Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Эксперимент 7. Исследование реле
Дальше: Эксперимент 9. Время и конденсаторы
Эксперимент 8. Генератор на основе реле
В предыдущих экспериментах для сборки схемы вы использовали тестовые провода с зажимами «крокодил» на концах, они давали вам два больших преимущества: цепь можно собрать очень быстро, и все соединения хорошо видны.
Однако рано или поздно вам придется познакомиться с более надежным, удобным, компактным и универсальным способом монтажа электронных компонентов, и теперь этот момент настал. Я имею в виду самое распространенное приспособление для моделирования: макетную плату.
В 40-х годах прошлого века макеты электронных схем собирали в основном на деревянных основаниях, которые выглядели как доска для нарезки хлеба. Провода и компоненты были прибиты, скреплены скобами или привинчены на свои места, потому это было гораздо проще, чем монтировать их на металлических шасси. Вспомните о том, что тогда пластика практически не было. (Окружающий мир без пластика — вы можете это представить?)
Сегодня термин «макетная плата» означает маленькую пластмассовую плитку размерами 5x17,5 см и толщиной не более 1,25 см, изображенную на рис. 2.10. Это удивительно быстрая и легкая система сборки компонентов. Единственная проблема — на макетной плате есть внутренние соединения между компонентами, которые не видны невооруженным глазом. Однако в дальнейшем я помогу вам справиться с этой проблемой.
Лучший способ изучить макетирование — это собрать какую-нибудь схему, к чему вы сейчас и приступите, продвинув предыдущий эксперимент с реле на один шаг вперед.
Рис. 2.59. Установка для исследования реле, смонтированная на макетной плате (вид сверху)
Что вам понадобится
• Батарея 9 В (1 шт.)
• Разъем для батареи (1 шт.)
• Макетная плата (1 шт.)
• Двухполюсное реле на два направления с напряжением срабатывания 9 В (1 шт.)
• Стандартный светодиод (2 шт.)
• Кнопка (1 шт.)
• Резистор номиналом 470 Ом (1 шт.)
• Конденсатор емкостью 1000 мкФ (1 шт.)
• Плоскогубцы, кусачки, инструмент для зачистки провода (по 1 шт.)
• Монтажный кабель, минимум двух цветов, отрезки не более 30 см каждый
Плата для начинающих
На рис. 2.59 изображена макетная плата с компонентами, установленными на ней.
Чтобы лучше понять, что на самом деле представляют собой эти компоненты, на рис. 2.60 показаны все схематические изображения, которые будут использоваться в книге далее на иллюстрациях макетных плат. Большинство из этих компонентов вам еще не встречалось, но вы можете возвращаться к этому рисунку, когда потребуется справочная информация.
На рис. 2.59 исследуемое реле расположено в центре макетной платы. Его штырьки не видны, когда вы смотрите сверху, потому что они вставлены в отверстия платы, находящейся под корпусом реле. Я показал их положение, чтобы вы знали, какой стороной должно быть развернуто реле (так, чтобы контакты катушки оказались внизу). Я также показал соединения, которые находятся внутри реле, просто чтобы напомнить вам, как они расположены. Контакты реле изображены в состоянии, когда напряжение на обмотке отсутствует.
Серый круглый объект — это кнопка, которую также называют тактильным переключателем. Я изобразил расположение ее контактов в «просвеченном» виде, чтобы вы знали, как они должны быть ориентированы.
Рис. 2.60. Представление компонентов на макетной плате
Два круглых объекта в левом верхнем углу платы — это светодиоды. Убедитесь в том, что длинный вывод каждого из них находится с той стороны, где нарисован символ «плюс».
Номинал резистора (компонент в правом верхнем углу платы) равен 470 Ом.
Три полоски (слева, сверху и справа относительно реле), которые выглядят как отрезки провода, в действительности являются перемычками, вставленными в плату. Моя следующая задача — рассказать вам, как их сделать.
Изготовление перемычек
Если вы приобрели комплект нарезанного монтажного провода разной длины с загнутыми выводами (т. е. готовый набор перемычек), то можете просто вставить их в нужные отверстия макетной платы, хотя цвет проводов может не совпадать с используемым мною.
Как было упомянуто ранее, я рекомендую изготавливать перемычки самостоятельно. Последовательность операций показана на рис. 2.61. Вначале снимите несколько сантиметров изоляции с отрезка монтажного провода. Чтобы сделать это, держите провод в левой руке (или в правой, если вы левша). В другую руку возьмите инструмент для зачистки провода. Зажмите инструмент так, чтобы он обхватил провод в отверстии, отмеченном на лезвии числом «22». Потяните инструмент от себя, он должен снять изоляцию. Если вам интересно, почему мы используем отверстие с отметкой «22», то это потому, что у вас провод 22-го калибра (диаметр 0,64 мм). По крайней мере, я надеюсь, что именно этот диаметр вы используете.
Дальше вы должны оценить, какой должна быть длина видимой части провода, когда он вставлен в плату. Я обозначу эту величину буквой X. Отмерьте X см изоляции, которая осталась на монтажном проводе. Протяните участок изоляции длиной X см, пока он не окажется в сантиметре от конца провода.
Рис. 2.61. Процесс изготовления перемычки
С помощью кусачек или лезвия, которым снабжен инструмент для зачистки кабеля, разрежьте провод на сантиметр дальше от участка изоляции длинной X см, который вы только что передвинули по проводу.
И наконец, используйте плоскогубцы, чтобы согнуть каждый конец провода точно под прямым углом и вставить его в плату. Минуточку - перемычка не совсем подходит? Если вы немного потренируетесь, то вскоре дойдете до такого уровня мастерства, что сможете на глазок с первой попытки делать перемычки правильной длины.
Подача электропитания
В заключение вам необходимо подать на макетную плату питание от батареи 9 В. Обратите внимание, что провода, прикрепленные к разъему для батареи, заканчиваются небольшими зачищенными паяными концами, которые можно вставить в отверстия платы. Если сразу у вас не получается, попробуйте вставить конец с помощью плоскогубцев. Иногда для этого придется снять с провода еще несколько миллиметров изоляции.
После того как вы вставите провода в макетную плату, присоедините разъем к батарее, как показано на рис. 2.59. Как только вы подадите питание на макетную плату, светодиод слева должен засветиться. Когда вы нажмете кнопку, переключатель внутри реле сработает и зажжется светодиод справа. Поздравляю! Вы только что собрали макет вашей первой экспериментальной установки. А теперь разберемся, как соединены компоненты на макетной плате и почему все работает.
Конструкция макетной платы
На рис. 2.62 показаны соединительные проводники из медных полосок, которые скрыты внутри макетной платы. Отверстия платы изображены в виде маленьких квадратиков. Вывод компонента, вставленный в отверстие платы, оказывается соединенным с проводниками внутри нее.
Каждый из двух длинных вертикальных проводников называется шиной. Такая шина удобна для подачи питания на элементы устройства, поскольку проходит по всей длине платы, и положительные и отрицательные клеммы источника питания обычно соединены с этими шинами.
ЗамечаниеВ этой книге я все время подключаю положительный полюс источника питания к левой (на рисунке) шине, а отрицательное заземление — к правой.
Важный момент, на который следует обратить внимание: в каждой шине есть два разрыва. Не все макетные платы имеют эту особенность, но многие. Это позволяет вам использовать несколько источников питания, подавая различное напряжение к разным участкам платы. На практике такое встречается не часто, и разрывы в шинах раздражают, потому что вы можете забыть об их существовании. Когда вы собираете схему, которая продолжается до нижней части платы, то можете обнаружить «таинственное» отсутствие питания примерно на половине схемы, и в конечном счете, вспомните, что забыли добавить перемычки, соединяющие разрывы в шинах питания. При необходимости я буду напоминать вам об этом нюансе.
Рис. 2.62. Конфигурация медных соединительных проводников макетной платы
Соединение компонентов схемы с реле
На рис. 2.63 изображены и компоненты, установленные на плате, и медные дорожки, спрятанные внутри макетной платы. Они образуют соединения между компонентами, вставленными в макетную плату. Электрический ток проходит по извилистому пути, но сопротивление медных проводников настолько мало, что длина этого пути не имеет значения.
Возможно, схему будет легче понять, если спрятать медные дорожки, которые не задействованы, и оставить только те, которые являются частью схемы, как показано на рис. 2.64.
Рис. 2.63. Компоненты, установленные на макетной плате, соединены внутри нее медными проводниками
Рис. 2.64. Незадействованные внутренние проводники макетной платы здесь скрыты
Рис. 2.65. Электрическая схема, соответствующая макету устройства
Теперь посмотрим на электрическую схему того же устройства, изображенную на рис. 2.65. Здесь я начертил схему, напоминающую макет, чтобы подчеркнуть их сходство. Далее в этой книге я буду больше опираться на электрические схемы и полагаю, что вы сможете самостоятельно создать компоновку макетных плат. Но пока я немного повременю с этим.
Может быть вам непонятно, почему здесь для защиты двух светодиодов использован лишь один резистор номиналом 470 Ом. Это объясняется тем, что в любой момент времени включен только один из светодиодов.
Как добиться жужжания
Теперь изменим схему, чтобы сделать функционирование устройства более интересным. Посмотрите на новую схему, изображенную на рис. 2.66, и сравните ее с предыдущим вариантом на рис. 2.65. Видите отличие? В предыдущей версии кнопка, включающая катушку, была соединена напрямую с источником 9 В. В новой схеме кнопка получает питание от нижнего контакта реле. Подумайте, к какому эффекту это приведет?
Рис. 2.66. На этой модифицированной схеме напряжение к кнопке подается через нижний контакт реле
На рис. 2.67 показано, как вы можете адаптировать макет установки в соответствии с новой схемой. Все, что вам потребуется сделать, — это развернуть кнопку на 90 градусов и добавить перемычку (на рисунке она находится слева от реле) для соединения с тем же контактом реле, который подает питание на светодиод, расположенный слева.
Нажмите кнопку (ненадолго). Замечаете, что происходит? Реле издает жужжание. Если вы не слышите звук, прикоснитесь к реле и ощутите вибрацию.
Теперь разберемся, почему возникает такой эффект. В неактивном состоянии подвижный контакт переключателя внутри реле прижат к нижнему неподвижному контакту. Положительное напряжение поступает на светодиод, расположенный слева, а также на кнопку. Следовательно, когда вы нажимаете кнопку, питание подается на обмотку реле. Внутренний подвижный переключатель перемещается вверх, но как только это произойдет, соединение источника питания с обмоткой будет разорвано и она обесточится. В результате переключатель вернется обратно в неактивное положение. Но при этом снова подается питание на катушку, и поэтому цикл повторяется. Таким образом, подвижный контакт реле колеблется между двумя состояниями.
Рис. 2.67. Макет устройства изменен в соответствии с новой схемой
Поскольку вы используете маломощное реле, оно включается и выключается очень быстро. Фактически, подвижный контакт реле совершает около 20 колебаний в секунду (слишком быстро для светодиодов, чтобы показать, что происходит на самом деле).
Внимание!Когда реле работает в режиме колебаний, контакты могут быстро обгореть и разрушиться. Ток через кнопку при этом оказывается тоже немного больше допустимого. Поэтому не держите кнопку нажатой слишком долго!
Чтобы уменьшить нагрузку на компоненты, необходимо замедлить происходящие процессы, т.е. уменьшить частоту колебаний. Мы добьемся этого с помощью конденсатора.
Добавляем емкость
Параллельно катушке реле подключите электролитический конденсатор емкостью 1000 мкФ, как показано на рис. 2.68, убедившись в том, что короткий вывод конденсатора соединен с отрицательной шиной схемы; в противном случае он не будет работать. На корпусе конденсатора обычно присутствует символ «минус», обозначающий отрицательную обкладку. На рис. 2.68 я использовал символ «плюс», потому что он более заметен, чем минус, кроме того, мне хотелось бы придерживаться того же стиля, как и для светодиодов.
Внимание!Подача напряжения неверной полярности на электролитический конденсатор очень опасна. Это может привести даже к взрыву компонента. Всегда тщательно проверяйте полярность при использовании электролитических конденсаторов.
Рис. 2.68. Наличие конденсатора большой емкости замедлит работу схемы
Теперь при нажатии на кнопку вместо жужжания реле будет периодически щелкать.
Конденсатор похож на маленький перезаряжаемый аккумулятор. Его емкость настолько мала, что конденсатор заряжается за долю секунды, до того как реле успеет разомкнуть свою нижнюю пару контактов. Затем, когда контакты разомкнуты, конденсатор отдает накопленный заряд реле (и светодиоду, расположенному слева). При этом в течение некоторого времени на катушку реле подается питание. После того как конденсатор исчерпает свой запас электроэнергии, реле переходит в неактивное состояние и процесс повторяется.
Во время этого процесса конденсатор периодически заряжается и разряжается.
Отключите правый светодиод и вы увидите, что светодиод, находящийся слева, периодически включается и выключается, постепенно угасая по мере уменьшения напряжения конденсатора.
Поскольку в процессе заряда конденсатор потребляет повышенный ток, ваша кнопка может перегреваться, если в эксперименте вы удерживаете ее в нажатом состоянии слишком долго.
Единица измерения емкости
Способность конденсатора накапливать энергию измеряется в фарадах, которые обозначаются прописной буквой Ф. Эта единица измерения названа в честь Майкла Фарадея, еще одного первопроходца в исследовании электричества.
Фарад — это довольно крупная единица измерения, которая делится на микрофарады (сокращенно мкФ, 1 микрофарад равен 1/1000000 фарада), нанофарады (нФ, 1 нанофарад равен 1/1000 микрофарада) и пикофарады (пФ, 1 пикофарад равен 1/1000 нанофарада). В США нанофарад используется реже, чем в Европе. Вместо этого номинал может выражаться с помощью пикофарад и долей микрофарада.
Пересчет единиц емкости приведен в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Конденсаторы-убийцы
Если конденсатор большой емкости заряжен высоким напряжением, он может удерживать это напряжение в течение нескольких минут и даже часов. Так как схемы в этой книге питаются от низковольтного источника, вы можете не беспокоиться по этому поводу. Но если вы настолько безрассудны, что откроете старый телевизор и начнете копаться внутри (чего я настоятельно не рекомендую), с вами может случиться неприятный сюрприз. Конденсатор большой емкости может убить вас так же легко, как если бы вы засунули пальцы в электрическую розетку.
Устройство конденсатора
Внутри конденсатора нет электрического соединения. Два его вывода соединены внутри с обкладками, которые находятся на небольшом расстоянии друг от друга и разделены изолирующим веществом — диэлектриком. Как следствие, постоянный ток не может проходить через конденсатор. Тем не менее, если вы подключите конденсатор к источнику питания, он начнет заряжаться, как показано на рис. 2.69, потому что заряд на одной пластине притягивает противоположный заряд на другой пластине.
В современных конденсаторах обкладки представляют собой полосы очень тонкой гибкой металлической пленки.
Рис. 2.69. Конденсатор, подключенный к источнику постоянного напряжения, будет накапливать одинаковые по величине и противоположные по знаку заряды
Есть два основных вида конденсаторов: керамические (обычно небольшой емкости, для накопления относительно малого заряда) и электролитические (которые могут иметь гораздо большую емкость). Электролитические конденсаторы обычно выглядят как миниатюрные «баночки» и могут быть любого цвета, хотя наиболее распространены черные. Старые керамические конденсаторы часто имеют форму диска, более современные похожи на маленькие шарики.
Керамические конденсаторы не имеют полярности, и это означает, что вам не нужно беспокоиться о том, как подсоединять их выводы к схеме. Электролитические требуют соблюдения полярности и не будут работать, если подключить их неправильно.
Условное обозначение конденсатора содержит две линии, представляющие собой две пластины внутри него. Если обе линии прямые, то конденсатор неполярный — его выводы можно подключать произвольно. Если одна линия изогнута, то эта обкладка конденсатора должна быть более отрицательной, чем другая. Иногда полярность обкладок конденсатора обозначают на схеме знаком «+». Эти варианты показаны на рис. 2.70.
Символ с изогнутой пластиной теперь встречается редко. Предполагается, что если у вас электролитический конденсатор, то вы разберетесь, как подключить его правильно. К тому же стали доступны многослойные керамические конденсаторы с более высокими номиналами, и они могут заменить электролитические.
Рис. 2.70. Условные графические обозначения неполярного и полярного конденсаторов
ЗамечаниеНа электрических схемах в этой книге будет использоваться только символ неполярного конденсатора. Какой конденсатор выбрать — керамический или электролитический, решайте самостоятельно.На иллюстрациях макетных плат будут изображены электролитические конденсаторы там, где вы, как я полагаю, будете их использовать. Их можно заменить соответствующими по номиналу керамическими конденсаторами.
Соблюдайте полярность конденсаторов!
В самых распространенных электролитических конденсаторах используются алюминиевые пластины. В конденсаторах других типов обкладки содержат тантал или ниобий. Все эти конденсаторы очень чувствительны к полярности прикладываемого напряжения. Вот характерный пример: танталовый конденсатор был вставлен в макетную плату и неправильно подключен к источнику питания, обеспечивающему большой ток. Через минуту или около того конденсатор вздулся и взорвался, а разлетевшиеся горящие кусочки прожгли макетную плату (рис. 2.71).
Мораль такова: соблюдайте полярность!
Рис. 2.71. Последствия неправильного включения танталового конденсатора в цепь с мощным источником питания
Поиск неисправностей
По мере того как вы будете собирать на макетной плате все больше цепей, схемы будут усложняться, и более вероятными станут ошибки. Никто от них не застрахован.
Одна из распространенных ошибок макетирования — подключение провода к неправильному ряду макетной платы. Ее особенно легко допустить, когда у вас такой компонент, как реле, где контакты скрыты. При монтаже я обычно еще раз вытаскиваю этот компонент, проверяю заново и вставляю обратно, чтобы твердо убедиться в правильности подключения.
Более сложная ошибка возникает, когда вы забываете о соединениях, созданных внутренними проводниками макетной платы. Посмотрите на рис. 2.72. Казалось бы, что может быть проще? Очевидно, что ток протекает от положительной шины источника питания через светодиод, перемычку, а затем через резистор к отрицательной шине. Но если вы соберете компоненты так, как показано на этом рисунке, я абсолютно точно гарантирую вам, что устройство работать не будет.
Рис. 2.72. Эта схема, собранная на макетной плате, не будет работать. Догадайтесь, почему?
Ситуация ухудшится, если вы поменяете местами резистор и светодиод. Теперь при подаче питания светодиод сразу же перегорит.
Рис. 2.73. «Просвеченный» вид помогает объяснить, почему схема не будет работать
Все становится очевидным, когда вы посмотрите на рис. 2.73. Проблема в том, что оба вывода светодиода подключены к одному и тому же внутреннему проводнику монтажной платы. У электрического тока есть возможность пройти через светодиод или же в обход по медной дорожке, а поскольку сопротивление дорожки составляет крошечную часть от сопротивления светодиода, большинство электронов предпочтет двигаться по медному проводнику и светодиод останется выключенным.
При сборке макетов возможны и многие другие ошибки. Как найти их наиболее быстро и эффективно? Главное — действовать в определенной последовательности. Попробуйте придерживаться такого алгоритма поиска неисправности:
1. Проверьте напряжение. Прикрепите красный провод мультиметра к положительной шине на вашей макетной плате. Настройте мультиметр на измерение напряжения в вольтах (постоянного тока, если эксперимент не предусматривает другого). Убедитесь в том, что питание подано. Теперь поочередно касайтесь черным щупом мультиметра различных точек отрицательной шины. Показания мультиметра должны быть близки к напряжению источника питания. Если вы обнаружите почти нулевое значение, то, возможно, вы забыли вставить перемычку, чтобы соединить разрыв проводников в отрицательной шине. Если прибор покажет значение напряжения, которое существенно ниже, чем напряжение источника питания, то, вероятно, в схеме есть короткое замыкание, которое снижает напряжение батареи (если вы используете батарею).
Теперь прикрепите черный щуп к отрицательной шине и проверьте положительную шину сверху донизу.
Наконец, пока черный щуп прикреплен к отрицательной шине, красным щупом проверьте напряжение в произвольных точках цепи. Если вы обнаружите напряжение, близкое к нулю, то, возможно, где-либо нарушено соединение или же контакт между выводом компонента и внутренним проводником макетной платы.
2. Проверьте размещение компонентов.
Убедитесь, что все перемычки и выводы компонентов находятся там, где они должны быть на макетной плате.
3. Проверьте ориентацию компонентов.
Диоды, транзисторы и полярные конденсаторы должны быть установлены и подсоединены правильно. Когда вы начнете работать с микросхемами, далее в этой книге, всегда проверяйте, правильно ли они расположены, а также следите, чтобы ни один из выводов микросхемы не согнулся и не оказался под корпусом компонента.
4. Проверьте соединения. Иногда (редко, но бывает) соединение вывода компонента с внутренним проводником макетной платы может оказаться ненадежным. Если у вас время от времени возникает непонятное короткое замыкание или случайно пропадает напряжение, попробуйте изменить расположение некоторых компонентов. Исходя из своего опыта, скажу, что такая проблема возникает при покупке дешевых макетных плат. Вероятность плохого контакта возрастает, если вы используете провод, диаметр которого меньше провода 22-го калибра (диаметр 0,64 мм). (Помните о том, что больший номер калибра означает более тонкий провод.)
5. Проверьте номиналы компонентов.
Проверьте правильность номиналов всех резисторов и конденсаторов. Моя стандартная процедура — перед подключением проверить каждый резистор мультиметром. На это потребуется время, которое в конечном итоге окупится при поиске ошибок.
6. Замените неисправные компоненты.
Интегральные схемы и транзисторы могут выйти из строя от неправильного напряжения, несоблюдения полярности или от статического электричества. Всегда держите запчасти под рукой, чтобы быстро выполнить замену.
7. Сделайте перерыв. Когда все остальное не принесло результатов, сделайте перерыв. Увлеченность работой в течение долгого периода времени может привести к сужению восприятия, которое мешает вам увидеть неисправность. Если вы ненадолго переключите ваше внимание на что-либо другое, а затем вернетесь к проблеме, то ее решение может внезапно стать очевидным.
СоветВозможно, не помешает сделать закладку на этот перечень действий при поиске неисправностей, чтобы вернуться к нему позже, когда что-то не работает.
Майкл Фарадей и конденсаторы
Как я уже упоминал ранее, фарад назван в честь Майкла Фарадея (рис. 2.74). Этот англичанин изучал химию и физику и жил с 1791 по 1867 год.
Хотя Фарадей был не слишком образован и имел слабые познания в математике, в течение семи лет, пока он работал в качестве ученика переплетчика книг, у него была возможность прочесть множество различных книг, и таким образом ему удалось заниматься самообразованием. Кроме того, он жил в то время, когда относительно простые эксперименты позволяли раскрыть фундаментальные свойства электричества. Он сделал крупные открытия (в том числе открыл электромагнитную индукцию), которые привели к разработке электродвигателей. Он также обнаружил, что магнитное поле способно отклонять лучи света.
Рис. 2.74. Майкл Фарадей, в честь которого названа единица измерения емкости
Его работа отмечена множеством наград, а его портрет был нанесен на английские банкноты номиналом 20 фунтов стерлингов с 1991 по 2001 год.
