имеют дополнительное центральное положение «выключено».
Собрав всю эту информацию вместе, я составил таблицу (табл. 2.1), в которой приведены некоторые из возможных видов переключателей и описывающие их аббревиатуры. Для кнопочных устройств употребляются такие же сокращения. Если вы просматриваете каталог деталей, можете сверяться с этой таблицей, чтобы вспомнить, что обозначают сокращения.
Таблица 2.1
Рукоятки некоторых переключателей снабжены пружинами, вследствие чего они возвращаются в исходное положение сразу же, как только прекращается нажатие на них. Если сокращения «ВКЛ» или «ВЫКЛ» заключены в скобки, то это говорит о том, что вы должны удерживать переключатель в нажатом состоянии, чтобы он сохранял свое состояние.
Вот несколько примеров:
• ВЫКЛ-(ВКЛ). Поскольку состояние ВКЛ заключено в скобки, оно является кратковременным. Таким образом, это однополюсный переключатель, который создает контакт только тогда, когда вы нажимаете на него, и отскакивает обратно, чтобы разорвать контакт, когда вы его отпускаете.
Он называется также «нормально разомкнутым» переключателем без фиксации положения, сокращенно NO (normally open). Большинство кнопочных устройств работает именно так.
• ВКЛ-(ВЫКЛ). Вариант, который противоположен переключателю без фиксации положения. В нормальном состоянии он замкнут, и когда вы нажимаете на него, он размыкает соединение. Поэтому положение ВЫКЛ — кратковременное. Он называется также «нормально замкнутым» переключателем без фиксации положения, сокращенно NC (normally closed).
• (ВКЛ)-ВЫКЛ-(ВКЛ). Этот переключатель имеет центральное положение ВЫКЛ. Если вы переключаете его в любую сторону, то он создает кратковременный контакт, а затем возвращается в центральное положение, когда вы его отпускаете.
Возможны и другие варианты, например, ВКЛ- ВЫКЛ-(ВКЛ) или ВКЛ-(ВКЛ). Если помнить о том, что скобки указывают на кратковременность состояния, вы сможете понять, как будут вести себя такие переключатели.
Искрение контактов
Когда вы создаете и разрываете электрическое подключение, при этом обычно возникает искра. Искрение плохо сказывается на контактах переключателей. Контакты постепенно разрушаются и в конечном счете переключатель выходит из строя. Поэтому следует выбирать переключатель, рассчитанный на напряжение и силу тока, с которыми вы работаете.
В электрических схемах, описанных в этой книге, ток небольшой, а напряжение низкое, поэтому подойдет практически любой переключатель. Но если вы подключаете электродвигатель, то импульс тока в начальный момент не менее чем в два раза превосходит расчетный ток при нормальной работе. Так, например, для включения и выключения двухамперного электродвигателя потребуется четырехамперный переключатель.
Проверка переключателя
Проверить переключатель можно с помощью мультиметра. Например, легко выяснить, какие контакты подключаются, когда вы перемещаете рукоятку в то или иное положение. Мультиметр будет полезен также, если у вас есть кнопочное устройство, и вы не помните, какого оно типа: нормально разомкнутое (вы нажимаете на него, чтобы создать соединение) или нормально замкнутое (вы нажимаете на него, чтобы разорвать соединение).
При проверке переключателя будет удобно, если вы настроите мультиметр на прозвонку цепи.
Устройство подаст звуковой (или визуальный) сигнал, если обнаружит соединение, и ничего не будет делать при отсутствии соединения. На рис. 2.32 приведены примеры настройки различных мультиметров для прозвонки цепи. Вспомните, что символ, который в мультиметрах обозначает режим прозвонки цепи, уже встречался вам в главе 1 (см. рис. 1.7).
Рис. 2.32. Разные мультиметры, настроенные на прозвонку цепи
Эволюция коммутирующих устройств
Переключатели выглядят настолько неотъемлемой составляющей нашего мира, а их принцип работы так прост, что мы с легкостью забываем о том, что и они прошли процесс эволюции. Примитивные рубильники были вполне привычными устройствами для первооткрывателей электричества, поскольку им требовалось лишь подключение и отключение аппаратуры в лаборатории. Но когда стали развиваться телефонные системы, потребовался более сложный подход. Обычно оператору коммутационной панели было необходимо подключить одну пару из 10 000 линий. Как это можно было сделать?
В 1878 году Чарльз Э. Скрибнер (изображен на рис. 2.33) разработал переключатель «складной нож», названный так, потому что деталь, которую держал оператор, напоминала рукоятку складного ножа. Из него выступал штекер, и когда его вставляли в гнездо, возникало соединение. Гнездо, фактически, содержало контакты переключателя.
Рис. 2.33. Чтобы удовлетворить потребности коммутации в телефонных системах Чарльз Э. Скрибнер в конце XIX в. изобрел переключатель «складной нож». Современные аудиоразъемы работают по тому же принципу
Аудиоразъемы гитар и усилителей по-прежнему работают по этому принципу, и когда мы говорим о штекерах, то этот термин отсылает нас к изобретению Скрибнера. Контакты переключателя до сих пор монтируются внутри гнезда.
Сегодня коммутационные панели стали такой же редкостью, как и телефонные операторы. Вначале их заменили на реле — электрически управляемые переключатели, о которых мы поговорим далее в этой главе. А затем реле были вытеснены транзисторами, которые выполняют все без участия каких-либо движущихся деталей. В эксперименте 10 вы будете управлять электрическим током с помощью транзисторов.
Введение в электрические схемы
На рис. 2.34 я изобразил соединение компонентов с рис. 2.26 в упрощенной форме, называемой «электрической схемой». С этого момента и далее я буду изображать электрические цепи в виде схем, потому что с их помощью легче понять принцип действия соединения. Чтобы интерпретировать схемы, вам необходимо знать некоторые символы.
Рис. 2.34. Устройство с двумя переключателями перерисовано здесь в виде электрической схемы
На рис. 2.26 и 2.34 изображены одни и те же компоненты и соединения между ними. Зигзагообразный элемент на схеме — это резистор, символ с двумя стрелками — светодиод, а батарея изображена как два параллельных отрезка разной длины.
Большой треугольник в символе светодиода показывает ток условного направления, который протекает от плюса к минусу. Две диагональные стрелки сообщают о том, что данный диод является светоизлучающим (я вернусь к другим видам диодов позже). В символе батареи более длинный отрезок соответствует положительному полюсу источника питания.
Проследите путь, который электрический ток проходит по цепи, и представьте тумблеры, переключенные в то или иное положение. Теперь вы должны четко понимать, почему любой из переключателей будет переводить светодиод из выключенного состояния во включенное и наоборот.
На рис. 2.35 представлена та же схема с небольшими улучшениями. Линии сделаны прямыми, положительный полюс источника питания теперь находится слева вверху, а отрицательный полюс — справа внизу. На схемах, как правило, ток условного направления протекает сверху вниз, а сигналы определенного вида (например, входной аудиосигнал в усилителе) проходят слева направо. Построение схемы «сверху вниз» облегчает ее понимание.
Рис. 2.35. Схема рис. 2.34 приведена в соответствие с принятым стилем изображения
Важно уяснить то, что эти две схемы соответствуют одному и тому же устройству, даже если выглядят они по-разному. Имеет значение только тип компонентов и способ их соединения. Точное местоположение компонентов не важно.
ЗамечаниеЭлектрическая схема не подскажет вам, где устанавливать компоненты. Она всего лишь сообщает о том, как их соединять.
Кстати, в вашем доме тоже, возможно, есть пример схемы, изображенной на рис. 2.35, когда два выключателя освещения расположены вверху и внизу лестничного пролета и любой из них можно использовать для включения и выключения света. Эта ситуация показана на рис. 2.36, на котором фазный и нейтральный провода сети переменного тока обозначены внизу слева. Провод под напряжением (фазный) — переключаемый, а нейтральный провод идет вдоль него к лампе (белый кружок со спиральной линией, которая обозначает нить накала старомодной лампы накаливания).
Рис. 2.36. Та же схема, что и на предыдущем рисунке, используется в домах для управления одним источником света с помощью двух переключателей
Единственная проблема, связанная с электрическими схемами, заключается в том, что некоторые условные графические обозначения не стандартизированы. Вы можете встретить несколько вариантов, которые означают одно и то же. Я буду объяснять их по мере появления.
Условные графические обозначения на электрических схемах
1. Переключатель. На рис. 2.37 показаны пять вариантов изображения важнейшего компонента — однополюсного переключателя на одно направление. В каждом случае полюс располагается справа, а контакт слева, хотя для переключателя такого типа (SPST) это не имеет большого значения. Для этой книги я выбрал вариант, где каждый переключатель обведен белым прямоугольником, который указывает на то, что две части переключателя представляют собой один компонент.
Рис. 2.37. Пять вариантов условного обозначения однополюсного переключателя на одно направление (SPST). Все они функционально идентичны
Рис. 2.38. Три варианта обозначения двухполюсного переключателя на два направления (DPDT)
На рис. 2.38 изображен более сложный вариант, двухполюсный переключатель на два направления. Пунктирная линия указывает на то, что оба сегмента переключателя движутся вместе, когда вы переключаете рукоятку, хотя каждый полюс и группа контактов изолированы друг от друга. Вариант обозначения, изображенный в центре рисунка, иногда встречается на больших схемах, где чертеж не позволяет расположить секции переключателя близко друг к другу. Каждая группа контактов обозначается аббревиатурой, заканчивающейся буквами А, В, С и т. д. При этом вы должны понимать, что все эти контакты находятся внутри одного переключателя.
2. Источник питания. Источник питания постоянного тока может обозначаться на схемах различными способами. На рис. 2.39 вверху изображены условные обозначения гальванического элемента и батареи. Короткая линия обозначает отрицательный полюс, длинная положительным. Традиционно одна пара линий обозначает один элемент на 1,5 В, две пары линий — элемент на 3 В и т. д. Но если в цепи присутствует источник высокого напряжения для электровакуумного прибора, составитель схемы обычно изображает пунктирную линию между элементами вместо нескольких десятков линий подряд.
Рис. 2.39. Различные варианты обозначения источника питания постоянного тока
Обозначение батареи чаще встречается на простых схемах, но обычно плюс и минус источника питания постоянного тока указывают отдельными символами, показанными в центре и внизу на рис. 2.39. Плюс указывают в одном месте схемы с помощью обозначения Vcc, Vcc, V+, +V или +V рядом с числом, которое обозначает напряжение. Изначально обозначение Vc относилось к напряжению на коллекторе транзистора. Обозначение Vcc — это напряжение питания для всей схемы, и теперь оно употребляется независимо от того, есть ли в схеме транзисторы. Многие люди произносят «вэ-цэ-цэ», не зная, откуда оно возникло.
На схемах в этой книге положительный полюс источника питания обозначен белым символом «плюс», заключенным в красный кружок.
Отрицательный полюс источника питания может быть обозначен любым символом, изображенным внизу на рис. 2.39. Он может называться «отрицательным заземлением» или попросту «заземлением». Поскольку многие компоненты могут быть совместно подключены к отрицательному потенциалу, вы можете встретить на схеме множество символов заземления. Это удобнее, чем рисовать линии, соединяющие все заземленные точки вместе.
В этой книге я решил использовать белый знак «минус», заключенный в синий кружок, потому что это интуитивно понятнее. Но такое обозначение не часто встречается на схемах.
Пока мы обсуждали устройства с батареей в качестве источника питания. В устройствах, которые подключаются к сетевой розетке, ситуация более сложная, потому что розетка имеет три разъема: находящийся под напряжением (фазный), нейтральный и заземляющий. На схемах источник переменного тока обычно обозначается так, как на рис. 2.40 слева. Рядом с символом часто указывают напряжение источника питания (в США это обычно 110,115 или 120 В). Символы, изображенные на рис. 2.40 справа, обозначают шину заземления (корпус, шасси) устройства, в котором установлены электронные компоненты.
Рис. 2.40. Условное обозначение источника переменного тока (слева) и шины заземления устройства, использующего переменный ток (справа)
Обратите внимание на то, что контакт заземления в розетке переменного тока в помещении на самом деле заземлен за пределами здания. Электронные устройства с металлическим корпусом, которые подключены к этому контакту, будут заземлены. В устройствах, питающихся от батареи, и где нет высокого напряжения, заземлять корпус «на землю» не требуется, но символ заземления может по-прежнему использоваться.
ЗамечаниеВ Великобритании заземленное устройство иногда называется «замкнутым на Землю» (earthed).
3. Резистор. Существуют лишь два варианта условного графического обозначения резисторов, они показаны на рис. 2.41. Символ слева принят в США, число рядом указывает сопротивление в омах. Как вариант, резисторы могут обозначаться символами Rl, R2, R3... с отдельным списком компонентов, в котором указаны их номиналы. Символ справа на рис. 2.41 применяется в Европе, в этом варианте число также обозначает номинал резистора в омах. Значение 220 Ом на этом рисунке было выбрано произвольно.
Рис. 2.41. Обозначение резистора в США (слева) и в Европе (справа)
Помните о том, что если значение сопротивления содержит десятичный разделитель, то европейцы заменяют его буквой К или М, в то время как номиналы меньше 1 кОм изображаются с помощью одной или нескольких цифр, следующих за буквой R.
4. Потенциометр. На рис. 2.42 символ слева употребляется в США, а символ справа — в Европе. В обоих символах стрелка обозначает движок потенциометра. Значение 470 Ом было выбрано произвольно.
Рис. 2.42. Слева обозначение потенциометра, принятое в США, справа — в Европе
5. Кнопка. На рис. 2.43 показаны три возможных обозначения кнопки. Эти символы представляют самый распространенный тип нормально разомкнутой кнопки или переключателя без фиксации положения, в которых при нажатии замыкаются два контакта, а при отпускании происходит размыкание цепи. В более сложных кнопках, где при нажатии замыкаются или размыкаются несколько контактов, может использоваться символ для многополюсного переключателя.
Рис. 2.43. Три варианта обозначения кнопки. Белый прямоугольник добавлен к обозначению только в этой книге для наглядности
6. Светоизлучающий диод (светодиод). На рис. 2.44 представлены четыре варианта обозначения светодиода. Все символы функционально одинаковы, независимо от наличия или отсутствия круга или закраски треугольника. В этой книге белый цвет внутри круга добавлен для наглядности и не используется где-либо еще. Для удобства составления схемы символ светодиода может быть развернут в любом направлении. Стрелки также могут указывать в любом направлении.
Рис. 2.44. Четыре варианта обозначения светодиода. Функционально они одинаковы
Я объясню другие разновидности условных обозначений далее в этой книге. А сейчас запомните главное:
• Расположение компонентов на схеме не влияет на ее функции.
• Стиль символов на электрической схеме не имеет значения.
• Соединения между компонентами исключительно важны.
Правила размещения компонентов
Ранее я упоминал, что на электрических схемах положительный полюс источника питания обычно показан в верхней части, а отрицательный — в нижней части схемы. Эта договоренность облегчает понимание того, как работает схема, но неудобна на практике, когда вы хотите собрать устройство, потому почти всегда вы будете начинать работу с макетной платы, которая диктует совсем другое геометрическое размещение компонентов.
Почти все книги по электронике, которые я видел, рекомендуют преобразовать исходную электрическую схему к тому виду, какой она должна быть на макетной плате. Поначалу это может оказаться непростым делом, и иногда способно затруднить изучение электроники. Поэтому все схемы в данной книге представлены рисунками, которые похожи на размещение компонентов на макете. Сказанное станет более понятным после того, как вы самостоятельно начнете работать с макетной платой в эксперименте 8.
В этом издании книги я решил следовать общепринятому стилю, который распространен во всем мире, несмотря на то, что я считаю его не таким наглядным, как старый стиль.
Возможно, вам интересно следующее — как нарисовать две пересекающиеся линии, если они соединены электрически? Ответ: использовать точку, и чтобы избежать путаницы, точка должна быть большой, а не просто незаметной точечкой. В нижней части рис. 2.45 показано, что я имею в виду. Из этого следует общее правило:
Пересечение проводов
Последняя тема, о которой я должен упомянуть в связи с электрическими схемами, касается способов изображения двух проводов, которые пересекают друг друга. В простых цепях, которые вы уже собирали, пересечений не возникало, но по мере усложнения схем проводам придется проходить друг над другом без образования электрического соединения. Как это можно изобразить на электрической схеме?
В первом издании этой книги я использовал стиль, в котором один провод, пересекающий другой, имел небольшой полукруглый выступ. На рис. 2.45 он называется «старым стилем». Я до сих пор предпочитаю такое обозначение, поскольку оно позволяет ясно увидеть, что провода не создают электрического соединения. Тем не менее, несколько десятилетий назад рисование подобного выступа стало проблемой, поскольку схемы теперь создавались не с помощью карандаша и чернил, а в графических программах. С этого момента «старый стиль» стал встречаться все реже.
Другой способ, названный «новым стилем» на рис. 2.45, показывает разрыв в одном из проводов на месте пересечения. Это сбивало с толку и с трудом могло быть выполнено программой автоматического черчения электрических схем. В итоге этот вариант также стал редкостью.
Сейчас наиболее широко распространен третий стиль, обозначенный как «общепринятый».
• Две пересекающиеся линии не свидетельствуют о наличии электрического соединения.
• Если линии пересекаются в месте, обозначенном точкой, то электрическое соединение присутствует.
Рис. 2.45. Различные стили для изображения соединенных и не соединенных пересекающихся проводов
Следует добавить еще одно замечание. Я полагаю, чтобы избежать путаницы, лучше отказаться от обозначения пересекающихся соединенных друг с другом проводников, показанных в самом низу на рис. 2.45. Более удачный вариант, приведенный чуть выше на этом рисунке, гарантирует уверенность в том, что пересекающие друг друга провода ни при каких условиях не образуют соединения.
Выделение цветом на схемах
Разве я говорил, что пересечения станут последней темой, касающейся электрических схем? На самом деле есть еще один нюанс. Поскольку мне не хотелось бы, чтобы вы путали плюс и минус источника питания, на схемах в дальнейшем я буду обозначать все положительные проводники красным, а отрицательные проводники или заземление — синим цветом. Судя по отзывам читателей, оказалось весьма полезным, когда я периодически применял данный прием ранее, и поэтому теперь я собираюсь использовать его постоянно.
Черный цвет более распространен для обозначения минуса/заземления (подобно черному проводу вашего мультиметра или черному проводу от разъема батареи). Но синий цвет тоже иногда встречается, и он хорошо различается визуально.
Просто имейте в виду, что схемы, которые вы встретите за пределами этой книги, не будут снабжены такой полезной условной раскраской. Все провода будут черными, и вам придется самостоятельно выяснять, какие из них подключены к источнику питания.
