Электроника шаг за шагом. Практикум 9785970609194

Citation preview

Юрий Ревич '

-

.

.л

ЭЛЕКТРОНИКА шаг за шагом

ПРАКТИКУМ

Ю.В.РЕВИЧ

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ

Практикум

Москва, 2021

УДК ББК

621.3 32.85 Р32

Р32

Ревич Ю. В. Электроника шаг за шагом. Практикум.-М.: ДМК Пресс, 2021. -260

с.: ил.

ISBN 978-5-97060-919-4

Книга

сборник

«Электроника шаг за шагом. Практикум» представляет собой практических примеров, дополняющих теоретические сведения

о началах

электроники,

шаг за шагом».

«Электроники меры

Р. А.

имеются и в

Свореня «Электроника

оригинальных изданиях

настоящему времени они устарели. При¬ ориентированы в основном на элементную базу

шаг за шагом», но к

в данном издании

поколения

изложенные в книге

Подобные примеры

дискретных

компонентов и

КМОП-микросхем

интеграции. Затрагиваются любительской электроники, основанные степени

малой и

средней

более современные приемы микроконтроллерах и Arduino.

также

на

«Практикума» следуют тематике глав в современ¬ шаг за шагом». Каждый раздел переиздании «Электроники содержит краткие сведения теоретических основ обсуждаемой области. В необходи¬ Разделы

в основном

ном

мых

случаях приводятся справочные данные некоторых

компонентов и их

Приводится краткое описание необхо¬ оборудования и радиолюбительских технологий. Для учащихся, студентов, инженерных и научных работников, не имею¬ щих специального образования в области радиоэлектроники, и широкого

аналогов для возможной замены.

димых инструментов,

круга любителей электроники.

УДК 621.3 ББК 32.85

Все права

защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой

бы то ни было

форме

и какими

владельцев авторских прав. Материал, изложенный

бы то

ни

было средствами без письменного разрешения

данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероят¬ равно существует, издательство не может гарантировать правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство в

ность технических ошибок все

абсолютную

точность и

не несет ответственности за возможные

ISBN 978-5-97060-919-4

ошибки,

связанные с использованием книги.

© Ревич Ю. В., 2021 © Оформление, издание,

ДМК Пресс, 2021

От автора

Книга Р. А. в конце

Свореня «Электроника

70-х годов прошлого

впервые была издана пор прошло достаточно

шаг за шагом»

столетия.

С

тех

времени, чтобы успело смениться два поколения электронных при¬ боров. Сначала дискретные транзисторы и диоды сменились микро¬ схемами малой степени интеграции. Затем довольно быстро базовой

платформой для разработки электронных изделий и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС)

большие

стали -

микропроцес¬

соры, микроконтроллеры и ПЛИС (программируемые логические ин¬ тегральные схемы). Кроме того, возникли целые классы электронных компонентов, ранее не существовавшие: интегральные

стабилизаторы импульсные), специализированные микросхемы для проводной и беспроводной связи, недорогие аналогоцифровые и цифроаналоговые преобразователи. Самая впечатляющая революция произошла в отображении инфор¬ (в том

питания

числе экономичные

мации: появились жидкокристаллические и светодиодные индикаторы и дисплеи, плоские телевизионные экраны. лампочки

Традиционные

накаливания

были

очень

быстро

вытеснены светодиодами сначала в

ласти сигнализации, а в последние годы и в осветительных

включая

об¬

приборах,

бытовые.

Одновременно

экранов телевидение

с появлением плоских

все

уве¬

сторону цифровизации: современный телеви¬ реннее зор представляет собой в сущности весьма навороченный компьютер, стало двигаться в

с самыми

мультимедийными функциями. изображений существенно изменились. Ко вре¬ этих строк подробно описанное Р. А. Своренем ана¬

продвинутыми

Принципы

передачи

мени написания

логовое телевещание в полностью,

сетевыми и

большинстве государств мира либо

либо планируется

к отключению в

России). Электроника быстро движется

отключено

ближайшее время (в

том

числе и в

ции

-

не только из-за появления

функций габаритов

на одном

кристалле,

в сторону все большей миниатюриза¬

микросхем с огромным количеством уменьшения их собственных

но и из-за

и снижения тепловыделения.

нальный компьютер умещается

на плате

шились и полевых

Например, вполне функцио¬ мм (Raspberry Pi). Умень¬

50x70

сопутствующие компоненты: так, транзисторах позволяют упаковать

малые

потери ключей

преобразователь

на

питания

объем порядка 50 см3. примеров можно было бы продолжать до

мощностью в сотню с лишним ватт в

Перечисление подобных бесконечности,

но нам

сейчас

важно

подчеркнуть

другой

очень важный

4

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

момент:

обучение электронике нельзя начинать сразу с микроконтрол¬ БИС. Дети в школах начинают обучаться письму не с компью¬

и

леров

по-прежнему с прописей, ручки и линованного спутниковая навигация не отменяет обучение моря¬ а

терных клавиатур, листка

бумаги,

а

умению ориентироваться по компасу и звездам. Точно так же каж¬ дый электронщик обязан знать, как включать дискретный транзистор и светодиод, зачем нужны резисторы разных размеров и для чего при¬ меняются конденсаторы различных типов. Он должен уметь собрать генератор импульсов на транзисторах и микросхемах малой степени интеграции, построить простейший усилитель на дискретных компо¬ нентах, освоить обращение с операционными усилителями и логиче¬ скими элементами. Только такая подготовка позволит ему в полной мере, с пониманием сути происходящего освоить современные микро¬ электронные средства. Исходя из таких соображений был разработан этот «Практикум» ков

как дополнение к

переизданию

книги

Р. А.

Свореня. Примеры,

вклю¬

оригинального издания книги, устарели и морально, применяемых схемотехнических решений. Сейчас мало кому

ченные в текст и в части

голову самостоятельно проектировать средневолновый при¬ применением вручную намотанных катушек индуктивности громоздких конденсаторов переменной емкости на дворе век иных в

придет

емник с и

-

технических

решений.

К тому

же

коммерческое вещание

на

средних

телевидению, давно уже све¬ дено к минимуму. Зато широко распространились темы различных и длинных волнах,

подобно аналоговому

автоматики, дистанционного сбора данных, преобразования из аналогового в цифровой вид и обратно. Поэтому в «Практикуме» собраны актуальные на сегодняшний день

устройств управления

примеры нентная

с

и

применением современных

база для

компоненты

выполнения

(транзисторы,

примеров

компонентов. из

Основная

«Практикума»

-

компо¬

дискретные

диоды, светодиоды, резисторы и конденса¬

операционные усилители и компараторы общего назначения, также а логические микросхемы низкой и средней степени интеграции на основе КМОП-технологии (серия CD4000 и ее отечественные анало¬

торы),

ги). ми

Все дискретные

(в

том числе и

легчает

компоненты

транзисторы),

макетирование

и

гибкими вывода¬ DIP-корпусе, что об¬

подразумеваются -

в

с

микросхемы отладку схем на беспаечной макетной

плате.

Отметим,

однако, что такой подход ограничивает ассортимент доступ¬ ных компонентов (отчего иногда приходится нарушать этот принцип), а также

пределы миниатюризации любительских

Полевые транзисторы

в

прошлом

устройств.

веке считались еще довольно экзо¬

специфическими областями приме¬ нения. К тому же их существовало большое количество разновидностей,

тическим компонентом со своими

сильно

различающихся

по

свойствам,

что

запутывало любителя

в

при-

От автора

5

менении этих типов транзисторов.

Картина

изменилась в последнюю

четверть века, когда промышленность выпускать полевые МОПтранзисторы (англ. MOSFET), предназначенные для использования в ка¬ честве мощных ключей. В современном пособии эту тему обойти невоз¬ начала

можно,

«Практикуме» некоторые Эксперименты посвящены MOSFET-транзисторов, хотя в книге Р. А. Свореня [1]

поэтому

применениям

в

о них нет ни слова.

Вы встретите в Arduino. Обойти

нирующее

примеры реализации устройств на основе эту платформу, занимающую сейчас доми¬ среде любителей электроники, было бы ошибочным

книге также

вниманием

место в

Тем более что огромное

устройств реализуется с помо¬ щью микроконтроллеров проще, дешевле и быстрее, чем на аналоговых компонентах, доминировавших во времена издания книги Р. А. Своре¬ ня. Конечно, переход к Arduino требует некоторого набора специфиче¬ ских знаний и умений (вроде элементов программирования), но мы здесь предполагаем, что заинтересованный читатель уже приобрел их самосто¬ ятельно. И на интернет-ресурсах, и в виде бумажных изданий существует шагом.

огромное

количество

пособий

количество

по основам

в неведении читатель не останется.

платформы Arduino,

В архиве,

который

адресу http://revich.lib.ru/AVR/practikum.zip, вы найдете ры программ, обсуждаемых в примерах из этой книги.

Разделы «Практикума» менном

12; 10»,

«Практикума» женной

основном

следуют

тексты и

тематике глав в

приме¬ совре¬

«Электроники шаг за шагом» [1]. Ссылки на кон¬ книге Р. А. Свореня могут выглядеть, например, как

переиздании

кретные разделы «глава

в

так что

можно скачать по

темы.

-

в

это означает 10-й

краткий обзор может

содержит Такой

раздел главы 12. Большинство тем обзор теоретических основ предло¬

размещаться в начале главы или по ходу изложения, сопровождая изучение практических примеров опре¬ деленной тематики. В каждом Эксперименте, содержащем один или несколько

родственных практических примеров,

необходимых обходимых случаях в список

компонентов.

компонентов, материалов и нем

приводятся

в начале

приводится В не¬

оборудования.

аналоги для возможной замены

Подробные справочные данные компонентов приводятся

случаях в документации, свободно доступной в ин¬ любого компонента, все равно можно почерпнуть сведений тернете для больше, чем уместится в этой книге. Однако, чтобы не терять времени в исключительных

-

обращение к такой документации каждый раз при сборке схемы, в приложении 2 приведена разводка выводов некоторых компонентов, часто используемых в примерах «Практикума». на

Необходимое

пояснение по поводу термина «земля»

всегда заключено в кавычки? Дело в том, что определенное понятие земли

(без кавычек)

-

почему оно

в

этой книге

в электротехнике есть совершенно -

это

общий для

всех электростан-

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

6

ций мира нулевой потенциал, который привязан к поверхности земного шара. Общий провод электронных схем может с этим потенциалом соединяться (как, например, во многих устройствах бытовой техники), но в огромной части слу¬ чаев этого не происходит и даже не рекомендуется.

провод электронных в ГОСТы, то увидите,

Поэтому называть общий (если вы заглянете

схем землей как минимум неграмотно

разные графические обозначения). А как максимум определенных ситуациях привести к суще¬ ственным неприятностям, если кто-то перепутает эти термины. Правильнее было бы вообще отказаться от термина «земля» в приложении к электронным схемам, но термин прижился со времен ламповой радиотехники, где общий провод действительно рекомендовалось соединять с электротехническим за¬ землением. И даже повсеместно принятое английское обозначение GND (со¬ что у них даже

такая путаница может в

кращение

от

ground

-

земля) следует этому заблуждению. Поэтому

только заключать «землю» в кавычки, показывая таким

образом, что

остается

мы с элек¬

триками имеем в виду разные понятия.

Перед комиться

изучением примеров из «Практикума» рекомендуется озна¬ с разделом «Инструменты, материалы, технологии и обору¬

дование», из которого вы узнаете, какие вещи приобрести вам придется обязательно, какие желательно, а также о простейших методах сборки -

любительских электронных устройств

в

современных условиях. Обозначе¬

измерения физических величин, а также некоторые при¬ нятые обозначения на электрических схемах приведены в приложении 1. ния и единицы

Замечания, предложения, указания через

обратную

или лично

на неточности и

связь на сайте издательства

автору

по

ошибки

шлите

ДМК Пресс (dmkpress.com)

электронному адресу [email protected].

Инструменты, материалы, технологии и оборудование

Для успешного

создания надежных, эстетичных и

удобных

в

обращении

электронных устройств придется потрудиться. Заметим, что этому вопро¬ су традиционно уделяется мало внимания в радиолюбительских посо¬ биях

-

дело обычно ограничивается описанием

и макета, а все остальные

выбор

принципиальной

операции (создание платы,

постановка в

и подключение источников питания, внешнее

выносятся за

скобки

-

молчаливо

схемы

корпус,

оформление

и т.

д.)

что читатель этими во¬

предполагается,

просами уже владеет. Что совершенная неправда все такие операции от¬ нимают гораздо больше времени и труда, чем просто отладка схемы на макете. Потому стоит предусмотреть все мелочи заранее. -

Подробности Индустрия старается угодить нуждам радиолюбителей, летия

появилось

большое количество более-менее

и в последние десяти¬

типовых

платформ, ори¬

контроллеров Arduino в комплекте с различными датчиками и периферийными устройствами. В качестве примера можно привести отечественную платформу «Тройка», популяризируемую в из¬ вестном интернет-магазине «Амперка», а также через сеть магазинов «Чип

ентированных

и

в основном на применение

Дип». В платформу входят различные переходные

платы и модули, а также

периферийные устройства к паяльнику, собирать законченные устройства. Конечный результат представ¬

с типовыми разъемами, что позволяет, не прикасаясь

ляет собой довольно громоздкую этажерку плат с торчащими во все стороны

Конструкция обладает одним-единственным достоинством: быстро¬ не требующей каких-либо инструментов. Но, кроме ненадежности, больших габаритов и стоимости,такое «изделие» обладает еще одним

проводами.

той сборки, излишне

существенным недостатком: в нем затруднен доступ к отдельным компонентам при отладке. Кроме того, вы почти наверняка упретесь в отсутствие каких-то не¬

оформленных в нужном стандарте. Потому такой подход очень выгоден изготовителям, но совершенно неприемлем для изготов¬ ления сколько-нибудь удобных и эстетичных устройств. обходимых комплектующих,

Больше подробностей о радиолюбительских технологиях,

применяе¬ мых инструментах и материалах вы можете узнать из книги автора «За¬ нимательная электроника» [4].

Инструменты Разумеется, лу

все

вам также

обычные инструменты для

понадобятся

-

напильники

работы по пластику и метал¬ и надфили, ножовки со смен¬

8

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

ными полотнами, дрель и шуруповерт, большие и маленькие отвертки, ножницы по металлу, часовые отвертки и т. д. Однако набор инстру¬ ментов,

зиций,

необходимых любителю электроники, обычно имеющихся

отличных от

Перечислим бокорезы

самые и

в

включает несколько по¬

арсенале домашнего мастера.

употребительные:

кусачки;

медицинский

пинцет;

(тонкогубцы); (прямое и изогнутое); разной мощности (маленький

маленькие пассатижи шило монтажное

два паяльника ше

20-25 Вт

и

поболь¬

50-100 Вт);

микродрель

с цанговым зажимом для

сверл 0,5-3 мм;

канцелярский строительный резак; строительный фен или турбозажигалка для осадки термоусадоч¬ ных трубок; некоторые специальные инструменты (кримперы для разъемов, стрипперы для зачистки проводов и т. д.). или

Расшифруем некоторые

позиции

подробнее.

Бокорезы (рис. 1, внизу) более тонкими лезвиями. Толстые лезвия кусачек с обратной стороны заточе¬ ны под фаску, у бокорезов они составляют одну плоскость. Кроме того, кончики лезвий у кусачек закругленные, у бокорезов острые. Благода¬ ря такой конструкции бокорезами удобно очень точно откусывать даже самые тонкие проводники в труднодоступных местах. Кусачки в основ¬ Бокорезы (рис. 1, вверху)

отличаются от

кусачек

-

ном

миллиметра и более, проводами не следует.

предназначены для откусывания проводов

насиловать

бокорезы

толстыми сетевыми

Рис. 1. Бокорезы (вверху)

и

от

кусачки (внизу)

Инструменты, материалы,

технологии и

9

оборудование

Качество бокорезов проверяется,

если

посмотреть через сомкнутые

всей длине лезвий не должно быть никаких про¬ светов. Как правило, даже у фирменных бокорезов все-таки зазоры на¬

лезвия на свет

блюдаются,

-

по

в этом

случае следует

надфиля.

мелкого алмазного

быть

самым

разным и,

их

аккуратно устранить

Качество стали,

общем, напрямую коррелирует

в

с помощью

как вы понимаете, может с

ценой

струмента. Очень хороши и долговечны изредка встречающиеся даже бокорезы с лезвиями из твердого сплава. Но все-таки даже

фирменные бокорезы не и

стальной проволоки

-

следует

употреблять для

откусывания

в

ин¬

про¬

самые

гвоздей

для этого предназначены кусачки.

Пинцет

Рис. 2. Медицинский пинцет Пинцет нужен именно

(рис. 2). Для

наших

стандартный медицинский длиной 150

целей

не

годятся

мм

специализированные пинцеты

наоборот, узкими губками, гладкими или какой-то широкими специальной конфигурации (например, с «зубом» на конце). Чтобы пинцетом было удобнее пользоваться, его губки следует немного за¬ острить с обратной стороны на точиле. Кстати, из медицинского оборудования еще могут пригодиться хи¬ рургические зажимы (с защелкой на ручке) в них удобно зажимать ма¬ логабаритные детали или концы проводов при пайке и облуживании. с

или,

-

Паяльники для пайки микросхем и других компонентов с тонкими лучше всего настоящую паяльную станцию

Разумеется, выводами с

регулировкой

приобрести

и

контролем температуры на первых порах

необязательно, особенно го

миниатюрного 20-25 Вт, в ценовом

-

паяльника

жала.

Но это совершенно

вполне достаточно

с неокисляющимся жалом

диапазоне до

1000

руб (см.

любо¬

мощностью

рис. 3).

Дешевые отечественные паяльники с жалом из ничем не покры¬ той меди лучше не употреблять: жало очень быстро окисляется, его все время приходится затачивать напильником и заново

облуживать.

У рекомендованного типа жало обычно круглое, диаметром 0,5-1 мм на конце и способно служить очень долго без окисления. Продаются также сменные

жала

иной

конфигурации (например, заостренной

10

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

«лопаточкой», что может быть ким

удобно

для пайки микросхем с мел¬

шагом).

Рис. 3. Паяльник для пайки выводов

компонентов и тонких проводников

Подробности Почему-то

у большинства таких паяльников (включая даже очень дорогие присутствует один общий недостаток: слишком жесткий и тол¬ стый провод, причиняющий значительные неудобства при использовании. Его и

фирменные)

стоит заменить на гибкий шнур, рассчитанный на сетевое напряжение (аудиош¬ нуры не подойдут!). Провода такого типа всем знакомы по адаптерам питания,

стандарте носят наименование проводник, тем удобнее: при указанной мощности паяльника потребляемый от сети ток составляет не более 0,1-0,15 А,так что подходят даже самые тонкие провода сечением 0,2-0,35 мм2 (лишь бы, повторим, их изоляция была рассчитана на напряжение, не меньшее

встроенным ШВП-М или

в сетевую вилку, и в отечественном ШВП-2.

Причем

чем тоньше такой

амплитудного значения в бытовой сети

-

310-340 В).

Температуру жала паяльника можно проверить, если коснуться кусочка канифоли. Канифоль должна вскипать и в течение 2-3 с паряться. Если она не кипит и испаряется медленно

-

жало

им

ис¬

недогре-

(следует подобрать паяльник большей мощности), но так случается редко. Обычно канифоль интенсивно вскипает и мгновенно испаряется, то

как только вы отнесете жало в

сторону. Это свидетельствует о перегре¬ неудобства при пайке в этом случае

том жале, что может доставлять

-

через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) или просто подобрать паяльник меньшей мощности. Отметим, что перегретый паяльник лучше, чем недогретый в последнем случае вывод до растекания канифоли приходится прогревать слишком долго,

следует

паяльник включать

-

что может

привести в повреждению компонента. более мощный паяльник 50-100 Вт предназначен для пайки Второй, толстых проводов и контактов, и, как более редко употребляющийся, может

быть любым,

в том числе и самым дешевым отечественным с го¬

лым медным жалом.

За дешевизну,

как мы

расплачиваться необходимостью частой ния заново.

уже говорили, приходится

заточки жала и его

облужива-

Инструменты, материалы, технологии

И

и

11

оборудование

последнее существенное замечание о паяльнике: его жало очень ча¬

сто

(фактически после каждой пайки) приходится очищать от нагара. употреблять для этого полимерные губки, которые иногда прилагаются к «фирменным» паяльникам. Лучшее средство для очистки жесткая металлическая щетка на тканевой основе жала («корщетка»). Вполне подойдет также губка из металлической канители для очистки посуды, которую несложно приобрести в ближайшем супермаркете. Не следует

-

Материалы Материалов любителю электроники понадобится много и самых раз¬ нообразных в зависимости от характера и охвата его деятельности. Например, существуют специальные припои и флюсы для пайки алю¬ миниевых проводов или нержавейки, даже обычную сталь, в том чис¬ -

ле и оцинкованную, сложно паять без специальных средств. Мы здесь ограничимся перечнем лишь самых необходимых материалов, которые

следует

иметь под

рукой

каждому:

припой свинцово-оловянный ПОС-61 в прутке (без канифоли); припой свинцово-оловянный ПОС-61 в проволоке диаметром 1-2

канифолью; флюс (например, ЛТИ-120); пассивный флюс (канифоль в кусочках и ее спиртовой раствор); кембриковые (изолирующие) термоусадочные трубки, диаме¬ мм с

активный

тром

1,5-20

мм;

чистый бензин

(типа

«Галоша»

зажигалок»); (646 или 647); (или клей-герметик

или «для

ацетон или аналогичный растворитель клеи

«Гель»

тюбике); (многопроволочные): провод МГТФ-0,12 (для сигнальных проводников); провод МГШВ (МГВ)-0,35 (для проводников питания) в изо¬

«Момент-кристалл»

монтажные

и

красного цвета; двухжильный сетевой кабель ШВПТ-М

ляции

в

провода гибкие

черного

и

(ШВПТ,ШВП-М)

2x0,20. Большинство позиций

приемы вания

в этом списке не

нуждается в пояснениях (так, или способы использо¬

пайки с помощью проволоки припоя

термоусадочных трубок широко освещаются как и ранее, лишь на отдельных пунктах.

в

интернете).

Оста¬

новимся,

Флюсы Большую часть паек при монтаже электронных конструкций следует про¬ изводить с использованием обычного канифольного флюса («канифольно¬ го лака» спиртового раствора канифоли). Он отличается экологической -

12

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

безвредностью (дым или тем

более

канифоли

куда менее вреден, чем дым от костра горящего пластика), абсолютным отсутствием электро¬

от

от

(благодаря чему его можно не смывать с готовой схемы) и вы¬ сокой эффективностью при пайке меди или ее сплавов. Канифоль в кусоч¬ проводности

нужна обычно для залуживания медных проводников перед пайкой. Но бывают случаи, когда канифоль не справляется: например, силь¬

ках

но окисленные

проводники

металлов, отличных от меди.

изоляции

зуется

(в

для

флюсы,

большинства

универсальный в

таких

из

проволока

очень надежен и часто исполь¬

в

резине. Конечно,

которых предлагается

случаев

активный

процессе пайки

компонентов,

но медь в нем всегда оказывается сильно окис¬

ленной из-за присутствия серы специальные

выводы

Медный проводник в обычной резиновой

пластиковой)

отличие от

бытовых целях,

в

или

можно

продаже

приобретать

очень много, но

(кроме алюминия) вполне годится один

флюс.

он выделяет

в

«Активным»

пары

кислот

его называют

потому,

что

(обычно соляной), которые

препятствующие пайке. Наиболее известен такой флюс под названием ЛТИ-120. Он выпуска¬ ется в виде жидкости или в виде пасты и позволяет паять иногда

эффективно растворяют окислы,

-

-

даже сильно окисленные

четании

смотря

(например,

проводники,

на такие качества,

очистить дополнительно, сто

через

губки

в том числе в

стальной проводник

к

нестандартном

со¬

оцинкованному железу).

Не¬

окисленную проволоку перед пайкой лучше пропустив ее через мелкую шкурку или про¬

обладает электропроводно¬

пинцета. ЛТИ-120 также не

стью, потому при отсутствии

требований

к

эстетичному внешнему виду

места пайки его остатки можно не смывать.

Термоусадочные трубки Учтите, что в практике монтажа электронных устройств привычная изо¬ применяется слишком она ненадежна и неудобна Липкая изоляционная лента изредка используется для применении.

ляционная лента не в

-

-

маркировки проводов

на

ПВХ-ленте белого цвета, особенно

с мато¬

вой

поверхностью, очень хорошо держится надпись водостойким спир¬ маркером. Для целей изоляции в электронных приборах ранее применяли обычные изолирующие («кембриковые») трубки из ПВХ, теперь же практически полностью перешли на термоусадочные. По¬ сле нагревания (примерно до 110-130 °С) такая трубка уменьшает свой товым

диаметр

от

двух до четырех раз, прочно обволакивая

место изоляции.

трубок (ТУТ) общего назначения, вы¬ трубки, выдерживающие атмосферные усло¬ вия, в том числе перепады температур и облучение ультрафиолетом на

Кроме

обычных термоусадочных

пускаются и специальные

при необходимости лировать проводники, открыто расположенные на улице. -

солнце

проверяйте

наличие этого свойства

изо¬

Инструменты, материалы,

В принципе усадку монтажным

зуются

таких

13

оборудование

трубок

следует производить специальным

феном, но на

газовыми

зажигалка,

технологии и

практике даже многие профессионалы поль¬ мини-горелками. На худой конец подойдет и обычная обязательно

только

типа

«турбо»,

с некоптящим пламенем.

подпалить трубку или при таком способе изоляцию провода, поднеся пламя слишком близко, потому осаживать следует аккуратно и не торопясь. Заметим также, что длинную термо¬

Единственная

усадочную пяток и

опасность

трубку

-

можно

выдержать

в нем

Подробности В настоящее время

равномерно осадить,

если ее

погрузить

в ки¬

некоторое время.

появилось много различных новых изоляционных матери¬

алов. Об одном из них следует здесь упомянуть отдельно: это так называемая самослипающаяся изолента. Сняв защитную пленку, покрывающую внутрен¬

Ленту при другу, особенно

нюю сторону такой ленты, ей обматывают защищаемое соединение.

этом следует слегка натягивать, плотно прижимая витки друг

к

Через несколько минут после обматывания лента прочно слипнет¬ образовав довольно толстый водонепроницаемый слой. Размотать ее уже

на сгибах.

ся,

не получится, после слипания ленту можно только срезать.

Клеи Тема

и

герметики

герметиков вроде бы для электроники кажется посто¬ современном дизайне электронных устройств соединения применяются очень широко. Есть как минимум

клеев

и

но это не так: в

ронней, клеевые

два направления очень

няют

их использования и в

любительской практике. Одно

кабелей

на плате применяется закрепление проводников часто. В этого обычно приме¬ для профессиональной практике

из них

и

-

термоклей:

в специальном клеевом пистолете

стик и выдавливается на

вместо

-

нужное

требующего

термоклея,

менять любой клей или

место.

разогревается

пла¬

В любительских конструкциях

специального инструмента, можно при¬

клей-герметик, застывающий

в

объеме. Для

за¬

крепления проводов хорошо подходит указанный клей «Гель», можно применять также эпоксидную смолу с добавкой пластификатора. Второе направление герметизация и изоляция электронных схем от влаги. Для этой цели удобно применять клеи-герметики. Сантехниче¬ -

ские

герметики, разумеется,

не

ве компоненты, вызывающие

коррозию

они

содержат

в своем соста¬

и неизвестно как

влияющие на

подойдут

-

электропроводность состава после застывания. ются специальные

с

Для

наших

клеи-герметики, указанием, герметизации электрических соединений (приобрести в

автомагазинах).

Таким герметиком

целей

име¬

что они подходят для их

проще

можно полностью залить

всего

прове¬ а можно только швы плату, загерметизировать ренную отлаженную и отверстия в корпусе устройства. Тщательно герметизировать следу¬ и

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

14

ет

приборов, работающих

всех

корпуса

способа

плюс такого

-

вания остается достаточно мягким,

особых

в

уличных условиях. Большой

термоклея, герметик после засты¬ чтобы устройство можно было без

в отличие от

трудностей разобрать и собрать заново.

Технологии Эта

тема в

любительской электронике прежде всего оз¬ монтаж печатных плат. Платы можно изготавли¬

приложении

начает изготовление и

к

получившей практически официальное название ЛУТ (что расшифровывается, как «лазерно¬ утюжная»). ЛУТ подробно описана во множестве публикаций (см., на¬ вать самостоятельно с помощью технологии,

На Западе существуют даже производящие материалы для ЛУТ, что облегчает работу с ней. и довольно сложна в освоении.

пример, [2])

фирмы, Но

сложность освоения не самый главный недостаток технологии:

куда что в домашних абсолютно то, серьезней условиях нереально произвести металлизацию отверстий. А без металлизации отверстий, с контактны¬ ми площадками на платы:

сторонние

зу,

то

наверняка

Учтите,

произойдет при

этой

при

раз

отверстий.

требуют отверстий

с контактами на

на

радиолюбительских

по изготовлению плат

в

И

все

дует

плат

них не

обойтись

«по-взрослому»,

то платы

следует

сайтах несложно найти объявления

какую-либо

сложность

из

программ

Современные конструкторы электронных приборов, кроме разве

что этапа

ручной пайке

компонен¬

макетирования, практически никогда не

прибегают

к

вручную иногда еще применяется при соединении отдельных узлов между собой, но и в этом случае предпочитают пользоваться более современ¬ ными способами (например, плоскими кабелями с соответствующими разъема¬ ми, устанавливаемыми на кабель без пайки). Кроме того, требования экологов заставляют в массовом производстве отказываться от припоев с содержанием

тов. Пайка

благодаря более высокой температуре приспособлены для ручного монтажа. а они,

-

равно понадобится). Автор рекомен¬ самую простую и доступную для начинающих. все

Подробности

свинца,

-

платы.

небольших объемах. Единственная

(для ЛУТ она

Sprint-Layout как

на плате оказывается

равно без

для этого придется самостоятельно освоить

для разводки

-

обеих сторонах

если вы хотите делать все -

удобнее

обходы при пересечении дорожек

внешние компоненты или

Поэтому

компонента).

попытке замены

макетировании). Но при использовании ЛУТ SMD-

намного меньше сквозных

заказывать

следует делать даже одно¬ при нагреве (если не сра¬

книге

с плоскими выводами как

разъемы,

не

легко отслаиваются

примеры ориентированы на применение гибкими выводами или в DIP-корпусах (их намного лег¬

че использовать

корпуса

дорожки

это

что в

компонентов с

обеих сторонах платы,

плавления, куда менее

Инструменты, материалы, технологии

и

15

оборудование

В современных производствах вместо

ручной пайки компоненты на плату уста¬ навливают с помощью специальной паяльной пасты. Она достаточно густая, чтобы удерживать компоненты на местах. После этого всю плату вместе с ком¬ понентами помещают в термопечь и прогревают по специальному температур¬ ному графику. Вместо термопечи можно применить обычную бытовую электро¬ духовку, приладив

к

ней управляющий блок

на основе

оказываются надежно припаянными, причем без

Arduino. Компоненты

необходимости последующей

Процесс подробно описан во многих публикациях (например, [3]). При желании его вполне можно повторить в домашних услови¬

очистки платы. в статье

ях, только учтите, что в этом случае плату придется обязательно заказывать, а компоненты предпочтительно использовать с плоскостными выводами называемые CMD-компоненты для поверхностного

монтажа). Мы

(так

от них в этой

(см. раздел «От автора»),так как они плохо подходят для маке¬ ручной сборки плат, но учтите,что почти все DIP-компоненты выпу¬

книге отказались

тирования

и

скаются и в варианте с плоскостными выводами для поверхностного монтажа.

Однако есть и способ обойтись без трудоемкой, дорогой и занимающей много вании

времени операции

универсальной

зированные отверстия

изготовления плат.

макетной с шагом

платы.

2,5

Он

заключается в использо¬

Она содержит

только металли¬

мм и с контактными площадками на

обеих сторонах. Компоненты на такую плату просто переносятся с ма¬ кета на беспаечной плате. При этом соединения между компонентами

обрезками тонкого монтажного провода в термостой¬ кой фторопластовой изоляции (провод МГТФ). Короткие соединения можно делать просто за счет длины выводов компонентов или их обрез¬ ками. Пример монтажа показан на рис. 4, и при аккуратном исполнении

осуществляются

он оказывается плате.

ничуть

не менее надежен, чем

Разумеется, процесс

размещение

такого монтажа весьма

на

трудоемок,

обычной

но по

сум¬

марным трудозатратам он оказывается не сложнее цепочки разводка-заказ-монтаж, а времени в сумме это занимает намного меньше.

Рис. 4.

Пример

универсальной макетной (с сайта Electronics.stackexchange.com)

монтажа компонентов на

плате

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

16

Оборудование Из покупного

Для

многих

оборудования нам обязательно понадобится мультиметр.

экспериментов

из

этой

книги

различные граф. Необходимы о них Поговорим подробнее. также

понадобится

также осцилло¬

источники питания постоянного

тока.

Мультиметр Мультиметры

еще часто называют по старинке тестерами.

Покупать

нужно обязательно цифровой и не самый дешевый. Главный недоста¬ ток дешевых даже не низкая надежность и малое ко¬ мультиметров личество функций, а недостаточная точность, которая может быть до¬ -

вольно далека от

декларируемых

в описании величин.

Но разоряться

супердорогой прибор приборе наличествуют не слишком актуальные навороты: связь с ком¬ пьютером, память или еще что-то в этом роде. Выбирать нужно по ко¬ личеству функций и диапазонам измерений. же¬ Укажем главные функции, без которых не обойтись (в скобках

не имеет смысла: высокая цена означает, что

на в

-

лательные

диапазоны): напряжения (2 мВ

измерение

постоянного

измерение

постоянного тока

(2

мА

-

10

-

600

В);

А);

измерение переменного напряжения (1-700 В); измерение переменного тока (20 мА 10 А); измерение сопротивления (100 Ом -10 Мом, функция «прозвонки»). -

Разумеется,

рений, что для новичка мые значения

ональны, но

мультиметры с автовыбором пределов изме¬ может быть удобнее, но максимальные допусти¬

имеются и

придется хранить

пренебрегать

в голове.

ими не

Все

функции опци¬ (располагаю их по степени

следует

остальные

практической нужности): измерение частоты; измерение емкости; измерение параметров транзисторов;

измерение температуры.

Мультиметры работают, как правило, от 9-вольтовой батарейки в ти¬ поразмере «Крона». Батарейки хватает надолго, однако у некоторых моделей было замечено,

что

допустимого мультиметр

при

напряжения питания ниже а начинает врать. Это может

снижении

не выключается,

крупных недоразумений, поэтому советую сразу покупки разориться на самую доро1ую щелоч¬ ную (alkaline) батарейку фирмы Duracell, Varta или Energizer, гаранти¬ стать источником

я

неприятностей

и

после

рованный срок хранения которой

составляет

6-7

лет.

В последние годы

Инструменты, материалы, технологии появились литиевые аналоги

и

«Кроны»,

же щелочных, но для этой цели они вых

срок хранения доходит до 10-12

не только к

бляет

мультиметрам,

а

17

оборудование

вообще

которые примерно втрое доро¬

подойдут

еще лучше

-

у

литие¬

Этот совет, кстати, относится любой технике, которая потре¬

лет. к

большую часть времени хранится в бездействии, ска¬ управления телевизорами или беспроводным компью¬

немного и

жем, к

пультам

терным

-

мышам.

Рис. 5. Типовой мультиметр с дополнительными функциями измерения параметров транзисторов,

емкости и частоты

мультиметром всегда идут щупы, обычно черного красного цвета. Дополнительно к щупам обязательно необходимо приобрести зажимы-крокодилы, позволяющие подключенные к схеме щупы удерживать без помощи рук. В

комплекте

с

и

Подробности Самым слабым знаете, что у

функция измерения тока. Р.А.Свореня «Электроника шагза шагом»,то

местом всех мультиметров является

Если вы внимательно читали книгу

амперметра сопротивление должно быть

включается в цепь последовательно с

нагрузкой

как можно меньше

-

он

и не должен оказывать вли¬

18

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

яния

на

потребление

схемы

распространенной ошибке

-

(см. также Эксперимент 2 в главе 1). Поэтому при случайном подключении мультиметра в режиме

амперметра параллельно нагрузке или источнику питания очень большой ток,

который

может его повредить.

Конечно,

-

через

него течет

во всех мультиме¬

такой перегрузки, но почему-то она в большинстве случаев сводится к наличию банального плавкого предохранителя. Он упрятан глубоко в корпусе, потому сгорает без внешних эффектов, а его проверка занимает мно¬ го времени. И вы еще долго можете не понимать, почему вдруг в цепи исчез ток.

трах есть защита от

Потому автор этих строк штатным способом измерения тока пользуется редко. Кроме всего прочего, это неудобно, так как при одновременном измерении тока и напряжения

необходимо

все время переключать щупы, разрывать и вос¬

станавливать цепи питания, что замедляет процесс измерения и

требует от опе¬

ратора повышенного внимания, отвлекая от основной задачи. Вместо этого луч¬ ше всего приобрести комплект мощных резисторов-шунтов с сопротивлениями 10 Ом (для малыхтоков до 1-10 мА,можно малогабаритный 0,25 Вт), 1 Ом (для токов от 1-10 мА до 100-1000 мА, мощностью не менее 2 Вт) и ОД Ом (от 1А и

более, мощность 5-10 Вт). Один

из этих резисторов (более подробно о его вы¬ в главе 1) сразу подключается последовательно в не¬ обходимое место макета схемы, работа которой при этом не нарушается из-за малости его сопротивления. Измерение тока производится путем измерения падения напряжения на подключенном резисторе с соответствующим выбором

боре

см.

Эксперимент 2

предела измерения. Если падение напряжения измеряется в вольтах,то на ре¬ зисторе 1 Ом значение тока получится сразу в амперах, если в милливольтах

-

то в миллиамперах.

Для других сопротивлений шунта пересчитать полученное

значение несложно: достаточно значение падения напряжения поделить или умножить на 10.

Осциллограф В основной

части

функций осциллограф

вполне заменяет

мультиметр измерять не сред¬ существенно совершеннее его, ние, а мгновенные параметры сигнала в любой произвольный момент времени. Осциллограф лучше приобретать современный цифровой, и даже

а не

так как позволяет

старинный аналоговый, так как первый

а цены их для

во всех отношениях

Однако это большинстве случаев без

осциллографа работающих

вполне можно

нет замены только в отладке схем, ни.

удобнее,

недорогих моделей давно уже практически сравнялись. существенно более дорогая покупка, чем мультиметр, и обойтись.

с сигналами во

в

Ему

време¬

Измерение частоты с помощью мультиметра эту функцию заменяет

в очень

ограниченных случаях плитуду сигнала, мультиметр

-

помимо

ограничений

на

частоту

и ам¬

например, представления о со¬ импульсов пауз (скважности) и будет ошибаться, если форма сигнала сильно отличается от прямоугольной или синусоидаль¬ ной. Удешевить покупку можно, если приобрести осциллограф-ручку (рис. 6). Она подключается к порту USB и имитирует функции осцилло¬ отношении

графа на основном

не даст,

и

экране компьютера

или

ноутбука.

Инструменты, материалы, технологии

и

оборудование

Рис. 6. Недорогой осциллограф-ручка В

найдете достаточно материала для того, чтобы попытаться соорудить мультиметр самостоятельно. Совершенно не имеет смысла этим заниматься результат не оправдает ожиданий и окажется нена¬ много дешевле фирменного прибора или даже дороже его, а работать книге вы

-

будет

хуже

рошего хотя

бы

на

рее всего,

графам

и ненадежнее.

знания

-

Дело

это сложное и

а попытка

теории, приличном бытовом уровне

окажется

неудачной. Еще

например,

не только весьма

осциллограф

трудоемок в

трудоемкое,

требует

добиться гарантированной

(погрешность

больше

из

1 %

и

менее),

ско¬

это относится к осцилло¬

компьютерной звуковой карты

изготовлении, но и имеет довольно

убогие

качества, совершенно не оправдывающие вложенные усилия. А вот такие разновидности приборов для проведения измерений,

генераторы импульсов

наоборот,

и

гармонических

как

(синусоидальных) колебаний,

делать самостоятельно можно и нужно, о чем мы поговорим

в соответствующих разделах

Источники В

хо¬

точности

«Практикума».

питания

качестве источников питания постоянного тока возможности сетевых

перекрывают большинство любительских задач. Поч¬ нужды будут удовлетворены, если запастись тремя типами таких адаптеров: на 5, 9 и 12 В с выходным током 1-2 А. Для некоторых компо¬ нентов требуется более низкое напряжение, обычно 3 или 3,3 В, но при¬ адаптеров

вполне

ти все

обретать такой источник отдельно нецелесообразно: проще установить в схеме отдельный миниатюрный стабилизатор напряжения необходи¬ мого типа (подробнее об этом см. главу 11). Внешний вид таких адаптеров питания всем известен (рис. 7). Кстати, точно такие же по внешнему виду зарядные устройства (кроме самых уж простых и примитивных) от отслуживших свой срок мобильных гадже¬ тов тоже вполне

подойдут в

качестве источников питания

5 В. Но лучше,

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

20

конечно,

адаптеры, специально предназначенные для рабо¬ у зарядников могут быть самые разнообраз¬ конце провода, и чаще всего их приходится к схеме про¬

приобрести

ты в качестве источников

ные сто

разъемы

на

-

припаивать.

Рис. 7. Сетевой адаптер

и

ответный разъем к нему

При выборе адаптера важно не промахнуться. Самые простые и де¬ адаптеры нестабилизированные (они употребляются в случаях, когда стабилизатор заведомо встроен в аппаратуру). Для наших целей шевые

-

реальное напряжение на выходе может быть указанного на их корпусе. Практически все адаптеры с переключателем выходного напряжения именно такого типа, пото¬ му их приобретать не стоит. О том, как сделать для своих нужд источ¬ ник питания с регулируемым выходом, рассказывается в «Практикуме»

такие источники не годятся:

весьма далеким от

17

Р. А.

Свореня [1]. Поэтому следует приобретать стабилизированные адаптеры пита¬ ния с фиксированным напряжением. Они бывают двух типов: обычные к главе

книги

(аналоговые)

или

импульсные. С

ные

адаптеры лучше: у выхода, что может быть говые

гут

стабилизаторы

точки

зрения

них намного меньше

важно для

работы

менее экономичные,

качества питания

шумовая составляющая

аналоговых схем.

Но

больше размером (т.

мешать использовать соседние гнезда в

импульсных, особенно достаточно мощные.

обыч¬

и часто

розетках) Потому для

анало¬ е. мо¬

дороже

повседневных

целесообразно приобрести адаптеры именно импульсного типа. С выходным разъемом также следует быть внимательным. У боль¬ шинства адаптеров, специально предназначенных для работы в каче¬

нужд

стве

источников

питания,

(где 2,5 ветной части). Для

5,5x2,5

мм

провод

заканчивается

круглым разъемом

номинальный диаметр внутреннего штырька от¬ них следует приобрести ответный разъем-гнездо со¬ -

Инструменты, материалы, технологии

и

ответствующего размера, через который к схеме

обычными проводами

аппаратуры

плату

или на

имеются

(он

различные

21

оборудование

питание может подключаться

также показан на ответные части

рис. 7). Для готовой

(устанавливаемые

на

корпус).

Подробности Отметим,

что у абсолютного большинства адаптеров

положительный контакт

-

Часто у таких разъемов три вывода: положительный

центральный штырек. (центральный штырек), отрицательный (внутри

вокруг него),

а

хромированное обрамление соединяется двух частей не происходит. Конечно, нередко третий вывод игнорируется, и отри¬ цательный контакт происходит просто через внешнее обрамление. «Засада» здесь заключается в том, что у большей части ответных разъемов центральный штырек имеет диаметр не 2,5, а 2,1 мм. Потому, если разъем на адаптере вы¬ полнен некачественно, такой штырек входит слишком свободно, и контакт все время нарушается. Заметим, что есть также типы адаптеров, у которых на цен¬ тральном выводе минус, а не плюс. Хотя они встречаются гораздо реже, но при с экраном. Контакта при неполном вхождении

приобретении нужно

обращать на

это внимание.

Рис. 8. Соединение двух однополярных источников для получения двухполярного питания

В некоторых случаях ния, т. е. источник,

вам

потребуется двухполярный

выдающий

жения, например +5 и -5 В

относительно

источник пита¬

общего провода два напря¬

(см. например, Эксперимент 14).

Его проще

всего заменить на два одинаковых источника, включенных последова¬ тельно.

При этом общий вывод (минус одного источника, соединенный другого) подключается к общему проводу схемы (рис. 8).

с плюсом

Для нием.

тор

некоторых задач понадобится

Для

этого

с выходным

всего иметь

лучше напряжением

источник с

переменным напряже¬

какой-нибудь старый трансформа¬

в диапазоне до

20 В. Для более

высоких

напряжений понадобится лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), подключаемый к бытовой сети. Переменное напряжение с его выхо¬ да можно регулировать в больших пределах (немного даже в сторону

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

22

сетевого). С

помощью ЛАТРа

удобно проверять пределы работоспособности работающих от сети. с ним не забывайте о При работе правилах обращения с напряжением,

увеличения исходного

источников питания,

связанным с

бытовой

и металлическими

ченном питании, отключения

Изредка

сетью: не лезьте во

инструментами,

не

не

включенную схему пальцами

меняйте компоненты при вклю¬

подключайте щупы измерительных

приборов

без

питания!

потребоваться мощный источник питания. На¬ обращении с двигателями постоянного тока мощности

вам может

пример, при

обычного адаптера с током 1-2 А может не хватить для их раскрутки. Отметим, что во многих случаях, когда величина выходного напряжения источника не имеет но

решающего значения,

применять зарядное

устройство

в качестве источника

удоб¬

для автомобильных аккумуляторов

(при условии, что оно не имеет функций автоматического выключения). устройство выдает на выходе довольно стабильное напряжение около 15 В и имеет удобную функцию ограничения выходного тока.

Такое

Глава 1 Закон Ома

и

электрическое

сопротивление

Закон Ома

основной закон электроники

-

и

электротехники.

Ему

под¬

чиняются все электрические и электронные схемы, даже самые слож¬ ные аналоговые, цифровые, высокочастотные, импульсные. Потому -

мы посвятим

изучению

Основные

формулы

этого закона

отдельную главу.

понятия и

расчетные

для электрических

цепей

Ток Ток (точнее,

его

кающее через

сечение

величина)

есть количество

электрического

проводника за единицу времени: 1

=

заряда,

проте¬

Q/t. Единица

тока

«ампер», и ее размерность в системе СИ кулоны в секунду. Иными словами, сколько кулон протечет через сечение проводника за

называется

секунду,

-

такова и величина тока в

амперах.

Напряжение Величина напряжения

двумя

точками

есть

между

разность электрических потенциалов

пространства.

Измеряется

она в

размерность

вольтах,

этой единицы измерения E/Q: один джоуль на кулон, т. е. U есть такая разность потенциалов, при которой перемещение заряда =

-

кулон

требует затраты

энергии, равной

одному джоулю.

формулу

Ома

вольт в

один

Закон Ома Проще U с

=

I

всего

запомнить

закона

в

следующей форме:

R. Иными словами, падение напряжения U (вольт)

на

участке цепи

сопротивлением R (ом) равно

произведению этого сопротивления на величи¬ тока I (ампер). В реальности в наших схемах чаще всего

ну протекающего напряжения

величина

-

источник питания или

формула

закона

независимая

переменная (мы

ее задаем

через

сигнала). Поэтому практически применяемая

Ома выглядит

как

I

=

U/R. То

есть ток в

цепи I

(ампер)

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

24

равен приложенному к этому участку цепи напряжению U

му сопротивление R (ом). Величина, обратная сопротивлению,

(вольт), деленно¬

на

ние

проводимости

(1 См

=

1/Ом).

С

как

переписать

носит

назва¬

специальное

(электропроводности) о и измеряется в сименсах вторую формулировку закона Ома можно

ее помощью

I

=

о

U,

где ст

=

1/R. Величина электрической прово¬

димости в сименсах чаще используется в научных исследованиях и для проводников II рода (например, растворов солей), а в технике обычно

фигурирует сопротивление в

омах.

Удельное сопротивление Величина сопротивления проводника

зависит в

первую очередь

из

и

которого геометрических размеров материала, R противление увеличивается пропорционально длине L ется пропорционально площади сечения проводника S: R

эффициент пропорциональности р

от его

он изготовлен. и =

Со¬

уменьша¬ р

L/S. Ко¬

считается постоянным для каждого

зрения материала и носит на¬ удельного электрического сопротивления. Согласно приведенной формуле удельное сопротивление р есть сопротивление R (Ом) проводника единичной площади S (м2) и единичной длины L (м). достаточно чистого с химической точки звание

Если подставить ния

формулу,

используя основные еди¬ СИ, получите размерность для удельного сопротивле¬ Ом-м2/м или просто Омм. Практически в таких единицах измерять эти величины в

вы

ницы системы

удельное сопротивление неудобно, так как для металлов величина по¬ лучается крайне маленькой представляете сопротивление куба меди -

1 м?! На практике обычно больше: Ом-см (она часто приводится с

ребром

ских

в

расчетов еще удобнее старинная

употребляют единицу в 100 раз в справочниках). Для практиче¬

внесистемная единица

Ом-мм2/м,

1 мм2

и длиной которая равна сопротивлению проводника 1 м. Для того чтобы выразить официальный Ом м в этих единицах, нуж¬ но умножить полученную величину на 106, а для Ом-см на 104.

сечением в

-

Важно отметить,

противления от от

не является

ряда параметров от температуры, от количества способов изготовления, т. е. от структуры металла. -

Мощность Из

материала величина удельного со¬ строго постоянной величиной, а зависит еще

что для каждого

закона

в

электрической

Ома следует,

что

цепи

при пропускании электрического тока через

электрической энергии теряется проводник ет» на участке цепи в виде падения напряжения. ная» часть, в соответствии с законом а

превращается

Джоуля-Ленца,

и даже

(закон Джоуля-Ленца)

часть

бесследно,

примесей

в тепло.

-

так сказать, «оседа¬

При

этом

сохранения энергии,

Этот

факт

и

«потерян¬

не исчезает

зафиксирован в

связывающем тепловую мощность N

(ватт),

законе

выделяю¬

Глава 1. Закон Ома

щуюся

в

и

протекающим по ней током I (ампер) напряжения U (вольт): N =U I. Как видите, если все изме¬

электрической

и падением

не

сети с

СИ,

коэф¬ требуется: один вольт, умноженный на один ампер, равен

рения производятся

фициентов

25

электрическое сопротивление

в системе

то никаких дополнительных

одному ватту выделяющейся мощности. Учитывая закон Ома, формулу закона Джоуля-Ленца сать как

N

=

Р R

и

N

что мощность здесь

=

IP/R,

где R

-

сопротивление цепи

пропорциональна квадрату

можно

в омах.

перепи¬

Заметьте,

(или напряжения)

тока

для одного и того же значения сопротивления, а от изменения сопро¬ тивления мощность зависит линейно это важный по¬

факт, который

-

зволит вам

избежать

няется возникновение

при

изменении

в

же

ту

одной

сторону

изменении

ошибок при проектировании схем. Объяс¬ ошибок просто: при неизменном сопротивлении

многих

из величин в

меняется и

жения, отсюда

Напомним,

и

вторая, откуда

U одновременно

и появляется

квадрат.

При

произведении I U пропорционально ме¬ сомножителей либо ток, либо падение напря¬

сопротивления

няется только один из

произведении I

в

простая пропорциональность мощности.

определению есть энергия, выделяю¬ щаяся за единицу времени. То есть, если умножить результат расчета по формуле Джоуля-Ленца в ваттах на время действия тока в секун¬ дах, получим абсолютное количество затраченной энергии в джоулях. Практически в электрических сетях вместо неудобных для практики джоулей очень часто употребляют внесистемную единицу ватт-час или что мощность по

(подчеркнем, что в умножения, а не деления!).

киловатт-час знак

делившейся

этих наименованиях

дефис

означает

1 Вт-ч равен количеству энергии, вы¬ 1 ватт за один час, т. е. 3600 Дж. Со¬

в цепи с мощностью

ответственно, 1 кВт-час

величина, еще в 1000 раз большая

(3,6 кДж). Для электрохимических источников тока (батареек и аккумуляторов) в качестве меры энергетической емкости употребляют еще одну внеси¬ -

стемную единицу: ампер-час (или миллиампер-час). Чтобы привести ее к знакомым ватт-часам

(а через

них

-

личину ампер-часов следует умножить

официальным джоулям), ве¬ на напряжение батарейки или к

аккумулятора. Заметки Давайте

на полях

оценим электрические величины, приведя их к знакомым явлениям.

Например, ампер это много в 1А будет выделяться ровно -

или мало? В цепи с напряжением 220 В и током

220 Вт мощности. Чтобы нагреть один литр воды на один градус, нужно 4200 Дж (теплоемкость воды равна 4,2 Дж на грамм, считаем, что грамм воды примерно равен миллилитру). То есть источник мощ¬

220 Вт будет нагревать литр на один градус примерно 19 с. А для дове¬ дения до кипения от комнатной температуры (разница примерно 80°) понадо¬ бится 19 80 = 1500 с, или 25 мин (эти расчеты еще не учитываюттеплопотери ностью

в окружающую

среду).

26

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

По этим цифрам вы можете понять, почему электрочайники имеют такую боль¬ шую мощность- 2 кВт и более,только тогда они способны веки пятить литр-другой воды за приемлемое время. Аналогичные величины мощности, измеряющиеся киловаттами, характерны для электроинструмента, переводящего электриче¬ скую энергию в механическую работу. В то же время сложнейшие электронные

приборы потребляют энергию, измеряемую ваттами и милливаттами в тысячи раз меньше. Иными словами, обработка информации в электронном виде требу¬ -

ет намного меньше

энергии, чем физические действия

в реальном мире.

Подбор резисторов При подборе

резисторов

в

первую очередь руководствуются,

конеч¬

сопротивления. Сопротивления образуют стандартные ряды, отличающиеся в каждой декаде только десятичным множителем

но, величиной

(например, 5,1 Ом, 51 Ом, 510 Ом, 5,1

кОм и т. д.). Кроме того, резисторы величины сопротивления в процентах от номи¬ различаются допуском нального: 20 %, 10 %, 5 %, 1 % и т. д. Чем уже допуск, тем больше ряд

среди резисторов с допуском 1 % и менее можно встретить номинальное сопротивление, например 249, 205 или 301 Ом, чего в бо¬ лее не встречается. Подробнее об устройстве стандартных грубых рядах номиналов:

рядов сопротивлений резисторов ле,

почему

в статье

величины не

ровно 4,5

«Википедии» «Ряды

и

емкостей конденсаторов

или

6,

номиналов

3,9,5,1

(в

том чис¬

6,2) можно прочесть радиодеталей». а

и

Отметим еще только, что на практике резисторы с допуском менее 1 % применяются нечасто и встретить в продаже их трудно, но это

нужны. Точно определенное значение со¬ противления требуется действительно редко, но гораздо чаще необхо¬ димо обеспечить строгое равенство резисторов (см., например, Экспе¬ не значит, что они совсем не

рименты 23

и

24). Обычно

характеристики,

чем меньше

включая такой важный

допуск, тем лучше остальные параметр, как температурный

коэффициент сопротивления (ТКС), характеризующий уход номиналь¬ ного

сопротивления

Кроме

от

температуры.

номинального

сопротивления (часто его

называют

просто

миналом), резистор характеризуется предельно допустимой

но¬

мощно¬

стью рассеяния, которая в первую очередь зависит от геометрических не неправильно размеров. Этим параметром следует

пренебрегать

-

подобранный по мощности резистор просто обуглится и расплавится во время работы, причем может это сделать не сразу, так что вы и не заметите его выхода из с того, строя. Кроме геометрическими разме¬ рами связана еще одна характеристика резисторов, о

которой

часто

забывают: предельно допустимое напряжение. Обычные мелкие рези¬ сторы мощностью 0,125-0,25 Вт имеют предельно допустимое напря¬ жение, не превышающее 200 В, потому в бытовой сети, где амплитуды

27

Глава 1. Закон Ома и электрическое сопротивление

напряжений превышают ния в не

бытовой

сети

их использовать нельзя. не менее чем

Для примене¬

полуваттные резисторы

-

забывайте об этом!

Эксперимент

1.

Исследование с

300 В,

необходимы

закона

Ома

в

цепи

переменным резистором Материалы и оборудование: мультиметр;

переменный

или

подстроечный резистор

постоянный резистор 51 источник питания

5 В

1 кОм;

Ом;

(сетевой адаптер

или

лабораторный

блок

питания).

Просто

резистором вы можете без дополнительных указаний. Напомним только, что

измерить

самостоятельно и

ток и

напряжение

в цепи с

мультиметр в режиме вольтметра подключается параллельно измеря¬ емой цепи, а в режиме амперметра последовательно, в разрыв цепи. -

А здесь мы сразу проведем эксперимент, который заодно проиллю¬ стрирует две возможные схемы подключения переменного резистора. Схема обычного включения переменного резистора (рис. 1.1а) служит

для

напряжения U в ток I, а схема потенциометра (де¬ напряжения, рис. 1.16) тока I в напряжение U.

преобразования

лителя

-

Рис. 1.1. Измерение

тока и напряжения в двух вариантах подключения переменного резистора

В первой

схеме

(рис. 1.1а) средний

(а, б).

контакт

(движок)

ному из двух других выводов переменного резистора

подключен к од¬

Rn.

На практике

такому выводу, чтобы при вращении движка впра¬ во нужная величина увеличивалась. В данном случае эта величина ток в цепи, она будет увеличиваться при уменьшении сопротивления. Соберите схему, подключите к ней амперметр, как показано на рисун¬ его подключают к

-

28

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

убедитесь,

при верхнем по схеме положении движка ток ми¬ равен примерно 5 мА (примерно, а не точно потому, что и резистор, и источник тока имеют свои погрешности, добавляет свою о лепту и наличие резистора котором далее). Эта величина равна и

ке,

что

нимален и

напряжению источника питания 5 В, деленному в соответствии с зако¬ Ома на полную величину сопротивления резистора (1 кОм). По мере того как вы будете вращать движок переменника Rn, ток будет увеличиваться, так как все меньшая часть резистора будет участвовать ном

в цепи.

В пределе

ток должен стать очень

большим

-

в нижнем положе¬

переменный резистор в прохождении тока вообще не уча¬ ствует (перемкнут накоротко). Чтобы при этом не случилось никаких неприятностей ни с резистором (при большом токе контакт движка может сгореть), ни с источником питания (неизвестно, как он реаги¬ на рует превышение допустимого тока нагрузки), служит постоянный ограничительный резистор Ro. Его номинал (т. е. величина сопротивле¬ нии движка

ния), равный 51 Ом, достаточно мал, чтобы не вносить существенную погрешность при малых токах, но ограничивает ток на уровне 100 мА, что

безопасно для

остальных элементов схемы.

ограничительного резистора ка на

в

Отметим,

обязательное условие, за исключением случаев, когда безопасном уровне какими-то другими факторами.

-

Обратим

внимание

на

что наличие

такой схеме подключения переменни¬

наличие

ток

ограничен

прибора

второго измерительного

в схеме:

вольтметра, измеряющего напряжение на переменном резисто¬ вы Если ре. при различных положениях движка переменного резистора

будете контролировать

это

напряжение,

то

убедитесь,

что сначала оно

почти не меняется. Заметное изменение напряжения начнет происхо¬ дить только при относительно больших токах при положении движ¬ ка, близком к нижнему пределу. Тогда все большая часть напряжения -

будет приходиться на ограничительный резистор тренним сопротивлением

Второй

вариант

существенно

станет

включения

равным нулю.

отличается по своим свойствам

переменник

ния тока здесь

не

нужен,

не замыкается

произойти

с

вну¬ полно¬ при пределе, падение напряжения на

переменного резистора

ограничительный резистор тут нии движка

совокупности

источника питания, и в

стью выведенном в нижнее положение движке,

переменном резисторе

в

не может.

от

в цепь

(рис. 1.16)

первого. Для

так как ни

накоротко,

Переменный

при

начала

каком положе¬

и опасного

резистор

увеличе¬

все

время

через него будет состав¬ Ома. При вращении движ¬

включен в источник питания целиком, и ток лять

5 мА

в полном соответствии с законом

переменника будет меняться только напряжение на его выводе, что вольтметр в верхнем положении напряжение будет равно напряжению источника 5 В, а в нижнем равно нулю. Между крайни¬ ми положениями напряжение будет меняться по мере перемещения ка

и покажет

-

Глава 1. Закон Ома

и

29

электрическое сопротивление

движка. Такая схема носит название схемы потенциометра сам

(поэтому

переменный резистор часто называют потенциометром).

Искажения

в

эту красивую картину внесет подключение к движку потенциометра какой-либо существенной нагрузки. Рассчитать такую схему гораздо сложнее, и мы подробнее рассмотрим этот вопрос при проведении Эксперимента 4.

Задания 1.

Соберите

схему,

как показано на

рис. 1.1а.

Проделайте

операции,

изложенные в тексте.

2.

схему, как показано на рис. 1.16. Оцените изменение на¬ пряжения при вращении движка потенциометра. Попробуйте подключить какую-либо нагрузку между движком и минусом пи¬ тания (например, резистор сопротивлением 10 кОм) и убедитесь, что выходное напряжение снижается, но только при положениях

Соберите

движка, отличных от

верхнего.

Эксперимент 2. Измерение тока Материалы

и

с помощью

вольтметра

оборудование:

мультиметр; резисторы для нагрузки: 10 Ом (15 Вт), 100 Ом (1 Вт), 1 кОм, 10 кОм; комплект измерительных резисторов: 0,1 Ом (5 Вт), 1 Ом (1-2 Вт), 10 Ом; источники питания

блок

Кратко

5

и

12 В

питания с током до

на

этой

теме мы

(сетевые адаптеры А).

или

лабораторный

1-2

уже останавливались, рассматривая мульти¬

«Инструменты, материалы, технологии и оборудование». метр Сейчас мы рассмотрим ее подробнее. Сразу скажем, что обратная зада¬ ча (т. е. измерение напряжения с помощью амперметра) в повседневной практике возникает крайне редко. Это была стандартная проблема при в главе

проектировании старинных стрелочных вольтметров: аналоговые элек¬ тромеханические измерительные головки всегда рассчитаны именно на измерение тока, главный параметр у них так и называется ток полного -

Но сейчас при необходимости получить аналоговую шкалу проще нарисовать ее на дисплее или применить специальный шкаль¬

отклонения.

равно подается в цифро¬ вом виде. Поэтому с исчезновением электромеханических стрелочных приборов из повседневной практики и задача преобразования напряже¬ ния в ток при проведении измерений почти перестала возникать. А вот задача преобразования тока в напряжение, как мы уже гово¬ рили (см. «Заметки на полях» в разделе «Мультиметр» вводной главы ный

индикатор,

на

который информация

все

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

30

оборудование»), возникает гораздо удобнее измерять параметры готовой работающей схе¬ не мы, пересобирая ее каждый раз при необходимости подключения амперметра в разрыв питания. Кроме того, нередко возникает задача «Инструменты,

материалы,

технологии

и

часто:

следить за током и напряжением в разных частях схемы в определенные моменты времени не покупать же два мультиметра только для этой -

задачи? Удобнее просто перенести щупы гое,

не

Для тока,

переключая этого

другие гнезда

из

в нужных местах датчики обьгчный которых служит резистор. Есть, конечно,

точные и тонкие методы, с частью

лее, но для повседневных

резистор

дру¬ пределы измерений.

и не меняя

необходимо заранее установить

простейшим

более

их в

из одного места схемы в

вместе с

которых

вы познакомитесь да¬

нужд обычного резистора достаточно. Такой

измерителем напряжения

на нем

-

-

вольтметром

амперметр. На профессиональном превращается в измеритель тока специально жаргоне резистор, предназначенный для измерения тока, называют шунтом. Шунты обязательно имеются в любом мультиме¬ тре вы их можете рассмотреть, если снимете нижнюю крышку. Мы знаем, что амперметр не должен вносить погрешностей в изме¬ -

-

для чего его сопротивление должно быть мало, т. е. изме¬ резистор должен иметь небольшой номинал. Как оценить

ряемую цепь,

рительный необходимую величину его сопротивления? Давайте считать по закону Ома. Обычные с

которыми

мы сталкиваемся в наших схемах,

значения -

напряжения,

единицы и доли воль¬

единицы миллиампер. То есть чтобы не вносить существенную погрешность, падение напряжения на измерительном резисторе не должно превышать 0,1 В при токах до 10 мА (0,01 А).

та, значения тока

-

По закону Ома R U/I получаем, что это соответствует сопротивле¬ 10 Ом. Проверим на всякий случай по закону Джоунию 0,1/0,01 =

=

ля-Ленца, не

какова должна

сгорел: W

для

таких

=

U

I

=

0,1

быть мощность

0,01

=

0,001 Вт,

такого

или

резистора, чтобы

он

1 мВт. Иными словами,

целей годится абсолютно любой резистор

с номинальным

сопротивлением 10 Ом. Таким образом, для измерения тока с помощью измерительного рези¬ стора 10 Ом нужно установить предел измерения в милливольтах и затем поделить

Каков

полученный результат

может

тельном

на

быть минимальный

резисторе?

10

-

получим

измеряемый

Это определяется

ток в

ток

миллиамперах.

при

таком

измери¬

возможностями

мультиметра. 1 мкА на 10 но обыч¬ токе в 10 Ом мкВ, падать При сопротивлении будет ный мультиметр измерить такое малое напряжение не сможет. Обыч¬ ный нижний предел мультиметра составляет единицы милливольт, что резистора 10 Ом будет соответствовать токам в доли милли¬ ампера. Для измерения токов меньшей величины следует увеличить но¬ минал измерительного резистора. Резистор 100 Ом позволит измерять

для нашего

Глава L Закон Ома и электрическое сопротивление

31

токи в десятки микроампер, 1 кОм единицы и доли микроампера. Но не забывайте, что при повышении тока на таких резисторах может недо¬ -

повыситься падение

пустимо

напряжения

ния 1 кОм ток всего в 1 мА дает целый вольт значений тока номинал резистора следует

(например, падения!),

для сопротивле¬ потому для низких

выбирать очень тщательно.

Наоборот,

при повышении измеряемого тока сопротивление измери¬ резистора следует снижать. Ток в 0,1 А (100 мА) даст падение напряжения в ОД В на сопротивлении 1 Ом. То есть с помощью резистора 1 Ом удобно измерять токи в десятки и сотни миллиампер (доли ампера).

тельного

К тому же делить результат не нужно: падение напряжения, выраженное

равно току в миллиамперах, выраженное в целых амперах. Но не забываем про закон Джоуля-Ленца (ведь

в милливольтах, здесь вольтах

-

в

току

количество выделяемого тепла

растет пропорционально квадрату тока!): 1 Ом при резисторе будет выделяться целый ватт тепловой мощности. Малогабаритный резистор (они имеют максимальную рассе¬ иваемую мощность 0,25 Вт) при таком токе просто сгорит, потому тут токе в

следует

1 А

на

выбирать резистор с запасом

-

мощностью 2 Вт, не менее.

Наконец, для токов в единицы ампер и более нужен резистор с еще меньшим номиналом 0,1 Ом, причем мощностью не менее 5-10 Вт

(обычно

резисторы выпускаются в керамическом кор¬ собой представляют просто проволоку из сплава с высоким пусе сопротивлением). Падение напряжения на нем в вольтах нужно умно¬ такие мощные

или

жать на

10, чтобы получить

Заметки

Кстати,

а

ток в

амперах.

на полях

какова

может

быть реально допустимая погрешность, вносимая

Мы ее задали на уровне ОД В, но, возможно, в отдельных случаях она может быть и больше? Действительно, для цифровых

резистором?

измерительным

схем с питанием до 5 В отклонение в

0,1 В

не окажет влияния на

работу схемы.

Но для аналоговых схем в некоторых практических случаях это может быть критично, поэтому мы и

разных вариантов

Отметим,

указываем размытые верхние границы измерений для

номинального сопротивления измерительного резистора.

справедливо для измерений действую¬ переменного тока. Единственное, что с помощью обыч¬ ного мультиметра вряд ли удастся померить переменный ток на уровне единиц и долей миллиампера (так как нижний предел измерений пе¬ ременного напряжения достаточно велик и составляет обычно вольты). щего

Но ное

с

что все то же самое

значения

переменным

потребуется,

током таких задач

то

обычно

обычный мультиметр тут

и не встает, а если

подоб¬

не поможет.

рассуждения в эксперименте. Не бу¬ дем ломать готовые электронные приборы, а построим простенькую

Давайте теперь проверим

искусственную схему

лировать

наши

потребления

в достаточно

тока,

в

широких пределах

которой мы (рис. 1.2).

можем его

регу¬

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

32

Рис. 1.2. Эксперимент по проверке измерения На схеме намеренно

тока с помощью

вольтметра

нагрузочного резистора RH напряжение источника пита¬ ния. Различные варианты этих параметров указаны в списке материа¬ лов и оборудования в начале раздела. Разумеется, указанные варианты и

не

указаны

измерительного резистора

нагрузочного резистора номиналы.

сторов ны

и меняя

не единственные, можно использовать и

другие нагрузки различные варианты рези¬ напряжение источника, вы меняете ток в цепи и долж¬

Подключая

добиться

Ки,

номиналы

а также

его

в качестве

измерения

в соответствии с описанием выше.

В табл. 1.1 указаны ориентировочные личных значениях они

могут

нагрузки

значения тока в цепи

при раз¬ напряжения. В реальности резисторы неточные, напряжение

и питающего

немного меняться, так как

источника может падать под сит свою

нагрузкой, измерительный резистор вно¬ небольшую погрешность и т. д. Кроме этого, в таблице указана

примерная необходимая

мощность нагрузочного резистора.

Таблица 1.1. Значения тока в цепи грузки

/?н

и

напряжения питания

Сопротивление нагрузки, * 10 Ом

100 Ом

1 кОм

10 кОм

(рис. 1.2)

в зависимости от

сопротивления

Unm Минимальная

ипит

Ток через нагрузку, /н

5 В

0,5 А

3 Вт

12 В

1,2 А

15 Вт

5 В

50 мА

0,5 Вт

12 В

120 мА

2 Вт

5 В

5 мА

0,25 Вт

12 В

12 мА

0,25 Вт

5 В

0,5 мА

0,25 Вт

12 В

1,2 мА

0,25 Вт

Напряжение

на¬

питания,

мощность резистора нагрузки, Вт

Глава 1. Закон Ома

и

33

электрическое сопротивление

Задание 1.

Проверьте работоспособность метода, следуя рекомендациям, при¬ веденным в тексте, и сравнивая полученные результаты с табл. 1.1.

Эксперимент 3. Подключение светодиода гасящего резистора

и

расчет

Материалы и оборудование: мультиметр; резисторы (0,25 Вт): 220 Ом, 510 Ом, 1 кОм, 2 кОм, 3 кОм, 33 кОм;

красный, зеленый, синий, белый ультраяркий; 5 и 12 В (сетевые адаптеры или лабораторный

светодиоды круглые 5 или 3 мм:

ультраяркий,

синий

источники питания

блок

питания); переменного тока в переменным напряжением

источник питания

адаптер

с

диапазоне

5-20 В (сетевой

на выходе или

трансфор¬

матор). Схема подключения светодиода, несомненно,

известна

каждому школь¬ ницу. Но в интернете постоянно попадаются малограмотные публикации, авторы которых путаются в токах и напряжениях. Поэтому мы все-таки ее повторим (рис. 1.3а), обозначив заодно основные параметры падение на¬ -

пряжения на светодиоде

и ток через светодиод

Рис. 1.3. Подключение светодиода

к

1сд.

источнику питания

Заметки на полях Вопросы вроде

«как

узнать, на какое напряжение рассчитан светодиод?»

гающей регулярностью

появляются на

форумах. Самое интересное,

токи» столь же часто на них отвечают с самым компетентным видом.

твердо усвоить, что такая формулировка

с пу¬

что «зна¬

Следует

не имеет смысла, как не имеет смысла,

34

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

например, вопрос о температуре космического пространства (так как там нет атмосферы,то и понятие температуры к открытому космосу неприменимо). Све¬ тодиод питается током, а не напряжением, в отличие от лампочки накаливания его нельзя напрямую подключать к источнику питания. Вместо рабочего на¬

рабочий ток /ад, который и следует устанавливать, балластный (токозадающий,токоограничивающий) резистор R6 (см. рис. 1.3а). Напряжение на светодиоде {UJ устанавливается автоматически, мы им не управляем, эта величина справочное значение. Она служит для того, чтобы определить напряжение источника, ниже которого светодиод может во¬ пряжения у светодиода есть

для

чего служит

-

все не засветиться

светодиод к

по

-

батарейке

крайней мере, при или

максимальной яркости. Подключать

другому источнику напряжения без балластного ре¬

зистора (или заменяющей его схемы источника тока, как в светодиодных све¬ главу 11) бесполезно и опасно: либо он не засветится с нужной яркостью, либо сгорит.

тильниках, см.

Светодиод,

разновидность диода, может питаться только постоян¬ определенного направления. Попытка подключить одиноч¬ ный светодиод к сети переменного тока без дополнительных ухищрений как

ным током

даже с правильно

подобранным

балластным резистором, скорее всего,

приведет выходу строя пробоя обратным напряжением. Допустимое обратное напряжение обычных светодиодов не превышает единиц вольт. Но для избавления от опасного обратного напряжения к его

необязательно показаны два ком.

за счет

из

целый выпрямительный мост. На рис. 1.36 и 1.3в простых варианта питания светодиода переменным то¬ ставить

В варианте рис. 1.36 два светодиода включены встречно-параллель¬

каждом из полупериодов питающего напряжения светится один из них, а обратное напряжение на втором не превысит прямого напряже¬

но,

в

ния на

первом. Светодиоды

например, это зеленый и

Ledx

и

Led2 Moiyr быть разного цвета

красный,

то

при

50-герцевом

-

если,

питании цвета

конструкция будет светиться желтым. Во втором случае (рис. 1.3в) второго светодиода ставится обычный диод VDj, пря¬ мое напряжение которого еще меньше, чем у светодиодов. Питающее напряжение в обоих вариантах может быть любым сольются, и вся

вместо

-

хоть

220 В

зистора в цепи

R6

от бытовой сети, лишь бы сопротивление балластного ре¬ было рассчитано правильно. Вместо балластного резистора

переменного

(см. «Подробности»

тока можно использовать в

«гасящий» конденсатор

Эксперименте 10). Параметры

дополнительного

могут быть абсолютно любыми, так как ток через него VDj составляет миллиамперы, а обратное напряжение не превышает паде¬ ния на светодиоде (см. табл. 1.2 далее). Единственное тре¬ напряжения также

диода

бование

нему по возможности минимальный ток утечки в обратном направлении. Балластный резистор (R6 на рис. 1.3я-в) служит для преобразования напряжения источника в ток, питающий светодиод. Номинал резисто¬ ра

к

можно

-

рассчитать

по

формуле: R6

=

(1/пит

-

U^/I^. Током

мы зада¬

Глава 1. Закон Ома и электрическое сопротивление

35

о которых далее, а сейчас обратим внимание на U параметр напряжение на светодиоде. Это напряжение устанавливается автоматически в зависимости от тока через светодиод (с довольно сложной экспоненциальной зависи¬

емся из

соображений, -

мостью),

а также зависит от цвета и

ультраяркий). дый

Значение U

яркости свечения (обычный или справочных данных на каж¬

можно найти в

тип светодиода в отдельности, но

быстро

при изучении

этих данных вы

выясните, что для каждой разновидности напряжение пример¬

но одинаковое.

При

этом

следует учесть,

что в

справочной документа¬ (при максимально

ции приведено максимальное значение напряжения

допустимом токе), меньше.

в

реальных

Обобщенные

рабочих режимах

эти значения заметно

данные для разных типов светодиодов приведе¬

ны в табл. 1.2. Таблица 1.2.

Примерное

значение прямого падения напряжения U

для светодиодов различного цвета Цвет свечения

Пределы напряжения при максимальном токе (по документации), В

Напряжение в рабочем режиме, В

Красный

1,9-2,2

1,7-2,0

Желтый

1,9-2,5

1,7-2,0

Зеленый

2,5-3,0

1,8-2,0

Голубой (синий)

2,5-3,0

2,0-2,2

Синий (ультраяркий)

3,0-4,0

2,5-3,0

Белый (ультраяркий)

3,0-4,0

2,5-3,0

Как мы видим из таблицы, для большинства светодиодов при обыч¬ ном режиме эксплуатации смело можно принимать падение напряже¬ ния в следующих границах: для светодиодов обычной яркости пример¬ но 2 В, для ультраярких примерно 3 В. При изучении документации -

найдете массу исключений из этого правила, но все они будут от¬ клоняться от приведенных величин не более чем на доли вольта, что имеет мало значения с точки зрения результирующей яркости, особен¬ но питания. Эти доли вольта повышенном придется при напряжении «ловить» при питаниях схемы 3,3 В и менее, и не исключено, что ряд типов светодиодов при таком напряжении просто не заработает, но на вы

все

случаи

жизни

общих рекомендаций

Теперь рабочем о

тально:

токе.

дать невозможно.

Этот параметр следует проверить эксперимен¬

проверьте каждый из отобранных типов светодиодов с каждым балластного резистора (см. списки в разделе «Материалы

номиналом

и

оборудование»). Сделайте это для двух напряжений питания 5 и

12 В,

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

36

за одним исключением: не включайте светодиоды

метром)

балластным резистором 220 Ом

с

(особенно 3 мм диа¬ 12 В (вы превыси¬

в источник

допустимое значение тока, равное для круглых светодиодов 30-40 мА, и светодиод может выйти из строя). Все остальные варианты проверьте на практике, отмечая яркость свечения, и вы наглядно убедитесь в спра¬ ведливости следующих положений: те

необходимым

для любого типа светодиода

ется

рабочий

питания

5В

ток

или

ультраяркие 5В

2-3 кОм для

при

и

достаточным явля¬

в диапазоне

питания

12

510 Ом -1 кОм для

В);

работать в качестве обыч¬ потреблении тока: для пита¬

могут

пониженном

балластный резистор 33 кОм, 100 мкА.

вполне годится

ствует току Обычные

(резистор

типы светодиодов

ных сигнальных

ния

3-7 мА

около

сигнальные светодиоды

излучают

что соответ¬

с силой света не

(мкд). Ультраяркими (или суперъяркими назва¬ производителя) светодиоды считаются при интенсивно¬ -

сятков милликандел ние зависит от

более де¬

сти излучаемого света в сотни-тысячи милликандел и более. Не следует поддаваться всеобщей моде на использование ультраярких светодиодов в качестве сигнальных и пользователи, в

как уже давно отмечают многие разработчики бытовой аппаратуре ультраяркие светодиоды только -

раздражают своим неумеренным сиянием, особенно в темноте. Зато, как следует из проверенных нами положений, вполне возможно ис¬ пользование ультраярких светодиодов при пониженном потреблении в автономных

устройствах с батарейным

питанием.

Задания 1. Оцените яркость ных

свечения

разных

типов светодиодов

при различ¬

сопротивлениях токоограничивающего резистора.

Подберите

оптимальные, на ваш взгляд, значения резисторов для каждой из разновидностей светодиодов при питании 5 В. Обратите особое внимание на

-

ультраяркие разновидности

сопротивления

они

будут

при

каких значениях

светиться оптимальным

образом для

ис¬

пользования в качестве сигнальных. 2. Включите два разноцветных светодиода встречно-параллельно. Со¬ противление резистора го тока

5-10 мА

R6 подберите

(см. формулу

в

из

расчета среднего прямо¬

тексте) при

имеющемся источнике

переменного напряжения. Подключите светодиоды к источнику и оцените цвет результирующего свечения при сочетании светоди¬ одов разных цветов. гляден -

дами

при

в

изменения цвета

будет

особенно

на¬

двухцветных светодиодов двумя раз представляют собой два близко расположенных одном корпусе, включенные встречно-параллельно.

они как

светодиода

Эффект

использовании

с

выво¬

Глава 1. Закон Ома и электрическое сопротивление

37

Внимание! Если в качестве источника переменного напряжения использован ЛАТР, не забывайте о правилах при работе с сетевым напряжением! Не лезьте во включенную схему пальцами и металлическими инструментами, не меняйте компоненты при включенном питании, не подключайте щупы измерительных приборов без отключения питания!

Эксперимент

4. Последовательное

и

параллельное соединение резисторов Материалы и оборудование: мультиметр;

переменный

или

подстроечный резистор

постоянный резистор 1 источник питания

5 В

1 кОм;

кОм;

(сетевой адаптер

или

лабораторный

блок

питания). При последовательном одинаков для

соединении резисторов

обоих резисторов

Rj

и

(рис. 1.4я)

а падения

ток I в цепи

напряжения

на каж¬

(Ц U2) сумме равны суммарному напряжению Ц. При параллельном соединении (рис. 1.4б), наоборот, напряжение U общее для обоих резисторов, а токи через каждый из них (1г и 12) равны суммар¬ ному току 1с. Из закона Ома легко таким образом вывести, что при по¬

дом из них

и

в

следовательном соединении сопротивления резисторов складываются

(суммарное сопротивление больше большего из них), а при параллель¬ обратные величины проводимости (результирую¬ щее сопротивление меньше меньшего из них).

ном складываются

Рис. 1.4. Последовательное (а)

В

-

и

параллельное (б) соединение резисторов

для анализа сложных цепей с ре¬ на так называемые законы но зисторами обычно ссылаются

теоретической электротехнике

Кирхгофа,

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

38

на практике можно

их

применяют редко:

привести

к

простейшему

объединяя резисторы попарно ние.

Для изучения

этого

любую

резисторами всегда

цепь с

виду рис. 1.4д

б,

или

последовательно

и вычисляя их

суммарное сопротивле¬ переменного 1.1 б), но усложним ее, подклю¬

приема вернемся

к включению

резистора по схеме потенциометра (рис. чив к движку переменника отдельный нагрузочный резистор RH. Для простоты предположим, что оба резистора в схеме имеют одинаковое номинальное сопротивление 1 кОм (рис. 1.5). Амперметр на схеме не показан, чтобы не загромождать рисунок: здесь фигурируют три разных тока, которые надо измерять независи¬ мо суммарный ток от источника питания I^ ток через переменный резистор 1п и ток через нагрузку 1н. Места, куда следует подключать амперметр для их измерения, обозначены синими точками. Кстати, -

характерный пример удобства в

и

Эксперименте 2, измеряйте

вать цепь в

-

использования

ток с их помощью вместо того,

нужном

Подключение нагрузки

В общем случае часть общего тока нем

чтобы каждый раз разры¬

1с

к

потенциометру

пойдет через

-

по-прежнему через переменный резистор

положении движка ничего не изменится

сторе

и на

источник

обсужденного

месте.

Рис. 1.5.

часть

приема,

подключите в эти точки заранее по резистору 10 Ом

-

Rh (1и на рис. 1.5), (1п). При этом в верх¬

на

переменном рези¬ нагрузке напряжение равно напряжению питания, только

будет

отдавать вдвое больший ток

Останется равным нулю напряжение

в

Z,

=

7н

крайнем

+

7п

=

5

+

5

=

10 мА.

нижнем положении

резистор RH будет замкнут накоротко, ток через него равен нулю, общий ток равен току через переменник, т. е. 5 мА). А вот в промежуточных положениях движка нагрузочный резистор

движка

Rh

(нагрузочный

окажется подключенным

части

переменного резисто¬ картина изменения напряжения на нем и общего тока в схеме окажется существенно искаженной. Как рассчитать токи и напряжения в такой схеме? Это не такая уж простая задача, как кажется. Установите движок потенциометра как можно более точно в среднее положение и измерьте все три тока, а также напряжение на нагрузке Это напряжение окажется равным примерно 2 В, ток через нагру¬ Uн. ра

Rn,

и

параллельно

1л около 2 мА, ток через переменный резистор I около суммарный ток от источника около 6 мА. Почему такие значения? Рассмотрим схему по частям. Нагрузка RH подключена параллельно

зочный резистор

4 мА,

нижней половинке потенциометра. Согласно правилу параллельно¬ го соединения суммарное сопротивление этого узла схемы R можно

1/R 1/0,5Rn + 1 /RH. Rn и Ru равны каждый по 3, R получается равным 0,333 кОм. К оставшей¬

подсчитать из выражения

1 кОм, откуда 1/К

=

2 +1

=

=

ся

(верхней) части переменного резистора, равной 0,5 кОм, этот узел подключен последовательно, т. е. они образуют общее сопротивление нагрузки на источник питания, равное 0,5 кОм + 0,333 кОм 0,833 кОм. =

Соответственно, суммарный ток от источника 1с окажется по закону Ома равным 5 В /0,833 кОм

=

6 мА.

Рассмотренный узел параллельно соединенных половинки Rn и на¬ грузки образуют делитель напряжения в соотношении 0,5:0,333. На¬ пряжение на движке (напряжение на нагрузке), которое покажет воль¬ из

тметр, равно напряжению питания 5 В, деленному в

этом соотношении,

и иначе: согласно закону Ома 0,333 кОм, падение напряжения резисторе через который течет ток составит 6 2 В. что ток 6 мА, 0,333 Получается, через резистор нагруз¬ В / 1 кОм с 1 2 2 мА, а ток ки кОм будет равен 1н Rh сопротивлением к кОм через подсоединенную нему половинку переменника 0,5 равен I т. е. составляет

2 В. Его можно подсчитать на =

=

=

2 В / 0,5 кОм

4 мА.

=

Проверяем: 1с 1п + 1н 4 + 2 6 мА. Все правильно. образом можно рассчитать токи и напряжения при

Аналогичным

любом

=

=

положении движка

=

=

переменного резистора

-

единственное, что

при этом надо точно знать сопротивление участка от движка до одного из крайних выводов. Если заменить переменный резистор на делитель постоянных

резисторов с известными номинала¬ ми, то задача, конечно, упрощается. В такой схеме можно все рассчитать теоретически, не прибегая к измерительным приборам. напряжения

Заметьте, движке

равно

из

двух

что

если

бы нагрузка отсутствовала,

потенциометра

в

среднем

половине питания, т. е.

ометра

в

будет тем

сравнении

с

напряжение

положении движка

2,5 В. Наличие нагрузки

выходное напряжение такого простого «подсаживание»

то

(резистивного)

меньше, чем ниже

было бы

на

точно

«подсаживает» делителя. Это

сопротивление потенци¬

сопротивлением нагрузки. В пределе

потенцио¬

метр превращается в источник напряжения с нулевым выходным со¬ противлением, как и любой обычный источник питания (см. главу 12; 5 в книге

Р. А.

Свореня [1]).

Задание 1.

Соберите и

схему подключения нагрузки к потенциометру проверьте расчеты, приведенные в тексте.

(рис. 1.5)

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

40

5.

Эксперимент

Удельное электрическое сопротивление различных материалов Материалы и оборудование: провод или проволока из стали, меди, алюминия, припоя ПОС-61, нихрома (диаметр в пределах ОД-1 мм, длина примерно 1-3 м); мультиметр; резистор сопротивлением 10 Ом и мощностью 5-10 Вт;

измерительный резистор сопротивлением ОД

Ом

и мощностью

1-2 Вт; источник питания

5 В

(сетевой адаптер

или

лабораторный

блок

питания). наглядно представить разницу в сопро¬ тивлении проводников из различных материалов и заодно научить¬ ся измерять малые значения сопротивления. Оцените: сопротивле¬

Цель

этого

-

эксперимента

1 Ом обладает медный провод сечением 1 мм2 длиной почти (см. табл. 1.3 далее). Так как бытовые мультиметры не могут из¬

нием в

60

м

приемлемой точностью, то при не¬ более-менее точной оценки сопротив¬ посредственном измерении для ления придется отмерять сотни метров такого провода. Ясно, что это мерять сопротивление

неудобно

и во многих

в доли ома с

случаях

косвенным

сопротивление и падения напряжения

Существуют

на

невозможно.

методом,

Потому придется измерять

вычисляя

измеряемом

его

из

значений

тока

образце.

весьма точные и тонкие методы таких

измерений, дове¬ (например, раз¬

денные до совершенства еще в доэлектронную эпоху личные мостовые методы, см. ние» в главе не

11).

требуется.

Но

Мы

раздел «Источники

будем усложнять пренебрежем ошибками мы не

-

тока и их

нам здесь

особой

примене¬ точности

сопротивления под¬ нагревания материала в процессе пропу¬ за счет

водящих проводов скания тока через него. Чтобы нагрев этот был не слишком сильным, а источник питания не перегружался, мы ограничим ток через образец с помощью отдельного резистора 10 Ом. К этому резистору измеряе¬ мый образец будет подключаться последовательно. Таким образом, ток и за счет

превысить 5 В/10 Ом 0,5 А. аналогична показанной на рис. 1.2, где измерений

от источника питания никогда не сможет

Формально

схема

=

измерительного резистора RH подставляем образец, а вместо Rh резистор 10 Ом. Однако измерять ток в цепи с помощью приема, пока¬ вместо

-

Эксперименте 2, в этом случае даже лучше, чем напрямую, т. е. измерительный резистор лучше оставить, а образец подключать между Rh и Rh. Сопротивление измерительного резистора из условия внесения занного в

41

Глава 1. Закон Ома и электрическое сопротивление

минимальной погрешности должно быть много меньше, чем 10 Ом, так что подойдет 0,1 Ом (на всякий случай мощностью 1-2 Вт, реально

Rh

в этом

=

эксперименте

мощности). Амперметр

можно и меньшей

имеет свое собственное сопротивление,

быть сравнимо

с

сопротивлением

мой погрешности при

образце

и в данном

образцов,

его отключении для

и подключении для

что

всегда

случае

оно может

к

недопусти¬

приведет

измерения напряжения на Двух мультиметров для

тока.

измерения

амперметра у нас нет, так что мы заменим его на подключение измерительного резистора. Тогда ток в процессе измерений измениться не сможет, и погрешность не возникает. Измерения проводятся следующим образом: отмеряем образец не¬ постоянного подключения

которой длины (для меди

и алюминия не менее нескольких метров; для

стали, припоя и нихрома можно

стору 10 Ом

поменьше)

и подключаем его к

рези¬

Измерив ток в цепи и падение на¬ источнику пряжения на образце, рассчитываем его сопротивление по закону Ома. Например, если образец представляет алюминиевый провод сечением 1,5 мм2 и длиной 3 м, ток через измерительную цепь получается равным 0,489 А, а падение напряжения на образце 28,5 мВ. Расчетное сопротив¬ ление а

питания.

и

образца,

таким

образом,

составит

0,0285 В /0,489 А

удельное сопротивление 0,028 Оммм2/м,

с данными

=

0,0583 Ом,

что очень точно совпадает

табл. 1.3.

Вряд ли вы сможете найти образцы проволоки одинакового диаметра для

всех

нивать,

указанных материалов. Чтобы результаты в соответствии с

их

придется пересчитать электрического сопротивления R

жете оценить

удобство

дет

было срав¬

формулой удельного

р L/S. Здесь вы в полной мере мо¬ внесистемной единицы измерения Оммм2/м =

-

поделенная на сечение проводника даст

можно

(пг2,

где г

радиус проволоки),

она

сопротивление одного метра длины. Еще более наглядным

бу¬

обратная

-

величина, представляющая длину проводника сечением

1 Ом.

1

мм2, сопротивление которого равно

с

теоретическими воспользуйтесь табл. 1.3,

Для сравнения результатов

где приведены расчетные значения для указанных материалов. К ним для сравнения добавлено

серебро

-

как вы можете видеть, самый

лучший проводник электриче¬ (хотя в некоторых слу¬

ства совсем незначительно отличается от меди чаях эти единицы

процентов

отличия

могут играть решающую

роль).

Таблица 1.3. Удельное электрическое сопротивление некоторых электротехниче¬ ских материалов и длины проводников сопротивлением 1 Ом при сечении 1 мм2

Материал

Удельное сопротивление, Ом мм2/м

Длина проводника сопротивлением 1 Ом при сечении 1 мм2, м

Серебро

0,016

66

Медь

0,017

58,5

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

42

Окочнание табл. 1.3

Материал

Удельное сопротивление, Ом*мм2/м

Длина проводника сопротивлением 1 Ом при сечении 1 мм2, м

Алюминий

0,028

35,7

Сталь

0,098

10,2

Припой ПОС-61

0,139

7,2

Нихром

1Д

0,91

Подробности Удельное сопротивление

металлов

температуры на каж¬ дый градус сопротивление увеличивается примерно на 0,4-0,5 %.Этим объясняется факт, что лампочки накаливания всегда перего¬ рают при включении. В первый момент нить холодная, ее сопротивление мало, ток очень велик. Нить быстро раскаливается, отчего ее сопротивление возрас¬ тает в 10-15 раз, и ток снижается. Однако по мере старения на нити образуются -

сильно зависит от

ее изменения удельное

участки меньшего сечения за счет испарения раскаленного металла. Утончен¬ ные участки имеют большее сопротивление, чем остальная нить, в начальный момент все напряжение приходится на них, поэтому и мощность, выделяюща¬ участке, непропорционально велика. Возникает локальный пере¬ грев, уже уменьшившийся в сечении участок утончается еще быстрее. В конце концов дело доходит до того, что в первый момент после включения мощность на таком участке успевает нагреть утончившуюся до предела проволочку выше

яся на таком и

температуры плавления вольфрама,

и нить

перегорает.

Задания 1.

Соберите измерительную цепочку

из

последовательно

включен¬

резистора 10 Ом и измерительного резистора ОД Ом. Подклю¬ резистор 10 Ом к положительному выводу источника питания и соедините измерительный резистор с отрицательным выводом источника через отрезок проволоки из исследуемого материала заранее измеренной длины. Определите сопротивление образца, рассчитайте длину проводника с сопротивлением 1 м и по форму¬ ных

чите

приведенной в начале главы, рассчитайте удельное сопротивле¬ ние. Сравните с данными табл. 1.3. Проделайте это для всех образ¬

ле,

цов материалов. 2.

Найдите

в

кладовке

мультиметром

ее

старую лампочку

сопротивление

веденных на колбе лампочки

накаливания

и

в холодном состоянии.

измерьте Из при¬

рассчитайте сопротивление при горении и сравните, насколько возрастает сопротивление нити при включении. Исходя из того, что температура горящей нити накала составляет примерно 2500 °С, рассчитайте температурный данных

ее

43

Глава 1. Закон Ома и электрическое сопротивление

коэффициент полученная

сопротивления

вольфрама. Проверьте,

величина совпадает со

цу температурного

коэффициента

насколько

справочными данными (табли¬ разыскать в ин¬

металлов легко

тернете). Пример расчета для лампочки 220 В, 100 Вт: ток через такую нагрузку состав¬ ляет 100 Вт/220 В 0,45 А. Следовательно, сопротивление горящей лампочки будет равно 220 В/0,45 А = 490 Ом. Измеренное сопротивление холодной нити =

Следовательно, при включении сопротивление изменилось 12,8 раз. Температурный коэффициент вольфрама, таким образом, или примерно 0,47 % на градус. составит около 12,8/2500° 0,0047 составило 38 Ом.

в

490/38

=

=

Глава 2

Переменный Переменным одически»

проводнике, напряже¬ периодически меняются во времени. Слово «пери¬

током называется

ние и сила тока

которого

в этом

ток

электрический -

определении

ток в

очень важная

добавка. Например,

батарейки аккумулятора временем вследствие истощения запасенной в них электрической пряжение

на контактах

или

на¬

также меняется со

энер¬

гии, но примером переменного тока это явление служить не может, так как не имеет периодического характера. Самый

простой

и всем

знакомый

случай переменного

тока

-

ток, на¬

пряжение которого меняется по синусоидальному закону симметрично относительно нулевого уровня (рис. 2.1я). Именно ток такой разновид¬ ности питает бытовые приборы, подключенные к электрической сети.

Рис. 2.1.

а

-

синусоидальный переменный ток в бытовой электрической 6 пульсирующий ток прямоугольной формы -

сети;

Глава 2.

Переменный

Рис. 2.1.в

-

ток

45

вид электрического сигнала на выходе звукового

примерный

усилителя

В

цифровых

схемах можно

встретить еще одну распространенную

разновидность переменного тока: его напряжение меняется по пря¬ моугольному принципу (т. е. в каждый момент времени мы наблю¬ даем либо полный размах напряжения, либо оно равно нулю). Чаще всего такие разновидности представляют собой не переменный ток в чистом виде

тельной

(т.

такой, напряжение которого

е.

величины к

положительной),

меняется от

а так называемый

отрица¬

пульсирующий

ток, величина которого меняется от нуля до положительной величины

(рис. 2.16). Пульсирующий ток можно представить как сумму перемен¬ (переменной и постоянной составляющих). Другой пример переменного тока, встречающийся нам ежеднев¬ но, ток, который передается от звукового усилителя к динамикам (рис. 2.1б). В основе такой разновидности переменного тока также ле¬ ного и постоянного тока

-

жит ток,

меняющийся

сложную

форму.

Основные

формулы Период

по

закону синуса,

понятия и

но он может иметь весьма

расчетные

для переменного тока

и частота

На рис. 2.2 изображен график переменной величины, изменяющейся по синусоидальному закону. Для переменного электрического тока по

ординат может быть отложена величина (см. также книгу Р. Свореня [1], главу 6).

оси

тока

I

или

напряжения U

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

46

Рис. 2.2. Параметры периодического колебания: период (Т), частота амплитудное значение (А)

(f),

Время, через которое переменное колебание повторяется, называется периодом переменной величины. На рис. 2.2 период обозначен буквой Г. Для колебания идеальной синусоидальной формы период разделен на два полупериода (от 0 до Т/2 и от Т/2 до Т), во время которых колебание повторяется,

но с

противоположным

оду, обозначается буквой / и

знаком.

Величина, обратная пери¬

носит название частоты

(см. формулу

на

рис. 2.2, вверху). Для нее придумана специальная единица измерения это хорошо всем знакомый герц (Гц), названный так в честь немецкого физика XIX века Генриха Герца, доказавшего существование радиоволн. Как следует из определения частоты, размерность герца есть единица, деленная на секунду: 1 Гц 1/с, т. е. колебание с частотой 1 Гц имеет пе¬ 1 с. Соответственно, 1 кГц (килогерц) означает, риод повторения ровно что в одной секунде укладывается тысяча периодов, 1 МГц (мегагерц)

-

=

-

миллион

периодов

трической

Величина А симальное

и т. д.

Так, частота переменного тока в бытовой элек¬ Гц (в США и Японии 60 Гц).

сети, как всем известно, равна 50

-

амплитуды и представляет собой мак¬ переменной в одном периоде (для сину¬

носит название

значение нашей

соидального закона минимальное значение

графика ниже по абсолютной величине оси абсцисс строго равно максимальному). В дальнейшем мы под «переменной величиной» чаще всего будем под¬ -

на части

-

разумевать напряжение. Изменение переменного синусоидального на¬ пряжения

(U)

во

времени (t)

можно описать

формулой:

Глава 2.

Переменный

Здесь iia есть

-

хорошо

ток

47

максимальное

(амплитудное)

значение

напряжения,

нам знакомое число пи, т. е. отношение длины

а п

окружности

Произведение 2л/носит специальное название круговая частота и обозначается буквой со (омега). Физический смысл круговой частоты величина угла (измеряемого в радианах), пробегаемого синусоидальной кривой за секунду. Для колебаний, отличающихся по форме от синусоидального, есте¬ ственно, формула будет другой, или они могут вообще не иметь точ¬ ного математического описания в виде компактной формулы (как, на¬ к ее

диаметру, равное 3,1415...

.

-

пример, звуковые колебания на рис. 2.1в). Но смысл понятий «частота» и «период» для них аналогичны приведенным здесь для идеального случая. А что

график немного подвигать вдоль оси абсцисс? Это равносильно признанию того факта, что в нулевой момент времени наше колебание не равно нулю. При этом сдвигаются моменты време¬ ни,

будет,

если

соответствующие целому

является еще одна величина

ряемая

в единицах

угла

-

и половине

-

фаза,

периода,

обозначаемая

а в

уравнении (1)

буквой

ср

(фи)

по¬

и изме¬

радианах:

Взятая для одного отдельного колебания,

величина

фазы

выглядит

не имеющей особого смысла, так как мы всегда можем сместить точку начала отсчета времени так, чтобы привести уравнение к виду (1). Однако

будет смотреться иначе, если мы имеем два связанных между собой колебания скажем, напряжения в разных точках одной схемы. В этом все

-

случае нам может быть важно, как соотносятся их величины в каждый момент времени, и тогда одного переменного напряжения отно¬

фаза

сительно другого и

будет

(называемая

характеризовать

колебания

относительно

в технике связи для

Амплитудное

и

в этом

случае сдвигом

такое соотношение.

условного

кодирования

или

фаз) фазы

разностью

Управляемый

начала отсчета часто

сдвиг

применяется

информации.

действующее

значение

переменного

тока

вопрос: а что покажет вольтметр, подключенный к источ¬ нику синусоидального переменного тока (например, к бытовой розетке)? Ведь измеряемая величина все время с частотой 50 раз в секунду меняется от отрицательного до точно такого же положительного значения. Обыч¬

Интересный

ный вольтметр не может и не должен показывать мгновенные значения на¬ пряжения, меняющегося с такой скоростью, иначе на дисплее будут мель¬ цифры, которые мы не успеем разобрать. Он показывает какие-то

тешить

средние значения, менного тока

но ведь в

строго равно

среднем напряжение синусоидального пере¬

нулю!

Как выйти

из этого

положения?

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

48

В электрических измерениях обычное среднее

(среднеарифметиче¬ ское) значение напряжения или тока нас интересует редко. Куда важнее величина, показывающая действие тока. Например, если к источнику переменного напряжения подключить осветительный прибор (хоть лампочку накаливания, хоть светодиодный источник), то он будет го¬ реть

точно так же, как

Точнее,

при подключении

к

источнику

постоянного тока.

незаметно для глаза

пульси¬ будет ровать с частотой 100 Гц (хотя и в небольшой степени волосок просто не успевает остыть при переходе напряжения через ноль), а вот хоро¬ свет лампочки накаливания

-

шие светодиодные лампы даже такой

пульсацией не обладают. Иными

словами, есть какая-то характеристика переменного тока, которая по¬ казывает эквивалентность действия его источника и источника постоян¬ ного тока. Если вдуматься в происходящее в нагрузках при протекании переменного тока, то мы придем к выводу, что такая характеристика только при равенстве должна быть связана с мощностью источников -

мощностей действие

их

будет одинаковым.

Но из главы 1 мы знаем, что мощность источника

электрической

энергии пропорциональна квадрату напряжения. Квадрат напряжения в случае переменного синусоидального тока оказывается очень удобной величиной еще тельная

и

и по

той причине, что при этом исчезает знак: положи¬

отрицательная полуволны действуют

В результате

всех этих

действующим

значением

на

нагрузку одинаково.

оказывается, что величина сред¬ ней мощности в цепи переменного тока определяется так называемым

колебания

связано с =

мулой: Ua

Ud-

рассуждений напряжения

амплитудным

ч2. Вывод этой

грального исчисления, здесь щее значение называют

справедлива

которое для синусоидального

(!id),

формулы

мы только

добавим,

среднеквадратическим.

то всегда имеется в

именно его покажет

-

Точно

переменного напряжения. При мерно 310 В, что легко подсчитать, внимание, что

в

бытовой

230, сети

а не

Следует приборы), многие

на

измерение

значение

равно при¬

умножить 220

общеевропейским, есть формальное

220 В. То

считать

равным 230

на

V2. Обратите

бытовой

сети

приве¬

электронные

напряжения

и

(те

л/2

амплитудное

=

значение

324 В.

же лампочки, а также все

действующее зна¬ (например, диоды, конден¬ резисторы) реагируют на мгно¬

которые рассчитаны

именно на

компоненты

саторы, транзисторные ключи и даже венное значение

«переменный ток действующее

где стандартным считается на¬

следует

бытовые

Но

формула

именно

амплитудное

если

понимать, что есть нагрузки

чение.

виду

или

современный российский стандарт

в соответствие с

пряжение

действую¬

такая же

вольтметр при установке этом

ден

что иначе

и для тока.

напряжением 220 В»,

значение

знание инте¬

подразумевает

Когда говорят «переменное напряжение 220 В» с

(UJ следующей фор¬

его значением

при

его

превышении могут выходить

из

Глава 2.

Переменный

строя.

Потому для сети 230 В такие компоненты должны быть рассчита¬

ток

49

ны на напряжение не менее 350-400 В.

Добавим,

напряжения и тока действующее просто величиной напряжения (тока). Для пря¬ показанного на рис. 2.16 (с равными по дли¬ колебания, моугольного что

постоянного

для

значение совпадает с

тельности положительными и

метричного

меандра1,

«со скважностью

отрицательными полуволнами,

т. е. сим¬

или, как еще говорят, прямоугольного колебания

2»), действующее

значение

равно ровно

половине ам¬

плитудного.

Эксперимент 6. Исследование значений напряжения на

выходе выпрямителя

Материалы и оборудование:

трансформатор или сетевой адаптер с выходным переменным на¬ пряжением 9-10 В

и мощностью не менее

четыре выпрямительных диода

типа

электролитические конденсаторы напряжение 25 В; мультиметр

и

10 Вт;

1N4001;

емкостью

1000

и

2200 мкФ

на

осциллограф;

нагрузочные резисторы сопротивлением 10 Ом (мощность 10-15 Вт) и

100 Ом

(2 Вт).

Рис. 2.3. Схема диодного двухполупериодного выпрямителя

Схема

1

Меандр

двухполупериодного диодного выпрямителя по¬ Несмотря на ряд недостатков (в первую очередь низкое

классического

казана на

-

рис. 2.3. тип

извилистой

геометрического узора

реки Меандр

в

с

повторяющимися

Малой Азии).

ломаными линиями

(по

названию

50

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

КПД,

о чем

-

далее),

эта схема

благодаря

своей простоте и дешевизне до

сих пор остается одной из самых распространенных никах питания ное.

о

-

во

вторичных

преобразователях переменного напряжения

На основе этой схемы

можно познакомиться со многими понятиями,

которых рассказано выше,

в том числе с

значениями

амплитудным

и

действующим

только одного

с

напряжения, причем применением тиметра. Если у вас имеется осциллограф, то с его помощью установить еще некоторые дополнительные свойства схемы.

Рис. 2.4.

источ¬

в постоян¬

муль¬

мы сможем

Напряжение Ub

на выходе диодного двухполупериодного выпрямителя: отсутствие конденсатора фильтра Сф и нагрузки; 2 в отсутствие нагрузки при подключенном конденсаторе Сф; 3 при подключенной нагрузке и конденсаторе Сф

1

-

в

-

-

На первом этапе

(выпрямительного и

будем

мы не

подключать к выходу выпрямителя

моста из диодов

VD1-VD4) конденсатор фильтра

Сф

UB будет выглядеть так, Пульсирующее напряжение пред¬

нагрузку. Выходное напряжение выпрямителя

как показано на рис. 2.4 ставляет

собой

области. Так

нием

как

liB будет

чение

кривой

синусоиды, размещенные в положительной нагрузка отсутствует, то потерь нет, и амплитудное зна¬

совпадать

(или

почти

переменного напряжения

постоянного

1.

половинки

напряжения

Ua.

покажет

совпадать)

с

А мультиметр

действующее

амплитудным в

значе¬

режиме измерения

значение

11, равное

амплитудному, деленному на V2. Это действующее значение почти (или равно равно) действующему значению переменно¬ го на напряжения вторичной обмотке трансформатора, т. е. для наше¬ го случая должно составлять примерно 10 В. В реальности мультиметр

(или

и

почти

равное)

осциллограф,

вероятно, покажут напряжение

на выходе

выпрямите¬

ля все-таки на несколько десятых вольта ниже, чем значения ного

напряжения на

утечки,

перемен¬

трансформатора, так как всегда существуют

напряжения на диодах в области малых токов меняет¬ существенно (см. в книге Р. А. Свореня «Практикум» в главе 9).

а падение

ся очень

выходе

51

Глава 2. Переменный ток

Если

в этом

ключая

состоянии

конденсатор

фильтра Сф),

моста).

Эта

вся

часть

«просадки»

можно отнести

на диодах моста, она составит около

на каждом из

будет

то

Большую

напряжения

1,8 В (по 0,7-0,9 В

выходу нагрузку (не под¬

кривая пульсирующего на¬ выпрямителя «просядет» вниз, причем тем боль¬

пряжения на выходе ше, чем больше нагрузка. за счет падения

вы подключите к

двух диодов,

образующих

1,5-

одно из плеч

относительно мало зависеть от

нагрузки, меня¬ ясь не более чем на десятые вольта при нагрузки в десять раз. Другая часть обусловлена потерями на внутреннем сопротивлении трансформатора (активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток), т. е. она будет существенно меняться при изменении нагруз¬ часть

изменении

Эта

ки.

трансформатора

часть зависит от мощности

его

тем меньше

ри -

и выше

внутреннее сопротивление напряжение. Точные значения

рабочий

это не

режим,

он

служит

обмоток,

здесь

-

чем он мощнее,

тем меньше поте¬

измерять

мы не

только для ознакомления с

будем

проис¬

ходящими процессами.

Картина радикально изменится, когда мы подключим конденсатор фильтра Сф. При отсутствии нагрузки выходное напряжение будет представлять собой прямую линию !ia (линия 2 на рис. 2.4). Причем,

ния

на диодах

(это

конденсатора)

уровне амплитудного значе¬ вероятно, даже без потерь

характеристик диодов и качеств мультиметр должен показать около 14 В (10 В дей¬

зависит в основном от -

те.

ствующего напряжения, умноженные времени

на

очень

на

л/2). В небольшой промежуток

конденсатор фильтра Сф заряжается до через выходное сопротивление трансфор¬

после подключения

(lia) будет «держать» это значение даже некоторое время после вы¬ пока не ключения трансформатора из сети разрядится собственными токами утечки и обратным током через диоды моста. При подключении нагрузки характер напряжения на выходе выпря¬ мителя с фильтром опять изменится (кривая 3 на рис. 2.4). Во время пи¬ максимального значения

матора

и

-

ков

до

напряжения

на выходе моста

максимального значения, а в

ряжающегося через

нее

будет пульсировать,

но в

конденсатор

Сф пытается

промежутках нагрузка

конденсатора. Поэтому выходное напряжение гораздо меньшей степени, чем при отсутствии

конденсатора. Постоянная составляющая, которую метр,

будет

ствии

конденсатора:

ниже

Ua

на

зарядиться раз¬

питается от

ту

ниже

же

величину,

что и под

амплитудного

на

нагрузкой

1,5-1,8 В

плюс потери на внутреннем сопротивлении

покажет

мульти¬

при отсут¬

падения на диодах,

трансформатора.

В испы¬

конкретным трансформатором при нагрузке 100 Ом мульти¬ показал около 12 В, существенно меньше, при нагрузке 10 Ом метр В. То небольших около 8,7 есть при нагрузках (порядка 100 мА) мы те¬

таниях с

-

ряем трети

около от

2 В, при большой нагрузке

амплитудного

значения.

(до

1

А)

-

уже

около

5 В, более

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

52

Отметим, что пульсации емый

зависят от

нагрузки

-

чем меньше

потребля¬

ток, тем на меньшую величину успевает разрядиться Они зависят также и от мощности (величины внутреннего конденсатор.

нагрузкой

сопротивления) трансформатора. Естественно, чем выше емкость

конденсатора

фильтра С^

они

будут

тем меньше,

однако вы можете легко

установить экспериментально, что никакое увеличение емкости не по¬ зволит избавиться от пульсаций полностью. Кроме всего прочего, это

конденсатора, имеющего собственное внутреннее сопротивление, замедляющее процесс заряда (подробнее см. главу 3). Если ваш осциллограф позволит, то при максимальной рас¬ тяжке вертикальной шкалы вы можете увидеть небольшие пульсации даже при отсутствии нагрузки. Избавиться от пульсаций полностью можно только с помощью внеш¬ происходит

него

из-за неидеальности

стабилизатора. Подробно о них пойдет речь в конце книги, в главе 11,

одной особенности диодного выпрямителя фильтром, которая приводит к еще большим потерям в такой схеме. В самом деле, на среднее (действующее) значение напряжения на на¬ грузке, которое показывал мультиметр, можно ориентироваться только при нагрузках вроде лампочки, светодиода или электрического двига¬

а здесь только остановимся на

с

Они реагируют

теля.

электронные схемы,

именно на в

Быстродействующие стабилизатор напряжения, будут

среднее и

том числе

значение.

реагировать на минимальное напряжение в конце каждого «провала» (см. кривую 3 на рис. 2.4). А оно гораздо меньше среднего, которое пока¬ как зывает мультиметр, минимум на половину амплитуды пульсаций. нам Для этого и понадобится осциллограф нужно измерить размах -

-

пульсаций, чтобы грамотно оценить возможности стабилизатора на вы¬ Нельзя строить схему, если напряжение на входе стабилизатора будет опускаться ниже минимально допустимого входного значения. В исследуемом случае амплитуда пульсаций при нагрузке 100 Ом и емкости конденсатора фильтра в 1000 мкФ составляла около 1 В.

ходе.

То

есть

12 В

при такой нагрузке

минимальное

(показания мультиметра) минус

т. е. около

11,5 В. Для большинства

напряжение

половина

мощных

составит около

амплитуды пульсаций,

стабилизаторов входное на¬

пряжение должно быть больше выходного на 1,5-2 В, т. е. при такой на¬ грузке и емкости конденсатора фильтра окончательно на выходе стаби¬

лизатора мы можем получить 9 В стабилизованного напряжения (или менее). Остается даже некоторый запас, который всегда полезен, так как входное

переменное напряжение

При нагрузке

в

10 Ом

значение ниже, так и целых

все

тоже

гораздо

«гуляет».

печальнее: мало того, что

амплитуда пульсаций при

среднее

испытаниях составила

4 В. Здесь

тра до 2200 мального

целесообразно увеличить емкость конденсатора филь¬ мкФ. При этом пульсации упадут до 2 В, и значение мини¬

напряжения

составит около

7,5 В (8,7 -1

с

небольшим запасом).

Глава 2. Переменный ток

53

Это не позволит получить напряжение на выходе

5-6 В, ния

теряем больше

т. е. мы

половины исходного

стабилизатора

выше

амплитудного

значе¬

Причем увеличивать емкость фильтра еще больше не¬ увеличиваются стоимость и габариты схемы, а потери

напряжения.

целесообразно

-

все равно остаются высокими. Капитальный выход из положения могут предоставить только выпрямители более современных типов, а также импульсные источники питания, о чем пойдет речь в главе 11. Вот сколько тонкостей кроется в одной из самых издавна известных схем схеме двухполупериодного выпрямителя с диодным мостом! -

поговорим об одном из элементов этой конденсаторе, используя сведения, с которыми вы познакоми¬

А теперь давайте схемы лись в

-

подробнее

этой главе.

Задания 1.

Соберите

схему двухполупериодного диодного выпрямителя, казанную рис. 2.3. Не подключая конденсатор фильтра Сф и грузку, исследуйте напряжение на выходе: измерьте уровень

по¬

на

стоянной составляющей значение с помощью

денными

с помощью

мультиметра

осциллографа. Сравните

и

на¬

по¬

амплитудное

с данными,

приве¬

в тексте.

2. Подключите конденсатор

фильтра Сф (емкостью 1000 мкФ), не под¬ нагрузку. Измерьте, насколько изменились амплитуда и постоянная составляющая, оцените форму напряжения с помо¬ щью осциллографа (должна быть прямая линия). ключая

3. Подключите меньшую нагрузку

(100 Ом). Измерьте, насколько из¬ исследуйте форму сигнала,

менилась постоянная составляющая и

оцените амплитудное значение выходного напряжения и амплиту¬ ду

пульсаций, измерьте

валах».

минимальное значение

Замените конденсатор

фильтра

на

амплитуды в «про¬ конденсатор большей ем¬

оцените, насколько изменились эти параметры. Запишите значение постоянной составляющей, измеренной вольт¬

кости

(2200 мкФ),

метром, ренное 4.

и значение минимальной

по

экрану

Проделайте подпалите

«провалах»,

изме¬

ними.

при нагрузке 10 Ом. Помните, резистор нагреваться, не обожгитесь сами и не

может сильно

стол!

в

осциллографа. Оцените разницу между

то же самое

такой нагрузки

амплитуды

Глава 3 Свойства конденсатора

один из базовых электронных компонентов. Большее рас¬ пространение, чем конденсаторы, имеют разве что резисторы. На лю¬

Конденсатор бой

-

электронной

плате

обязательно

найдутся конденсаторы, причем Потому знать хотя

чаще всего разных типов и не по одному экземпляру.

бы ориентировочно предназначение и свойства разных представителей этой разновидности электронных компонентов обязательное условие -

для изучения электроники.

Понятие и

электрической

емкости

разновидности конденсаторов

Электрическая тенциалов есть

заряда (в кулонах)

емкость есть отношение

на пластинах

кулон/вольт.

(в вольтах): С

Такая единица

нитого английского

физика

Q/U,

=

называется

и химика

т. е.

d

-

-

емкость,

Ф; S

расстояние между пластинами, м;

е

разности

размерность

по¬

емкости

фарадой, Фарадея (1791-1867).

по имени знаме¬

Майкла

Рис. 3.1. Схематичное изображение плоского конденсатора емкости: С

к

-

-

На рис. 3.1 показано схематическое

и

формула

площадь пластин,

для расчета

м2;

диэлектрическая проницаемость

изображение

плоского конден¬

приведена формула (формула спра¬ сатора ведлива при условии, что расстояние между пластинами d намного меньше длины и ширины пластин). Отметим важный параметр, фи¬ для расчета его емкости

и

гурирующий

в

этой

формуле,

-

диэлектрическую проницаемость

£.

Глава 3. Свойства

Она

55

конденсатора

зависит только от

материала среды между пластинами и для воз¬ духа практически равна диэлектрической проницаемости вакуума, принимаемой за 1. Из формулы видно, что чем больше величина е, тем больше емкость конденсатора при тех же размерах. Поэтому, помещая между пластинами различные материалы, у которых ди¬ электрическая проницаемость выше, чем у воздуха

слюду, стекло, можно повысить емкость и заодно пластмассу, керамику и т. п., электрическую прочность, т. е. способность выдерживать высокие на¬ пряжения. Такие конденсаторы называются неполярными и классифи¬ -

-

(керамические, пленочные, металлопленочные) бумажные, лавсановые (полиматериалу диэлектрика этилентерефталатные), фторопластовые, слюдяные и т. д. Емкость цируются

по технологии

и иногда по

-

таких конденсаторов обычно составляет величину от единиц

пикофарад

до

микрофарад.

Рис. 3.2. Внешний вид конденсаторов с гибкими выводами, слева направо: два одинаковых керамических конденсатора разных производителей (ОД мкФ, 50 В), высоковольтный металлопленочный конденсатор (ОД мкф,400 В),танталовый электролитический конденсатор (100 мкф,25 В); два электролитических конденсатора (100 мкФ, 50 В): слева полимерный твердотельный, справа обычный алюминиевый -

-

Но такой путь повышения емкости не единственный. Можно также увеличивать площадь пластин и уменьшать величину зазора между ними.

Так пришли

электролитов к минимуму

на

электролитических конденсаторов (или просто профессиональном жаргоне), в которых зазор сведен к идее

представляет собой тончайший слой окисла на одном электродов. Поверхность этого электрода, как правило, сделанного из металла, увеличена за счет пористой структуры. Вторым электродом служит токопроводящая жидкость (электролит), она же поддерживает слой окисла при определенной полярности приложенного напряжения. Поэтому такие электролитические конденсаторы носят общее название при приложении напряжения в неправильном направле¬ полярных нии окисел растворяется, электроды замыкаются, конденсаторы прихо¬ -

из

-

он

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

56

дят в негодность и могут даже взрываться. Зато

единицу объема таких

конденсаторов

Большая

рис.

намного выше, чем

3.2

их емкости в

у обычных неполярных,

составляет от единиц до тысяч

часть таких

конденсаторов делается

первый справа),

расчете -

емкость

микрофарад.

на основе алюминия

ниобиевые

но есть также танталовые,

на

и

(на

др. Об¬

низкая стабиль¬ щий недостаток электролитических конденсаторов особенно на и высоких частотах, большой разброс параметров. ность, В последние десятилетия распространились полупроводниковые (твердо¬ -

тельные)

полярные конденсаторы (рис. 3.2, второй справа). Они быстро обычные электролитические, так как лучше их по всем па¬

вытесняют

раметрам и при этом практически не уступают по емкости на единицу объема. Хотя твердотельные конденсаторы пока еще существенно до¬ роже электролитических, но

несомненно, за ними.

будущее,

Подробности Есть еще одна разновидность конденсаторов, которая имеет свою специфиче¬ скую нишу. Это ионисторы конденсаторы, в которых расстояние между «пла¬ стинами» сведено к достижимому минимуму молекулярных размеров. Ионисто¬ -

ры имеют беспрецедентно

фарад),

большую

емкость

(порядка

единиц и даже десятков

но имеют ряд других недостатков: в частности, высокое внутреннее со¬

болыиихтоков разряда

противление, препятствующее получению не менее

ионисторы давно рассматриваются

как

удобные

и

заряда.Тем

накопители электри¬

ческой энергии для замены капризных и недолговечных электрохимических аккумуляторов.

О

выборе конденсаторов О принципах работы конденсаторов но в главе 6 книги Р. А.

в

Свореня [1].

электролитических конденсаторов питания исследовалось в главе

2,

в

фильтрующих

Влияние обычных

примере (см. Экспе¬ выпрямительных цепях.

в

пульсациями Экспериментах, в случаях, когда

да отмечаться желательный тип о

фильтрующих 50-герцевых источниках

где на наглядном

мы познакомились с

римент 6) В дальнейших

преимуществах

тех или иных

цепях рассказа¬

емкости

это важно,

конденсатора. А здесь

мы

будет

всег¬

поговорим

разновидностей конденсаторов

в

раз¬

личных

условиях применения. Емкость обычных алюминиевых электролитических конденсаторов

(Е-сар)

очень

быстро

падает с частотой.

До примерно

1 кГц это падение

учитывать (поэтому обычные электролиты хорошо работают в низкочастотных выпрямителях), но свыше 10 кГц на каждое увеличение частоты в 10 раз емкость также падает в 10 раз (на 100 кГц емкость конден¬ можно не

сатора 100,0 мкФ упадет до 10 мкФ, а пропорциональное падение емкости на

фильтрующих

свойствах,

на

с

1 МГц

-

до 1

увеличением

но это не так.

На

мкФ).

Казалось бы,

частоты не скажется

частоте

50 Гц

емкостное

Глава 3. Свойства конденсатора

57

сопротивление конденсатора стоте

1 кГц

0,16 Ом

=

1/(2п/С)

~

32 Ом,

на ча¬

упадет до 1,6 Ом, а на частоте свыше 10 кГц оно составит учетом падения емкости дальше падать перестанет. По этой оно

и с

фильтрах

в

причине

100,0 мкФ равно хс

хороших

источников

питания

принято

ставить

параллельно электролитическим конденсаторам керамические: у них почти прямая линия, и они зависимость емкости от частоты будут -

выравнивать и

общую

емкость

при импульсных

полимерных конденсаторов с частот

примерно

питания

точников

конденсаторы для

Особую

роль

работают

такое падение емкости начинается лишь

0,5-1 МГц, потому предпочтительно,

их использование в и

фильтрах

ис¬

параллельные керамические

них можно не ставить.

качественные

характеристики конденсаторов

ли в последние годы в связи с ков питания

помехах. У танталовых

распространением импульсных

Эти разновидности

(см. главу 11).

(от

на высокой частоте

приобре¬ источни¬

себе

источников сами по

десятков до сотен

килогерц). Потому

становится очень

существенным параметр, ранее интересовавший толь¬ ко тех, кто занимался радиопередачей и приемом: последовательное активное (резистивное) сопротивление, ESR. Оно измеряется в омах, и у обычных электролитов

может составлять доли и единицы ома. емкостью

миниевого

100,0 мкФ ESR

составляет

электролита существенно больше емкостного сопротивления, равного, считали,

0,16 Ом

пульсных

на частотах свыше

10 кГц. То

есть на

У

алю¬

0,3 Ом,

обычных для

источников частотах активная составляющая

что

как мы под¬ им¬

сопротивления

будет доминировать, и конденсатор будет банально нагреваться, пере¬ водя большую часть полезной энергии в тепло, еще больше ухудшая свои характеристики и сокращая свой собственный срок службы. полимерных конденсаторов ESR примерно на поря¬ у лучших полимерных оно не превышает единиц в миллиома. Поэтому импульсных источниках питания и для фильтров в питания цифровых схемах предпочтительно использовать эти типы конденсаторов. При частотах свыше 1 МГц суммарное сопротивление большинства типов конденсаторов может опять начать расти из-за уве¬ У

танталовых и

док меньше,

а

самых

индуктивной составляющей. Отметим еще такие характеристики конденсаторов, как температур¬ ный коэффициент емкости (ТКЕ) и коэффициент абсорбции. Коэф¬

личения

фициент абсорбции полного к

равен

отношению остаточного

разряда конденсатора кратковременным

напряжению

в

заряженном

коэффициент абсорбции,

состоянии.

напряжения

замыканием

после

обкладок

Эти характеристики, особен¬

работы конденсатора времязадающих цепях (таймерах, мультивибраторах, интеграторах, АЦП и т. д.). Лучшими характеристиками в этом отношении обладают

но

имеет значение для

во

пленочные стовым

конденсаторы

с

полистирольным (типа К71)

или

фторопла¬

(К72) диэлектриком (см., например, Эксперименты

22

и

32).

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

58

Поскольку устройств

интерес

на

к

подобных

конструированию

дискретных

элементах значительно

упал

прецизионных

в связи с

распро¬

странением микроэлектроники и цифровой техники, то найти подоб¬ ные типы в продаже трудно. В таких цепях можно использовать также

распространенные конденсаторы с полиэтилентерефталатным диэлек¬ триком (К73), только надо учитывать, что ТКЕ для них не нормируется. В крайнем случае можно применять керамические конденсаторы с ми¬

(типов ПЗЗ, МЗЗ, МПО, NP0, N030. M(N)75). При выборе конденсаторов следует, конечно, учитывать их допусти¬ мое напряжение. При этом следует руководствоваться следующим

нимальным

ТКЕ

правилом: допустимое напряжение электролитических конденсато¬ ров должно ненамного превышать максимально возможное при ра¬ боте схемы. Чем больше максимально допустимое напряжение, тем хуже ные

ния,

остальные

характеристики «электролитов».

неполярные конденсаторы с

некоторыми

с

Наоборот,

пленоч¬

увеличением допустимого напряже¬

нюансами только

улучшают

свои

характеристики

габариты). Керамические посередине, так что ничего не будет страшного в применении высоко¬ (правда, растут вольтного

бирать

в этом плане лежат где-то

и

конденсатора

их по

в низковольтных цепях, но специально под¬

допустимому напряжению следует поближе

к

рабочему

режиму.

Основные расчетные постоянного тока с

Заряд

и

формулы

для

цепей

конденсатором

разряд конденсатора от источника тока

самый разряд конденсатора от источника постоянного тока с точки его описания. этом При напряжение на простой случай зрения обкладках растет со временем по линейному закону, согласно формуле U t I/С, где U напряжение в вольтах, t время в секундах, I ток ис¬

Заряд

-

и

=

-

точника в

амперах, С

-

уж просто реализовать рошего

источника тока

перименте

-

-

емкость в на

фарадах.

практике

Этот вариант, однако,

из-за того, что для

придется потрудиться

не так

построения

(подробности

см. в

хо¬

Экс¬

8).

разряд конденсатора от источника постоянного напряжения через резистор На рис. 3.3 показана общая схема, моделирующая процесс заряда

Заряд

и

и разряда конденсатора С через резистор R от источника постоянного

Uo, в качестве которого в данном случае выступает элек¬ трохимическая батарея. Разберем происходящие при этом процессы подробнее. напряжения

Глава 3. Свойства конденсатора

59

Рис. 3.3. Схема для моделирования процессов заряда

и

разряда конденсатора

от источника постоянного напряжения

К

(см. рис. 3.3) разряженный конденсатор С начнет заряжаться через резистор R от батареи. В первый момент времени напряжение на обкладках равно

При

переводе

ключа

в нижнее по схеме положение

будто обкладки конденсатора корот¬ козамкнуты. Запомните этот факт: в первый момент времени ток за¬ ряда 1з будет равен просто напряжению источника U& деленному на сопротивление резистора R, как будто конденсатор в схеме отсутствует. По мере нарастания напряжения на обкладках этот ток будет снижать¬

нулю,

ся, в

и схема ведет

каждый

себя так,

момент

напряжением

как

времени

источника

Uo

и

он

будет определяться

достигнутому

к

разницей между этому моменту напря¬

обкладках. По мере заряда напряжение на обкладках будет увеличиваться, все больше приближаясь к напряжению источника жению на

(график на В

итоге

рис. 3.4я).

процесс нарастания напряжения

на

конденсаторе

соответ¬

ствует формуле затухающей экспоненты, приведенной на рис. 3.4я. Главным параметром функции, определяющим скорость протекания

процесса зарядки, служит произведение RC. Если сопротивление рези¬ стора R измеряется в омах, а емкость конденсатора С в фарадах, то их -

размерность секунд и носит название постоянной время, за которое напряжение на 1/е) от конечного значения, т. е. конденсаторе увеличится до доли (1 произведение

имеет

времени. Постоянная времени Г=RC

-

-

до

63 %

Если

от

UQ. заряда перевести ключ К в противополож¬ конденсатор начнет разряжаться через тот же рези¬

после окончания

ное положение, то

стор R. Снижение напряжения на конденсаторе происходит в соответ¬ ствии с графиком, приведенным на рис. 3.46, и описывается формулой, показанной на этом рисунке. Скорость процесса также определяется постоянной времени RC. Теперь это время, за которое напряжение сни¬ жается до величины, равной доле 1/е от первоначального, т. е. примерно до 37 % от Ufl.

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

60

Рис. 3.4. Процессы при заряде (а) и разряде (б) конденсатора: С емкость; R сопротивление резистора; Г время; -

е

Заметим,

-

-

-

основание натуральных

логарифмов (2,718282)

что в соответствии со свойствами экспоненты

теоретически

процесс заряда или разряда протекает бесконечно: прямая Uo служит асимптотой асимптотой графика заряда (рис. 3.4я), а нулевой уровень графика разряда (рис. 3.46). Эти прямые графики стремятся достичь бес¬ -

время. С физической

зрения окончание процесса обуслов¬ флуктуациями (небольшими самопроизвольными колебаниями) на¬ пряжений в схеме. Практически же принято считать, что заряд и разряд заканчиваются за примерно 4,5 постоянных времени, когда напряжение на обкладках начинает отличаться от конечного значения меньше чем на 1 %. К этим случаям сводятся практически все реально протекающие конечное

точки

лено

процессы заряда и разряда конденсаторов, даже если специально уста¬ новленный резистор R отсутствует. Если вы при заряде подключите конденсатор непосредственно к источнику напряжения, то в цепи все равно неявно присутствует резистор R, в качестве которого выступают

последовательно соединенные внутреннее сопротивление и

сопротивления выводов.

При

разряде

вы можете

источника

замкнуть выводы

61

Глава 3. Свойства конденсатора

конденсатора накоротко, но суммарное сопротивление выводов

и пере¬ Кстати, разряжать электролитические равно нулю. конденсаторы большой емкости, особенно высоковольтные, коротким замыканием выводов не рекомендуется: ток через выводы может превы¬ сить допустимое значение, и они просто сгорят. То есть и в этих случаях

мычки все же не

заряд

и

разряд

будут протекать очень быстро, но все-таки не мшовенно,

в соответствии с

на

кривыми

Параллельное

рис. 3.4.

и последовательное включение

конденсаторов При ются

совместном включении

обратному правилу

в

двух

и

более конденсаторов

сравнении

с

они подчиня¬

резисторами:

при параллельном соединении емкости конденсаторов складыва¬ ются: Собщ Cj + С2 (это можно представить себе как объединение =

площадей обкладок); при последовательном соединении складываются величины, об¬ ратные

емкостям:

1/

Со6щ 1/Cj + 1 /С2. =

Эксперимент 7. Заряд и разряд конденсатора через резистор Материалы и оборудование: источник питания

5 В

(сетевой адаптер

или

лабораторный

блок

питания);

электролитический конденсатор резистор (0,25 Вт) 51 кОм; переключающий тумблер;

1000 мкФ;

мультиметр; секундомер. Этот эксперимент

просто проверка изложенных выше законо¬ мерностей заряда и разряда конденсатора на практическом приме¬ ре. Схема, которую надлежит собрать, показана на рис. 3.3. Если у вас есть

осциллограф,

миналов R и

С

-

то задача

может

предельно упрощается быть практически любым. Но

-

сочетание но¬

можно сделать

осциллограф не понадобится: для этого компоненты следует подобрать так, чтобы обеспечить достаточно большую постоянную

так, что

времени. Тогда кривые заряда и разряда спокойно можно наблюдать на обычном мультиметре. Будем исходить из величины постоянной времени около минуты. Весь процесс при этом закончится, как мы го¬ ворили, примерно за 4-5 постоянных времени, т. е. за 4-5 мин.

62

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

Не следует думать, что при такой постоянной времени

Т

=

потребу¬

сверхбольшие конденсаторов. Из формулы RC следует, что постоянную времени в одну секунду обеспечит со¬

ются

какие-то

четание

1 Ом

емкости

и

1 Ф, 1 кОм

и

1000 мкФ, 1 МОм

1 мкФ

и

и т. д.

Чем

мень¬

ше емкость

конденсатора, тем лучше, так как электролитические кон¬ малой емкости стабильнее. Однако денсаторы резисторы больше сотен килоом

выбирать

ственные токи

не

-

следует

на

результате начнут утечки конденсатора. Для обеспечения

сказываться величины

соб¬

Т при¬

мерно например, резистор сопротивлением 51 кОм и электролитический конденсатор в 1000 мкФ или резистор 510 кОм и конденсатор 100 мкФ. в

50

с можно взять,

Подсоединяем мультиметр

сатора заранее нее положение

в

режиме вольтметра

и потом подключаем цепь к

тумблера

К

по

источнику

схеме). Можно

зависимость напряжения на

от времени при заряде через резистор

(Т

=

50 с,

Uo

=

питания

(ниж¬

записывать показания

мультиметра через равные промежутки времени насколько они совпадут с расчетными (табл. 3.1). Таблица 3.1. Теоретическая

к выводам конден¬

и потом

проверить,

обкладках конденсатора

5 В)

Время, с

10

20

30

50

100

150

200

250

Напряжение, В

0,9

1,65

2,25

3,16

4,3

4,75

4,9

4,97

переключении тумблера К в верхнее положение точно такие измерения можно проделать в процессе разряда конденсатора.

При

Подробности Чтобы повторить измерения при заряде, необязательно ждать

же

полного разря¬

тумблера конденсатор при небольших напряжениях (в данном случае 5 В) можно разрядить коротким замыканием выводов, соединив их пинцетом или отверткой. Но не пытайтесь

да через тот же резистор после переключения

-

повторить этот прием, если предполагается, что конденсатор, особенно элек¬ емкости, заряжен до высоких напряжений. Например, конденсаторы фильтров в источниках питания могут заряжаться до амплитуд¬

тролитический большой

ного значения электрической сети, т. е. до напряжений более 300 В. Энергия заряженного конденсатора пропорциональна емкости и квадрату напряжения на нем, и в этом случае могут выгореть выводы конденсатора или из-за возник¬ новения дуги поврежден предмет, которым вы их замыкаете. В таких случаях разряжать конденсаторы рекомендуется через резистор небольшого номинала, например в несколько десятков или сотен ом.

Задания 1.

Подключите конденсатор 1000 мкФ питания

5 В так,

как показано на

резистор 51 кОм к источнику 3.3. Подключите к выводам кон¬ рис. и

денсатора мультиметр, переключите

тумблер в нижнее положение

Глава 5. Свойства

и с помощью

каждые 10

с.

секундомера отмечайте

значение

напряжения через

Продолжите наблюдения в течение 3-5

ченным значениям

2.

63

конденсатора

мин.

постройте график кривой заряда

и

По полу¬

сравните

его

с расчетным (рис. 3.4я), исходя из постоянной времени 50 с. Повторите тот же самый эксперимент при разряде конденсатора, переведя тумблер в нижнее положение.

Эксперимент 8. Заряд и разряд конденсатора от источника постоянного тока Материалы

и

оборудование:

источники питания

5

и

12 В

(сетевой адаптер

или

лабораторный

блок питания);

электролитический конденсатор

100 мкФ;

резистор 6,8 кОм;

микросхема

источника тока

LM334

(можно

заменить на

LM134

LM234); переключающий тумблер; или

мультиметр; секундомер.

Рис. 3.5. а

-

схема заряда конденсатора постоянным током;

6- изменение напряжения на выходе

Существует бильных

Здесь

мы

несколько схемотехнических

источников тока в

выбрали

решений построения

ста¬

широком диапазоне выходных напряжений.

один из самых простых

-

трехвыводную микросхему

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

64

LM334 ности

Она

(см. рис. 3.5я).

установки тока,

не позволяет

супервысокой

достигнуть

точ¬

целей. Значение

но вполне подходит для наших

7з (в микроамперах) для нее при 20 °С определяется по при¬ формуле 67,7 (mB)/Rs (кОм) и при сопротивлении рези¬ стора Rs, равном 6,8 кОм, будет составлять около 10 мкА. Для точной подгонки тока можно тщательнее подобрать сопротивление резистора, но делать это в такой простейшей схеме нецелесообразно нужна более

тока

заряда

близительной

-

термокомпенсацией (см. документацию). быстро будет заряжаться конденсатор выбранного

сложная схема с

Как

100 мкФ таким током? Для расчета перепишем приведенную зависимости

мулу

В левой

половине

в вольтах в

Если

тания

То

10

с

у

секунду,

ток задан в

формулы

напряжения нас

-

=

t

I/С

в виде

U/t

фор¬ =

1/С.

отношение тока к величине емкости. а емкость в

микроамперах,

выбранных

при

времени U

получилась скорость нарастания напряжения

правой

в

от

номинала выше

нами значениях

микрофарадах,

то из

этой

получится скорость нарас¬

(рис. 3.56). тумблера в верхнее

напряжения равной 0,1 В/с

есть после включения

конденсатор зарядится до 1 В,

за

20

-

по схеме положение за

до 2 В и т. д., пока хватит

напряжения питания и возможностей микросхемы LM334 (максимум должен составить около 4,8-4,9 В). После этого можно выключить пита¬ ние и или

разрядить конденсатор до нуля, перемкнув

отверткой.

до более ния

Если

высокого

(микросхема

медлится, если

напряжениях

хотите

продлить процесс

напряжения,

и емкостях

зарядить конденсатор

то можно повысить

LM334 выдерживает до 40 емкость

увеличить

и

его выводы пинцетом

напряжение

В). Время заряда

пита¬

также за¬

конденсатора. Только при больших

лучше разряжать конденсатор не коротким через небольшой резистор (5-10 Ом), ко¬

замыканием его контактов, а

торый следует подключит!) между нижним контактом тумблера лей» (см. также «Подробности» в Эксперименте 7). Если конденсатор

этой

и «зем¬

быстро разряжать при достижении определенного уровня напряжения, то мы получим схему ГЛИН генератора линейно изменяющегося напряжения. Иначе их на¬ в

схеме автоматически

-

напряжения. Такие генерато¬ ры играли важную роль конструкциях традиционных телевизоров на основе электронно-лучевой трубки, осуществляя кадровую и строчную развертку (см. книгу Р. А. Свореня [1], глава 13; 13). зывают

ГПН

-

генератор

пилообразного

в

Задания 1. Соберите схему, показанную ния

заряжайте конденсатор

рис. 3.5я. После 30-40 с,

включения пита¬

отмечая

напряжение верхнем по схеме выводе (Пвых) каждые 5-10 с. Постройте гра¬ нарастания напряжения от времени и сравните с расчетной

на его

фик

на

в течение

Глава 3. Свойства конденсатора

65

Рассчитайте скорость нарастания

прямой (рис. 3.56).

теоретически заданной. 2. Смените блок питания на 12-вольтовый

и

сравните

с

Изменилась

ли

скорость нарастания

и

повторите эксперимент.

напряжения?

Эксперимент 9. Интегрирующая и дифференцирующая /?С-цепи Материалы и оборудование: источник питания

5 В

(сетевой адаптер

или

лабораторный

блок

питания);

электролитические конденсаторы 1, 10, 100 мкФ, керамические 1 или 1,2 нФ; резисторы 10 кОм, 100 кОм; микросхема CD4011 (К561ЛА7), может быть заменена на CD4001

(К561ЛЕ5); диоды импульсные 1N4148

(КД521, КД522);

любой генератор прямоугольных импульсов 1 Гц (в том числе самодельный, см. главу 6);

с

частотой

около

осциллограф. Два

слова о

импульсов

не

необходимых инструментах. Генератор прямоугольных нужно покупать,

Эксперимент 36). Генераторы

вполне

мы

будем

самодельный (см. «проходить» в главе 6, и вы

годится

и

увидите, что соорудить простейший генератор прямоугольных импульсов можно буквально на трех деталях. Из приведенных там

там

конструкций для наших целей

годится почти любая.

Обратите внима¬

уровень генератора должен быть привязан к общему проводу (нулю напряжения), верхний к источнику пита¬ ния (конструкции с размахом в плюс и минус относительно нуля тут

ние, что нижний

сигнала

-

подойдут). Кроме того, желательно иметь симметричные колеба¬ ния, в которых впадины по длительности равны импульсам (мы уже не

упоминали, что кратко

требование Второе замечание

хотя это

это называется «колебания со скважностью

и не очень

2»),

строгое.

относительно необходимости осциллографа для слиш¬ наблюдения результата. Здесь, увы, мультиметр не подойдет -

-

И даже

если вы соорудите очень медленный колебание в 100 с и подгоните под него па¬ скоростью одно генератор раметры цепочек, наблюдения за формой колебания с помощью муль¬ ком он

неповоротливый. со

тиметра

не

будут

там происходит.

достаточно наглядными, чтобы понять, что именно

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

66

Интегрирующая и

Интегрирующая и

дифференцирующая

цепи

дифференцирующая RC-цепи получили

как вы

менование,

и

можете догадаться,

от

свое наи¬

операций интегрирования

дифференцирования. Сразу нужно заметить, что математически кор¬

вания и схемы

для точного интегриро¬ входного сигнала нужны более сложные

от них вы не

ректного результата

дифференцирования

(см. Эксперимент 17).

И

-

получите

тем не менее эти цепи

напряжением сложной

производят

со

преобразова¬ средний постоянный сглаживая пики и сигнала, уровень острые провалы, а дифференцирую¬ с наибольшей щая наоборот, выделяет участки скоростью изменения, входным

Так, интегрирующая

ния.

формы

очень похожие

цепочка реагирует на

-

игнорируя постоянный уровень. Иначе ют низких частот (ФНЧ), а

цепь называ¬

дифференцирующую фильтром

фильтром

высоких

интегрирующую

(ФВЧ).

частот

входного напряжения

и

-

ФНЧ пропускает постоянную составляющую ее колебания с небольшой частотой, а ФВЧ, на¬

оборот, постоянную составляющую и колебания с небольшой частотой отфильтровывает, пропуская только высокочастотные изменения (см. также книгу Р. А. Свореня [1], глава 6,17). С интегрирующей цепью вы уже сталкивались в Эксперименте 7 там ее образовывал конденсатор фильтра Сф совместно с выходным сопро¬ тивлением трансформатора и диодного моста. Любой источник или преобразователь питания постоянного тока, независимо от устройства и принципов работы, всегда содержит подобный фильтр, удаляющий -

пульсации

выхода.

Интегрирующая

цепь

Для наглядного представления

о

действии интегрирующей

цепи собе¬

рем простую схему из резистора R и конденсатора С и подключим ее к выходу генератора прямоугольных импульсов (см. рис. З.бя). При не¬

большом

лографа

значении

можно

постоянной времени

на выходе с помощью осцил¬

наблюдать картинку, соответствующую рис. 3.66. При¬

форму

Utux вы сможете увидеть RC-цепочки при условии, времени существенно мень¬ чем половина Т ше, входного прямоугольного колебания. Так, периода если R 100 кОм, С 1 мкФ, то постоянная времени RC будет равна 0,1 с, мерно такую

выходного напряжения

что постоянная

=

т. е. в

=

10 раз меньше,

с частотой 1

Гц,

искажаясь по

и

чем

период прямоугольника на входе, следующего импульсы все равно будут проходить на выход, лишь

форме.

Если увеличивать постоянную времени RC (заменив конденсатор на 10 и затем 100 мкФ, что соответствует постоянным времени 1 и 10 с), то

график будет

становиться все

более

плоским

-

в

пределе пройдет

Глава 5. Свойства конденсатора

67

только постоянная составляющая с небольшими пульсациями гично

3

тельностями

му

рис. 2.4). Как

(анало¬

(см. главу 2), уже прямоугольной форме напряжения с равными дли¬ полупериодов (т. е. при скважности 2) равна действующе¬

кривой

составляющая

на

мы

знаем

постоянная

при

значению, или ровно половине его амплитуды.

Рис. 3.6. а

-

интегрирующая цепочка; 6

-

график

выходного напряжения

(RC

«

Т/2)

Подробности Обратите внимание,что здесьдля

меньшей нагрузки на генератор мы исполь¬ зовали высокое значение сопротивления резистора R (100 кОм). С такими значениями сопротивления можно оперировать только с сигналами, посту¬ пающими на вход высокоомной нагрузки. В силовых цепях, как мы

говорили, роль резистора R играет выходное сопротивление источника (генератора или трансформатора с выпрямительным мостом), которое имеет порядок долей

Потому там, несмотря на более высокую частоту, приходится применять большие значения емкости фильтрующего конденсатора, в тысячи или единиц ом.

микрофарад, фильтры получаются громоздкими и дорогими. Однако из этой заключающийся в преобразовании промышленной ча¬

ситуации есть выход, стоты

50 Гц

питания,

в

более высокие частоты. Так устроены импульсные источники требования к конденсаторам фильтра (а заодно и к транс¬

в которых

форматорам) существенно в главах 5 и И.

снижаются.

Подробнее

эта тема

будет обсуждаться

Дифференцирующая цепь Дифференцирующая цепочка (ФВЧ) получается, если в схеме на рис. З.бя поменять местами

постоянный

ток не

резистор проходит,

и

конденсатор. Так как через конденсатор выходной резистор может подключать¬

то

любому уровню напряжения, и выходной сигнал будет отсчитывать¬ уже от него. Практически наиболее важны два случая: когда выход

ся к

ся

цепочки подключается

Рассмотрим

как

обычно,

их по отдельности.

к «земле» и к

потенциалу

питания.

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

68

Рис. 3.7. а б

-

график

-

дифференцирующая

цепочка с подключением выхода к «земле»;

выходного напряжения при RC

1/10 периода входного напряжения

~

подключении выхода к «земле» с теми же параметрами RC-

При

цепочки

(R

=

100 кОм, С

=

1 мкФ,

1/10 с), при времени Т формы с периодом 1 с график

прямоугольной

входном напряжении

=

постоянная

выходного напряжения будет выглядеть примерно так, как показано на рис. 3.76. В начале и конце каждого импульса скачок напряжения через конденсатор передается без изменений (если помните, мы уже говори¬ ли, что в момент начала заряда конденсатор ведет себя так, как выводы

замкнуты между собой). Далее

ответствии со значениями

его

напряжений

будто его

меняться в со¬

заряд начинает

Так,

на входе и выходе.

в

первом

так как на левом по схеме его вы¬

полупериоде конденсатор заряжается: воде напряжение равно амплитуде входного напряжения, то на выходе оно постепенно стремится к нулю. Во втором полупериоде напряжение на левом выводе скачком меняется на величину размаха входного на¬ и этот скачок без изменений до нуля, передается на выход, на пряжения котором напряжение с

по

мере разряда

отрицательной стороны. Обратите

также

стремится

к

нулю,

но

уже

внимание, что из прямоугольного

напряжения мы получили симметричное двухполярное переменное,

разница между положительной и отрицательной амплитудами) равен удвоенной амплитуде входного напряжения от ге¬ нератора, обычно равной напряжению источника питания. Таким об¬ размах которого

(т.

е.

разом строят умножители напряжения.

Ширину

импульса

на

высоте

половине

примерно равной 1 мкФ R 100 кОм, С =

иметь

ленной

=

значение,

если

0,7

от

амплитуды

постоянной

равной примерно

вам

можно

времени RC, 50

мс.

Эта

т.

принимать е.

в

случае

величина может

необходимо получить импульсы опреде¬ бы

срабатывания каких-то устройств. Но при подключении к выходу дифференциальной цепочки длительности,

которой

хватило для

Глава 3. Свойства

транзисторных усилителей

рицательный выброс са

-

69

конденсатора или

микросхем

при достаточно большом напряжении

жет вывести из

транзисторы

не

следует забывать про

по окончании положительного входного питания

светодиоды.

Для

отсечения

параллельно резистору R устанавливают диод

импуль¬

(более 5-7 В), он мо¬

строя некоторые электронные компоненты,

или

от¬

этого

в том числе

выброса

обычно

положительным выво¬

тогда отрицательное напряжение на выходе не может стать меньше, чем падение напряжения на открытом диоде

дом

(анодом)

(пример

Рис. 3.8. 6

-

к «земле»

см. далее

а

-

график

-

рис. 3.9я).

дифференцирующая

цепочка с выходом, подключенным к питанию;

выходного напряжения при RC

*

1/10 периода

входного напряжения

Второй распространенный случай показан на рис. 3.8. R

на выходе подключается не к «земле», как

обычно,

Здесь резистор

а к

напряжению входного условии, напряжения ра¬ размах вен или близок к напряжению питания, выходной сигнал получается таким, как показано на рис. 3.86. Измеряем его мы как обычно, относи¬ питания

(рис. 3.8я). При

что

получаем сдвинутое на величину на¬ пряжения импульсное напряжение с размахом в два напря¬ он жения питания. Подробный разбор процесса проводить не будем полностью аналогичен предыдущему случаю. В общем случае вы всегда

тельно «земли», тогда на выходе питания

-

будете

получать

на выходе

дифференцирующей

цепочки

импульсный

рис. 3.76 или 3.86, сдвинутый на величину напряжения, которому подключен свободный вывод резистора R. Первый вариант применяется чаще, но второй случай практически

сигнал вида к

важен

потому,

что в

схемы выделения тельного

совокупности

с

первым

фронтов прямоугольного (возрастающего) фронта, второй

щего). Чтобы

и во

они

образуют две типовые первый положи¬

сигнала: -

втором случае избавиться

-

отрицательного (падаю¬ от

паразитного импульса

70

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

выше напряжения питания, способного повредить компоненты, парал¬ лельно резистору R устанавливают диод отрицательным выводом (като¬

дом)

к

питания

напряжению

Пример реализации инвертор, образованный

(пример

см. на

таких схем показан на

ся

рис. 3.96). рис. 3.9. Здесь применяет¬

на основе одного из логических элементов

«И-НЕ» микросхемы CD4011 путем соединения входов между собой. каких-то переделок микросхему можно заменить на CD4001 («ИЛИ-

Без

а с изменением

НЕ»), и

некоторые другие

разводки выводов

-

на

набор

Длительность импульса при

логические элементы.

на схеме номиналах составит около

6

мкс в

середине его высо¬ для срабатывания триггеров, счетчиков микросхем той же серии, а также при надобности

указанных ты, чего с гарантией достаточно и

других

и

микроконтроллеров.

логических

инверторов CD4049

КД522

CD4011

) КД522

CD4011

Рис. 3.9. Типовые а

-

фронтов импульсов на логическом инверторе: (возрастающего); б отрицательного (падающего)

схемы выделения

положительного

-

Конкретно для микросхем серии 4000 (как и для ее отечественного ана¬ серии 561) ставить диоды, защищающие от паразитных выбросов, необязательно, так как они уже имеются внутри микросхем (с целью за¬ щитить входы от статического электричества). Короткие импульсы они

лога

-

вполне

ограничивают без вреда для микросхемы. Однако документация оговаривает, ограничивая входное напряжение любого

такой

момент не

входа

элемента величиной

0,5 В

напряжения питания или ниже «земли». Поэтому при больших длительностях импульсов подобные диоды лучше устанавливать дополнительно к штатным. Практическое применение

схем выделения

выше

фронтов см. в Эксперименте 34 в главе

10.

Глава 3. Свойства конденсатора

Подробности Подобный

прием, заключающийся

привязкой

с

в установке

разделительного конденсатора

его выводов к разным постоянным потенциалам, часто применяют

на входах звуковых

щей

71

сигнала.

усилителей, чтобы избавиться

от постоянной составляю¬

Выход предыдущего каскада усиления нередко бывает сдвинут

относительно «земли», а установка ФВЧ позволяет от этого сдвига избавиться

переменной составляющей (см. пример на рис. 5.2, Свореня [1], глава 12). Причем синусоидальное напряжение,

и манипулировать только а также книгу Р. А.

в отличие от прямоугольного, не искажается по форме при прохождении через дифференциальную цепочку

-

оно можеттолько

ослабляться, если

емкость кон¬

денсатора недостаточна.

Задания из конденсатора 1 мкФ и рези¬ 100 как показано на З.бя. Подключите ко входу (UBX) кОм, стора рис. частоты 1 Гц. Наблюдайте генератор осциллограмму выходных им¬ пульсов, сравните ее с графиком на рис. 3.66. 2. Повторите эксперимент при емкостях конденсатора 10 и затем

1.

Соберите интегрирующую цепочку

100 мкФ. Следите

за

формой выходного напряжения. При больших

значениях емкости оно должно нию с

выродиться

в

горизонтальную

ли¬

небольшими пульсациями.

3.

Соберите дифференцирующую

5.

Соберите

цепочку с теми же параметрами: 1 мкФ и 100 кОм согласно рис. 3.7я. Подклю¬ конденсатор резистор чите ко входу (Ubx) генератор частоты 1 Гц. Наблюдайте осцилло¬ выходных импульсов, сравните ее с графиком на рис. 3.76. грамму как изменится Проверьте, форма выходных импульсов при увели¬ чении емкости конденсатора в 10 и 100 раз. 4. Повторите эксперименты из предыдущего пункта, собрав цепоч¬ ку согласно рис. 3.8я, и сравните форму напряжения на выходе с рис. 3.86. 3.96. Их

схемы выделения

фронтов

импульсов

согласно

рис. 3.9я

одной собрать одновременно разных микросхемы CD4011 (разумеется, нумерация выводов второй схемы при этом будет другой, см. приложение 2). Подайте частоту с гене¬ ратора 1 Гц одновременно на вход обеих схем. Наблюдайте осцил¬ и

можно

элементах

на

лограммы выходных импульсов. Если

осциллограф двухлучевой,

одновременно оба выхода или исходную выходов, чтобы определить моменты времени,

попробуйте наблюдать

частоту и один из когда возникают выходные импульсы. Померьте по лографа ширину выходных импульсов на половине ятно, при этом придется растянуть так и

импульсы

сравните

с

очень

короткие

расчетным

в

временной

сравнении

значением.

шкале осцил¬ высоты

масштаб

с частотой

на

(веро¬

экране,

генератора)

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

72

Эксперимент 10. Прохождение переменного

тока

через конденсаторы Материалы и оборудование: источник

переменного напряжения 10-24 В (сетевой адаптер

или

трансформатор); неполярный (керамический тор 1

металлопленочный)

или

конденса¬

мкФ;

мультиметр.

Конденсатор,

как мы выяснили, не

пропускает А

постоянного тока, для

представляет разрыв переменный ток через него это можно как представить будет проходить процесс постоянной пе¬ резарядки с изменением полярности на противоположную. В цепи по¬ течет ток, постоянно меняющийся по направлению, величина которого зависит от емкости конденсатора. Такой ток называется реактивным, а величина, эквивалентная сопротивлению, которое по закону Ома обе¬ спечивало бы такую же величину тока, носит название реактивного со¬ противления (см. книгу Р. А. Свореня [1], главу 6). Сопротивление обыч¬ ного резистора, соответственно, в таком случае называют активным. Самое главное свойство реактивного сопротивления, в отличие от ак¬ него он

в цепи.

вот

-

-

тивного,

на нем не выделяется никакая мощность.

имеют место

в цепи с

и сам

Потери,

конечно,

некоторое паразитное актив¬ и подводящие ное есть еще сопротивление, провода, и внутреннее со¬ источника противление переменного напряжения. И тем не менее если -

конденсатор

обычным резистором

(в

имеет

качестве

которого

можно

представить

любую нагрузку) основная часть мощности выделяется на нем, то в цепи с

конденсатором

имеют место только

потери.

Подробности Почему так происходит? Если рассмотреть во

времени

форму токов

ний в цепи с конденсатором, то окажется, что ток опережает

и напряже¬

напряжение

на !4

среднее (которое равно выделяющейся мощности по закону Джоуля-Ленца) за период равно нулю. Факт отсутствия рассеивания электрической энергии в цепи с конденсатором обусловлен тем, что конденсатор, в отличие от резистора, имеет свойство накопителя энергии: в одном направлении тока он энергию накапливает, а в другом отдает, ито¬ значение их произведения

периода,а

и

го суммарная поглощенная энергия оказывается равной нулю. Аналогичными свойствами обладает индуктивность (катушка с проводом), только в ней ток не опережает напряжение, а отстает от него.

Для численной рис. 3.10. Если

оценки этого явления

вы захотите

соберем

увидеть картину

схему, показанную

токов и

напряжений

на

в схе¬

Глава 3. Свойства конденсатора

73

двухлучевой осциллограф. Здесь мы не будем на нас интересует средняя (действующая) величи¬

ме, то понадобится

этом останавливаться

-

на тока в зависимости от емкости

сопротивление. А для этого ния переменного тока.

конденсатора,

достаточно

иными словами

мультиметра

в

-

его

режиме измере¬

Рис. 3.10. Схема для изучения протекания переменного тока через конденсатор

Пусть емкость конденсатора будет равна 1 мкФ (кстати, существен¬ но большую емкость мы все равно не подберем, так как по сути про¬ текающих процессов конденсатор должен быть неполярный). Если мы подадим на такую цепь переменное напряжение с частотой 50 Гц и

действующим

3,2 кОм.

Получить

в

мА,

что

12

В,

то

мультиметр пока¬ соответствует сопротивлению

значением, например,

жет ток несколько меньше 4

любительских условиях достаточно мощный

ис¬

переменного напряжения другой частотой непросто, но если вы это сделаете, то быстро выясните, что при повышении частоты ток

точник

с

пропорционально вырастет. А с уменьшением емкости

уменьшится. То растет

с

есть

оказывается,

уменьшением

С, наоборот,

сопротивление конденсатора

емкости и частоты, что понятно из

рассмотре¬

(конденсатор отсутствует) крайних случаев: при нулевой нулевой частоте (при постоянном токе) емкостное сопротивление

ния и

что

емкости

равно бесконечности, ток равен нулю. Реактивное сопротивление конденсатора

ющей цах, С

формуле: Rc -

емкость

величины

=

1/(2п

конденсатора

(50 Гц

и

1

мкФ),

можно

С), где/- частота мы

в

рассчитать по следу¬ переменного тока в гер¬

фарадах. Подставив в эту формулу наши

получим сопротивление

около

3,2 кОм.

Подробности Это свойство

конденсатора в цепи переменного тока нередко используется для создания простейших источников питания от сети (их еще называют бестрансформаторными). Конденсатор при этом играет роль «гасящего» резистора, ограничивающего величину тока и напряжения. Обычная ошибка при проекти¬ ровании таких конструкций заключается в том, что забывают обеспечить для конденсатора разрядную цепь. При внезапном отключении переменного на¬ пряжения «гасящий» конденсатор оказывается «висящим в воздухе», и на нем может оказаться

напряжение вплоть до амплитудного значения в бытовой сети

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

74

(т. е. 310-320 В). А поскольку используется обычно пленочный тип конденса¬ торов, у которого сопротивление диэлектрика очень велико, то и заряд такие конденсаторы будут сохранять еще долго. Во-первых, это опасно само по себе

-

ничего не стоит замкнуть

рукой

выводы

в схеме, которую вы сами только что обесточили, или пряжение на выводы нежных интегральных схем

случайно замкнуть это на¬ при отладке. Во-вторых, если

немедленно снова включить сетевое напряжение, то совсем не

маловероятно попадание в момент пика напряжения в сети противоположной полярности. складыва¬ имеющееся на конденсаторе и сетевое Тогда оба напряжения -

-

ются, конденсатор оказывается под двойным напряжением и запросто может выйти из строя (конденсатор в таких случаях обычно рассчитывается на на¬ пряжение

400 В,

а

двойное напряжение

в сети

больше 600). Во избежание

ситуаций параллельно «гасящему» конденсатору следует устанавливать высокоомный резистор с сопротивлением ^.удовлетворяющим условию /?р»

таких

Rc. Обычно причем

сопротивление выбирают

не следует

забывать,

около 1

МОм

или несколько сотен

кОм,

что тут пригодны только резисторы мощностью

(см. главу 1). По поводу бестрансформаторных источников можно сказать только одно: ста¬ райтесь не применять их в своих самодельных конструкциях! Для безопасного использования бестрансформаторного питания, когда все элементы схемы ока¬ зываются напрямую соединенными с электрической сетью, необходима тща¬ полватта и более

тельная их изоляция от доступа человека. В самодельных конструкциях это не¬ достижимо: как минимум доступ потребуется при отладке, а контакт с фазным

проводником

сети опасен для жизни!

Задание 1.

Соберите схему согласно рис. 3.10. Так как вольтметр тут не по¬ требуется, то в качестве амперметра можно использовать непо¬ средственно мультиметр, без всяких измерительных резисторов. Отметьте величину тока и рассчитайте емкостное сопротивление, разделив действующее значение напряжения источника на эту величину тока. Сравните с расчетным значением по приведенной в тексте

формуле.

Глава 4

Подробнее

о

транзисторах

Когда-то электротехника ограничивалась пассивными компонентами: ре¬ зисторами, конденсаторами и катушками индуктивности, но этот пери¬ од давно прошел. Активные компоненты на основе полупроводниковых технологий давно играют решающую роль в современной электронике.

Транзисторы, диоды и микросхемы сейчас часто являются неотъемлемой составляющей даже таких традиционных изделий, как двигатели или пе¬ реключатели, «умные» аккумуляторы или источники света. В этой главе мы

попробуем

проводниковой электроники мы все

-

«пощупать руками» основу основ полу¬ транзисторы. В основе любой микросхе¬

равно лежат транзисторы,

изделий унаследованы именно

и многие

свойства микроэлектронных

от них.

Основные параметры транзисторов Падение напряжения Прежде свойства вых

на

рп-переходе

переходить транзисторам, неплохо бы узнать основные ри-перехода, лежащего в основе большинства полупроводнико¬

чем

к

изделий. Эксперимент для

повторять здесь не

этой цели на основе изучения диодов мы

будем, подробно описан в «Практикуме» к главе 9 книги Р. А. Свореня [1]. Проделайте его для лучшего усвоения темы. Здесь мы только повторим самое важное для использования биполярных он

транзисторов свойство ри-перехода: для любых кремниевых ри-переходов (кроме составных, как в транзисторах Дарлингтона) прямое падение на¬ пряжения можно принимать равным 0,6-0,7 В при токе в единицы-десят¬

миллиампер и около 0,9-1,0 В при токах в сотни миллиампер и более. Для составных транзисторов эти напряжения следует удваивать. Падение напряжения на рп-переходе у биполярных транзисторов в первую очередь важно тем, что в рабочих режимах оно всегда имеется между базой и эмиттером (ILJ. Более того, есть модели работы бипо¬ ки

лярного транзистора, где

именно

небольшие

изменения

напряжения

база-эмиттер определяют процессы в схеме (так называ¬ емая модель Эберса-Молла, см. [5,6]). Еще одним практически важным фактом является зависимость напряжения 11бэ от температуры, которое все остальные

76

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

составляет для кремниевых транзисторов примерно -2 мВ на каждый градус повышения температуры. Не забывайте, что само понятие напряжения между базой и эмитте¬ полевые тран¬ ром имеет смысл только для биполярных транзисторов -

зисторы базы

не имеют и

работают

совершенно

меняется

иначе.

Величина

{1бэ

от

п-р-п к р-п-р полярности транзисторов при переходе только знак не напряжения. Для употребляющихся ныне гер¬

не зависит от

маниевых

-

транзисторов напряжение

на

ри-переходе

база-эмиттер было

примерно вдвое меньше (около 0,3-0,4 В), но зато для него был характе¬ рен гораздо больший обратный ток утечки (примерно в 100 раз, причем с большой положительной крутизной зависимости от температуры), что

приходилось всерьез учитывать при проектировании

схем.

Так

как для

и его зависимость от

и величина тока

кремниевых транзисторов утечки, температуры намного меньше, то учитывать этот параметр приходится только в самых микромощных схемах при особых условиях применения.

Коэффициент усиления

по

биполярных

току

транзисторов Коэффициент усиления биполярного транзистора

по

току

есть отно¬

установившегося коллекторного 1к заданному току базы L (т. току через переход база-эмиттер). Существует два понятия коэф¬ фициента усиления по току: коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала (его обозначают буквой Р) и в режиме малого сигнала, шение

тока

к

е.

иначе ниях

передачи

/iFE).

тока в статическом

режиме

(/121э;

в западных

Разница между

обозначе¬

в

ними для нас несущественна, справочниках иногда тот, иногда маломощных транзисторов (для указывают другой имеет место чаще всего

Величина

параметр

коэффициента

h2W для

имеет

усиления

(3). существенный разброс

мощных

-

значения от

экземпляра к экземпляру, и даже для конкретного экзем¬ пляра транзистора не является константой, а меняется при изменении температуры и рабочих токов. Ток коллектора в правильно включен¬ ном биполярном транзисторе (см. основные режимы включения далее в этой

главе) определяется нагрузкой

цепи, а не

коллекторной или эмиттерной коэффициентом усиления. Поэтому на практике коэффици¬ в

усиления биполярного транзистора служит лишь в качестве порога для определения максимально достижимого тока коллектора при за¬ данном токе базы. Для современных маломощных биполярных тран¬ зисторов \ может находиться в пределах до нескольких сотен и более, ент

потому

с достаточным запасом можно

ным значению

100.

принять

Для транзисторов средней

и

этот

коэффициент рав¬

большой мощности

ко¬

эффициент усиления меньше, лежит в пределах нескольких десятков, и без боязни ошибиться можно принимать его равным 10, в критичных случаях уточняя

значение по

справочнику.

Глава 4.

Подробнее

о транзисторах

77

Подробности Полевые транзисторы управляются не током (базы), а напряжением (на затво¬ ре). Неким аналогом коэффициента усиления по току биполярных транзисторов может для полевых транзисторов служить крутизна характеристики S. Она рав¬ на отношению изменения выходного тока (тока стока) /с к изменению напряже¬ ния на затворе U3. Вообще говоря, такой параметр можно вывести для любого усилительного прибора (транзистора, лампы), но для биполярных транзисторов это не имеет особого смысла, так как крутизна их характеристики не является константой ни в каком приближении и сильно зависит от конкретного режима. На практике крутизна характеристики и для полевых транзисторов применяет¬

ся редко,так как более-менее постоянной величиной больших значений тока стока.

Граничные

значения

она становится лишь для

параметров транзисторов

Основным критерием для выбора транзисторов служат максимально до¬ пустимые (граничные) значения их параметров. Смысл этих параметров понятен из названий, потому просто кратко перечислим главные из них: напряжения эмиттер-коллектор li

максимальное

значение

(для

сток-исток

полевых

-

U симах7' );

Iкмах максимальный ток коллектора JT максимальная

Следует

(для

рассеиваемая мощность

полевых

-

ток стока

Iсмах-" );

Рмах.

отметить, что последний параметр

-

максимальная

рассе¬

для мощных транзисторов имеет порядок десят¬ ков и иногда даже сотен ватт. Разумеется, если вы заставите «голый» иваемая мощность

-

транзистор рассеивать такое

количество тепла,

он,

скорее всего, про¬

расплавится. Поэтому надо иметь в виду, что мощные транзисто¬ обязательно следует устанавливать на теплоотводящие радиаторы, ры а максимально рассеиваемая мощность лишь указывает на величину сто

количества тепла, которое транзистор может рассеять в принципе.

Для

транзисторов, используемых в качестве ключей, боль¬ параметр под названием статическое сопро¬ открытого канала сток-исток (Кси или в западных обозначе¬

полевых

шое значение имеет также

тивление ниях

Rds).

У хороших ключей тока

при пропускании гать 98-99 % и более.

оно имеет

крайне

малы, а

порядки миллиом,

КПД

таких

ключей

т. е.

потери

может дости¬

транзисторов. Большинство со¬ временных маломощных биполярных типов способно работать при частотах до десятков-сотен мегагерц, что перекрывает львиную долю И два

слова о частотных свойствах

подбора транзисторов не требует (кро¬ биполярные транзисторы куда ме¬ нее «шустрые» (порог несколько мегагерц), но в звуковых усилителях и они работают без проблем. потребностей ме

и специального

радиочастотных схем). Мощные -

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

78

А

вот для полевых

стотные

свойства,

лее)

сколько

Свх пикофарад. Для

(входной тысяч

ключей имеют

емкости

или

значение не столько

задержки при зарядке

Cin),

которая

частых

в мощных

Поэтому

емкости

затвор

ча¬

затвор-канал

может составлять до нескольких

переключений (десятки килогерц

эта величина достаточно велика,

потерям мощности.

собственно

чтобы приводить

к

и

бо¬

существенным

полевого ключевого от

переключателях управляется

транзистора специальной схемы-драйве¬

ра, ускоряющей переключение.

Эксперимент

11.

Ключевой режим

биполярных транзисторов Материалы и оборудование: источник питания

12 В

(сетевой адаптер

или

лабораторный

блок

питания); транзистор п-р-п ВС337 (можно ственный

заменить

на

ВС547

или

отече¬

КТ3102);

резистор 100 Ом, 1 Вт; резисторы (0,25 Вт) 1 кОм, 10 кОм;

переменный резистор 100 Ом, 1 Вт (лучше проволочный типа ППБ); малогабаритная лампочка накаливания 12 В, 50 мА (0,6 Вт);

тумблер; мультиметр.

ВС337

Рис. 4.1. Схема

для изучения ключевого режима

биполярных транзисторов

Глава 4. Подробнее о транзисторах

Схема,

79

рис. 4.1, моделирует транзисторный ключ для управления достаточно мощной нагрузкой от маломощных выводов показанная на

микроэлектронных

компонентов с питанием

ния из постоянного

Ид

таких

устройств

от пяти с

резистора

и

3-5 В. Делитель напряже¬

переменного

Rn

имитирует выход

и позволяет изменять

небольшим

вольт в

управляющее напряжение Uynp сторону уменьшения. Нагрузка здесь для

наглядности представлена в виде 12-вольтовой накаливания, но это может

щего еще более мощными

VT1

N-р-п-транзистор

устройствами.

типа

ВС337

в несколько сотен

коллектора 50 мА он «потянет»

миниатюрной лампочки

быть, например, обмотка реле, управляю¬ имеет

предельно допустимый

миллиампер, потому нагрузку бы

ток

с током

процессе работы не превы¬ шалась предельно допустимая мощность для этого транзистора, равная 0,6 Вт. Наша задача проверить напряжения и токи в схеме и опреде¬ ли не они за выходят лить, пределы допустимых значений. Для этого заведомо, лишь

в

-

при разомкнутом тумблере К1 с помощью движка переменного рези¬ стора Rn установите на выходе делителя напряжения напряжение 5 В и замкните

Лампочка должна загореться.

тумблер.

Проверим,

все ли мы

правильно настроили. Схема включения транзисторам ключевом режиме представляет со¬ бой схему с общим эмиттером, в которой произведение тока базы 1б на

коэффициент усиления транзистора Ь21э заведомо меньше тока нагруз¬ ки в коллекторе 1к. Под это условие подгоняется сопротивление рези¬ стора Rg, исходя из известного потребления нагрузки. В данном случае ток в

нагрузке

Задаемся >

JK/h2l3

=

известен из

характеристик

лампочки и составляет

коэффициентом усиления транзистора,

0,5 мА,

равным 100, откуда

1&

базе должен быть не менее 0,5 мА. Сопротив¬ резистора в цепи базы R6 должно быть не больше,

т. е. ток в

ление токозадающего чем величина

50 мА.

(17упр U.J/I, или (5 В -

-

0,7 В)/0,5

=

8,6 кОм. Если R.

меньше

этой величины, то условие L > IK/h21j выполняется. В данном случае R6 1 кОм, т. е. условие выполняется =

с восьмикрат¬ отечественный установить уменьшится, транзистор КТ3102, у которого коэффициент усиления Ь21э меньше, чем у импортных аналогов. Но все равно мы можем в несколько раз увели¬ ным запасом.

Этот

запас

сопротивление резистора Rg, тем ляющую цепь, если это необходимо. чить

если

самым снизив

нагрузку

на

управ¬

Резистор между базой и эмиттером R6/ на первый взгляд, тут не нужен, так как в

формировании тока базы он не участвует

-

напряжение между случае, в воздухе», резистор R6a необходим для надежной «привязки» базы к нулевому потенциалу «зем¬ ли». Без него транзистор может приоткрываться паразитными токами утечки в рг-переходе база-эмиттер, и схема будет работать нестабильно эмиттером всегда около 0,7 В. Тем когда при выключении тумблера база «повисает

базой

и

не менее в данном

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

80

(а старые германиевые транзисторы

сгорать). Резистор Rfe

вратно

только в том

случае,

оказывается

подключенной

требуется

не

могли

условиях

безвоз¬

обязательно устанавливать базовая цепь и без того

выключении ключа

при к

потенциалу

«земли»

микросхемы).

от выхода логической

работе что

если

в таких же

(как, например, при

В утешение

можно сказать,

сопротивление этого резистора принципиального значения не име¬ при достаточно высоком напряжении Uynp (более нескольких вольт)

ет, и

может находиться в ления в

базе

Теперь

от

двух-трехкратного

значения

сопротив¬

до нескольких десятков и даже сотен килоом.

При ра¬ говорили, «привязывает» R6y течет. Транзистор заперт, и напряжение

рассмотрим сторону коллектора,

зомкнутом

базу

R6

пределах

К1 резистор

тумблере

к «земле», и ток в нее не

т. е. выхода ключа.

как мы

коллекторе Ц. оказывается равным напряжению питания коллектор¬ ной цепи. Соответственно, ток через нагрузку не течет, лампочка пога¬ на

При

шена.

величины

замыкании

тумблера

транзистор открывается,

ку. Если измерить напряжение оно окажется почти

0,1-0,3 В,

на

и появлении тока

в

базы необходимой

и начинает идти ток

через

коллекторе открытого равным потенциалу «земли», превышая

зависимости

от

лампоч¬

ключа

на

величины тока.

Uk,

то

его всего

Транзистор находится биполярного ключа

в режиме насыщения, и это является недостатком

время выхода довольно

из этого

большим

в

режима

(время

сравнении

с

выключения

временем

определению пределов,

в качестве ключа.

Для

в

этого

пряжения

Uynp. Одновременно

коллекторе транзистора.

чению

1-2

оказывается

по

снижению

тока

базы

которых транзистор еще способен работать следует медленно вращать движок потенци¬

ометра делителя напряжения на

ключа)

включения.

Можно аккуратно провести эксперимент и

-

сторону уменьшения управляющего на¬ обязательно контролируйте напряжение

в

При

каком-то значении

Uynp (близком

к зна¬

В) напряжение UK начнет расти транзистор переходит из линейный усилительный режим. Эксперимент следует пре¬ -

ключевого в

кратить,

когда

UK увеличится до значения около 2 В. При этом

выделяющаяся на

транзисторе мощность

составит около

значении

50 мА

100 мВт,

2 В

=

что находится в пределах допустимой мощности для всех ука¬ занных типов транзисторов. Если измерить точные значения тока базы и коллектора в этом состоянии, через их отношение можно подсчитать

коэффициент усиления Ь21э для данного

экземпляра транзистора.

Подробности Обычный биполярный транзистор довольно плохим ключом.

в простейшей схеме (рис. 4.1) оказывается Закрывается он довольно быстро, а вот открыва¬

ется медленно, с большим участком постепенного нарастания коллекторного тока и напряжения на выходе. Это явление обусловлено тем фактом, что во избежание протекания тока в закрытом состоянии и для снижения остаточного

Глава 4.

Подробнее

81

о транзисторах

коллекторного напряжения исходит медленно.

транзистор в состояние глубокого на¬ рл-переходах при выходе из него про¬

мы вводим

сыщения, и рассасывание

зарядов Этот факт можно

в

проверить наглядно, если подать на вход

(рис. 4.1) прямоугольное напряжение с любого генератора (см. главу 6) частотой несколько десятков килогерц и рассмотреть на экране осциллографа форму коллекторных импульсов. На низких частотах это явление не сказывается на работе ключа, потому под¬ ключа

ключать светодиоды и реле таким способом можно безбоязненно. Но на более-менее высоких частотах это приводит к потерям мощности и сильному

рабочих частот схемы. Потому во всех применениях, где требуется быстрое переключение (в логических микросхемах, в компара¬ торах и т. д.), простой ключ не используют, а строят более сложные схемы, где ограничению диапазона

глубокого насыщения, либо достигается вывод из него. Этим же явлением, кстати, объясняется и тот факт,

ключ либо не доводится до состояния

ускоренный

МОП-транзисторы, в

что полевые

которых

никаких

насыщений

работают куда лучше, несмотря емкость (см. Эксперимент 12). в ключевых схемах

Транзистор

в

описанной

простейшей

не

наблюдается,

даже на высокую входную

схеме с

общим эмиттером об¬

ладает плохими качествами с точки зрения усиления сигнала произ¬ вольной Любой сигнал, отличающийся от простого перепада

формы. напряжения, будет передаваться с недопустимо большими искажени¬ ями (подробнее см. книгу Р. А. Свореня [1], главу 10; 6,7). Зато из клю¬ чевой схемы

можно

«выжать» максимально возможное

пряжения при надлежащем

В дальнейшем вать

мы

подборе

рассмотрим вопрос

работы транзистора сложной формы.

режим

сигнала

и

резисторов

в

базе

о том, как можно

усиление и в

на¬

нагрузке.

стабилизиро¬

построить настоящий усилитель для

Задание 1.

Соберите схему, показанную на рис. 4.1. Измерьте значения токов (1к, L) и напряжений (liK, Ц-у U п) в схеме при замкнутом и разом¬ кнутом состоянии тумблера к{ и сравните с приведенными в тек¬ сте. Проведите описанный в тексте опыт введения транзистора в ак¬ тивный режим при смещении движка потенциометра Rn.

Эксперимент 12. Ключевой режим транзисторов

полевых

Материалы и оборудование: источник питания

питания);

12 В

(сетевой адаптер

или

лабораторный

блок

82

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

полевой транзистор IRLU8256

IRLU8259

Rectifier

и

с n-каналом

некоторые другие производства IRL

(можно

заменить на

фирмы

International

наименовании); буквами переменный резистор 510 Ом; и

в

резистор 510 Ом, 10 кОм, 0,25 Вт; лампочка накаливания

12 В, 0,5 А

(6 Вт);

тумблер; мультиметр. Схема для проверки работы полевого транзистора в качестве ключа показана на рис. 4.2. Она аналогична предыдущей схеме (рис. 4.1), но меньше деталей и может содержит коммутировать гораздо более мощ¬ ную нагрузку, при

этом

предъявляя

меньше

требований

к

источнику

управляющего напряжения.

Рис. 4.2. Схема

Обратите

ключевого режима полевых

транзисторов

играющей роль нагруз¬ указан вдесятеро больший ток, чем ранее. И тем не менее де¬ литель для формирования управляющего напряжения гораздо меньше по мощности (его сопротивление порядка килоома против 200 Ом ра¬ нее). Мощность источника управляющего напряжения можно было бы и еще снизить, а мощность нагрузки (лампочки) повысить без ущерба для работы схемы. Можете эти утверждения проверить, однако не сни¬ жайте в этом случае тран¬ уровень входного напряжения ниже 4 В больших токах (порядка нескольких ампер и более) может зистор при внимание на мощность лампочки,

ки: для нее

-

не

открываться полностью и сгореть от перегрева. По этим причинам полевые МОП-транзисторы

они называются

MOSFET)

в качестве

ключей

в

(в

западном стиле

настоящее время полу¬

чили широкое распространение. Они гораздо ближе

к

управляемому

Глава 4. Подробнее о транзисторах

83

напряжением резистору, чем

биполярные.

Указанный

тип

транзисто¬ ров (IRLU8256) при управляющем напряжении 4,5 В может иметь со¬ противление канала сток-исток всего 8,5 мОм при допустимом токе до 50-80 А и напряжении 25 В. Иными словами, такой транзистор может коммутировать мощность более киловатта, управляясь непосредствен¬ микросхемы с питанием 5 В. экспериментах, конечно, не следует доводить

но от выхода

При

ток

нагрузки до

по¬

значений: несмотря на сверхмалое сопротивление, на транзи¬ сторе будет выделяться существенная мощность, и его следует в таком случае обеспечить радиатором для отвода тепла. Но безопасный ток

добных

для такого коммутатора без каких-либо дополнительных мер все равно составит не менее нескольких ампер, что достаточно большая величина. Мы специально

рый

выбрали

тип ключевого полевого

транзистора,

кото¬

от выхода низковольтного ис¬

может

управляться непосредственно напряжением не более 5 В. Ориентиром может служить вели¬ чина параметра под названием «пороговое напряжение затвора» (Gate Threshold Voltage) оно не должно превышать 2-3 В (в изделиях фирмы точника с

-

International Rectifier шинство полевых

буют

на это

указывают

буквы IRL в наименовании). Боль¬

транзисторов-ключей,

особенно высоковольтных, тре¬

для полного открытия гораздо больших

уровней управляющего

обычно 8-10 В, иногда и более. Наш тип транзистора при управляющих 10 В тоже еще больше уменьшит сопротивление канала (до 4-5 мОм), хотя для большинства задач это и непринципиально.

напряжения

-

Подробности Эту идеалистическую картину несколько портит наличие у полевых транзисто¬ ров большой входной емкости (емкости затвор-канал). Например, у нашего IRLU8256 она составляет почти

1,5 нФ.Токи заряда

дет перегружать выход источника возрастают потери, снижается

альности

и

разряда этой емкости бу¬

и затягивать процесс переключения. От этого

КПД схемы, а транзистор начинает греться. В ре¬

на частотах до нескольких сотен герц при не слишком больших токах

транзистора напрямую к выходу в затворную цепь резистор даже дополнительно добавить микросхем (лучше 10-20 Ом, ограничивающий перегрузку выхода источника при заряде емкости нагрузки вполне можно подключать затвор

затвора). Но при применениях таких ключей на частотах в десятки килогерц, и тем более при больших токах нагрузки приходится принимать меры для сни¬ жения потерь на переключение. Они состоят во включении

между затвором управляющего сигнала специальных драйверов, ускоряющих процесс заряда емкости затвора. и

источником

Задания 1.

Соберите стоке же на

(UJ

схему, показанную в

замкнутом затворе (U ).

и

на

рис. 4.2.

разомкнутом

Померьте

напряжения

положении ключа

К1,

на

а так¬

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

84

2.

Попробуйте

проделать

опыт введения

жим, аналогичный описанному

снижайте Отметьте

Uynp/

пока

в

в

предыдущем разделе: аккуратно

напряжение

на стоке не начнет повышаться.

Ц,пр

в этом состоянии и

ного транзистора IRLU8256 оно находится в пределах

3. Попробуйте аккуратно

При

активный ре¬

сравните со справочным напряжения порога (Gate Threshold Voltage, для указан¬

значение

значением

транзистора

заменить

наличии источника питания

1,35-2,35 В).

более

на

нагрузку достаточной

мощную.

мощности, напри¬ от шуруповерта на

мер, можно подключить электродвигатель 12-14 В мощностью до 50 Вт (т. е. с током до 4-5

А). Приготовьтесь

отключить питание, если

транзистор начнет перегреваться. Однако при минимальной длине соединяющих проводов темпера¬ тура транзистора должна оставаться в безопасных пределах.

быстро

Эксперимент 13.

Эмиттерный повторитель (схема с общим коллектором) Материалы

и

оборудование:

источник питания

12 В

(сетевой адаптер

или

лабораторный

блок

питания); п-р-п-транзистор КТ817 (можно портные BD135, BD137 или BD139);

биполярный

переменный резистор 510

заменить

им¬

на

Ом;

резистор 220 Ом, 0,25 Вт; нагрузочные резисторы 43 Ом (1 Вт), 220 Ом, 430 Ом (0,25 Вт);

переключающий тумблер; мультиметр. Схема

(о. к.)

транзистора с общим коллектором что 4.3. Помня, рис. напряжение между базой и эмит¬ за выходит пределы 0,6-0,7 В, приходим к выводу, что выход¬

включения

биполярного

показана на не

тером

напряжение 17вых такой схемы должно быть меньше входного lZBx эту величину. Поэтому схема с общим коллектором иначе называется эмиттерным повторителем, поскольку выходное напряже¬ ние повторяет входное, за вычетом 0,6-0,7 В. в коли¬ Схема на рис. 4.3 усиливает сигнал по току (максимально ное

именно на

-

чество

раз, определяемое величиной

Ь21э).

собственное входное сопротивление этой того

сопротивления, которое

Это равносильно тому, что примерно в h2b больше

схемы

стоит в цепи

эмиттера.

Поэтому

в

этой

«голый» вывод базы напряжение без опас¬ переход база-эмиттер. Если вы последовательно включите

схеме

мы можем подавать на

ности

сжечь

Глава 4.

Подробнее

разные

значения

жет почти

Rh,

равные 43, 220

никакой разницы

ни на входе

85

о транзисторах

(на базе). Учтите,

нельзя оставлять с

«голой»

и

430 Ом,

ни на выходе

что в

то

мультиметр

не пока¬

(на эмиттере транзистора),

процессе экспериментов транзистор

(никуда

не

подключенной) базой при

вклю¬

поэтому здесь указан переключающий тумблер К1, которого базу можно временно подключать к «земле». Ре¬ зистор между базой и «землей» (как на рис. 4.1) в схеме эмиттерного повторителя обычно не устанавливают, если только к этому нет специ¬

ченном питании, с помощью

альных мы

-

причин

он

потребляет лишний

ток и может

нарушать режи¬

предыдущих каскадов усиления.

Рис. 4.3. Схема

включения

биполярных транзисторов

с

общим коллектором

Рассмотрим подробнее, что происходит с токами и напряжениями Прежде всего у вас может возникнуть вопрос почему такая небольшая нагрузка выбрана в качестве самой мощной? Мини¬ мальное сопротивление RH в перечне указано равным 43 Ом, что, со¬ гласно расчетам выходного напряжения (Цшх Uex 0,7 В), соответствует мА. 100 7, току через транзистор Транзистор КТ817 средней мощ¬ в

этой схеме.

-

=

-

=

-

ности и спокойно выдерживает токи до 3 А.

напряжение

на

транзисторе

окажется около

ваться

7В

некуда. То

-

(между

понятно, что разнице между

есть

при

токе

100 мА

на

примерно 0,7 Вт тепла

греться

весьма

ки в

и

измерите

эмиттером),

Unm

транзисторе

и

1Гвых

то оно

больше де¬

будет выделяться его корпус будет

(больше, чем на нагрузке), и ощутимо. При большей нагрузке транзистор

снабжать теплоотводом. Но тут надо отметить ние

Однако

коллектором

если вы

придется

другое обстоятельство: входное сопротивле¬ эмиттерного повторителя примерно равно сопротивлению нагруз¬

эмиттерной

и

цепи, умноженному на

коэффициент

передачи

тока

86

Ь21э

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

используемого транзистора. У транзисторов средней мощности он (например, у КТ817Г равен 25). То есть в худшем слу¬

не очень велик чае входное

сопротивление

всего около 1

схемы

при нагрузке 43 Ом

будет составлять

кОм. Такое сопротивление существенно шунтирует

тенциометр делителя

Rn,

по¬

и именно -

поэтому мы уменьшили величину сохранив значение 510 Ом, как в преды¬

сопротивления резистора Ид дущей схеме, мы могли бы не добиться нужного значения входного на¬ пряжения. То есть схемы эмиттерных повторителей требуют достаточ¬ но тонкого расчета. Зато такая схема исключительно стабильна. В пределах возможно¬ и ток кол¬ стей выбранного транзистора на выходное напряжение

17вых

колебания параметров.

лектора 1к действуют температура, Это отличная иллюстрация к применению принципа отрицательной не

обратной

ни

связи:

ни

стабилизация происходит потому,

стопроцентной отрицательной обратной и

усиление

ния

мы здесь

наблюдаем

напряжения выхода туг

в

простейшей

схеме

ром (см.

объединить

схемы с

общим эмиттером и по

и по

с

общим

напряжению было

Эксперимент 11) усиление «Практикуме» к главе 10 книги Р. А. Свореня [1] по

чего

напряжению.

обсудим в

главе

колеба¬

и

эмитте¬

на высоте.

показано, как можно

общим коллектором,

напряжению для

получить усиление току, извольной формы. Построение полноценного усилителя

стоты мы

Правда,

только в отношении тока: все

же полностью вычитаются из входа, и из¬

менений не происходит. Зато

В

связью по

что схема охвачена

за счет

сигнала

про¬

звуковой

ча¬

5.

Задание 1.

Соберите схему согласно рис. 4.3. Измерьте токи и напряжения, ука¬ занные на схеме, в

веденными

обоих

положениях ключа

в тексте значениями.

во включенном состоянии

лите,

(при

насколько она отличается

К1

и

сравните

с

при¬

Измерьте разницу между Нвх Пвых положении К1) и опреде¬ от теоретической величины. и

верхнем

Глава 5 Усилители

Представление рассмотрим,

разработчика 1960-70-х го¬ [1]. В этой главе мы кратко усилители на более современной

об усилителях с точки зрения 10 книги Р. А. Свореня

дов излагается в главе что

представляют собой

элементной базе. Разновидностей

усилителей, конечно, очень много,

и да¬

леко не все они представляют интерес для сегодняшнего любителя элек¬ троники. Мы попробуем пощупать руками только две важнейшие для

практики разновидности: операционные усилители сти

звуковой

частоты

(УМЗЧ).

каскадов усиления, лежащих в

Но

усилители мощно¬ транзисторных

и

начнем мы с основы

основе

-

любого современного усилителя.

Эксперимент 14. Дифферен циа л ьн ы й

усилительный

каскад

Материалы и оборудование: два источника питания 9 В

блок

(сетевые адаптеры

или

лабораторный

питания);

транзистор п-р-п ВС337, 2 чественный

шт.

(можно

заменить на

ВС547

или оте¬

КТ3102);

резисторы (0,25 Вт) 22 Ом, 10 кОм (4 шт.); мультиметр. В

к главе 10 книги Р. Свореня [1] приведен пример на одном каскада транзисторе. Он представляет собой усилительного но обладающей высоким коэффициентом объединение нестабильной, по напряжению схемы с общим эмиттером и не имеющей усиления усиления по напряжению, но зато очень стабильной схемы усиления

с

«Практикуме»

общим коллектором (эмиттерного повторителя). Однако

линейного входного каскада усиления

в

более

в качестве

современной

технике,

особенно в микроэлектронном исполнении, очень часто применяют дифференциальный каскад. Дифференциальные каскады сегодня вы чаще встретите в составе микросхем, однако их широко применяли еще в ламповые времена, и до сегодняшнего дня их отдельно используют, как мы

увидим,

в

некоторых областях вроде звукогехники.

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

88

Рис. 5.1. Дифференциальный каскад на а

биполярных п-р-п-транзисторах:

общая схема; 6- рабочий вариант

-

Дифференциальный

каскад представляет собой пару двух одинаковых

транзисторов, соединенных эмиттерами видите,

себе

(рис. 5.1я).

Питание каскада,

«земли»), минус привязана. Питание всего каскада + однополярное (и равное в нашем случае 9 9

двухполярное (в

плюс и

схема никак к «земле» не

рассматривать

как

просто входной таниями.

сигнал должен находиться где-то

Ради удобства проектирования

жения всегда

привязывают

как

но сама по

относительно

можно =

18

В),

пи¬

посередине между напря¬

схем источник входного

к «земле», потенциал

которой находится посе¬

редине между потенциалами источников питания самого каскада. То есть

общее

питание

разделенное

на две половинки: поло¬

U+ и отрицательное

«земли» мы

будем

нужно,

напряжения Ubmx1 и liBbIx2. ограничивать входной ток

также отсчитывать выходные

Базовые резисторы здесь не

как

причем в общем случае эти половинки обязательно должны быть одинаковыми. Относительно этой же

жительное

даже не

рассматривают

точно так же как в

не

требуются:

эмиттерном повторителе

из

Эксперимен¬

13. Входное сопротивление определяется резистором R3 и коэффици¬ ентами усиления транзисторов. С учетом того, что база и эмиттер тран¬ та

зистора всегда привязаны друг к другу, в этой схеме обе базы в рабочем режиме всегда будут иметь одинаковый потенциал. Поэтому если на

происходить не будет же напряжением. Вся кон¬

них подавать один и тот же сигнал, то ничего

некуда, так как все под одним и тем струкция из двух транзисторов будет смещаться относительно «земли»

току

течь

-

в соответствии с поданным сигналом, а на выходах почти ничего и не шелохнется. Такой сигнал называют

Иное дело,

синфазным.

если сигналы на входах

усиливаться. Такой

сигнал называют

-

различаются

их

разность

дифференциальным.

Это

будет

основное

Глава 5. Усилители

89

свойство

дифференциального усилителя, которое позволяет выделять сигнал на фоне довольно большой помехи. Помеха одинако¬ во синфазно действует на оба входа, а полезный сигнал усиливается. Зададимся определенными параметрами резисторов (рис. 5.16). Если небольшой -

-

соединить обе базы

(никакого

с «землей»

сигнала на

входах),

то

режим эмиттеров на¬ пряжение будет на 0,6 В ниже «земли». Отсюда ток через резистор Ry со¬ противление которого 10 кОм, установится на уровне (9 В 0,6 В)/10 кОм просто рассчитать. В

схемы довольно

точке соединения

-

=

0,84 мА. Этот

ток делится

ровно пополам между двумя транзистора¬ ми, так что через каждый резистор в коллекторе потечет ток по 0,42 м А и создаст на нем падение напряжения 0,42 мА 10 кОм 4,2 В. Эти воль¬ =

ты

из положительного питания

вычтутся

9 В,

т. е. на каждом из кол¬

равное 4,8 В. лекторов установится напряжение Это примерно половина положительного питания, как и положено для транзисторного каскада, находящегося в линейной области. относительно «земли»,

Оставим один а на

другой

(например, LTbx2) подключенным к «земле», (Ц,х1) подадим какой-нибудь сигнал, например 20 мВ

из входов

вход

с делителя напряжения, как показано на схеме. Эти 20 мВ «перекосят» наш дифференциальный усилитель: через транзистор VT1 ток пойдет

через VT2. Соответственно, на резисторе Rk1 напряжение и положено, каскад с общим (как уменьшится эмиттером инвертиру¬ ет сигнал), а на резисторе Rk2 увеличится. Выходной усиленный сиг¬

больше,

чем

-

нал можно снять с

не

коллектора второго транзистора

инвертированным

относительно входного

VT2 (Ц,ых2 окажется

сигнала). Кстати,

в

этом

он случае первый коллекторный резистор Rk1 удалить не оказывает влияния на режим схемы, так как коллекторный ток все равно задается Ra. А можно снять сигнал между коллекторами (диффе¬ можно

вовсе

-

он будет вдвое больше по амплитуде и не привязан к «земле». Насколько именно усилит сигнал такая схема? Это зависит от кон¬

ренциальный

Ц,ых2

сигнал

-

UBbtxl),

кретных типов транзисторов и установленного режима. Величина

коэф¬ фициента усиления в данной схеме составит около 100 на каждое плечо, но эта величина может меняться на несколько десятков в

сторону. Усиление предсказуемым,

ру

в

можно

ту или другую уменьшить, одновременно сделав его более

дополнительному небольшому резисто¬ (подробности см. [5]). Но обычно, как вы увидите, дифференциальный каскад используют в сочетании

если ввести по

каждый эмиттер

это не

требуется

-

с другими в схемах, охваченных

можно установить

общей обратной

коэффициент усиления

связью, а с ее помощью

очень точно.

Задания 1.

Соберите сторов

с

схему

согласно

«землей».

рис. 5.16. Соедините базы обоих транзи¬

Измерьте

напряжения

на

обоих коллекторах

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

90

Цшх1

и

^бых2

измеренные 2.

и в

общей

точке

объединенных эмиттеров. Сравните

значения с изложенным в тексте.

Определите коэффициент усиления схемы. Оставьте базу VT2 за¬ земленной и подайте на базу VTj напряжение +20 мВ постоянного тока от делителя, составленного из сопротивлений 10 кОм и 22 Ом (см. схему). Измерьте напряжение Ц!ых2 на коллекторе VT2. При ма¬ кетировании этой схемы на транзисторах ВС337 автором получе¬ ны следующие результаты: в покое (при заземленных обеих базах) составляло 4,7 В, при подаче сигнала 20 мВ оно В. Итого 6,3 коэффициент усиления по одному плечу В В 6,3 4,7 1,6 В/20 мВ 80.

Пвых2

напряжение

стало равным составил

=

-

=

Звуковые усилители мощности (УМЗЧ) Усилитель мощности звуковых

частот

(УМЗЧ) должен воспринимать усилителей источников

переменное напряжение с предварительных

микрофонов, звукоснимателей, магнитных головок, цифроаналоговых преобразователей в цифровых устройствах плее¬ рах, смартфонах, компьютерных аудиокартах и т. д. Обычно на выхо¬ звукового

сигнала:

-

де таких частот с

устройств имеется сигнал переменного напряжения звуковых амплитудой от десятых долей до единиц вольт. Задача УМЗЧ

состоит в том, спечив

чтобы усилить

этот сигнал по

достаточную мощность для

напряжению

и

току, обе¬

работы наушников или звуковых ко¬

лонок.

УМЗЧ должен

вносить

спечивая crpoiyro в

заданной

минимум искажений

в

усиленный

сигнал, обе¬

зависимость выходного сигнала от входного

линейную (обычно от 20 Гц до 20 кГц). Последнее требова¬

полосе частот

ние выполнить возможно не всегда, но не всегда оно и должно выполнять¬ ся так

уж

работу

безукоризненно: например, телефонная связь вполне допускает

лишь в довольно

ограничения

имеют и

полосе частот от

звукозапись,

и

300 Гц до 3,5 кГц. Свои

традиционные

носители

(магнит¬

как и

диски), цифровые аудиодиски, распростра¬ цифровые форматы файлов (MP3), «режут» звуковой диапазон,

ная лента, виниловые ненные

узкой и

в первую очередь сверху, чаще всего далеко не достигая порога в 20

Это

несколько облегчает

задачу конструирования простого УМЗЧ.

Подробности Следует отметить,

что доминирующая часть современных устройств для вос¬ произведения звука основана на цифровом принципе записи или передачи

информации. Поэтому вершенно

ином

(прямоугольник

в них преимущественно используются усилители на со¬ принципе работы: это ключевой усилитель бинарного сигнала с размахом от питания до питания), с последующим фильтром

кГц.

91

Глава 5. Усилители

низкой частоты

на выходе

(так

сигнал для таких усилителей следовательных

-

называемые

усилители в режиме D). Исходный уровни напряжения, а выход по¬

не аналоговые

однобитных ЦАП, например ШИМ-сигнал (см. об

этом также

Эксперимент 24). Вместе с тем довольно существенную долю

и на рынке, и в любительских кон¬ струкциях до сих занимают аналоговые УМЗЧ, причем не только в интеграль¬ ном исполнении, но и на дискретных элементах, как в Эксперименте 15. Есть даже специальное направление конструирования усилителей на электронных

лампах. Скептики любят поиронизировать насчет «теплого лампового звука»,

объективные

но этому есть вполне

технические

причины. Пожалуй, констру¬

единственная область электроники, где наряду с самыми современными достижениями продолжают сохраняться и развивать¬ ся схемотехнические принципы, заложенные еще в середине прошлого века.

ирование усилителей звука

-

Эксперимент 15.

Звуковой транзисторный

усилитель

Материалы и оборудование: два источника питания 15 комплект компонентов

и

комментарии

в

В,

не менее

сборки

для

5 А;

усилителя (см. схему рис. 5.2

тексте);

два радиатора для транзисторов в корпусе Т0220, площадью не менее 150 см2 каждый, в комплекте с теплопроводящей пастой;

регулируемой частотой амплитудой (например, генератор из Эксперимента 23 или 24);

источник

и

мультиметр

ся

сигнала

синусоидального и

с

осциллограф.

Схема УМЗЧ, которую мы построим в этом Эксперименте, являет¬ базовой. По таким же принципам построены почти все аналоговые

усилители мощности, включая самые «навороченные» и дорогие. Они могут существенно отличаться от нашей схемы в тех или иных деталях, иметь различные «навороты» и дополнения, но все равно в основе их схема будет содержать те же самые узлы. Все эти узлы по отдельности уже изучены нами ранее, но здесь они объединены в единую конструк¬ цию. Даже если вы не будете заниматься конструированием аналоговых усилителей, все равно ее очень полезно изучить, так как заложенные для многих разделов электроники, в том числе для важнейшего аналогового компонента операционных в нее

принципы

являются

общими

-

о которых речь пойдет далее. Схема приведена на рис. 5.2. Сначала несколько

усилителей, зисторов ального

и

других

компонентов. -

с

входного

выборе тран¬ дифференци¬

любые маломощные, отечественные или VTj-VTj коэффициентом усиления Ь21Э, не менее 100. Транзистор

каскада

импортные,

Транзисторы

слов о

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

92

VT3

здесь показан

КТ817),

хотя

150 мВт,

что

КТ3107,

но с

средней и

это

близко

мощности

перестраховка:

в

(отечественный покое

на

нем

аналог

КТ815

выделяется

или

около

мощности отечественных

к

предельной допустимой гарантией укладывается в маломощные импортные вроде

ВС327. Выходные транзисторы VT4 и VT5 комплементарная пара (т. е. одинаковых по характеристикам, но противоположной полярности: один п-р-п-, другой р-п-р-типа) дарлингтоновских составных транзисто¬ ров, имеющих очень большой коэффициент усиления по току (в дан¬ ном случае необходимо больше 500). Иначе требуемую мощность на -

Напомним, что

выходе, как выражаются электронщики, «не раскачать».

пару транзисторов тельно

(см. книгу

Дарлингтона Свореня [1], глава 12;11).

можно

по схеме

Р. А.

соорудить

самостоя¬

Рис. 5.2. Классическая схема усилителя звуковой частоты

Диоды любые кремниевые импульсные, германиевые и диоды Шоттки не подойдут. Динамик или колонка сопротивлением 4 Ом долж¬ -

15-20 Вт. Можно, конечно, подключить 8-16 Ом, при этом требуемая от него мощность снизится 1-5 Вт. Но не включайте в усилитель головные телефоны (наушни¬

ны иметь мощность не менее и динамик до

ки)

-

они

просто

не

рассчитаны

на такое

напряжение.

должны быть мощностью не менее чем 2 Вт каждый ного значения см.

номиналов

могут

далее).

Так

как мощные

оказаться сложными в

Резисторы RrRg

(о подборе

резисторы

в таких

приобретении,

их точ¬

пределах

их можно изго¬

Глава 5. Усилители

93

товить самостоятельно из отмеренных отрезков

нихромовой проволоки 0,2-0,4 мм (см. Эксперимент 5). Для удобства использования следует на¬ мотать

отмеренные отрезки проволоки

обычный двухваттный рези¬

на

стор большим сопротивлением. Схема представляет собой транзисторный с

и

усилитель напряжения

стабилизированный обратной связью, с двухполярным ±15 В. Усилитель охвачен отрицательной обратной связью

мощности,

питанием

с выхода на вход

R5. Обратите

через резистор

внимание, что в целом

усилитель не инвертирует сигнал: он инвертируется дважды после вхо¬

(на транзисторе VTj и затем обратно на VT3), а выходной каскад, как эмиттерный повторитель, больше его не переворачивает. Иное дело,

да

бы

базу VT2 относительно этого второго входа сигнал на выходе инвертируется. Поэтому, подавая сигнал с вы¬ хода на второй вход, мы его вычитаем из входного потому и обратная если

мы подавали сигнал на

-

-

связь

получается отрицательная. По постоянному току эта обратная

С4

связь

-

стопроцентная

так как ток

спокойно можно считать

R4 образом, выход с эмиттеров выходных мощных транзисторов VT4 и VT5 просто присоединен (через резистор R5) ко второму входу дифференциального входного усилителя и име¬ ет практически одинаковый с ним потенциал. Из Эксперимента 14 мы знаем, что все эмиттерные и базовые выводы дифференциального уси¬ лителя связаны между собой, поэтому на базовом выводе VT2 будет что и на базе то же сигнала) (при отсутствии напряжение, VTr А база к «земле» т. е. имеет в состоянии по¬ резистором Rj VTj привязана коя нулевой относительно «земли» потенциал. Получается, что выход усилителя (эмиттеры выходных мощных транзисторов) также привязан к этому же потенциалу, следовательно, на выходе в состоянии покоя бу¬ через конденсатор «висящим

в

не течет, то

резистор

воздухе». Таким

-

дет практически нулевое напряжение, и через динамик ток не пойдет. Ток покоя входного дифференциального каскада задается резистором

R3 и равен примерно 2 мА. Он делится пополам между VT1 и VT2, т. е. их коллекторные токи

VTy

составляют по

включенного по самой

ром,

за счет

простой

R2 база-эмиттер,

и он

вая за счет тока в

держать с

на

то на

усиления

с

общим

эмитте¬

будет

приоткрыт, обеспечи¬ резисторе R6 такой, чтобы

слегка

потенциал,

включенных по схеме

равный нулю.

на вход подать сигнал, положительный относительно «земли»,

резисторе

ся еще

базе р-п-р-транзистора

коллекторе потенциал на эмиттерах выходных транзисторов,

общим коллектором, Если

схеме

на

потенциал составит как раз величину падения

резистора

на его переходе

1 мА. Тогда

больше,

R2 напряжение снизится, транзистор VT3 приоткроет¬ VT4 и VT5 возрастет в положитель¬

потенциал на базах

ную сторону. При а р-п-р-транзистор

этом

VT5

п-р-и-транзистор VT4

закроется.

Напряжение

также

приоткроется,

на выходе

(на

эмит¬

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

94

и

VT4

терах

история

повысится, через динамик пойдет ток. Аналогичная

VT5)

напряжение на входе изменится в отрица¬ откроется нижний р-п-р-транзистор УТу и через

произойдет, -

тельную сторону динамик пойдет ток

в

если

другую сторону.

VD^VDj (целых

Цепочка диодов

пять

штук!)

между базами выход¬

транзисторов и низкоомные резисторы Ry-Rg между их эмиттера¬ обеспечивают режим обоих транзисторов такой, чтобы в отсутствие

ных ми

сигнала они кал

были

небольшой

Если диодов

и

через выходной каскад проте¬

на

резисторов

меньше,

величину

не поставить, то в момент

оба транзистора

чем на входе.

перехода входного

напряжение на будут заперты, искаже¬ В в или появятся превысит 0,7 ту другую сторону «ступенька». У дарлингтоновских транзисторов напряжение

через

базах

и

Транзисторы VT4 и VT5 включены по схеме с общим как вы знаете из Эксперимента 13, на выходе эмиттер-

повторителя напряжение

сигнала их

приоткрыты

ток

а,

коллектором, ного

слегка

ноль

пока

не

ния типа

-

U63 удвоенное, в сравнении с обычными, поэтому четыре диода компен¬ сируют оба напряжения li6s/ а падение напряжения на пятом приот¬ крывает транзисторы. При этом через выходные транзисторы течет ток покоя, что

уменьшает КПД схемы,

называемый режим

(так Рассмотрим,

зато

обеспечивает

качество сигнала

АВ).

отрицательная обратная связь. По посто¬ янному току, как мы уже выяснили, обратная связь обеспечивает ста¬ бильность выходного напряжения покоя ток через динамик не идет. как

работает

-

Кроме

того, эта

зистор

VTy который

11,

обратная при

связь ее

поддерживает

отсутствии,

в

нужном режиме тран¬

как мы видели в

находился бы в нестабильном состоянии.

При

Эксперименте

подаче переменного

напряжения на вход часть выходного напряжения подается вход

лу,

дифференциального

вычитается из него и тем самым

обратно на

противофазе входному сигна¬ его уменьшает. Конденсатор С4 для

усилителя

в

к

переменного напряжения представляет собой малое сопротивление

(уже

на частоте

10 Гц сопротивление конденсатора

340 Ом), поэтому почкой

R-R4

коэффициент обратной

и в данном

на выходе

(30

В

полном

по

минимум два ной) стороны

пика»). На

вольта

=

превышает только це¬

1/30. Поэтому

напряжению усилителя

на холостом

размахе синусоидального напряжения

усилителя амплитудное

«от пика до

не

обусловлен

случае равен 100 кОм/3,3 кОм

общий коэффициент усиления ходу равен ровно 30. Теоретически при

связи

С4

значение его может составить

15 В

самом деле эта величина меньше, так как

теряется

за счет падения

с

каждой (положительной

напряжения

на выходных

и

отрицатель¬

транзисторах

VTj-VTg, на раскачивающем транзисторе VT3, на резисторах R7-R8 и т. д. Примем, что максимальная амплитуда на выходе может составить 13 В. (при условии неискаженного синусоидального сигнала) макси¬

Тогда

95

Глава 5. Усилители

мальная амплитуда входного сигнала должна быть не более 13 В

0,43 В. При больших напряжениях поставить

димо

источника сигнала на входе

/30

=

необхо¬

сигнала.

потенциометр регулировки уровня

мощность, которую можно выжать из такого усилителя на стандартном динамике 4 Ом. Как нам известно из главы 2, действу¬

Подсчитаем

ющее значение переменного напряжения равно амплитудному, делен¬ 9,2 В. Тогда дей¬ ному на л/2 т. е. оно составит в данном случае 13,5/1,41 =

ствующее

9,2 В/4 Ом

значение тока составит

мощность достигнет 9,2 В

2,3 А

=

21 Вт.

максимально возможная мощность,

нагрузке 4 Ом, усилителя лителя в режиме АВ можно на

каждом из

ди

транзисторов

-

может

реальная

2,3 А,

а

синусоидальная

Следует подчеркнуть,

которую

с запасом считать

что это

можно выжать из этого

быть

меньше.

КПД уси¬

равным 50 %, значит,

на

будет выделяться около 10 Вт, отсюда и площа¬

необходимых радиаторов, указанные

Схема

=

на макете должна

быть

в

собрана

перечне. с максимальной

аккуратно¬

Все соединительные проводники должны иметь минимальную длину, проводники «земли» и обоих питаний сечением не менее 1 мм2. стью.

-

Обязательно установить конденсаторы

(С2, С3, С6 и С7 на схеме; они носят наименование «развязывающих»). Причем электроли¬ тические С6 и С7 устанавливают рядом со входным разъемом питания, а керамические С2 и С3 поблизости от входного дифференциального каскада. Диоды VDt-VD5 желательно прижать (или попросту прикле¬ по питаниям

-

ить) к радиаторам выходных транзисторов. Налаживать схему следует на холостом ходу, не подключая динамик. О правильности сборки говорит равенство нулю постоянного напряже¬ ния на выходе и на

базе транзистора

лителя должен показывать

VT2. Осциллограф

на выходе

прямую линию, без каких-либо

уси¬

всплесков

(при условии, что вход заземлен, а источники питания достаточно каче¬ ственно стабилизированные). подаче При синусоидального сигнала на вход (размах не более 0,8 В) ли на выходе искажения наблюдаются синусоиды. Иска¬ определяете, «ступенька» (излом синусоиды в середине, вблизи нуля напряжения) удаляются подбором резисторов R7-R8. Начните со зна¬ жения типа

0,1 Ом

чения станет

и

повышайте сопротивление,

пока

«ступенька»

не

пере¬

быть заметной.

Если

вы

дение»)

с

помощью

осциллографа наблюдаете возбуждение («гу¬

в виде высокочастотных

нестабильна.

колебаний

на выходе, это значит, что

такой

Происходит эффект от того, что паразитные емкости в схеме поворачивают фазу на какой-то частоте так, что отрица¬ схема

превращается в положительную и усилитель превраща¬ генератор (см. главу 6, а также книгу Р. А. Свореня [1], глава 12; 10).

тельная связь ется в

Если

ничивая

собрана

аккуратно, то полосу частот усиления,

схема

бороться с этим можно, только огра¬ коэффициент усиления должен до¬

-

96

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

стигнуть значений меньше единицы до достижения

Это

можно сделать с помощью

пунктиром. Чем больше

конденсатора

Су

критичной частоты.

показанного на схеме

верхний предел частот, устойчивее схема. После подачи сигнала на вход и подключения нагрузки работу уси¬ лителя также следует проверить на устойчивость. В выходном сигнале его емкость, тем ниже

воспроизводимых усилителем, но тем

любой

на

они

емкости

-

устойчивость можно установкой конденсатора неболь¬

тельно повысить

В

о

свидетельствуют

шой

отсутствовать высокочастотные «призвуки» нестабильности в каких-то режимах. Дополни¬

частоте должны

между базой

и

коллектором транзистора

заключение заметим, что, конечно,

VT3.

подобные УМЗЧ рядового

каче¬

на компонентах в

интегральном ис¬ целесообразно строить полнении (популярная TDA2030, не сходящая со сцены уже не первое и даже не второе десятилетие, тому пример). Однако внутри такие уси¬ лители устроены аналогично разобранной схеме, и понимание прин¬ ципов ее работы может вам оказаться очень полезным. ства сегодня

Задания 1.

Соберите

схему

(рис. 5.2)

на макетной плате,

соблюдая рекомен¬

дации, приведенные в тексте. Не

забудьте установить транзисто¬ ры на радиаторы через теплопроводящую пасту. Во избежание каких-либо эксцессов оба питания лучше подавать одновременно

тумблер. Проверьте работу схемы на холостом ходу, подберите резисторы R, и Rg, проверьте, не греются ли ради¬ аторы выходных транзисторов. Устраните возбуждение, если оно

через сдвоенный

наблюдается. 2. Включите нагрузку усилителя (на время испытаний

вместо дина¬

15-20-ваттный резистор сопротивлением от 4 до 5 Ом). Проверьте напряжение на ней на холостом ходу (О В). Подайте сигнал амплитудой не более 0,8 В частотой 1 кГц и прокон¬ тролируйте нагрев радиаторов выходных транзисторов. Меняя ча¬ мика можно подключить

стоту, определите нижний

Порог

считается

и

верхний частотные пороги усилителя.

достигнутым,

снижается до величины

0,7

если величина

амплитуды

от значения на частоте

на выходе

1 кГц.

Операционные усилители Операционным

усилителем (ОУ)

литель постоянного тока

Наличие

в этом

(УПТ)

определении

с

дифференциальный уси¬ коэффициентом усиления.

называется

большим

слов «постоянного тока» не означает, что

ОУ усиливают только напряжение постоянного уровня с частотой 0 Гц, это означает, что ОУ могут усиливать сигналы, начиная с частоты 0 Гц. Слова «с большим коэффициентом усиления» означают, что он дей¬

Глава 5. Усилители

97

ствительно большой

хороший

-

напряжению порядка и

они знаками

этими входами.

разница между

ференциальный

усилитель,

нении с

Это подозрительно

рассмотренный

рис. 5.1). Ранее

мы

в

на

напоминает

Эксперименте 14, входе

по

говорили,

что

диф¬

и они

любого ОУ

(несколько, правда, усложненный

каскад

усиливает именно разность а

усиления

(по¬ неинвертирующий и инвертиру¬ «плюс» и «минус»), а усиливается

действительно ближайшие родственники:

дифференциальный

коэффициент

или

отрицательный,

ющий, обозначаются

имеет

вход означает, что всего входов у ОУ два

Дифференциальный ложительный

ОУ

нескольких сотен тысяч или даже миллионов.

в

дифференциальный

стоит

срав¬

каскад

напряжений (дифференциальный сигнал), на обоих входах (синфазный сигнал)

одинаковый уровень напряжения

игнорирует. Разумеется,

подавление

действия

ния на входах не может быть абсолютным

поэтому у ОУ

транзисторов), коэффициент ослабления синфазного метров

скольким тысячам.

ний питания, ный сигнал,

И

из-за

разброса пара¬

параметр под

имеется

сигнала

одинакового напряже¬

бы

(КООС),

обычно

названием

он

равен не¬ колебаний действие напряже¬ может рассматриваться, как синфаз¬

очень важно, что

в том числе помех,

т. е. оно

(хотя

ослабляется

в

такой же степени.

Питаний у ОУ чаще всего тоже два, как и у дифференциального да,

-

положительное и

ные каскады таким

отрицательное. Только

образом,

относительно «земли»

чтобы

напряжение

на выходе

в

ОУ

доработаны

каска¬

выход¬

получить симметричное

в плюс и

минус, и заодно увеличить больше. В целом ОУ и наш УМЗЧ

коэффициент усиления как можно из Эксперимента 15 похожи оба имеют положительный и отрица¬ тельный дифференциальные входы, оба питаются от двухполярного -

источника и дают на выходе почти полный размах напряжения от ми¬ нуса питания до плюса. Только задачи у них разные, потому в деталях они различаются конечно, у ОУ нет никакого конденсатора на входе, постоянный фильтрующего уровень, нет и встроенной обратной связи. -

Собственное усиление (при разомкнутой обратной связи) у схемы на рис. 5.2 не более нескольких сотен, а у ОУ его задают по принципу «чем

больше, А

тем

зачем

лучше». ОУ такое большое

ОУ просто так,

оба входа

усиление? Понятно, что если

мы включим

напрямую соединим «землей», при таком уси¬

в «голом» виде, то, даже если мы

и соединим их на

всякий

случай

с

получим нуля вольт на выходе. При коэффициенте усиления в миллион раз достаточно разницы на входах в несколько ми¬ кровольт, чтобы выход вошел в состояние насыщения т. е. напряжение на нем уравнялось либо с положительным, либо с отрицательным пита¬ нием. А такие микровольты всегда присутствуют в любой электронной лении все

равно

не

-

схеме, хотя бы в виде

случайного шума

лекул. Но чаще

гораздо больше,

всего

за счет теплового движения мо¬

чем

шум,

сказывается

небольшая

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

98

разница между транзисторами входного

дифференциального

каскада.

На входе как бы всегда присутствует паразитный дифференциальный либо к положительному сигнал, сдвигающий выход в одну из сторон -

питанию, либо

пренебречь ными

в

к

отрицательному. Этим «напряжением сдвига»

обычных применениях ОУ

уровнями входного сигнала,

-

но его

построении прецизионных измерительных

Поэтому

ОУ чаще

можно

сравнении обыч¬ приходится учитывать при

оно мало в

с

схем.

применяют отрицательной обрат¬ стабилизирующей его режим. Несложно показать, что в си¬ стеме с большим собственным коэффициентом усиления при наличии всего

в схемах с

ной связью,

отрицательной обратной

будет определяться

ния

связи

только

установившийся коэффициент усиле¬

характеристиками

Кус коэффициент усиления схемы; Ывых -

где

напряжения; (3 с выхода на вход.

-

Значения

коэффициент обратной

и

Um

обратной

-

связи:

выходное и входное

связи, т. е. передачи сигнала

Кус для типовых конкретных схем мы рассмотрим в процес¬

се экспериментов.

популярная область применения ОУ, где обратная требуется, наоборот, нередко применяется поло¬ жительная. Это использование ОУ в качестве компаратора для сравнения Из-за высокого двух напряжений. коэффициента усиления превышение напряжения на одном входе и напряжения на другом на несколько мил¬ ливольт или даже микровольт (в зависимости от конструкции компарато¬ заставляет выходное напряжение переброситься от одного уров¬ ра) уже ня питания к другому. Наиболее широко это применяется в устройствах

Однако

есть

большая

и ныне очень

связь не

цифрового сигналов: аналогово-цифровых цифроаналоговых преобразователях. Но есть у компараторов и другие

сопряжения и

аналогового

области применения,

Прежде

чем

ко основных

с

и

которыми

мы познакомимся далее в

этой главе.

практическим примерам, уясним несколь¬ правил, которым подчиняется работа операционного уси¬ приступить

к

лителя:

входы ОУ если

не

потребляют

(неинвертирующем) входе превы¬ отрицательном (инвертирующем) входе, то на положительное напряжение. И наоборот: если напряже¬

напряжение напряжение

шает

выходе ОУ

тока;

на положительном

-

на

отрицательном входе превышает напряжение на положитель¬ входе, то на выходе ОУ отрицательное напряжение; ОУ с отрицательной обратной связью всегда стремится к состоянию, ние на ном

в

котором потенциалы между собой.

ны

-

положительного и

отрицательного входов рав¬

Глава 5. Усилители

99

У ОУ есть несколько ключевых параметров, по которым их для конкретных

которое, кстати, ние

применений. может

быть

и

однополярным.

равно сумме двухполярных, поэтому

на записи

Unm

=

±3 В.

Предполагается,

уровень входного и «землей», часто

отбирают

Это допустимое напряжение питания, запись

что в

Однополярное пита¬ Unm +6 В равносиль¬ =

случае однополярного

и выходного сигнала находятся где-то

тания

пи¬

между

образованием искусственной средней важный точки. Второй параметр допустимый уровень входных сигна¬ лов относительно питания. Сигналы вблизи напряжений минусового питанием

с

-

и плюсового питания

создать

обычный ОУ просто

(к долям

вольта или даже

всегда отличается от

напряжений

у которых максимальный почти совпадает с

но, до

входу и/или

по

-

питания.

выходное

1 В,

но есть

выходной уровень Свойство

питания носит название

выходу; Rail-to-Rail

на

работать

с сигна¬

означает в

переводе

«от шины

сопротивление, причем мощ¬

ОУ обычно невелика, и допустимая нагрузка должна быть нескольких килоом без заметного «проседания» выхода.

Частотные свойства ОУ определяет так го

усиления

-

обращается всегда в

частота, на в

которой

называемая частота

собственный

единицу. Для большинства ОУ

процессе производства,

ОУ,

сигналов

Rail-to-Rail (соответствен¬

ность нее

к

нулю уровни выходного

минимум

и минимальный

шины»). Наконец, у ОУ есть

но можно

сведена почти

сигнал в состоянии насыщения

питания

напряжениями

вблизи уровней

по

воспринимает,

милливольтам). Третий

напряжения. У обычных ОУ выходной

лами

не

ОУ, у которого допустимая разница будет

коэффициент она

не ме¬

единично¬

усиления

устанавливается

иначе они начинали

бы

на¬

возбуждаться

достигает 180° и отрицатель¬

поворот фаз обратная связь превращается в положительную (см. главу 11 книги Р. А. Свореня [1], а также раздел «Гармонические генераторы» главы 6 этой книги). Поэтому ОУ чаще всего низкочастотные приборы, у ко¬

на высоких частотах, когда

ная

-

торых единичная частота не превышает 1-3 МГц, но есть отклонения как в ту, так и в другую сторону, так что этот параметр надо проверять (существуют ОУ с частотой единичного усиления и 60 кГц, и 80 МГц).

Учтите, что спад усиления начинается задолго до этой частоты, потому рабочая полоса частот схемы без существенных искажений сигнала при установлении достаточно большого в десятки

раз

усиления обычно усиления. Для облегчения

коэффициента

меньше частоты единичного

расчетов в спецификациях ОУ приводится величина, называемая ско¬ ростью нарастания (она связана с частотой единичного усиления, но

образом). Для неискаженной передачи синусо¬ идального сигнала, частота которого равна/герц, а амплитуда А вольт (на выходе), минимальная скорость нарастания Vs должна быть равной 2п А -/В/с, или 2п А / 10"* В/мкс.

не всегда однозначным

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

100

Подробности Разберем пример расчета

частотной полосы ОУ. В экспериментах далее макси¬ мальная амплитуда сигнала при питании ±12 В составит около 11 В. Подсчитаем необходимую скорость нарастания для перекрытия самой важной части звуко¬ вого диапазона до 10 кГц. Из формулы выше Vs 6,28 10 104 10_6 * 0,7 В/ =

|дА741 и его отечественного аналога К140УД7 паспортная скорость нарастания равна 0,5 В/мкс,так что они должны обрезать сигнал достаточного размаха уже где-то на 7-8 кГц. Для перекрытия всего звукового диапазона до 20 кГц лучше выбирать ОУ со скоростью нарастания не менее 2-3 В/мкс. мкс. У ОУ

Чем ее

меньше

коэффициент усиления

рабочая частота

без

схемы,

искажения сигнала.

тем

больше

может

быть

Некоторые ОУ имеют входы

усиления, что позволяет максимально частотный в диапазон конкретной схеме включения, избегая расширить коррекции

частоты единичного

самовозбуждения. Есть еще прецизионные ОУ, у которых нормированы сдвиги входно¬

дифференциального каскада Мы будем пользоваться только го

и особенно их

температурный дрейф.

ОУ общего применения со средними параметрами и двухполярным питанием не менее ±12 В. Давайте познакомимся с типовыми схемами на ОУ подробнее.

Подрпбнпсти Кстати,тут выше

нигде не

упоминаются микросхемы. Что, ОУ

дить на транзисторах, как УМЗЧ? Понятие

будем горо¬ «операционный усилитель» воз¬

никло задолго до появления микросхем, еще во времена

Когда-то, до

появления

цифровых компьютеров,

мы

электронных

проводили на аналоговых вычислительных машинах

(АВМ),

главным компо¬

нентом которых были как раз операционные усилители на лампах

ций»

и пошло название

ламп.

математические операции

(от «опера¬

«операционный»). Появление

микросхем переверну¬ ло эту отрасль и значительно расширило сферу применения ОУ. Дело в том, что в микроэлектронном исполнении, во-первых, характеристики транзисторов, выращенных на одной подложке, гораздо ближе друг к другу, чем у дискрет¬ ных, и меняются с изменением температуры одинаково, потому такой диф¬ ференциальный каскад гораздо ближе к идеальному. Во-вторых, количество использованных транзисторов совершенно не сказывается на стоимости ми¬ кросхемы, так что доводить схему до идеала можно сколько угодно. Потому стало возможно производить ОУ с уникальными ми на

дискретных

свойствами, недостижимы¬

элементах. Аналоговые математические операции как раз

почти ушли в прошлое из-за появления

новые задачи. Так что ответ на вопрос,

цифровых устройств, зато появились в начале, отрицательный

заданный

операционные усилители на дискретных струирует, даже в учебных целях.

-

транзисторах сейчас никто не кон¬

Глава 5. Усилители

101

Эксперимент 16.

Неинвертирующий

усилитель

ОУ

на

Материалы и оборудование: два источника питания 12 В

(сетевые адаптеры или лабораторный

блок

питания); операционный усилитель |дА741 (К140УД7), на

любой общего

±12 В

и

назначения с

напряжением

можно

заменить

питания не менее

частотой единичного усиления 0,5-1 МГц;

резисторы (0,25 Вт) 1 кОм, 11 кОм (по 10 шт.), 43 кОм (по 10 шт.) и

др.;

транзистор п-р-п дарлингтоновского нить на

любой мощный составной

переменный резистор

с

типа

h213

КТ-972

не менее

(можно 700);

заме¬

10-20 кОм;

медная или алюминиевая пластина примерно 5x5 см или мало¬

радиатор для транзистора; 10 Ом мощностью не менее 3 Вт; резистор мультиметр и осциллограф (по возможности).

габаритный

Схема неинвертирующего усилителя показана на рис. 5.3я. Двухпо¬ лярное питание, подразумевающееся в общем случае, можно сделать и

однополярным,

ке.

Чаще

если «землю»

привязать к искусственной средней точ¬ ОУ (как и логических элементов

всего подключение питания

следующей главе) на схеме не показывают, но иногда это требуется для лучшего понимания работы схемы. Если подключение питания не при¬ в

ведено

на схеме, его можно

микросхем,

проверить

употребляющихся

в наших

по

документации. Для

многих

Экспериментах, разводку выво¬

проверить приложении 2. К выходу ОУ подключен делитель напряжения в

дов можно

которого подключена

неинвертирующий

liBx

ОУ

R/Rj, средняя точка Сигнал подается на инвертирующему входу.

вход. Так как входы ОУ не

жение на делителе сигнала

к

будет будет стремиться

таким же, как в

потребляют тока, напря¬ отсутствие ОУ. При наличии

установить

чтобы потенциалы входов сравнялись,

т. е. на

такое

напряжение Umix, инвертирующем входе

установиться напряжение Ubx. Но напряжение К2)' поэтому общий коэффициент усиления Кус

UBx равно liBblx/ liBX RJR2 + 1. Это выражение можно вывести быстрее с помощью вышеприведенной формулы Кус 1/(3, так как коэффициент связи обратной (3 равен доле выходного напряжения на делителе, рав¬ ной R2/(R1 + R2).

также должно

Ц>ых' ^V(^i+ (Rj + R2)/R2 или Kyc

=

=

=

=

102

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

Рис. 5.3. Неинвертирующий усилитель: в

-

а

-

полная схема; б

неинвертирующий усилитель

-

повторитель;

с мощным выходом

Подробности Абсолютные

сопротивлений резисторов обратной связи не имеют (важно только их соотношение). Выбираются их ве¬ следующих соображений: так как резистор обратной связи

значения

принципиального значения личины, исходя из

R1

служит нагрузкой выхода, то

дит, так

рядовых типов ОУ не должна большой номинал тоже не подхо¬

его величина для

быть менее нескольких килоом. Но слишком как начинают сказываться токи

утечки по входу ОУ

-

они хоть и очень

строго нулю. Поэтому обычный но¬ ОУ лежит в диапазоне при¬ мерно от 5-10 до 200-300 кОм. Это замечание касается и остальных типовых малы

(порядка микроампер), обратных связей

но не равны

минал резисторов для

схем, за исключением специальных

в схемах с

случаев.

Глава 5. Усилители

Добавка

103

к соотношению

сопротивлений

в виде единицы очень важ¬

выражение для Кус стремится к единице при уве¬ сопротивления Rr В пределе резистор R2 можно удалить вовсе

на, так как из-за нее

личении

(приравняв его тем

бесконечности),

самым к

повторитель вторитель на ОУ части

в

повторителе

повто¬

на

в

приблизительно уравнять были малы,

эмиттерному

но лишен его недостатков в виде

принципе не требуется, с выходом. Однако вход инвертирующий

Rj

По¬

потери переходе база-эмиттер и относительно неболь¬ сопротивления. Отметим, что резистор обратной связи

напряжения

шого входного

усилитель превратится

аналогичен по своим свойствам

Эксперимент 13),

рителю (см.

и

коэффициентом усиления (рис. 5.36).

с единичным

в

можно

просто перемкнуть обычно ставят, чтобы как бы они ни входам

его

токи смещения по

-

но все-таки имеют место.

И просто неинвертирущий усилитель, и повторитель на ОУ обла¬ дают массой приятных свойств. Входное сопротивление их стремится к

бесконечности, особенно у повторителя, поэтому вы

к

не окажется влияния на

нулю, поэтому нагрузка

Подчеркнем, ностей

что эти -

правила, конечно, действуют

нагрузка

усилителя

правило,

килоом),

жения не должны выходить за

бранного типа

быть

не должна

не менее нескольких

не

рискуете

«по¬

А выходное сопротивление

садить» высокоомный источник сигнала.

в

выходной

-

сигнал.

пределах возмож¬ мощной (как

слишком

а входные и выходные

напря¬

рамки допустимых значений для

вы¬

ОУ.

На рис. 5.3б показано,

усилить выход неинвертирующего току, получив образом возможность управлять мощной нагрузкой без боязни перегрузить усилитель. Нагрузка RH может быть

ОУ

подключена

к «земле»

выбирается

зистор выход

ОУ,

рисунке)

Пусть

напряжение течет ток

стор

ставит 7

В,

что

транзисторе.

транзистор

Примеры и

24).

минусу

питания.

Тран¬

что

разница между напряжением нагрузке выделяется на транзисторе УТ} напряжение питания Unm+ равно 12 В, установлен¬ на

на выходе

равно 5 В,

RH равно

10 Ом,

т. е.

через транзи¬

0,5 А (транзистор КТ972 допускает до 2 А). Разница со¬ при указанном токе даст 3,5 Вт выделяющегося тепла на

Для

такой мощности, конечно, уже

необходимо

ставить

на теплоотвод.

использования

повторителя 23

или к

случае выбран дарлигтоновский тип с большим усиления (750-1000). В подобных схемах (мы с ними

напряжением

в виде тепла.

ты

на

так, чтобы ни при каких условиях не перегрузить

столкнемся) следует учитывать,

питания и

и

(как

в данном

коэффициентом еще

ное

как можно

таким

по

на

ОУ

вы

свойств

увидите

в

неинвертирующего

следующей

главе

усилителя

(см. Эксперимен¬

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

104

Задания 1.

Соберите

схему неинвертирующего усилителя, соответствующую резисторов R1 43 кОм и R2 11 кОм. Зам¬ кните вход (левый по схеме вывод резистора R2) на «землю». Про¬ верьте напряжение на выходе UBbix. Если оно отличается от нуля, рис. 5.3я,

=

=

с номиналами

запишите значение смещения на выходе его

рениях Поделив

(в

вычитать

надо

значение

данном случае

ду.

Сравните

(для

(тА741

с

2-4

из

выходного

напряжения.

выбранного

значением для

паспортным

типа

ОУ

мВ). вместо источника сигнала, как показа¬

с его помощью схемы

усиления

точные значения

ров, одинаковых

по

Um

равен 43/11

быть напряжение, близкое

Отбирая

точных изме¬

на

Установите

коэффициент должно

при

-

установленный коэффициент усиления 5), получите смещение, приведенное ко вхо¬

Псм

2. Подключите потенциометр но на схеме.

значения

Псм

=

+

1,0 В. Убедитесь, что » 5, т. е. на выходе

1

5 В

(не забудьте вычесть Псм). сопротивлений из комплекта резисто¬

номиналу,

к

подберите

сопротивления

R1

и

R2

так, чтобы соотношение было как можно ближе к четырем, и про¬ верьте точно установленный коэффициент усиления.

3. Увеличивая уровень входного сигнала, определите возможное

на выходе

напряжение

(напряжение

максимально

насыщения выхо¬

выход на резистор с сопротивлением 1 кОм и про¬ насколько изменилось напряжение насыщения. верьте, 4. Отключите вход усилителя от потенциометра и подайте на него си¬

да). Нагрузите

любого

гармонических генераторов из уровень сигнала 1В (амплитуд¬ ное значение по осциллографу или действующее значение по муль¬ входной сигнал тиметру). Измерьте уровень сигнала на выходе

нусоидальный главы

сигнал от

из

6. Установите частоту 100 Гц

и

-

усилиться ровно в пять раз. Повышая частоту, но не меняя амплитуды на входе, определите частоту, при которой начнется па¬ дение коэффициента усиления до уровня 0,7 от начального. Можно ли выбранный ОУ использовать для усиления сигнала в зауженном звуковом диапазоне от 100 Гц до 5 кГц? При возможности замени¬

должен

те

операционный усилитель

единичного

усиления 3-4 МГц

более

широкополосный с частотой (КР140УД8, TL081 или аналогичный)

на

увеличился частотный порог при таком же коэффициенте усиления. 5. Подайте на вход усилителя частоту с генератора прямоугольных импульсов частотой 100 Гц и амплитудой 1В и наблюдайте на экра¬ не осциллографа искажения формы прямоугольника. Увеличивая и

проверьте,

насколько

частоту, проверьте при емлемо

большими.

каком значении искажения

станут непри¬

105

Глава 5. Усилители

6.

Соберите равенство

рис. 5.36. Подайте на вход посто¬ потенциометра (как на схеме 5.3я). Проверьте по

схему повторителя

янный сигнал

1,0 В

с

сигналов на входе и на выходе.

ного сигнала, проверьте, до какой

сигналов схема еще выполняет свои

7.

Соберите

схему усилителя

Увеличивая уровень вход¬

величины входного и выходного

функции.

усиленным выходом

с

что и в задании

по

рис. 5.3б. Ис¬

1.

пользуйте Транзистор VT} R, R2, установите на теплоотвод металлическую пластину или радиатор, указанные в перечне компонентов. Обязательно до первого включе¬ ния подключите нагрузку, хотя бы небольшую (например, 1 кОм). После отладки ее сопротивление можно уменьшить до 10 Ом. По¬ дайте на вход усилителя уровень 1 В от потенциометра и проверь¬ те же значения

и

-

он должен уровень сигнала на выходе сохраниться точно на В. 5 степень Оцените нагрева транзистора и радиатора при уровне 10 Ом (если напряжение источника 9 В, то нагрев невелик). нагрузке те

-

Увеличивая входное напряжение, проверьте, насколько снизился порог насыщения выхода из-за использования составного транзи¬ стора

Дарлингтона. Подумайте,

почему

это

произошло.

17.

Эксперимент

Инвертирующий и аналоговые

усилитель операции

ОУ

на

Материалы и оборудование: два источника питания 12 В

(сетевые адаптеры

или

лабораторный

блок

питания); операционный усилитель |дА741 (К140УД7, любой общего ±12 В

с

назначения

и частотой единичного

счетверенный

можно заменить на

напряжением питания усиления 0,5-3 МГц);

не

менее

ОУ LM324;

резисторы (0,25 Вт) 10 кОм (10 шт.), 30 кОм, 100 кОм (по 5 шт.), 120 кОм и др.; конденсатор керамический 0,1 мкФ;

переменный резистор

1 кОм

(2 шт.);

многооборотный подстроечный резистор 510 Ом; мультиметр и осциллограф (по возможности). В неинвертирующем усилителе ная связь носит название

обратной

из

предыдущего эксперимента

связи по

напряжению. В

обрат¬

отличие от него

инвертирующем усилителе (рис. 5.4) обратная связь имеет характер об¬ ратной связи по току. Так как здесь неинвертирующий (положительный) в

вход имеет потенциал «земли», то и

инвертирующий (отрицательный)

106

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

тоже всегда

будет иметь такой же потенциал. Следовательно, от входа через резистор R2 потечет некий ток (1вх). А раз мы договорились, что сам вход ОУ тока не потребляет, то этот ток должен куда-то деваться, и он потечет через резистор Rt на выход ОУ. Таким образом, входной ток (7вх) и ток через резистор обратной связи (1ос) это один и тот же ток. Причем -

потенциал выхода ОУ вынужденно станет

потенциалу входа

-

иначе

току некуда

противоположным

на

ОУ =

абсолютной

тивоположно

К

по

величине

знаку

Кус

liBx,

то

=

к

=

UBbJUBx

=

=

UbJR2 UBhJRv Rt/Rr Поскольку 11вых про¬

Чему равен коэффициент усиления? Поскольку 1вх Irx по

знаку

будет течь.

Рис. 5.4. Инвертирующий усилитель

то

по

выражению надо добавить минус:

обратитесь к «Практикуму» в главе 10 Свореня [1], обратить внимание, что для тран¬ в Эксперименте 2, коэффициент описанного там зисторного каскада, усиления рассчитывается похожим образом: он равен отношению кол¬ =

с

-UBbJUBx

книги

=

-RJRr

Р. А.

лекторного зисторной

Если

вы

то можете

и

эмиттерного резисторов. Это

схеме

чем каскад тоже

аналогичная

существует инвертирует

связано с тем, что в той

обратная

связь по

току.

тран¬

При¬

сигнал на выходе.

внимание, что в этом случае, в отличие от неинвертирую¬ щей схемы, единицу прибавлять не нужно. Поэтому Rj здесь является

Обратите

элементом схемы и не может равняться ни нулю, ни бес¬ конечности, за исключением того случая, когда источник сигнала сам по себе представляет источник тока, а не напряжения, тогда R из схемы

необходимым

-

можно

(и нужно)

исключить и подать токовый сигнал

Схема инвертирующего усилителя

имеет

прямо

неприятный

чающийся в том, что ее входное сопротивление равно

неинвертирующего варианта, нечности

в

котором

оно

R2

на вход

ОУ.

нюанс, заклю¬ -

в отличие от

теоретически равно беско¬

(на практике составляет гигаомы). Увеличивать сопротивления

Глава 5. Усилители

107

резисторов сверх какого-то предела, как

нут

сказываться «неидеальности»

мы

уже говорили,

конструкции

в

нельзя

-

нач¬

виде конечного значе¬

ния тока входов.

Поэтому в схемах, где участвует инвертирующий уси¬ литель, сопротивление R2 является существенным параметром схемы. Для того чтобы проверить работу усилителя, придется в качестве ис¬ точника сигнала ставить

потенциометр с куда меньшим сопротивлени¬ ем, предыдущем случае, чтобы на нем не очень сказывалось шун¬ тирование резистором Rr На самом деле инвертирующий усилитель в качестве простого усилителя напряжения никто и не использует: мы, по имеем очень точный, сути, практически идеальный преобразователь ток-напряжение, причем с легко и точно устанавливаемым масштаб¬ чем в

ным

-

коэффициентом.

Это -

и

обусловило

в качестве

тирующего усилителя ций над входным сигналом,

т. е.

основное

применение инвер¬ инструмента для проведения опера¬

различных

преобразований

входного

напряжения. Именно здесь, как мы говорили, кроются корни названия

«операционный». вестных еще со

Мы рассмотрим

времен

только два таких

применения,

аналоговых вычислительных машин:

разностный (дифференциальный) усилитель, поскольку существенную роль и в современной электронике. и

Рис. 5.5. Интегратор

на

ОУ: а

-

из¬

интегратор играют

они

принципиальная схема; 6- выходное напряжение

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

108

Интегратор (рис. 5.5а), из главы

цепочки

в

отличие

идеального

RC-

3, действительно осуществляет операцию интегриро¬ ОУ

корректной форме.

вания в

простой интегрирующей

от

источника тока,

и

резистор

такого

же

на входе здесь

как в

играют роль

Эксперименте 8,

только

напряжение на напряжением Ивх. Поэтому управляемого выходе при постоянном Ubx будет изменяться точно так же, как в том случае, т. е. представлять собой прямую линию с наклоном UJRC В/с, только с обратным знаком по отношению ко входному напряжению внешним

(рис. 5.56). входной

Если

и

хотите

неинвертирующий интегратор, то неинвертирующий вход, заземлив ре¬

получить

сигнал можно подать на

и у неинвер¬ зистор R. У такого интегратора входное сопротивление, как тирующего усилителя,

Подробности При подаче

будет

накопленную величину

Г, то

гигаомами.

на вход изменяющегося по уровню напряжения мы получим его

суммарное значение за

счетов

измеряться

определенный промежуток времени. Если

1/выхТ

получится средняя скорость

чение на постоянную

поделить

интервала времени от начала от¬ нарастания. Умножив полученное зна¬

на длительность

времени RC, получаем точное

измерений: U

=

среднее значение входного

(УвыхТ RC/Т. Например, если

подавать на напряжения вход неравномерно расположенные импульсы случайной ширины, то по на¬ копленной сумме можно рассчитать среднее значение напряжения за время за время

измерений. Попробуйте сообразить самостоятельно, как можно приспособить схему интегратора для точного измерения среднего тока потребления како¬ го-либо устройства, если это потребление происходит короткими всплесками с большими промежутками между ними (подсказка используйте схему изме¬ рения тока с внешним резистором, изложенную в Эксперименте 2). -

На рис. 5.6а приведена лителя.

схема

простейшего дифференциального уси¬ усиленной разности входных на

Его выходное напряжение равно

положительном и отрицательном входах, т. е.

условии,

что

=

R4 R2,

a

R3 Rv Эти =

пары

=

Ивых (liBx+ liBX) (R2/R,) при

сопротивлений

лают разными: только так можно точно выровнять ления и входные

потому,

сопротивления

что иначе

по

будет нарушена,

-

никогда и не де¬

коэффициенты уси¬

обоим входам. Оба условия

так сказать,

важны

«дифференциальность»

усилителя: при нарушении строгого равенства этих параметров усили¬ тель будет реагировать на одновременное изменение сигнала на обоих входах. Такое изменение, как мы помним, называется синфазным сигна¬ лом, а степень его ослабления коэффициентом ослабления синфазно¬ -

го сигнала

(КОСС). Чем

этот

параметр больше,

тем точнее

соблюдается

случае КОСС зависит от того, насколько точно мы подобрали пары резисторов, и, кроме того, от равенства выходных сопротивлений источников сигналов, которые соотношение для выходного сигнала. В данном

также

будут влиять на коэффициенты усиления.

Глава 5. Усилители

109

Рис. 5.6. Дифференциальный усилитель: а простейшая схема; б усовершенствованный инструментальный усилитель -

-

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

110

А почему мы так печемся о точности мах из

предыдущих экспериментов

в данном

случае? В обычных схе¬

мы ни на чем таком не настаивали.

основа большинства усилитель точных измерительных схем, подобные узлы встроены во многие датчи¬ ки. Естественно, при массовом производстве, да еще и в интегральном исполнении точный подбор пар резисторов весьма дорогая задача

Дело

в том, что

дифференциальный

-

-

(сравните

с

на цепочке

цифроаналоговых преобразователей Эксперименте 24). Еще больше ее удорожает факт

задачей построения R-2R

в

влияния на точность

ми

и

ненулевого

особо

«неидеальностей»

самого

ОУ

значения входных токов, отчего

сдвига между входа¬

-

приходится

выбирать

точные модели.

Зато добавка еще парочки ОУ к схеме почти ее сами по себе стоят копейки. Тем более что

ОУ

целей выпускают сдвоенные

не

удорожает: рядовые

специально для таких

счетверенные ОУ, цена которых почти не отличается от ординарных. Очевидное решение по совершенство¬ ванию схемы дифференциального усилителя состоит в установке раз¬ вязывающих повторителей (рис. 5.36) на обоих входах схемы рис. 5.5а. В

и

случае теряется влияние выходных сопротивлений источников уменьшается влияние входных токов. Но еще лучшими ха¬ рактеристиками обладает схема, показанная на рис. 5.56. От простой до¬ бавки повторителей она отличается только наличием резистора Ri; что, этом

сигнала и

регулировать усиление од¬ без баланса всей схемы. Тем не менее, резистором нарушений такой захотите применять усилитель (он называется инструмен¬

кроме улучшения характеристик, позволяет ним этим если

в

практических устройствах, желательно пары резисторов с точностью не хуже 1 %. тальным)

все-таки

подбирать

Подробности Так как усиление

схемы инструментальных усилителей обычно достаточно вели¬ (несколько десятков),то игнорировать собственное смещение операционных усилителей нельзя. Например, при указанных на схеме номиналах резисторов коэффициент усиления схемы равен 50, а собственное смещение ОУ LM324, при¬

ко

веденное

ко входу, может достигать 3 мВ. Так что смещение на выходе может

150 мВ, существенную часть от полезного сигнала. Это утверждение верно и для прецизионных ОУ, у которых смещение на порядок ниже. Заметим, что схема на рис. 5.66 составлена так, что в ней смещения DA1.1 и DA1.2 могут взаимно компенсироваться, так как действуют на разнополярные входы.Так как ОУ размещены на одном кристалле,то велика вероятность близости их смещений (и их изменений с ростом температуры), и тогда эту ошибку можно не учитывать.

достигать

И тем не менее иногда отрегулировать смещение необходимо. Потому на рис. 5.66 показан один из возможных вариантов компенсации смещения с помощью до¬ полнительного входного напряжения, снимаемого с потенциометра 510 Ом. Не рекомендуется в таких случаях компенсировать смещение с помощью име¬ ющихся у некоторых моделей ОУ выводов коррекции происходящая при этом -

разбалансировка

входного каскада только ухудшаеттемпературную стабильность.

Глава 5. Усилители

При

условии,

111

как

указано

на схеме,

R3

=

R2, R6

=

R4

и

R?

=

Ry коэффи¬

циент усиления инструментального усилителя по рис. 5.66 определя¬ = + 2 ется из выражения надле¬

UBJ (RJRJ (1 (RJRJ). При подборе резисторов (из особо точных типов вроде, например, отечественных С2-29В), выборе прецизионных типов ОУ (ОР97, ОР293, Ueax

(liBx+

-

жащем

ОР493)

и

правильной организации схемы менее

0,05 % (11-12

питания

можно

получить

по¬

грешность разрядов). экспериментальных целей, конечно, доводить до такой степени точностных двоичных

Для

будем, наша

мы не

статками,

задача познакомимся с

поэтому намеренно

го назначения

свойствами схемы

и ее недо¬

выбран рядовой счетверенный ОУ обще¬

LM224.

Задания 1.

Соберите с

схему инвертирующего усилителя, согласно рис. 5.4, указанными параметрами резисторов R: и Rj. Проверьте сме¬

щение на

выходе так,

как описано

Приведите

эксперименту.

его ко

в

задании

входу, для

1

к

чего

предыдущему измеренное

на

нужно поделить коэффициент усиления, равный случае R,/R2 =120/30 4 и присвоить ему противополож¬ ный знак. Установите на входе с помощью потенциометра отрица¬ тельное напряжение -1 В. Проверьте с учетом смещения, насколь¬ выходе

Ц.м

на =

в данном

ко точно

2.

установлен

коэффициент усиления.

схему интегратора, согласно рис. 5.5я, использовав тот же экземпляр ОУ. Подав на вход напряжение -1 В, обнулите конденса¬

Соберите

тор с помощью пинцета и проверьте скорость нарастания выходно¬ го напряжения с помощью приведенных на схе¬

осциллографа. Для

ме номиналов

R

(рис. 5.56). При

=

10 кОм

и

отсутствии

С

=

0,1 мкФ

она должна составлять

1 В/мс

осциллографа работу интегратора

но

проверить

те

учесть смещение, измеренное

мож¬

с помощью

мультиметра, пропорционально увеличив емкость и сопротивление, чтобы подогнать скорость под значения вольты в секунду (см. Эксперимент 8). Для точной оценки не забудь¬ этого

проще веденное ко входу. 3.

в

предыдущем эксперименте: для

всего вычесть из входного

напряжения смещение, при¬

Соберите дифференциальный усилитель, согласно схеме рис. 5.6а, ис¬

экземпляр ОУ. Соедините оба входа и заземлите их. Измерьте напряжение смещения на выходе, приведите его ко входу и сравните с полученным результатом в предыдущих заданиях. Если смещение отличается от ранее измеренного, то причина в неточном равенстве номиналов в парах резисторов R.-R, и R,-Rr Попробуйте по¬ добрать пары или замените их на резисторы с допуском не хуже 1 %. 4. С помощью переменных резисторов установите разницу на вхо¬ пользовав тот же

дах

1 В.

Проверьте установленный коэффициент усиления, равный

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

112

Попробуйте регулировать оба входа так, чтобы сохранять

четырем.

разницу

1 В неизменной,

в

=

=

liBx

9 В

значениях входных на¬

(например, liBx+

=

=

'

ВХ-

при разных

+6,0 В, U U U U U 0 =-5,0 В, +5,0 В; =+1,0 В, В; =0В, =-1,0 В; -6,0 Вит. д.). По получаемым результатам (они должны очень

пряжений, U

но

не выходя из диапазона ±

'

'

ВХ+

'

'

ВХ-

мало отличаться друг от

друга)

'

ВХ+

оцените

'

'

ВХ-

коэффициент

'

ВХ+

'

ослабления

синфазного Соберите схему инструментального усилителя согласно рис. 5.66. Замкнув оба входа схемы (!iBX+ и Ывх_) на «землю», проверьте 17вьц. сигнала.

5.

Если

оно

существенно

отличается от

нуля (более

чем на

1-2

мВ),

подключенным к земле и отре¬

Ивх+ с смещение помощью гулируйте многооборотного потенциометра

оставьте положительный вход

510 Ом, подключенного

к

отрицательному входу так,

как показано

на схеме.

6. Подключите

дающий ния

-

к

Utx+ указанный на рисунке делитель напряжения, вы¬ 20 мВ, и проверьте коэффициент усиле¬

на выходе около

он должен

быть равен ровно 50,

должно составлять около

1-2

1 В.

При

%) подберите пары R3-R2, R6-R4

рите резисторы

с

допуском

не

т. е.

напряжение

существенном и

R7-R5

по

на выходе

отличии

равенству

(более

или

выбе¬

хуже 1 %.

Эксперимент 18. Компараторы и простые устройства автоматического

регулирования

Материалы и оборудование: сетевой адаптер 12 В;

микросхема LM311

в

8-вьгводном DIP-корпусе (можно

на отечественные аналоги

К554СА301

или

К554САЗ

с

заменить

учетом иной

разводки выводов); резисторы (0,25 Вт) 1 кОм, 10 кОм (4 шт.), 100 кОм; резистор переменный 10 кОм; светодиод любого типа;

мультиметр.

Компараторами называется разновидность операционных усилите¬ приспособленная для работы без стабилизирующей связи. Основное назначение сравнение двух обратной компараторов сигналов между собой (compare сравнивать). В принципе, любой ОУ можно приспособить для работы в качестве компаратора, однако тут есть и своя специфика. Высокое входное сопротивление ОУ («входы ОУ не потребляют тока», помните?) в значительной мере обусловлено нали¬

лей, специально

-

-

Глава 5. Усилители

чием

113

глубокой отрицательной обратной связи, которая здесь отсутству¬

ет, потому при проектировании компараторов приходится применять специальное меры. Зато здесь не требуется линейность выхода выход¬ -

ной сигнал компаратора представляет собой одно из двух

состояний,

уровня, потому хорошо цифровыми устройствами. Часто компараторы еще больше приспосабливают к со¬ пряжению с цифровыми схемами, проектируя выход в виде «открытого коллектора», который через резистор можно подключать к напряже¬ нию питания цифровой части. Компаратор LM311, который мы будем изучать, относится именно к этой разновидности. Он специально приспособлен для управления двухпозиционными устройствами (вроде реле) или для формирования низкого или высокого

совместим с

На выходе у

установлен довольно мощный и-р-м-транзистор (напряжение коллектор-эмиттер до 40 В и ток коллектора до 50 мА), который соединяется с остальной схемой внутри корпуса только базой, а эмиттер и коллектор выведены наружу на выходе логического сигнала.

(эмиттер

-

1, коллектор вывод 7). На самом деле напрямую выве¬ коллектор, а эмиттер подключен несколько сложнее, но это -

вывод

ден только

Если

для нас не имеет значения. то

него

получим

так

мы

называемую схему

с

присоединим эмиттер

к «земле»,

открытым коллектором. В

коллек¬

какую-то полезную нагрузку (например, малогаба¬ ритное реле). между коллектором и плюсом питания внешнего «подтягивающего» (pull up) резистора, с него можно снимать логический сигнал для управления цифровыми микросхемами. При¬ чем «подтягивающий» резистор можно подключить к отдельному тор

можно включать

А при

включении

5-вольтовому источнику цифровой части (например, к питанию микро¬ контроллера) и таким образом согласовать уровни без дополнительных сложностей. Заметим, что в техническом описании компаратора LM311 фирмы National Semiconductor приведено большое количество типовых схем

подобных применений.

Подробности Возникает вопрос какой понятия «инвертирующий» -

смысл при таком выходном каскаде

«неинвертирующий»

и

входы

приобретут компаратора? Эти

наименования были присвоены как раз с учетом того, что одно из основных назначений такого типа компараторов ла в логические уровни.

При

этом

-

преобразование

выходной транзистор

аналогового сигна¬

включается обычным

способом,

с общим эмиттером и нагрузкой в цепи коллектора. Тогда названия обретают следующий смысл: при превышении напряжением на ин¬ вертирующем (отрицательном) входе напряжения на неинвертирующем (по¬ ложительном), на коллекторе выходного транзистора будет логический ноль (транзистор открыт), и наоборот: при превышении напряжением на неинверти¬ входов

рующем (положительном) входе напряжения на инвертирующем (отрицатель¬ ном), на выходе будет логическая единица (транзистор заперт).

114

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

Рис. 5.7. Тестовая схема для изучения компаратора Тестовая схема для изучения свойств типового включения компа¬ ратора приведена на рис. 5.7. Обратите внимание, что питание схемы однополярное (причем для LM311 оно может быть установлено аж от 3 до 30 В). Здесь это не имеет значения, так как все сигналы изменя¬ ются

до

вокруг середины питания,

плюса.

Однако,

выходной

а

сигнал меняется от

минуса

если вы имеете источник сигнала, изменяющегося

от потенциала «земли»

(как, например, конденсатор

в схеме

генерато¬

ра Эксперимента 20, см. главу 6), вблизи отрицательного питания компаратор может не работать формально для LM311 входной сиг¬ из

-

нал должен превышать отрицательное напряжение питания не менее чем на 0,5 В. Тогда можно сделать питание двухполярное, причем не¬

обязательно симметричное.

При

этом

эмиттер внутреннего выходного любому потенциалу, не вы¬

можно подключать к

транзистора (вывод 1) за пределы напряжений питания но можно и к отрицательному питанию, как ходящему

В отсутствие резистора ма

работает

ровно так,

R, (на рисунке

-

обычно

также к «земле»,

на схеме.

помечен синим

цветом)

схе¬

«Подробностях»: если по¬ (зафиксированного на уровне середи¬

как описано выше в

тенциал положительного входа

превышает потенциал отрицательного, выходной транзистор заперт, светодиод не горит. Меняя потенциал отрицательного входа с помощью потенциометра R2, можно добиться ны

питания делителем

R4-R5)

то

момента, когда потенциал отрицательного входа превысит потенциал положительного (середину питания), транзистор на выходе откроет¬ ся и светодиод засветится.

Чувствительность

компаратора такова,

что

Глава 5. Усилители

115

превышение напряжения одного из входов над другим всего на 1 мВ уже вызывает переключение выхода. Ошибки сравнения достаточно малы

-

для LM311 смещение на входе составляет несколько милливольт.

Не рекомендуется только применять очень уж высокоомные источники входных сигналов например, резисторы делителей в схеме не долж¬ -

превышать единиц мегаом, иначе будет сказываться ошибка за счет утечки токов по входам. Однако в практических схемах всегда присутствует еще один фак¬ тор. На входах обязательно имеется некоторый шум, который вызо¬ ны

вет хаотическое к

переключение выхода при входном сигнале, близком и чем выше

порогу переключения,

налов, тем выше никает по

уровень

этого

шума.

сопротивления

Нередко

самому принципу устройства

источников сиг¬

помеха на входах воз¬

источников входного сигна¬

(например, из-за особенностей изменения физической величины, которую они представляют). Чтобы избежать дребезга на выходе при

ла

переключении, в схемы с компаратором вводят гистерезис уровень включения устанавливается выше, чем уровень выключения. Если уро¬ вень помехи ниже, чем разница между порогами переключения, то -

дребезга

не возникает.

Метод получения гистерезисной характеристики у компаратора очень

прост: между выходом

полнительный резистор нии низкого

тора близок резистору

При

R5

(R,

и положительным входом включают до¬

на

схеме).

Если выход находится

в состоя¬

уровня (выходной транзистор открыт, потенциал к

нулю),

то

резистор

R7

оказывается включен

коллек¬

параллельно

делителя, потенциал на положительном входе снижается.

отрицательном входе больше, чем на положи¬ переключения выхода в высокий уровень надо, чтобы отрицательном входе снизился ниже этого порога. Если

этом потенциал на

тельном, и для

потенциал это

на

произойдет,

жется включен

на выходе

будет

высокий уровень,

резистор

R?

ока¬

делителя, потенциал на

R4 (сопротивлением

параллельно уже резистору

положительном входе повысится

и

нагрузки пренебре¬ чтобы надо, потенциал на обратного переключения повысился выше нового входе порога, который больше отрицательном зоной гистерезиса, или, называется старого. Разница между порогами иначе, зоной нечувствительности, и если помеха укладывается в эту зону,

гаем). Теперь

то

для

дребезга на выходе не возникнет. При номиналах резисторов, показанных на

тания а зона

12 В

гистерезиса

питания.

зона

верхний -

напряжении пи¬ порог будет равен примерно 6,3 В, нижний 5,7 В, соответственно, 0,6 В примерно 5 % от напряжения -

-

Для большинства применений -

нечувствительности

параметрами ления

схеме, и

это даже слишком

большая с такими

например, регулятор температуры грубым. Обычное значение сопротив¬

окажется слишком

резистора

R;,

-

от несколько сотен килоом до единиц мегаом.

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

116

Но есть и исключения

[1] приведена

ня

-

в

«Практикуме»

к главе

15

Р. А.

Сворекоторой зона

книги

схема автомата включения освещения, в

напряжения питания. То есть ав¬ томат будет включаться при гораздо меньшей освещенности, чем вы¬ ключаться, что гарантирует нас от срабатываний при случайных ко¬ гистерезиса

составляет около

лебаниях освещенности. Нет

25 %

от

ничего

хорошего

в автомате,

включает, то выключает освещение от того, что

в

белом плаще

или в датчик попал свет

Большая ширина ментов,

555

зоны

фар

от

который

рядом прошел

проезжающей

гистерезиса характерна

то

кто-то

машины.

и для логических эле¬

подобных триггеру Шмитта (см. Эксперимент 21)

или

таймеру

(Эксперимент 22).

Задания 1.

Соберите схему согласно рис. 5.7. Резистор R, временно не устанав¬ ливайте. Проверьте работу компаратора согласно изложенному в тексте. Обратите особое внимание на соотношение знаков вход¬ компаратора в выключенном и включен¬ ном состоянии светодиода на выходе. Попытайтесь измерить мини¬ ных

напряжений у входов

мальную разницу между входными напряжениями, при

компаратор еще устойчиво держит установившееся

которой

состояние вы¬

Оцените дребезг выхода в момент переключения. Какой логи¬ ческий уровень на выходе соответствует выключенному и включен¬ ному состояниям светодиода? хода.

2. Подключите резистор R,. Измерьте пороги переключения при перемещении движка потенциометра «вверх» и «вниз». Имейте в виду, что из-за наличия светодиода на выходе значения порогов могут отличаться от рассчитанных в тексте. Определите зону нечув¬ ствительности и

а)

от

нала,

подсчитайте,

напряжения питания; б) устанавливаемого

сколько

процентов

она составляет:

от полного диапазона входного сиг¬

с помощью

резистора

1^.

Глава б

Генераторы колебаний

Генераторы электрических колебаний

с самого

зарождения электрони¬

ней почетное место. Сначала это были преимуществен¬ но генераторы синусоидальных колебаний радиочастотного диапазона, так как электроника была тогда синонимом радиотехники. Рудольф ки занимали в

Анатольевич

Сворень в главе 11

лил много внимания составной частью в

генераторам

любое

книги

на основе

радиоустройство.

[1]

главу 11; 12-14,

по

необходимости уде¬

LC-контура

-

они входили

По мере перемещения

электронщиков на цифровую технику получали генераторы импульсные (см.

мания нение

своей

все

вни¬

большее распростра¬

в книге

Почти

[1] упомянутую

«Практикум» ней). современные электронные изделия содержат генераторы в том или ином виде. Генераторы могут быть построены на основе любого усилительного элемента

-

а также

к

все

лампы, транзистора, операционного усилителя, логических

(см. далее). микроэлектронной эле¬ «Практикуме» к главе 11 в книге [1].

микросхем различных типов, даже электромагнитного реле

Часть распространенных ментной

Здесь пов

схем

генераторов

базе была рассмотрена

мы дополним это

работы схем,

в

рассмотрение

на

подробным разбором

принци¬

а также изучим некоторые другие конструкции.

Разновидности генераторов Генераторы колебаний делятся на две группы: релаксационные (гене¬ раторы импульсов) и гармонические (генераторы колебаний синусои¬ дальной формы). Релаксационными называются колебания в системах, где существен¬ ную роль играет рассеяние энергии, или, как говорят физики, ее дис¬ сипация.

Релаксационные генераторы без

внешнего

источника

не¬

энергия, (например, работоспособны, конденсаторе), не переходит в другую форму, а теряется переходит в тепло. Затухающих при вы¬ релаксационных колебаний не бывает в них

запасенная в накопителе

-

-

энергии они прекращаются сразу. Для возникно¬ релаксационных колебаний обязательно требуется наличие не¬

ключении источника

вения

линейного а также

порогового элемента, меняющего

определенный характер обратных

свое состояние скачком,

связей

(подробности

см. да¬

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

118

лее). Мультивибраторы

и

вообще любые генераторы

на основе скачко¬

разряда через резистор всегда являются релаксационными. Релаксационные генераторы обычно выдают скач¬ кообразный сигнал прямоугольный, как в мультивибраторе на тран¬ зисторах (см. рис. 11.4; 1 в книге [1]), или в виде коротких импульсов, как

образного

заряда

или

емкости

-

блокинг-генераторе (раздел 14 главы 11 в той же книге). Общие прин¬ ципы работы релаксационных генераторов мы подробнее рассмотрим в

далее, после первого знакомства с ними на практике. Типичными примерами систем с гармоническими колебаниями служат описанные в

любом

школьном

учебнике физики колебательный контур

или механический маятник. В них энергия непрерывно переходит из одной формы в другую, и если не учитывать потери на нагревание про¬ водов в контуре или на трение в маятнике, то эти колебания могут про¬

должаться бесконечно безо всякой подпитки

подробно

извне.

Р. А.

Сворень очень

задачу построения схем гармонических с где помощью обратной связи потери ком¬ генераторов (см. главу 11), и колебания становятся незатухающими. Гармонические пенсируются генераторы в электронике можно построить не только на основе LCконтура или RC-звеньев широко применяющиеся в настоящее время также относятся к гармоническим. Интересно, кварцевые генераторы что до появления доступных кварцевых резонаторов широко использо¬ вались камертонные генераторы, в которых стабильность работы обе¬ спечивается за счет механических гармонических колебаний металли¬ и доходчиво описал

-

ческой пластины или

Рассмотрим

струны.

примеры представителей

этих

разновидностей.

Эксперимент 19.

Электромеханический генератор Материалы и оборудование: электромагнитное реле любого контактами;

типа

с

нормально замкнутыми

питания, соответствующий типу реле (сетевой адаптер, лабораторный блок питания или набор гальванических элемен¬ тов). источник

На рис. 6.1

изображена

электромагнитного зуммера или звон¬ простого генератора прямоугольных колебаний из доэлекэпохи. тронной Проще всего его смоделировать на реле (К1), питание которого подается через свои же нормально замкнутые контакты (К1.1). ка

-

При

схема

самого

включении

обмотку,

реле

напряжение

срабатывает,

реле отпускает,

питания

контакты

через эти контакты попадает на размыкаются, питание исчезает,

контакты замыкаются, питание попадает на

обмотку...

Глава 6. Генераторы колебаний

119

и т. д. С места соединения контактов

гольный сигнал,

если это зачем-то

и

обмотки

можно снять

прямоу¬

потребуется (сразу заметим,

что для

электронных схем такой сигнал не годится, потому что «замусорен» им¬ пульсами

дребезга контактов

при

переключении).

Рис. 6.1. Простейший Частота

зуммер на реле

срабатывания зависит от механической инерции конструкци¬ реле: самые малогабаритные будут тоненько «петь»,

онных элементов а

более крупные могут клацать чуть

старое

телефонное

реле,

с

которого

ли не

раз

в

сделать

настоящий звонок, аккуратно закрепив

или на

якоре реле тягу, ударяющую

На рисунке намерено

секунду. Если достанете корпус, то можно

легко снимается

на подвижном контакте

по чашечке из стали или стекла.

приведено напряжение питания, оно зависит в том числе и марки реле переменным. Поэто¬ и в к тип материалах разделу му реле не указан какое подвернется, из такого и сделаете, лишь бы у него имелись нормально замкнутые кон¬ такты и был в наличии подходящий источник питания. от

не

и может

быть любым,

-

Подробности Напряжение срабатывания можно

электромагнитного реле из неизвестного источника определить по его паспорту, который обязательно должен быть нанесен

обмотку. Паспорт может быть приведен не полностью только последняя группа цифр, но этой информации в совокупности с известным типом реле (который также обычно написан на нем) достаточно для поиска по справоч¬ нику или в интернете. Беда только в том, что способы классификации реле часто

на корпус или на

-

стране это произошло в 1970-е годы, как популярности электромеханических устройств и накануне по¬ раз лупроводниковой революции. Поэтому значительная часть сохранившихся старых реле имеет маркировку, которую в справочниках бывает найти затруднительно. До того времени реле широко применялись для выполнения функций выполнения логических операций (см. главу 15 книги Р. А. Свореня [1]), и их разновидностей изменялись, и

последний раз

в нашей

на излете пика

наплодили очень много, но единого принципа обозначений еще не существовало. Для самостоятельного определения тока и напряжения

принять

во внимание, что большая часть

срабатывания следует малогабаритных реле работает от по¬

стоянного напряжения не очень большой величины. Максимальное значение,

60 В, обычно же встречаются реле с обмоткой на напряжение в диапазоне от 9 до 27 В. А если вы вдруг встретите малогабарит¬ которое вы можете встретить

-

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

120

ное реле с

обмоткой, рассчитанной

ток, то оно от постоянного

переменный

на

Если выводы обмотки не получается определить ви¬ зуально, то их можно узнать с помощью мультиметра (сопротивление обмотки должно быть порядка десятков-сотен ом). А далее с помощью регулируемого источника питания определяют напряжение срабатывания оно, как правило, тока все равно

сработает.

-

на треть-четверть меньше постоянного жение отпускания еще меньше ния

-

рабочего напряжения. При

обычно

этом напря¬

оно не больше половины от напряже¬

срабатывания.

Задание 1. Соберите электромеханический зуммер по схеме рис. 6.1, соблюдая соответствие оцените

напряжения

питания

звучание при разных

При возможности доработайте для полу¬

типу реле.

типах

и

реле

чения настоящего звонка, как описано в тексте.

Эксперимент 20. Релаксационный генератор на

операционном усилителе

Материалы и оборудование: два источника питания 5 В

ный

лабораторный

(два

сетевых

операционный усилитель КР140УД708 или лог цА741 (можно заменить на любой ОУ с

питания не менее

+10

или

напряжением резисторы (0,25 Вт) 1 кОм, 10 кОм (2 шт);

керамический конденсатор мультиметр Схема

с

усилителе (ОУ)

двухполярного

±5

двухполяр¬

его

импортный

ана¬

общего применения

В);

1 мкФ;

функцией измерения частоты

классического

или

адаптера

блок питания);

или

осциллограф.

релаксационного генератора на операционном рис. 6.2а. Неудобство ее в необходимости

показана на

источника питания: именно в таком виде

происходящие

ней процессы представляются наиболее наглядно. Хотя схему не очень трудно переделать для обычного однополярного питания, но тогда она в

усложнится, а наглядность представления потеряется.

Генератор

выдает напряжение

прямоугольной формы,

общего провода (рис. 6.26, вверху). Если

нус

относительно потенциала

оба

источника питания выдают одинаковые

форма напряжения будет симметрична выбранном соотношении резисторов 1^ и Rj в

импульса

лежит в положительной

отрицательной, а подробнее.

схемы

напряжения, равные

относительно «земли».

то

ходного

в плюс и ми¬

половина

амплитуды

области, другая

размах равен напряжению

Ц1и1. При вы¬

половина

-

Ппит. Рассмотрим работу

Глава 6. Генераторы колебаний

121

принципиальная схема генератора на ОУ; б осциллограммы напряжения на выходе (вверху) и на конденсаторе (внизу)

Рис. 6.2. а

-

-

Из принципов работы ОУ (см. главу 5) следует,

что

ОУ

будет старать¬

до напряжения на по¬ зарядить конденсатор через резистор ложительном входе. Это напряжение является частью выходного U ^ данном случае ровно половиной, так определяемой делителем

Cj

ся

R,

R2/R3 (в

А

напряжение на выходе? цепочкой Rf-Ry по сути, образует компаратор с гистере¬ зисом, изученный нами в Эксперименте 18. Зона нечувствительности как

=

R2 R3).

ОУ

здесь

какое

вместе с

очень велика

-

верхний порог

ного питания, нижний

-

составляет

половину положитель¬ половину отрицательного. В первый момент

122

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

времени после включения питания на выходе ОУ установится либо поло¬ жительное, либо отрицательное напряжение насыщения выхода, близкое к соответствующему напряжению питания

(какому

именно

Если установилось, например,

от

-

зависит

положительное

случайных причин). (рис. 6.26, вверху), то конденсатор Cj начнет заряжаться через рези¬ стор Rj, стремясь к значению верхнего порога (половине +Ц,И,- рис. 6.26, внизу). Когда напряжение на конденсаторе пересечет этот порог (потен¬ циал отрицательного входа превысит потенциал положительного), вы¬ ход ОУ скачком перебросится в противоположное состояние. Знак на¬ пряжения

на положительном входе поменяется на

противоположный,

резистор Rr За¬ (см. график напряжения Ц, повторится рис. 6.26, вни¬ зу). Таким образом, на выходе мы получим меандр с периодом, который определяется параметрами RC-цепочки (см. формулу для вычисления и

конденсатор теперь

тем все

Можно

на

6.2я).

характер выходного сигнала, если изменить некоторые схеме на рис. 6.2а. Изменение соотношения R2/R3 в первую

менять

параметры

в

изменит

риода). Однако, ного

разряжаться через

тот же

сначала

периода Т на рис.

очередь

начнет

амплитуду (и, конечно,

уменьшать

напряжения,

повлияет на длительность пе¬

это соотношение, повышая

можно только до

некоторого предела:

знаем, что

постепенно

размах выход¬ из главы

2

мы

загибается, стремясь

кривая заряда конденсатора питающему напряжению. На пологом участке этой кривой, когда на¬ пряжение меняется уже медленно, срабатывание ОУ будет нечетким из-за шумов, и стабильность выходной частоты неприемлемо снизит¬ к

ся.

Схему

также можно питать от

двух несимметричных напряжений, тогда середина выходного меандра сдвинется относительно потенциала «земли».

Но

убрать

схеме нельзя:

при

одно из

напряжений

использовании

питания полностью в

указанного

типа

ОУ (как

и

данной

большин¬

других типов ОУ общего назначения) нельзя снижать разницу между любым из напряжений питания и потенциалом «земли» ниже ства

значений по абсолютной величине примерно

Подробности Можно сделать ключить

R3

в

1,5-2 В.

питание однополярным за счет усложнения схемы, если под¬

не к «земле», а к

хороший делитель по

искусственной средней

точке. Но организовать

питанию не так просто, как кажется,

-

из-за низкого вход¬

напряжения инвертирующего усилителя простой резистивный делитель может не заработать, а снижение его сопротивления неоправданно увеличит потребление. Схему придется усложнять, обеспечивая низкоомную искусствен¬ ного

стабилитрона, потреблению. Потому вы в конце концов придете к какому-нибудь варианту схемы из Эксперимента 36. И еще не забудь¬ ную среднюю точку. Простейший метод

-

сделать это с помощью

что, однако,также приведет к лишнему

те, что при указанном типе ОУ однополярное питание не должно быть меньше 7 В, для отечественной версии К140УД7 10 В (минимальное двухполярное -

Глава 6.

Генераторы колебаний

±3,5 В,

для К140УД7

-

123

±5 В),

ОУ

иначе

может не

заработать

как надо.

Значит,

подбирать низковольтный

ОУ. После всего этого вы, несомнен¬ но, задумаетесь: чем городить такие сложности, может проще было обеспечить двухполярное питание с самого начала? еще и придется

проверьте выходной сишал. Осцил¬ лограф покажет полный размах сигнала от примерно -4,5 до +4,5 В. Мультиметром его можно измерить по величине на пределах измере¬ ния переменного напряжения (показания должны примерно соответ¬ ствовать половине амплитуды, т. е. около 2,2-2,3 В). Частота сигнала при и на схеме величинах согласно приведенной на указанных рис. 6.2а R1 Cv После

сборки

и отладки схемы

формуле, должна быть

равной

примерно

500 Гц.

Задание 1.

Соберите генератор

по схеме

рис. 6.2а.

сопротивление R,. При конденсаторе Ct и на осциллограммами (рис. 6.2б).

меняя

му ми

наличии

сигнала на

Измерьте частоту на выходе, осциллографа изучите фор¬

выходе,

сравните

с

приведенны¬

Общие принципы работы релаксационных генераторов Сначала давайте

разберемся в том, что мы получили в преды¬ дущих двух экспериментах. С цифровой точки зрения рассмотренное в Эксперименте 19 реле с нормально замкнутыми контактами являет¬ немного

элементом-инвертором, т. е. осуществляет логическую операцию «НЕ». В самом деле, при подаче питания на обмотку контакты размы¬ каются, и если через них питание подавалось куда-то еще, то оно пере¬ стает поступать, что и соответствует логической операции отрицания. ся

В

Эксперименте

выход на вход,

19

100-процентную обратную связь, замкнув обмотку через эти же контакты, отчего полу¬

мы ввели

т. е. питая

непрерывное переключение из замкнутого состояния контактов разомкнутое. А нельзя ли получить генерацию, если поступить таким

чили в

же

образом

ном

Однако, из

с

обычными

логическими

инверторами

в

микроэлектрон¬

исполнении? если

мы

возьмем

электронный

микросхемы CD4049 (см. рис. 5.36 далее)

со входом, ничего не

-

получится

случае в

и

«НЕ», например,

просто соединим выход

элемент «зависнет» в

среднем

поло¬

Чего середина напряжения на В сравнении со схемой реле? простом элек¬

жении, когда на входе и выходе не хватает в этом

элемент

питания.

тронном инверторе с выходом, замкнутым на вход, нет двух обязатель¬

вещей, без которых релаксационный генератор работать не будет. Это, во-первых, разница порогов включения и выключения (иначе назы¬

ных

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

124

ваемая

во-вторых, отсутствует элемент, задерживающий схему между этими порогами. Иными словами, для гене¬ положительная и от¬ рации необходимо оба вида обратных связей рицательная, причем вторая действует с запаздыванием (сдвигом фаз)

гистерезисом),

в состоянии

-

относительно

гистерезис 8-9

В,

первой.

а выключаться

ную задержку дает

ции реле лителем

-

якоря

из

питания до

обратная

при

снижении до

чисто механическая

4-5 В

инерция

и подвижного контакта.

через делитель

связь

что

лишь

-

и даже менее.

элементов

А нуж¬

конструк¬

В схеме с операционным уси¬

Эксперимента 20 гистерезис (от половины положительного половины отрицательного) обеспечивает положительная

конденсатора

Ясно,

В электромагнитном реле имеется естественный

так, например, 12-вольтовое реле включаться может при

-

Rj/Ry

а

задержку обеспечивает зарядка

Cj через резистор Rr

при

желании

соорудить что-то, генерирующее

на

любой

другой основе, мы обязаны обеспечить оба этих условия. Логический элемент «НЕ» вполне для этого подходит, только у него всего один вход разнополярных, как у ОУ), и, как мы увидим далее, придется усложнить схему. Но сначала мы рассмотрим более простой на элементе, вариант который обладает гистерезисом по определению: на так называемом триггере Шмитта.

(а

не два

несколько

Эксперимент 21. Генераторы на логических микросхемах Материалы и оборудование: любым выходным напряжением в пределах 5-12 В (сетевой адаптер или лабораторный блок питания); микросхемы: CD40106 (может быть заменена на 74С14), CD4049 источник

питания

с

отечественную К561ЛН2 с учетом раз¬ водки выводов), CD4001 (К561ЛЕ5), CD4011 (К561ЛА7); резисторы (0,25 Вт) 10 кОм, 33 кОм, 240 кОм и др.;

(может

быть

заменена на

керамический конденсатор 0,01

мкФ

(10 нФ),

1 мкФ;

маломощный пьезоизлучатель звука (например, таблетка кнопка

замыкающая;

мультиметр Многие лись в

из

пьезозвонок-

ЗП-5);

типа

с

функцией

приведенных

«Практикуме»

в этом

к главе

подключение питания для

измерения

11

частоты или

разделе устройств уже рассматрива¬

книги

Р. А.

Свореня [1]. Напоминаем, что

распространенных

Его

осциллограф.

типов

микросхем обычно

приводится проверить документации, а для в наших микросхем, употребляющихся Экспериментах, развод¬ ку выводов можно проверить в приложении 2.

не

многих

на схемах.

можно

по

Глава 6.

125

Генераторы колебаний

Подробности выводов питания на схемах с логическими элементами обычно не по¬

Кроме

казывается еще один нюанс. Для всех подключать входы

незадействованных

КМОП-микросхем крайне

желательно

элементов в том же корпусе к одному

или к общему проводу GND, или к какому удобнее Umr. При макетировании для проверки работы схем это не очень обязательное требова¬ ние, но в конечном продукте это следует делать: неподключенный вход КМОП-

питаний,

из

-

к

элемента имеет очень высокое входное сопротивление, поэтому элемент не¬ прерывно будет переключаться помехами. А это ведет к совершенно лишнему

потреблению энергии

и может оказывать влияние на

работу основной

схемы.

генератор на триггере Шмитта Одновходовой триггер Шмитта в микроэлектронном исполнении пред¬

Простейший

простой переключатель выхода (т. е. просто усилитель вход¬ сигнала), но с наличием гистерезиса. Действие входного сигнала

ставляет ного

у

него

примерно

такое же, как

воздействие напряжения

питания на

реле: при возрастании входного напряжения выход переклю¬ уровня при достижении примерно 0,6-0,7

обмотку

чается в состояние высокого

напряжения выход переключается в состояние низкого уровня, но только при достижении примерно 0,3-0,4 от напряжения питания. Чаще употребляют триггер от

напряжения питания, при

Шмитта тании

снижении входного

у которого логика выхода обратная: при возрас¬ напряжения входа на выходе включается низкий уровень, при с

снижении

инверсией, -

высокий.

То есть нам осталось ввести искусственную задержку,

получить генерацию. Это достигается,

и мы должны

ОУ, введением RC-цепочки, которая будет определять частоту колебаний. Результат представлен на рис. б.Зй. Как и все микросхемы серии 4000, CD40106 мо¬ жет

работать

при

составляют около

питании от

0,4

от

как в схеме на

3 до 15-18 В.

напряжения

Пороги гистерезиса у нее питания (нижний) и около 0,6 от

напряжения (верхний). CD40106 может быть без оговорок за¬ менена на редкую микросхему 74С14 или на 74НС14, но со снижением питания

питания до

5 В.

Собственно, генератор

(CD40106.1 стотах

собран

схеме), резисторе Rj

на

последний

на схеме показана

на и

трех деталях: одном элементе конденсаторе С: (при низких ча¬

быть электролитическим полярным, потому ориентация его положительного вывода). Это самая

может

генератора на логических микросхемах. Второй элемент (на рис. б.Зя обозначен синим цветом) установлен про¬ сто, как буферный усилитель, для того чтобы нагрузка не «сажала» на¬ пряжение на основном выходе 1?вых, заряжающее конденсатор. Если простая

схема

на выходе

нагрузка без

схеме

невелика

буферного

(сопротивление

элемента.

1 кОм

и

Только учтите,

выше), то можно обойтись второй элемент будет

что

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

126

инвертировать сигнал генератора

будет

светодиод

загораться

и

-

например, подключенный

гаснуть

в

противофазе

к

1Гвых

с выходом самого

генератора.

Рис. 6.3. Генераторы Шмитта; б

-

на логических

простейшая

микросхемах: а

схема на инверторах; в со входами

-

-

схема

генератора

на

триггере

схема на логических элементах

управления

Период колебаний можно подсчитать по формуле Т «1,7 Сг Схе¬ ма на рис. 6.3а при соответствующем выборе номиналов R, и С, может работать при частотах до мегагерц, а нижний предел ограничен только емкостями электролитических конденсаторов, вообще способных рабо¬ такой схеме

(что

величину порядка нескольких тысяч микрофарад при сопротивлении резистора до единиц мегаом). По¬ пробуйте проверить экспериментально работу схемы, если установить

тать в

составляет

в нее конденсатор емкостью 1000 мкФ и резистор 1 МОм переключаться примерно каждые 15 мин. Для удобства но

установить

на выходе

-

выход должен

слежения мож¬

1Гвых светодиод.

Недостатков у такой схемы два: во-первых, нерегулируемый меандр на импульса (т. е. состояния высокого уровня) и па¬ узы (состояния уровня) у которого могут быть не равны между собой из-за несимметричности и разброса величин верхнего и нижнего порогов. Во-вторых, микросхема с триггерами Шмитта содержит их аж выходе, длительности

низкого

Глава 6. Генераторы колебаний

127

шесть штук, и даже если использовать второй под буферный элемент, то все равно останется слишком много незадействованных выводов не¬ -

и

красиво

громоздко!

Генератор

на логических

инверторах

Первый недостаток в значительной мере устраняется, если использо¬ вать вместо триггера Шмитта обычные инверторы. Правда, в них ги¬ стерезис нужно вводить искусственно,

но его

пороги

будут

более

четко

определены.

Соответствующая генераторе

ОУ

на

схема показана на

(см. Эксперимент 20), при

навливается какое-то из

первого

входе

(выв. 2) (выв. 4)

рис. 6.36. В этой схеме,

двух состояний.

включении питания

Предположим,

(выв. 3) будет низкий уровень, высокий, на второго элемента (выв. 5) -

низкий.

уста¬

что сначала на

элемента

и входе

как и в

на его выходе выходе схемы

Конденсатор С, заряжается уровня через резистор R,. Напряжение на конденсаторе через резистор R2 (или про¬ сто напрямую резистор обозначен пунктиром, так как может и отсут¬ ствовать, см. «Подробности» далее) подается на вход первого элемента. -

от высокого

-

Когда

порога переключения первого элемента, вся схема первого элемента входе второго (выв. 2 и 5) становится низкий уровень, на выходе всей схемы высокий. На входе первого элемента (выв. 3) при этом напряжение на заряжен¬ ном конденсаторе С5 добавляется к этому высокому уровню, обеспечи¬ вая напряжение даже выше напряжения питания и ускоряя процесс переключения. Конденсатор С: теперь через резистор Rt начинает раз¬ ряжаться, пока напряжение на нем снова не достигнет порога переклю¬ чения первого элемента, и далее процесс повторяется снова и снова. оно достигнет

скачком меняет состояние: на выходе

-

-

Такой генератор выдает меандр длительности высоких и низких но зависит от

напряжения

с очень

уровней,

питания.

близкими

соотношениями

но частота его довольно силь¬

Для КМОП-микросхем серии 4000,

напомним, питание может меняться в широких пределах от 3 до 15-18 В.

При

подключении достаточно мощной нагрузки, «сажающей» выход,

необходим дополнительный буферный показан). Если можно ограничиться питанием 5 В,

как и для предыдущего случая, элемент то

(на

схеме не

подойдет микросхема 74АС04

лишних выводов

(см. разводку

в

-

удобнее,

она

приложении 2)

мощный выход, в большинстве случаев при подключении нагрузки.

не

так как не

и имеет

содержит гораздо более

требующий буферного усили¬

теля

Подробности Адля

чего на схеме

Этот резистор

в

присутствует резистор

работе схемы

оградить выводы

R2, ктомуже показанный пунктиром?

почти не участвует и нужен только для того, чтобы

микросхемы

от перегрузки током

заряда

и разряда конден-

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

128

сатора Сг Величина /?2 может изменяться от сотен ом до нескольких килоом при условии, что он много меньше /?г В большинстве практических случаев при 5-вольтовом питании его можно и вообще исключить из схемы: необходим R2 только при больших значениях емкости конденсатора висимости от сопротивления

резистора)

и

(более 10-50 мкФ,

в за¬

при напряжениях питания выше 7-9 В.

Период работы схемы можно подсчитать по формуле Т 2 Rt Cv Схема устойчиво работает при величине сопротивления резистора R, «

10 МОм,

от нескольких килоом до

что составляет

достаточный диапазон

для того, чтобы избежать искушения при малых частотах использовать электролитические конденсаторы.

Генератор

с

управляющими входами

На практике подобные генераторы ментах «И-НЕ» или «ИЛИ-HE» ечественные

каждого

(микросхемы CD4011,

CD4001

К561ЛЕ5, К561ЛА7). Если у

них соединить пары входов то собой, между получим простые инверторы, как 6.36. Таких в элементов рис. корпусе всего по четыре штуки,

же один из оставшихся можно использовать, как

тому

или от¬

элемента

и в схеме на к

чаще делают на двухвходовых эле¬

буфер

для за¬

щиты выхода, поэтому сразу снижается избыточность.

Однако,

если

ли их как-то

у

таких элементов есть дополнительные входы, нельзя

применить

в

пользой для дела?

Нередко возникает потреб¬

генерацию время при этом обеспечить опреде¬ ленный логический уровень на выходе генератора. Эти задачи как раз ность остановить

и

решаются

при

рис. б.Зв. Высокий уровень

«ИЛИ-HE»

этих

и

с помощью дополнительных входов.

ма показана на входе

на

Соответствующая

на входе

«И-НЕ»

схе¬

и низкий на

разрешающими уровнями, следовательно, управляющих входах наша схема будет функци¬ бы входы элемента были объединены. При запре¬

являются

уровнях

на

онировать, как если щающих же уровнях на входе уровень на выходе будет устанавливаться так, как если бы никаких RC-цепочек не существовало: на выходе схемы с использованием

«И-НЕ»

(CD4011) установится высокий уровень, на «ИЛИ-HE» (CD4001) низкий уровень.

выходе схемы с использованием

-

Это позволяет тонко манипулировать уровнями

привлекая дополнительных

не

в логических схемах,

элементов.

того, как можно использовать управляющие входы, приве¬ на ден рис. 6.4. Это схема генератора прерывистых звуковых колебаний, причем здесь два генератора умещаются в одном 14-выводном корпусе.

Пример

Схема

выдает сигнал около 1500

если на

кнуть

Гц

управляющий вход (выв. 1)

контакты кнопки

генератора

Кг). При

своим высоким

с

периодом повторения

около

подать сигнал высокого уровня

этом сигнал

0,5 Гц

с выхода

уровнем каждые полсекунды

0,5

с,

(зам¬

первого

включает гене¬

Глава 6.

Генераторы колебаний

129

частоты через управляющий вход второго генератора Если то вход (выв. 1) (выв. 9). нужна непрерывная работа, управляющий объединяют со вторым входом того же элемента (выв. 2). В качестве ис¬

рацию звуковой

звука здесь

точника

(ЗИ). С

использован

ЗП-5

пьезозвонком

пьезоэлектрический звукоизлучатель

схема может

тания

5 В.

типов

подобных звукоизлучателей,

рабочую

Рабочую

частоту

работать

при напряжении пи¬ 3 кГц. Для других

можно менять от 1 до

возможно,

потребуется подобрать

частоту, чтобы обеспечить достаточную громкость.

Рис. 6.4. Управляемый генератор прерывистого звука Если

нужен более

громкий звук, то к выходу можно подключить ключевой транзисторный усилитель (рис. 4.1), в качестве нагрузки к ко¬ вам

торому подключен обычный динамик как

с

сопротивлением 8-32 Ом. Так нагрузки прямо в коллек¬

этом динамик включается в качестве

при тор транзистора (использовать разделительные конденсаторы, как это было сделано в главе 5, в логических схемах неудобно), то важно обе¬ спечить, чтобы в паузах через него не пошел постоянный ток (пьезо¬ при

низком

кросхемы),

боятся). В данной схеме это обеспечивается тем, что (запрещающем) сигнале на управляющем входе (выв. 1 ми¬

его не

излучатели

а также в

промежутках между звукоимпульсами 1500 Гц

(выв. 11) будет транзистор. выходе

низкий уровень,

на

который закроет усилительный

130

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

Подробности При подключении с такой

к выходу такого генератора достаточно мощного усилителя

как динамик (электродинамический громкого¬ воритель), обладающей собственной индуктивностью, следует поберечь схе¬ му от помех, которые могу просочиться по шине питания. Обычно для этого

капризной нагрузкой,

между усилителем и питанием микросхемы устанавливают развязывающие LCфильтры. Но проще и удобнее генератор и выходной усилитель с динамиком питать от разных источников.Усилитель с динамиком можно питать от более вы¬

нестабилизированного напряжения питания 7-12 В (чем выше напряжение, звук), и это же напряжение использовать в качестве входного для маломощного стабилизатора 5 В, от которого питается микросхе¬ ма генератора (подробнее см. главу 11).

сокого, причем

тем громче

Задания 1.

генераторов по рис. 6.3а и 6.36. Сравните частоты генераторов при одинаковых параметрах времязадающих компо¬

Соберите

схемы

Cj). Проверьте формулы для расчета частот при не¬ R2 и Сг Соберите управляемый генератор по схеме 6.3. Проверьте его ра¬ боту и уровень напряжения на выходе при различных комбинаци¬

нентов

(Rj

и

скольких сочетаниях значений

2.

управляющих сигналов. Соберите схему управляемой «пищалки» по рис. 6.4. Проверьте уровень напряжения на выходе в отключенном состоянии и работу ях

3.

схемы.

Эксперимент 22. Генератор и одновибратор на

таймере

555

Материалы и оборудование: любым выходным напряжением в пределах В 5-12 (сетевой адаптер или лабораторный блок питания); микросхема 555 любого изготовителя (например, NE555 фирмы источник питания с

ST

Microelectronics);

резисторы (0,25 Вт) 1 кОм (2 шт), 10 кОм;

керамический конденсатор кнопка

мультиметр

Микросхему 555 значение

-

1 мкФ;

замыкающая; с

функцией

измерения

частоты или

осциллограф.

обычно называют

таймером, так как основное ее на¬ генерация импульсов. Правильнее ее было бы называть «пре¬

цизионным триггером Шмитта», связана с теми же

так как основная ее

функциональность

особенностями, что у разбиравшегося ранее обычного

Глава 6. Генераторы колебаний

131

триггера Шмитта. Это прежде всего наличие встроенного гистерезиса, причем здесь нижний и верхний пороги могут быть заданы очень точ¬ но, отчего и

добавка «прецизионный»

к названию.

Подробности Необычное

«555» ведет

Signetics, выпустившей эту микросхему впервые в 1971 году. Очень быстро после своего появления микросхема 555 приобрела необычайную популярность: авторы [5] название

свое происхождение от компании

в 1979 году свидетельствовали, что для нее было придумано более 500 при¬

Такая любовь была обусловлена, во-первых, грамотным маркетингом компании Signetics микросхема продавалась по беспрецедентно низкой для своего времени цене в 75 центов. Во-вторых, из-за точного задания порогов срабатывания стабильность базовой схемы генератора на 555, приведенной далее, примерно в 10 раз выше, чем у любой из схем на КМОП-логике из рас¬ смотренных в предыдущем разделе. Точность поддержания частоты не хуже менений.

-

1-3 % во всем диапазоне допустимого напряжения питания, составляющего от

4,5 до 16 В

для классического варианта вроде NE555

(отечественная вер¬

2 до 18 В для КМОП-версии (ICM7555, 555 КР1441ВИ1). Современные версии декларируют температурную стабиль¬ ность кристалла на редком для полупроводниковых схем уровне 0,005 % / °С сия КР1006ВИ1

(лучший

-

от 3 до 15

и от

показатель характерен разве что для микросхем прецизионных ис¬

точников опорного

Следует

В)

напряжения).

еще учесть, что все версии микросхемы 555 традиционно

обладают

100 до 200 мА, что позволяет напрямую подключать обмотки даже малогабаритных реле. Такая стабильность и неприхотливость в 1970-е годы была очень существенным фактором в пользу применения 555. Однако в настоящее время при дешевых кварцевых резонаторах получение очень точных значений частоты доступно каждому, а в большинстве остальных мощным выходом

-

от

применений между разбросом в 10 % и разбросом в 1 % разницы нет почти никакой.Тем более что под высокие показатели микросхемы 555 еще надо по¬ догнать параметры остальных компонентов, а это не такая простая задача, как кажется

(см. раздел

главы 3 «О

выборе конденсаторов»).

При выборе из множества по видимости одинаковых клонов 555 следует учесть, что даже одна и та же фирма может выпускать существенно различающиеся по своим свойствам микросхемы таймера: есть модели с микромощным потребле¬ нием (от 50 мкА), скоростные (до единиц мегагерц) и достаточно медленные (до 100 кГц), с мощным выходом (до 200 мА) и с обычным, с разными показате¬ лями стабильности и т. д. Среди всех этих разновидностей попадаются модели они требуют установки «подтягивающе¬ с открытым коллектором на выходе го» резистора между выходом и питанием. Потому в общем случае модель под -

вашу задачу выбирать следует очень тщательно.

Кроме высокой стабильности и мощного выхода, в остальном микро¬ схема 555 не слишком удобна. У нее отсутствует возможность инверсии выхода, схемы устройств существенно усложнены в сравнении даже с генераторами на логических инверторах (рис. 6.36 и в), не говоря уж об оригинальном триггере Шмитта (рис. б.Зя), расчетные формулы до¬

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

132

громоздкие и неудобны для проведения быстрых прикидочных расчетов в уме. Неприятным свойством генераторов на основе этой ми¬ установить кросхемы является несимметричность выходного сигнала и высокого низкого длительностей здесь равенство уровней принци¬ вольно

-

пиально невозможно.

Однако

она до сих

пор выпускается

множеством

различных фирм и остается довольно популярной, особенно в люби¬ тельской среде, поэтому обойти ее вниманием было бы неправильно.

Рис. 6.5. Устройства

Стандартная

ра)

на основе

схема

таймера

включения питания

падающего

на

микросхеме 555:

а

-

генератор; б-

одновибратор

автоколебательного генератора (мультивибрато¬ 555 показана на рис. 6.5а. В первый момент после

фронта на вывод

Cj

разряжен, что равносильно подаче запуска 2, т. е. началу отсчета. Конденсатор

конденсатор

и заряжается через пару резисторов Rj. В момент, когда на выводе 6 установки порога превышается уровень 2/3 Unitj/ на выходе появляется

низкий

R2

и

уровень,

а

открывшийся

пряжение

конденсатор

начинает

разряжаться через резистор

7. В момент, когда на выводе 2 на¬ выходе появляется высокий уровень,

на «землю» вывод

снижается до

1/3 Unm,

на

разрядный вывод 7 запирается, конденсатор вновь начинает заряжаться, и все возвращается к исходному состоянию. Возникает автоколебатель¬ ный режим, при котором напряжение на конденсаторе принимает вид

пилообразных

колебаний между

значениями

1/3

и

2/3

Ипит,

а на выходе

несимметричный меандр, котором длительность импульса Тв превышает длительность паузы Тн (этот факт отражен на рис. 6.5а). Соотношения, определяющие длительности этих импульсов, зави¬ имеется

в

R: и R2: высокого уровня Тв 0,7 (R^+R2) Cv низкого Тн 0,7 R2C1 (приводимую в документации теоретически рассчитанную величину коэффициента, равную 0,693, мы позволим себе округлить сят от =

резисторов

=

Глава 6. Генераторы колебаний

Итого период Т

133

Тв+ Тн 0,7 (R+2R2) Cv а частота колебаний, соответственно, равна обратной величине. Иными словами, если вы со¬ берете схему с резисторами Rj и сопротивлением по 1 кОм и кон¬

до

0,7).

денсатором

1,4

=

емкостью 1

мс, низкого

-

0,7

=

мкФ,

мс,

то длительность высокого

суммарный период

соответственно, немного не дотягивает до 500

уровня

2,1

составит

составит

мс, а частота,

Гц. Рекомендуемый

пазон величины резисторов и конденсатора зависит от модели

диа¬

таймера,

среднем для резисторов может быть от 1 кОм до единиц мегаом, конденсатора от 1 нФ примерно до нескольких сотен микрофарад. Из соотношений для Г и Тн следует, что для приближения к симме¬ тричному меандру с равными длительностями импульса и паузы (т. е. к скважности импульсов, равной 2) можно попробовать уменьшать но в а

-

значение

Rl

относительно

Rr

Но

беспредельно делать

это, естественно,

нельзя: резистор Rj ограничивает ток от источника питания через крытый вывод 7 во второй части периода. Потому правильный путь

от¬ ис¬

правления несимметричности колебания состоит не в увеличении соот¬ RJRV а во введении в схему особым образом ориентированных

ношения

диодов,

что

выполнение такой простой задачи до совсем уж степени, так что на этом мы здесь останавливаться не ста¬

усложняет

неприличной

нем. Выключать процесс генерации можно вывод

4

подачей

низкого

уровня

на

(Reset).

Более интересным с практической точки зрения будет применение таймера 555 в качестве прецизионного одновибратора, т. е. таймера в

прямом

смысле слова.

Одновибратором

называют

устройство,

кото¬

внешнему сигналу выдает один-единственный импульс опреде¬ рое ленной длительности, не зависящей от длительности входного импуль¬ са. В некоторых современных текстах, посвященных одновибраторам, по

можно

встретить

их под названием

«моностабильный

мультивибратор»,

представляющим собой кальку соответствующего английского термина. Стоит иметь в виду, что одновибратор, моностабильный мультивибра¬

ждущий мультивибратор это все одно и то же устройство. Рекомендуемая схема одновибратора на микросхеме 555 показана на 6.56. Отличается она от предыдущей схемы другим подключением вхо¬

тор

и

-

запуска (выв. 2) и разряда (выв. 7), а также наличием только резистора. В начальном состоянии, как и в схеме генератора, на

дов

низкий

одного

выходе

VTj открыт, конденсатор С, разряжен. При фронта на вывод 2 триггер переключается, на выходе

уровень, транзистор

подаче падающего

устанавливается высокий уровень

зарядится до порога

тор дит

в исходное состояние и ждет

в

и длится до тех

2/3 напряжения

не

пор,

пока конденса¬

питания.

Схема прихо¬

следующего запускающего импульса. Длительность импульса на выходе примерно равна 1,1 Rt Сг Отметим, что продлевать действие низкого уровня на входе сверх заданной дли¬ тельности импульса нельзя, что, на взгляд автора этой книги, является

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

134

крупнейшим

таймеров на

недостатком

основе

555,

не позволяющим их

без дополнительных

ухищрений (вроде дифферен¬ цирующей цепочки, выделяющей задний фронт, как это рекомендует¬ ся в документации). Подобно генераторам, существует много разнообразных схем одновибраторов на основе КМОП-логики, более удобных с практической точки зрения (подробности см. [4]). Достоинство данной схемы только включать каскадно

в том, что она нениям

и одинаково

температуры

Однако

питания. ным

теоретически гораздо стабильнее

выбором

му, особенно

эта

типа

на

стабильность

конденсатора,

практически

работает

по отношению к изме¬

при разных напряжениях быть нарушена невер¬

легко может

что

представляет серьезную

востребованных

пробле¬

длительностях порядка

секунды и более.

Подробности Отметим, что

рассмотренная схема относится к одновибраторам без переза¬ пуска, как и большинство других распространенных схем, которые вы можете встретить в интернете и в литературе. Это означает, что приход новых импуль¬ сов до окончания выдержки времени никак на схему не повлияет. Однако су¬ ществуют и одновибраторы с перезапуском, когда новые входные импульсы во время выдержки поддерживают процесс, как вая импульсу на выходе закончиться. сложнее

обычных,

но тоже бывают

бы

начиная отсчет заново и не да¬

Одновибраторы с перезапуском устроены

необходимы

на практике. Простой пример представляет устройство автоматического включения освещения: свет не дол¬

жен выключаться, пока отдатчика присутствия

людей

в помещении поступают

строить самостоятельно нецелесообразно существует готовая микросхема CD4098, работающая при питании от 3 до 20 В (отечественный аналог 561АГ1). Микросхема универсаль¬ ная она позволяет строить все виды одновибраторов и мультивибраторов, импульсы.

Одновибраторы

с перезапуском чаще всего

-

-

с запуском и остановкой по

На микросхеме 555,

любым фронтам

как мы

разнообразных генераторы, формирователи

даже

источники

любой полярностью выхода.

уже упоминали,

шое количество

ные

и с

можно

схемотехнических

ШИМ-сигналов

построить боль¬ -

узлов

разнообраз¬

импульсов, устройства задержки,

и т. д.

Но

в

подавляющем большинстве

случаев для этих схем можно найти более удобный и функциональный аналог на другой элементной базе. С некоторыми из них мы столкнемся далее

(для примера

см.

схему рис. 7.1

из

Эксперимента 26).

Задания 1.

генератор импульсов по схеме рис. 6.5я. Оцените му импульсов на выходе. Оцените точность расчета частоты

Соберите мощью

приведенной формулы. Попробуйте

длительностей

высокого и низкого

фор¬ с по¬

менять соотношение

уровня (скважность

импульсов),

Глава 6.

Генераторы

колебаний

135

меняя сопротивление резистора

Rr Оцените влияние соотношения

выходную частоту и при наличии осцилло¬ R/R-, на форму сигнала на графа конденсаторе (выв. 2 и 6 микросхемы). Соберите одновибратор по схеме рис. 6.5а. Проверьте работу и оце¬ на

резисторов

-

-

2.

ните точность

ной

расчета времени выходного импульса

по

приведен¬

формуле.

Гармонические генераторы Гармонические генераторы обычно ассоциируются сигнала.

Но это

формой тор легко приводится в столько, что

синус на выходе искажается на¬ прямоугольник или трапецию. Например,

состояние, когда

превращается

рассмотренный

с синусоидальной всеобщее правило: гармонический генера¬

не

в конце

в

этой главы

кварцевый генератор

в

цифровых

широко используется для получения стабильных прямоуголь¬ импульсов. Здесь мы будем рассматривать гармонические генера¬

схемах ных

торы

только для

получения синусоидального сигнала. синусоидальных колебаний вам могут понадобиться для

Генераторы схем усилителей,

отладки

они полезны при

о

которых

мы

говорили

в главе

5.

Кроме того,

настройке электронных музыкальных инструментов,

аналоговых фильтров, испытания динамиков и других звукоизлучателей, охранных систем и прочих устройств, связанных с использовани¬ ем звука. В этом качестве генераторы чистых синусоидальных сигналов

предпочтительнее, чем простые генераторы прямоугольного меандра, рассмотренные выше, а в некоторых задачах и незаменимы.

Подробности Перечитайте тра сигнала

в книге Р.А.Свореня [1] раздел, рассказывающий (глава 7; 13), а также разделы главы 8; 13-14 о

о понятии спек¬ нелинейных ис¬

(их легко прямоугольный сигнал,

кажениях. Из изучения картинок спектров различных сигналов

найти

интернете) полу¬ чаемый с простых генераторов, описанных в предыдущих экспериментах, от синусоидального сигнала. В спектре симметричного меандра, подобного по¬ в

несложно понять, чем отличается

казанному на рис.

6.2, вверху, содержатся

только частоты неприятных на слух

нечетных гармоник,тогда как в спектре различных вариантов синусоидальных

«прямоугольный» звук имеет неесте¬ в профессиональ¬ ных электронных музыкальных инструментах и синтезаторах (см. главу 14 книги Р. А. Свореня [1] и главу 8 этой книги) часто стараются форму сигнала привести к синусоидальной, хотя это получается далеко не всегда.

сигналов доминируют четные. От этого

ственный, «синтетический» характер звучания. В частности,

Генераторы

достаточно чистого синуса сложнее по

устройству

и

в

генераторы прямоугольника. Здесь нужно выдерживать фаз и амплитуд сигналов в разных точках схемы. пытаются Иногда синус имитировать, пропуская сигнал прямоуголь¬ наладке, чем

точные соотношения

136

ной

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

или

треугольной формы через фильтры

самые

неприятные полумеры, годящиеся для

резает

на

слух

самых

высшие

низкой частоты, что

гармоники,

примитивных

и

от¬

но это только

дешевых

решений.

Отметим,

буется:

кстати, что иногда более хороших решений искать и не тре¬ если, например, задача звукового сигнала состоит в том, чтобы

привлечь внимание, то чем неприятнее он на слух, тем, очевидно,

лучше.

будет Потому не стоит городить генератор синуса для устройств вроде

электронной сирены или кухонного таймера. Мы не будем здесь подробно рассматривать условия для устойчивой синуса. В применении

ге¬

LC-генераторам Свореня [1]. Идея со¬ часть сигнала с выхода на вход стоит в том, чтобы через обратную передать связь таким образом, чтобы выходной сигнал складывался со входным, поддерживая незатухающие колебания. Коэффициент обратной связи (т. е. передаваемую обратно долю выходного сигнала) при этом следует отрегулировать так, чтобы получить неискаженную форму синусоидаль¬ ного напряжения на выходе. Для этого нужно, чтобы общий коэффици¬ ент передачи со входа на выход с учетом обратной связи был строго равен единице (условие баланса амплитуд, Р. А. Сворень называл его «условие связи»). Кроме того, суммарный поворот фазы по прямому и обратному каналам должен быть равен нулю, или, что то же самое, 360° (условие ба¬ ланса фаз, Р. А. Сворень называл его «условие фаз» оно означает, что об¬ связь положительная). Эти ратная требования можно соблюсти разными путями например, включая в отрицательную обратную связь с нужным коэффициентом передачи частотно-зависимые звенья с поворотом фазы на 180° на нужной частоте. Или используя комбинацию положительной и отрицательной обратных связей таким образом, чтобы совместить нуж¬ ное усиление с нужным поворотом фазы на заданной частоте. нерации

неискаженного

статочно

подробно

изложены в главе 11 книги

они до¬

к

Р. А.

-

-

Подробности Если не соблюсти условие баланса амплитуд (т. е. если

коэффициент переда¬

больше единицы) при соблюдении условия фаз, то колебания не исчезнут, а будут стремиться к прямоугольной форме. Такое состояние получить гораздо проще. Большинство естественно возникающих колебаний именно так и полу¬ чи

чается:

самовозбуждение усилителей тому пример. Системы автоматического (см. «Практикум» к главе 15 книги Р. А. Свореня [1]), как и лю¬

регулирования

бые системы с обратной связью, также могут приходить в состояние самовоз¬ буждения, для чего достаточно обеспечить условие фаз. Скажем, описанный там автоматический выключатель освещения легко привести в колебательный режим, если просто замкнуть вход

на выход: заставить управляемой лампочке (или просто уменьшить зону гистерезиса). Другой всем известный пример микрофонный эффект,т. е. нарастающий свист или гудение в динамиках, если звук из них попадает обратно в микрофон. При проектирова¬ нии регуляторов и усилителей с этим явлением приходится бороться.

светить прямо в датчик -

На звуковых но

-

137

Генераторы колебаний

Глава 6.

частотах

строить

LC-генераторы

индуктивности получаются громоздкими

нецелесообраз¬

синуса и

а

дорогими,

их ха¬

рактеристики далекими от идеала. Не встретите вы и низкочастотные кварцевые генераторы. Аналоговые генераторы на низких частотах де¬

При этом общим правилом для всех ге¬ необходимость очень тщательного подбора

лаются на основе RC-звеньев. нераторов синуса является компонентов

-

ления и емкости

совершенно

компонентов в схеме, тем

одно

1%-ной

требование

так называемого моста

их

подобрать.

решений

Вина,

задачу генерации синуса ной цифровой техники.

не исключительное.

проще

из самых компактных

точности номинального

а потом

можно

сопротив¬

Потому чем

на основе

-

вариант генератора узнаем,

решить

меньше

Мы рассмотрим далее

образом

каким

с использованием

сложную

современ¬

Эксперимент 23. Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Материалы

и

Вина

оборудование:

два источника питания с выходным напряжением в пределах 9-12 В (сетевые адаптеры или лабораторный блок питания);

микросхема сдвоенного ОУ ственную К140УД20, а также нения с

граничной частотой ±12 В);

рА747 (можно заменить на отече¬ на любую пару ОУ общего приме¬ не менее

0,5 МГц

и

двухполярным

питанием до

допуском 1 % 1 кОм (2 шт.); 7,5 кОм, 10 кОм, 20 кОм, 1 МОм; резисторы (0,25 Вт) переменные резисторы 22 кОм, 1 МОм;

резисторы (0,25 Вт)

с

керамические конденсаторы 1,0 мкФ, 0,1 мкФ, 10 нФ (по 2 шт.,

добрать диод

по

равенству

импульсный

новления не

1N4148

заменить на

мультиметр

Возможно, ста

Вина

вам

изобрел

(или

с

с

временем

восста¬

и и-каналом

2N5457

с

любой аналогичный маломощный);

функцией

измерения

частоты или

осциллограф.

будет в

звуковых

дуктом этой

по¬

%);

аналогичный

ри-переходом (J-FET)

интересно узнать, что генератор на основе мо¬ 1939 году Уильям Хьюлетт, один их основателей

всемирно известной корпорации

генератор

1

более 5-10 не);

транзистор полевой

(можно

с точностью

«Хьюлетт-Паккард». Прецизионный

частот с малыми искажениями

фирмы. Генератор

синуса

был первым про¬ Вина относится

на основе моста

138

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

ко второму типу гармонических генераторов

обратной Рассмотрим свойства

новидности из

в

Rj

он

использует обе раз¬

связи.

двух RC-звеньев,

другом

-

и

С2

моста

(рис. 6.6) подробнее. Он состоит R1 и Сг включены последовательно,

Вина

в одном из них

параллельно. Во

всех

практических случаях примене¬

Вина принимается, что сопротивления, а также емкости рав¬ между собой, т. е. Rj R2 R и Cj= С2= С. Для переменного напряже¬

ния моста ны

=

=

образует делитель. При одной определенной частоте (она квазирезонансной) этот делитель имеет максимальный ко¬ эффициент передачи, равный ровно 1/3, и при этом сдвиг фаз, равный нулю. Легко сообразить, что это условие наступает при равенстве ак¬ тивного и емкостного сопротивлений R и хс 1/2тг/С. Если мы уходим от ния

Ubx

мост

называется

=

в

высоких частот, то

равенства сторону сопротивление конденсатора

С2

стремящееся

снижает

снижении частоты он также снижается

сопротивления конденсатора

С|

-

к

нулю

коэффициент

емкостное

передачи.

При

увеличения емкостного проверить эти утверждения

из-за

можете

расчетами.

Рис. 6.6. Схема

моста Вина

Отсюда квазирезонасную частоту можно рассчитать по формуле: /= 1/27ТRC. При указанных на схеме величинах она будет равна пример¬ но 1,5 кГц. Если мы теперь включим такой мост между выходом и поло¬ жительным входом

операционного усилителя, то останется довести об¬ усиления до 1, чтобы получить колебания. Так как

коэффициент коэффициент передачи щий

должен

составить

моста

ровно 3, ровно 2 (так

равен 1/3,

то

коэффициент усиления ОУ

резисторов в отрицательной усилитель относительно сигнала мо¬

а соотношение

обратной ста неинвертирующий). При уменьшении коэффициента усиления связи

ниже

-

как

3 генерация срывается, причем эксперименты показывают,

что

Глава 6. Генераторы колебаний

139

достаточно снизить его всего на

фициента сторону

-

охотно

усиления генерация вместо

но

синуса схема рис. 6.2я.

генератору на Соблюсти столь

тов, конечно,

добранные

срывается

в

противоположную меандр, подоб¬

начинает выдавать почти

требования простым подбором компонен¬ невозможно. При изменении температуры с трудом по¬ тонкие

параметры тут

же

«уйдут»,

сигнала, в худшем

формы того Для работать. искажения

точно на

0,8 %. При малейшем увеличении коэф¬

чтобы

и в -

лучшем случае начнутся

генератор

вовсе

перестанет

стабилизировать коэффициент усиления ООС применяют нелинейные образом, чтобы при малых амплитудах

необходимом уровне,

в цепи

элементы, настроенные усиление было больше необходимого таким

и падало по

мере увеличения

амплитуды. Один из подобных генераторов на основе моста Вина рассмотрен в «Практикуме» к главе 11 книги Р. А. Свореня [1]. В нем в качестве ста¬

билизующего

элемента

использовано

висимое

сопротивление подобной стабилизации линейный

термистор. -

в

полупроводниковое термоза¬ и другие способы

Существуют

-

принципе, для

этого годится

элемент с зависимостью

любой

от

не¬ или

проводимости напряжения проходящего тока, причем даже неважно, в какую сторону умень¬ шения или У с падает увеличения. термистора сопротивление увели¬ чением напряжения (точнее, выделяющейся мощности), поэтому его ставят в обратную связь между выходом и входом, и по мере нагрева он -

коэффициент усиления

снижает.

с лампочкой накаливания

схему личивается, потому тронами

стоимости,

ходе,

Из

из

классическую

сопротивление с нагревом уве¬ обратную связь между входом и землей у

схема с диодами или

стабили¬

связи

удобства настройки, уровня достижимых искажений на вы¬

стабильности

и т. д.

разнообразия в дополнение к схеме, приведенной Свореня, мы покажем еще одну популярную схему стабилизацией на полевом транзисторе (рис. 6.7). Она потребляет всего этого

в книге со

вы можете найти

нее

(также установленными между входом и вы¬ подобных схем имеет свои плюсы и минусы в плане

обратной

ходом). Каждая

[5]

Есть распространенная

с той же целью. в

ее ставят в

В

-

ток

Р. А.

-

гораздо меньший,

призна

в

настройке,

искажений

чем схема с лампочкой накаливания, не так ка¬

как диодная схема, и не

температуры, как схема с генератор собран на первом ОУ (элемент DA1.1), второй усилитель включен повторителем сигнала с вывода потенциометра R7 с его по¬ сти

от

подвержена зависимо¬ термистором. Собственно -

мощью можно

устанавливать уровень

сигнала на выходе.

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

140

Рис. 6.7. Схема генератора

на основе моста

Вина

Генератор сравнительно просто настраивается подбором резистора (R6) в обратной связи и смещения на затворе полевого транзистора УТг (потенциометр R4) до получения неискаженного сигнала во всем диапа¬ зоне частот. Обратите внимание на полярность подключения диода и в

рабочем

С3

затворе полевого транзистора с рп-переходом режиме должно быть отрицательное смещение относитель¬

конденсатора

Здесь

-

на

образуется детектированием и последующим сгла¬ живанием с помощью конденсатора С3 отрицательной полуволны вы¬ ходного синуса. Причем постоянная времени сглаживающего фильтра но истока.

оно

должна быть много больше периода сигнала, что здесь обеспечивается Если и высоким большой емкостью конденсатора сопротивлением

Ry

С3

мы

переборщили

и

сигнал

при

каких-то

условиях

начинает

дрожать

то

следует уменьшить сопротивление этого резистора. У приведенной на рис. 6.7 схемы есть несколько положительных ка¬

или

дергаться,

честв.

Схема

устойчива в широком диапазо¬ напряжений (тут, правда, многое зависит от применен-

не

не питающих

капризна

и достаточно

Глава 6. Генераторы колебаний

нога типа моста

Самым неприятным свойством любых

ОУ).

Вина

141

является

резисторов (RfRJ

необходимость точной

и емкости

схем на основе

сопротивлений Точнее, это главе 11 книги [1]

подгонки

(Сг-С2)

конденсаторов

моста.

требование (в «Практикуме» к справедливо указано, что теоретически соблюдать точное равенство не¬ обязательно). Однако, это касается только случая одной фиксирован¬ предпочтительное

ной частоты: при существенном неравенстве после переключения на другую частоту «уплывет» значение коэффициента деления от макси¬ мальной величины

1/3,

метры отрицательной

а значит,

придется

обратной

опять подгонять заново

пара¬

связи, в том числе смещение полевого

транзистора. Иными словами, выдержать значение амплитуды и неис¬

форму сигнала при перестройке частоты будет значительно Потому для реальных конструкций оптимально, если компо¬

каженную сложнее.

ненты во всех диапазонах подогнаны не хуже, чем с допуском 1 %. Чтобы обеспечить перестройку частоты, нужно менять одновремен¬ но или оба резистора моста, или оба конденсатора.

Про

сдвоенные пе¬

найдете, то только для забудьте диапазона радиочастот. Причем постоянные резисторы несложно при¬ обрести даже с более высокой точностью, чем необходимо, а вот пары -

ременные конденсаторы

одинаковых конденсаторов ком диапазоне

пазона.

не так

если вы их и

уж просто найти, особенно

емкостей, требующихся

ряде диапазонов

чение

между

сдвоенных

широ¬

для охвата всего звукового диа¬

конденсаторы для каждого диапазона придется отби¬

Потому

рать парами индивидуально. Оптимально сделать генератор в

в

с

с

фиксированным набором частот конденсаторов. Переклю¬

емкостями

различными внутри диапазона обеспечивается

частотами

с помощью

переключателей, коммутирующих резисторов. Например, три типа пар конденсаторов, 10 раз (например, 1,0 мкФ, 0,1 мкФ, 10 нФ), и наборы выбранных в пределах 510 Ом 5,6 кОм, обеспечат

многопозиционных

постоянных

пары отличающихся

в

-

пар резисторов,

три перекрывающихся диапазона примерно 28-310 Гц, 280 Гц и

2,8-31 кГц. Проверьте устойчивую работы

схемы

при

-

3,1 кГц

замене конден¬

в этих

саторов пределах. Питание схемы выбрано симметричным двухполярным ±9 до ±12 В. Его можно сделать точкой

Но

(мы уже

очень не

минуса выхода

10 В. В

его

этом

придется

выбирать

подбирать

настройке удастся устранить обойти

пределах от

размахом

от плюса до

сказываться «неидеальности»

специально и не

факт, что вам

при

искажения во всем диапазоне частот.

Давайте теперь рассмотрим, зволяет

питание с

случае начнут

в

с

искусственной средней вопросе в Эксперименте 20).

однополярным

останавливались на этом

рекомендуется

менее

ОУ,

и

как

все эти сложности,

современная цифровая техника по¬ привнося, однако, свои проблемы.

142

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

Задания 1.

Соберите частоту, ность

2.

схему генератора согласно рис. 6.7. пары конденсаторов

заменяя емкости

расчета

Проверьте, ка

20

частоты по

Попробуйте менять С] и С2. Оцените точ¬

приведенной формуле.

как повлияет на

работоспособность

попыт¬

генератора

установки пары резисторов с произвольным допуском %) при различных номиналах емкостей Cj и С2.

(10

или

Эксперимент 24. Генератор синусоиды на

микроконтроллере

Материалы и оборудование: два источника питания с выходным напряжением в пределах 9-12 В (сетевые адаптеры или блок питания);

лабораторный

контроллера Arduino Uno (можно Nano

плата

или

Mini)

с источ¬

ником питания;

19 резисторов 10 кОм номинал в диапазоне

с допуском 1 % (можно 5-50 кОм);

заменить на

микросхема сдвоенного ОУ

рА747 (можно заменить ственную К140УД20, а также на любую пару ОУ общего ния с

граничной ±12 В);

частотой не менее

0,5 МГц

и

любой

на

отече¬

примене¬

двуполярным

пита¬

нием до

резисторы (0,25 Вт) 20 кОм, 10 кОм (2 шт.); переменный резистор 220 кОм; керамические конденсаторы 100 пФ, 1 мкФ, 0,1 мкФ (2 шт.); мультиметр

Несмотря гических

с

функцией

на то что

измерения

микросхемах,

осциллограф.

Эксперименте 21 построены на ло¬ цифровыми они, конечно, не являются. Логи¬ используются просто как удобные аналоговые

генераторы

ческие элементы здесь

частоты или

в

усилители с предсказуемыми свойствами и простым управлением. Настоящий цифровой генератор построен совсем на других принци¬ пах он использует числовой синтез нужной на выходе кривой вычис¬ -

лительными методами. аналоговых

без

генераторов

каких-то

Такой метод -

упражнений

простой

намного

функциональнее любых формулы,

заменой вычислительной

с паяльником и печатными платами, мы мо¬

получить в принципе любую кривую, лишь бы хватало возмож¬ микроконтроллера. Кстати, генерировать различные тона в звуковом диапазоне и даже существенно выше его Arduino умеет прекрасно: для этого даже есть

жем

ностей

специальная

функция tone().

Но

это не что иное, как

аппаратно-про¬

Глава 6. Генераторы колебаний

143

граммный генератор прямоугольных импульсов, подобным тем, что мы получали в Экспериментах 21 и 22, в его основе лежит навороченный счетчик-делитель, позволяющий менять выходную частоту с шагом 1

(см. главу 10). Мы еще подробно остановимся А здесь,

как мы

на этих

Гц

в главе

вопросах

договорились, нужен настоящий синусоидальный

8.

сиг¬

нал, желательно с минимальными искажениями.

устройство под названием АЦП (ана¬ логово-цифровой преобразователь) оно входит составной частью во Вы,

несомненно, слышали про

-

многие современные микроконтроллеры,

ATmega328 преобразо¬ также еще будем

в том числе и в

основу Arduino. АЦП различной конструкции

-

занимаются

цифровой вид, и мы подробно рассматривать устройство (см. главу 9). А здесь нам нужна ровно обратная задача преобразовать некий ряд цифр в аналоговую форму. Этим занимаются устройства под названием ЦАП цифроанало¬ говые преобразователи. Пусть у нас есть формула или заранее вычисленная таблица значений ванием аналогового сигнала в их

-

-

синуса по всему периоду с некоторым заранее заданным шагом. Ранее, до появления карманных калькуляторов, в школах и для инженерных расчетов именно такие таблицы («Таблицы Брадиса») и использовали, их можно было приобрести в книжном магазине. На бумаге мы можем

построить

таблицы

график,

откладывая рассчитанное по

оговоренном масштабе

значение в

кривой.

На

вообще

никак не соединять

самом деле можно соединять точки

сами сольются в

Точно

при достаточно

прямыми

частом

непрерывную кривую. превратить

в

так же эти значения можно

довательность

уровней напряжения. в

ную задачу: построение величины которых заданы с

-

формуле или

Все

взятое из

плавной

и соединяя точки

ЦАП

линиями или они

размещении

непрерывную

после¬

выполняют единствен¬

масштабе уровней напряжения, Известный тем, кто уже сталкивался

заданном

числом.

Arduino, способ формирования

аналогового сигнала под названием

ШИМ

(широтно-импульсная модуляция) тоже относится к методам цифроаналогового преобразования (недаром соответствующая функ¬ ция называется analogWriteQ). Это одна из разновидностей так назы¬ ваемого

однобитного цифроаналогового преобразования

пряжения сигнала.

оказываются

Для

приходится

ное

-

можно

преобразователи

именно этим и занимаются.

звуковых

чается.

А

частот с

схема для

в том числе и

построить генератор постоянного

Но,

в

силу

8-разрядных микроконтроллеров Arduino, зон

на¬

пауз

преобразования в реальные уровни напряжения сигнал дополнительно пропускать через фильтр низкой частоты.

инверторы -

уровни

в длительности всплесков и

их

С помощью ШИМ все

закодированы

-

напряжения

в

невысоких возможностей

таким

способом

весь диапа¬

достаточной тщательностью перекрыть

получения

чистого

синуса:

перемен¬

синуса

в

не

полу¬ широком диапазоне

144

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

капризной в настройке, с неизбежным несущей частоты, которую невозможно сде¬

частот оказывается сложной и

просачиванием

на выход

лать достаточно высокой.

Поэтому

для получения качественных синусоидальных колебаний

в Arduino предпочтительно применять другие методы

-

параллель¬

Такие

ЦАП воспринимают цифроаналогового преобразования. сразу целый байт кода и немедленно формируют на выходе нужный уровень напряжения. Скорость преобразования лимитируется только ного

скоростью соответствующих схем,

формирующих

В микроконтроллерах это скорость

ЦАПа.

таблицы

ний из

в памяти

контроллеры

вполне

(рассчитывать

долго)

оказывается слишком

код на входе такого

извлечения

их

нужных

каждый раз

формуле 8-разрядные по

и подачи ее на выход, с чем

справляются.

значе¬

Параллельные ЦАП,

в

принципе,

работают быстрее последовательных, вроде ШИМ, но их недостатком является ошибка преобразования, очень быстро растущая по мере уве¬ личения

-

разрядности,

точность зависит от тщательности подгонки

сопротивлений резисторов, оказывается довольно наших

Для

целей

разование, которое иды

не

более 1/64

уже для 16 двоичных разрядов результат

дорогим.

вполне

имеет

~

и

подойдет 6-разрядное параллельное преоб¬

теоретическое

1,5 %. Если

отклонение сигнала от

хотите сделать

лучше, придется

ретать более высокоразрядный фирменный ЦАП, не изготовишь, а мы

обойдемся

самыми

синусо¬

приоб¬

так как на коленке его

простыми методами. Одним

из

распространенных параллельных инструментов преобразования коммутируемая матрица типа R-2R. Она позволяет с помощью всего двух номиналов резисторов, отличающихся ровно в два раза, пре¬ образовывать теоретически код любой разрядности. Принцип ее рабо¬ самых стала

6-разрядного кода показан на рис. 6.8. Установка в единицу какого-то разряда заставляет соответствующий вывод подключиться к напряжению установка в нулевое значение

ты для

Uon,

к «земле».

-

Для иллюстрации работы матрицы

с единственным

разрядом, установленным

в

на

рисунке -

единицу,

показан код

самым млад¬

Какое

будет напряжение 17вых? Для анализа работы цепочки рас¬ суждать можно следующим образом. Для начала представим себе, что шим.

все ключи

ключены

Они оба

замкнуты

Тогда

резистора 2R под¬ сумме сопротивление R.

нижние два

параллельно друг другу образуют очередь подключены последовательно и

в свою

вертикальной

резистором

в

в

дадут 2R

сумме

на «землю».

они

-

в

с

первым снизу

ветви, величина которого тоже

R,

а значит,

в схеме ничего не изменилось, только мы как

бы

ветвь.

удалили одну Если проделать

это до самого верхнего звена, то в конце получим Это значит, что, переключив верхний ключ 2R/2R. делитель просто

Глава 6. Генераторы колебаний

145

в единичное состояние, мы получим на выходе половину опорного на¬ пряжения что

тый

Uon. Спускаясь

второй

сверху

1/16,

пятый

-

вниз в

обратном

ключ дает на выходе -

1/32

и

гА

порядке,

от

мы

Uon, третий

последний, шестой,

-

обнаружим, -

1/8, четвер¬

1/64. Секрет

цепоч¬

ки R-2R в том, что для каждого ключа это происходит независимо от состояния остальных: в данном случае напряжение выхода будет 1/64 от и

Uon,

но если мы

третий

или

переведем

ключ, то на выходе

примерно 0,14

в единичное состояние,

например, еще

будет напряжение (1/8 +1/64) Uon, т.

Uon.

Рис. 6.8. Резистивная матрица R-2R

е.

9/64,

146

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

Рис. 6.9. Цифровой генератор синусоидальных колебаний

на основе

Arduino

и матрицы R-2R

На рис. 6.9 показана реализация генератора синусоидальных коле¬ баний на основе Arduino и R-2R матрицы в качестве ЦАП. Программа

Arduino

выставляет на выводах

D2-D7

6-разрядный двоичный код,

следовательно извлекаемый из заранее заготовленной мы

говорили, рассчитывать каждый раз

значение

по¬

таблицы (как

синуса

по

формуле

долго). Выбранные выводы D2-D7 представ¬ ляют собой шесть старших подряд идущих разрядов порта D кон¬ оказывается

троллера под и

слишком

ATmega328. Два

младших разряда

(выводы

DO

и

D1)

заняты

последовательный порт, через который идет программирование с компьютером. В принципе, их тоже можно ис¬

обмен данными

пользовать

а

при необходимости, но тогда затрудняется отладка про¬ более 6 разрядов использовать все равно бессмысленно:

граммы, вам не удастся сделать матрицу R-2R желании повысить

фирменный ЦАП,

лучше 1 %.

можно

При

применить говорили, контроллера тогда удобно выбрать Аг-

разрядность,

а в качестве

с точностью

как мы

Глава 6.

147

Генераторы колебаний

duino Mega,

где портов

больше,

и

свободно

можно

выбрать

подряд

идущие 8 разрядов.

Таблицу

значений синуса или в

де программирования Нам нужно получить синус,

ну напряжения

питания

рассчитать заранее в любой сре¬ электронных таблицах (например, Excel). можно

сдвинутый относительно нуля на полови¬ (играющего здесь роль опорного напряжения

коде, притом сдвинутом на два разряда в сторону старших разрядов. Для сдвига достаточно байтовое значение умножить на 4. Формула для вычисления таблицы в цикле получится следующая:

lion)

в

6-разрядном

VSIN

=

4

-

в

размером (количество

A1

Pi

Sin(2

байт; А

точек в

-

х/Т) +А;

где VSIN

амплитуда

таблице);

Вычисления ведутся

х

-

-

в вольтах

текущий

целочисленная

(2,5),

Pi

-

переменная Т период

число к;

-

номер вычисляемой

точки.

0 до Т-1.

Для принимает чтобы Arduino состоял из период таймеров удобно, Испытательная программа TestSIN, соответствующая схеме значения от

в цикле, х

использования

250 на

точек.

рис. 6.9, следующая:

#define LEDPIN 13 byte ksxn; // текущее

значение

синуса

из

volatile byte count=0; //счетчик const PROGMEM uint8_t sinewave[250]= //

таблицы массив

значений

синуса

{124, 128, 132, 132, 136, 140, 144, 144, 148, 152, 156, 156, 160, 164, 168, 168, 172, 176, 180, 180, 184, 188, 188, 192, 196, 196, 200, 200, 204, 208, 208, 212, 212, 216, 216, 220, 220, 224, 224, 228, 228, 232, 232, 232, 236, 236, 236, 240, 240, 240, 240, 244, 244, 244, 244, 244, 248, 248, 248, 248, 248, 248, 248, 248, 248, 248, 248, 248, 248, 248, 244, 244, 244, 244, 244, 240, 240, 240, 240, 236, 236, 236, 232, 232, 232, 228, 228, 224, 224, 220, 220, 216, 216, 212, 212, 208, 208, 204, 200, 200, 196, 196, 192, 188, 188, 184, 180, 180, 176, 172, 168, 168, 164, 160, 156, 156, 152, 148, 144, 144, 140, 136, 132, 132, 128, 124, 120, 116, 116, 112, 108, 104, 104, 100, 96, 92, 92, 88, 84, 80, 80, 76, 72, 68, 68, 64, 60, 60, 56, 52, 52, 48, 48, 44, 40, 40, 36, 36, 32, 32, 28, 28, 24, 24, 20, 20, 16, 16, 16, 12, 12, 12, 8, 8, 8, 8, 4, 4, 4, 4, 4, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 4, 4, 4, 4, 4, 8, 8, 8, 8, 12, 12, 12, 16, 16, 16, 20, 20, 24, 24, 28, 28, 32, 32, 36, 36, 40, 40, 44, 48, 48, 52, 52, 56, 60, 60, 64, 68, 68, 72, 76, 80, 80, 84, 88, 92, 92, 96, 100, 104, 104, 108, 112, 116, 116, 120}; void timerl_iniO{ // инициализация Txmerl cli-O; // отключить глобальные прерывания

148

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

TCCR1A

=

TCCR1B

=

0CR1A

0; // установить регистры 0;

в

0

9; //регистр совпадения (см. табл. 6.1) TCCR1B |= (1 « WGM12); // включение в СТС режим =

// Коэффициент TCCR1B

(биты CS10 и CS11, см. табл. 6.1) CS10); //закомментировать для 1/8 CS11); 0CIE1A); //разреш. прерываний по сравнению

деления

«

|= (1

TCCR1B

|= (1 « TIMSK1 |= (1 « sei(); // включить глобальные прерывания }//end ini. timerl void setupQ {

нулей в порту DDRD=0xFC; //старшие 6 бит порта D на выход PORTD=0x00; //начинаем

со

всех

pinMode(LEDPIN.OUTPUT); digitalWrite(LEDPIN,HIGH); //зажигаем timerl_ini(); }

светодиод

ISR(TIMERl_COMPA_vect){//npepbiBaHne timer

1 по сравнению

ksin=pgm_read_byte(&sinewave[count]); //знач. PORTD=ksin; //выводим count++;

его

//увеличиваем

в

порт

/*для

-

из

таблицы

D

счетчик

if (count==249) count=0; //после 249 10 кгЦ

D

извлекаем

каждое

значения

десятое

опять

нулевое

значение

count+=10; if (count>240) count=0; */ }//end timer void loop() { }

Напоминаю,

что

найти этот пример

вы можете в

архиве

по

адресу,

указанному во введении «От автора». Самое сложное в составлении программы рассчитать необходимые параметры таймера для каждого диапазона частот. Мы здесь использу¬ ем прерывание таймера 1 по сравнению. Частота прерываний (несущая -

ЦАП) задается коэффициентом деления входной часто¬ таймера (биты CS12-CS10) и числом в регистре сравнения OCR1A.

частота

ты

для

В каждом прерывании

мы выводим

вод полного периода займет 250 этих

одну точку

прерываний.

параметров для различных диапазонов

из

таблицы,

значит, вы¬

Рассчитанные

частот сведены в

значения

табл. 6.1.

149

Глава 6. Генераторы колебаний

Таблица 6.1. Параметры для инициализации прерывания CS11

CS12

CS10

К. дел

0CR1A

и вывода

значений синуса

Несущая

Кол-во данных

Частота синуса

частота

на период

на выходе

0

1

0

1/8

7

250 кГц

25

10 кГц

0

1

0

1/8

7

250 кГц

25-250

10-1 кГц

0

1

0

1/8

7

250 кГц

250

1 кГц

0

1

0

1/8

7-79

250-25 кГц

250

0

1

0

1/8

79

25 кГц

250

0

1

1

1/64

9

25 кГц

250

0

1

1

1/64

9-99

25-2,5 кГц

250

100-10 Гц

0

1

1

1/64

99

2,5 кГц

250

10 Гц

1 кГц

-

100 Гц

100 Гц

Некоторые пояснения быстродействия Arduino постепенно

придется

к

таблице. Для диапазона

может не хватать.

сокращать

сбоев,

выводится без

частот выше

Поэтому

1 кГц

в этом диапазоне

количество точек на

период. 10 кГц

выбирать каждую десятую точку таймера 1/8 и сравнении до числа 7 (т. е. деления частоты еще в восемь раз). Соответствующий пример заком¬ ментирован в тексте обработчика прерывания. Для промежуточных значений частот выбор может быть более частым, потому в таблице для с

гарантией коэффициенте

при

диапазона 1-10

деления

кГц указан интервал выбора

(каждое десятое число) до

При вода

если

низких частотах,

прерываний. Для

всех

наоборот,

250 до 25 кГц

в диапазоне от

числа в

регистре сравнения OCR1A

таймера

до

1/64. Меняя

эти

25 значений

на

период

приходится уменьшать частоту

Гц

диапазона 100

жается

дополнительно увеличивается

от

250 значений подряд. -

вы¬

1 кГц несущая частота сни¬

за счет постепенного

от

увеличения 9 до 99. Для диапазона 10-100 Гц

коэффициент деления основной частоты

параметры

внешними

переключателями,

10 до получить дискретный набор 10 кГц. Реализовать это можно многими путями, потому расписывать частот во всем диапазоне от

можно

схему генератора полностью мы не будем см. подобные примеры в ин¬ тернете. Учтите, что непрерывную перестройку частоты здесь реализо¬ вать не удастся, только дискретный набор предопределенных значений. -

Для

лабораторных целей,

бильность

впрочем,

частоты важнее

это не имеет

абсолютного

ее

особого

значения),

для создания электронных музыкальных инструментов получения

точно заданных значений частот окажется

(см. главу 8). Несколько слов про аналоговую часть

значения

а вот,

(ста¬

например,

невозможность

серьезным пре¬

пятствием

цы R-2R с

N-разрядами

схемы.

нужно N+1 резисторов

Для построения матри¬

с номиналом

2R

и

N-1 ре¬

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

150

зисторов 2R

налом

R. В данном случае это семь резисторов R. Конечно, не стоит приобретать

с номиналом

и пять с номиналом

двукратные

номиналы

-

резисторы

будут подогнаны точнее, если соста¬

вить либо 2R из последовательно соединенных но соединенных и с

не

допуском

цы

будут

не

2R. Но

сами

хуже 1 %

в

-

R, либо R

резисторы должны быть

из

из

параллель¬ одной партии

противном случае характеристики матри¬

вписываться даже в наш

не имеет принципиального значения в диапазоне от единиц килоом

жать» выходное

с номи¬ именно

код. Сам номинал

6-разрядный величина

-

R

может

выбираться

(более низкие сопротивления будут

напряжение портов Arduino) до десятков

килоом

«са¬

(бо¬

помехи). будут Сдвоенный ОУ DA1 предназначен для разделения выхода матрицы от

лее высокие

«насасывать» внешние

внешней нагрузки

и окончательного

формирования выходного сигнала. буферным повторителем. На его входе сто¬

ОУ служит просто

Первый ит простенький фильтр из одного конденсатора цифровых шумов и сглаживания формы синуса.

100 пФ для снижения Так как сигнал на вы¬

матрицы сдвинут относительно нуля на величину амплитуды (он целиком лежит в положительной области), то на выходе первого ОУ

ходе

установлен разделительный конденсатор,

синус

в плюс и

минус

амплитуда сигнала на выходе ЦАП, составляющая слабовата для практических применений. 2,5 В, помощью переменного резистора 220 кОм его можно ослабить при

сигнал в

-

три раза

чуть меньше

А

формирующий нормальный Второй ОУ усиливает этот

относительно «земли».

с

все-таки

необходимости. Arduino питается

от

своих

источников

(либо USB,

либо сетевой

адаптер), поэтому источник питания 5 В на схеме не указан. Заметь¬ те, что в готовом генераторе Arduino лучше питать через отдельный 5-вольтовый аналоговый стабилизатор, выход которого подключен к выводу 5 В

-

так в схеме на

а

напряжения стабильнее (не забывайте чении

от

будет

выходах

меньше лишнего

портов, управляющих

отключать этот

программирующего кабеля

двух разнополярных

к

матрицей, будут

стабилизатор

USB!).

по питанию,

шума

при подклю¬

А ОУ необходимо

источников не менее

питать

9 В каждый, причем до¬ шумов и нестабильно¬

статочно высокого качества в смысле наличия

стей. Идеально установить прямо отдельные 9-вольтовые аналоговые в

в

этом

данной

случае щую рекомендацию для

схеме всех

на

плате

от

ОУ

свои

стабилизаторы питания. Но даже абсолютно необходимо соблюдать об¬

ОУ, установив поблизости

от его выво¬

развязывающие конденсаторы 0,1 мкФ (они специально показаны схеме), так всегда следует поступать при объединении цифровых

дов

на

поблизости

-

и аналоговых

узлов

в одном

устройстве.

Глава 6. Генераторы колебаний

151

Задания 1.

Соберите схему согласно рис. 6.9. Закачайте в контроллер тестовую программу с параметрами коэффициента деления частоты тайме¬ регистра сравнения OCR1A, равным 7. Изменения вносятся прямо в текст программы, в процедуру timerl_ini(), со¬ гласно табл. 6.1 и комментариям в тексте (частота 1 кГц). Измерьте ра

1/8

и значения

частоту и напряжение сигнала на

выходе

(для измерения напряже¬

мультиметр подключается на измерение переменного напря¬ жения). 2. Меняя параметры в соответствии с табл. 6.1, проверьте работу ге¬ ния

нератора частоты

При наличии осциллографа форма сигнала по мере повышения

во всем диапазоне частот.

оцените, насколько искажается

сверх 1 кГц.

Эксперимент 25. Кварцевые генераторы Материалы и оборудование: источник питания с

или

лабораторный

выходным напряжением 5 В

блок

(сетевой адаптер

питания);

микросхемы CD4011 (К561ЛА7), CD4049 (К561ЛН2), 74НС00, 74НС02, 74НС04; резисторы (0,25 Вт) 360 кОм, 560 кОм, 620 кОм, 2,4 МОм, 10 МОм, 22 МОм; керамические конденсаторы 22 пФ, 39 пФ, 56 пФ (по 2 шт.); кварцевые резонаторы 32768 Гц («часовой» РК-206 или его ана¬ логи в круглых корпусах 6x2 или 8x3 мм); 1 МГц, 4 МГц (в низких корпусах HC-49S мультиметр

и

или

стандартных HC-49U);

осциллограф.

Кварцевые

резонаторы (в просторечии «кварцы») используют пье¬ если к пластинке кварца, вырезанной из зоэлектрический эффект в кристалла определенной ориентации, приложить изгибающее ме¬ ханическое усилие, на ее гранях появится разность потенциалов. И на¬ -

оборот

-

приложенное

такой пластинке напряжение заставит ее изо¬ мал, но это не мешает на такой основе строить к

гнуться (эффект очень насосы для струйных принтеров

То

и

наноманипуляторы для электронных

образом усилить появляющуюся разность потенциалов и подать ее в нужной фазе обратно на кристалл, то мы получим типичный гармонический генератор. По ггринципу дей¬

микроскопов).

есть если каким-то

ствия он ничем не отличается от,

нератора

на основе

например, механических часов или ге¬ колебательного контура, в нем точно так же энергия

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

152

периодически перетекает ния с помощью

Однако

из

усилителя

и

есть один нюанс,

одной

формы в другую, а источник пита¬ обратных связей восполняет потери. который

выделяет кварцевые генераторы

из ряда. Он заключается в том, что кварц, как

физический материал, чрезвычайно стабилен. Он механически прочен, не поддается старению, а самое главное

-

имеет один из самых низких в

природе температурных

коэффициентов расширения. Поэтому кварцевые генераторы имеют беспрецедентную добротность, измеряемую тысячами и десятками ты¬ сяч, в отличие от

чае

колебательных контуров, у которых

в идеальном

слу¬

(о том, что такое добротность, см. 11). Лучше, чем у кварца, добротность

едва дотягивает до 100

добротность Свореня [1],

книгу Р. А.

встречается

главы

7

и

только в оптических

резонаторах

(лазерах).

Но еще важнее,

температуры уход часто¬ ты у хороших кварцев измеряется единицами или десятками миллион¬ ных долей на градус. И даже у самых плохих кварцев, изготовленных, по

что его

резонансная

частота мало зависит от

-

распространенному выражению, «на задворках Шанхая», уход превышает сотен миллионных долей на градус.

все-таки

не

Подробности Иллюстрация к возможностям кварцев: возможно, вы удивитесь, но даже самые дорогие механические часы, изготовленные в Швейцарии и стоимостью в де¬ сятки тысяч долларов, имеют точность хода хуже, чем любые «ширпотребовские» наручные часы на основе кварцевого резонатора. Это утверждение легко проверить, если покопаться в паспортах часов, доступных в интернете:точность

кварцевых в секун¬ То есть показаний дах теоретический уход времени, гарантированный производителями^ механических и кварцевых часов может различаться даже не в разы, а в десятки раз. Швейцарские или японские кварцевые часы будут, хода механических часов измеряется в секундах в сутки, а

-

в месяц.

«ширпотребовских» кварцевых, но отбора резонаторов, в остальном они мало

несомненно, лучше

тщательного

Нельзя сказать,

просто за счет более чем отличаются.

заключенный в кварцевом резона¬ Имея самый хороший отобранный даже реализовать. торе, уж чтобы вам достичь точности подержания придется потрудиться, кварц, частоты, которую он в принципе позволяет. Но в большинстве практи¬ так

ческих

случаев

задачи,

что весь потенциал,

легко

этого не

требуется

то вполне можно

обойтись

-

и

если не влезать в

радиотехнические

простейшими решениями. Особен¬

цифровой техники, где не требуется выдерживать синусои¬ дальную форму сигнала, а достаточно прямоугольной генерации. На рис. 6.10я приведена классическая схема Пирса, по которой дела¬ ется большинство кварцевых генераторов для цифровой техники, в том числе и встроенные генераторы микроконтроллеров. Инвертор, тип ко¬ но для задач

торого

серий

принципе, может быть любым из КМОПмикросхем. Чаще всего такую схему приводят с ло¬

на схеме не

логических

указан,

в

153

Глава 6. Генераторы колебаний

гическим элементом из серии 4000В «ИЛИ-HE»

«И-НЕ» и

(CD4001, К561ЛЕ5)

или

(CD4011, К561ЛА7) объединенными входами, подобно второму с

элементам на

четвертому

рис. 6.4. Чтобы

не

перегружать выход (это

будет влиять на стабильность), нагружать такой генератор можно только на один-два КМОП-входа, поэтому обычно на выходе ставят еще и бу¬ элемент. Если же частота с выхода подается, например, только ферный на вход КМОП-счетчика, то буферный элемент можно и не ставить.

Рис.

6.10. Схемы кварцевых генераторов: б малопотребляющая схема -

а с

-

универсальная схема Пирса;

быстрым запуском

С указанными микросхемами генератор

вполне

устойчиво работает

кварца (32768 Гц) до 1МГц. Только для разных частот (и, возможно, разных типов кварцев) придется подбирать элементы схемы: так, для «часового» кварца сопротивления при

питании

5В

максимальны

500

кГц Ry

увеличив

и частотах от часового

(R:

можно

от

10 до 22 МОм,

удалить вовсе,

емкости

ментов применить

С,

и

С2

a

R2

-

510-560

кОм),

для частот выше

Rx снизить до 1-5 МОм, одновременно

до 56-62 пФ. Можно вместо логических эле¬

простой инвертор (CD4049, К561ЛН2),

но

приготовь¬

подбирать номиналы эле¬ ментов, особенно на низких частотах. Параметры схемы сильно зависят от внутреннего устройства инвертора (от его собственного коэффициен¬ та усиления), а этот параметр в документации обычно не указывается,

тесь, что при переходе

на них также

придется

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

154

оттого и такая неопределенность. Повысить частоту до 10 МГц можно, если заменить серию CD4000 на быстродействующую КМОП (74НС00,

74НС02, 74НС04). При оптимально подобранных 32768 Гц

бляет

типа

РК-206

несколько десятков

элементах

часового

для

кварца

рис. 6.1 Од потре¬ микроампер при напряжении питания 5 В.

или его

китайских

аналогов схема

Запускать такой генератор при повышенном напряжении питания (бо¬ лее

9

В), несмотря на то что микросхемы серии 4000 это позволяют,

ниатюрными

«часовыми»

кварцами

не

с ми¬

рекомендуется. Ее недостатком

является то, что на низких частотах схема достаточно долго «заводится»

при

включении

может занимать

время

схема

установление режима для

-

секунды,

потребляет довольно большой

кварца 32 768 Гц емкостей, и в это

«часового»

в зависимости от значения

ток

-

до 15 мА.

Этого недостатка лишена более сложная схема на рис. на схеме номиналах элементов

при указанных

стотах в десятки

Для более

килогерц,

т. е.

работает

ориентирована

высоких частот величины номиналов

на

6.106, которая

только

при

ча¬

«часовые»

кварцы. нужно снижать, под¬

по «месту». Потребление такой схемы при напряжении пита¬ ния 3,3 В и использовании указанных на схеме логических элементов серии 74НС составляет 180 мкА (3 мА в момент включения), а время

бирая

выхода

на

включении питания или подаче

разрешающего управления не превышает 0,2-0,3 с. При отклю¬ уровня чении подачей низкого уровня на вход управления схема потребляет меньше 1 мкА. В этой схеме резонатор работает в более щадящем ре¬ жиме, чем в схеме на рис. 6.10я. режим при

на вход

высокого

Задания 1.

Проверьте работоспособность основе

микросхем разных

учитывая рекомендации

генератора

типов

по

с

по схеме

разными

подбору

рис. 6.10я

частотами

параметров

на

кварцев,

компонентов.

Проверяйте наличие частоты на выходе с помощью осциллогра¬ фа. Начните с микросхемы 561ЛА7 и «часового» кварца с макси¬ мальными параметрами резисторов. Уточните цифры потребле¬ ния

при разных

микросхем. 2. С помощью различных мание на

частотах

кварцев

осциллографа

частотах и

форму

при

с использованием

разных

типов

форму сигналов на выходе при микросхем. Особенно обратите вни¬

оцените

сериях

максимальном значении частоты

различных микросхем серии 4000. Также оцените

1 МГц для

форму

и

размах

сигнала на входе

3.

Соберите в рабочем

инвертора. схему рис. 6.106.

Проверьте потребление

при запуске,

состоянии и состоянии покоя, включая и выключая гене¬

рацию подачей

уровней на управляющий

вход.

Глава 7 Способы

дистанционной

передачи

Со времени выхода

книги

Р.

Свореня [1]

тали великое множество новых

но,

в этом и заключается

формационным

веком.

информации

суть

способов

нашего

ученые

инженеры наизобрерасстоянии. Собствен¬

и

связи на

назвали ин¬

времени, которое уже

Сегодня передача любой информации

на

любое

представляет проблемы. Самостоятельное применение расстояние большей части этих способов для передачи данных в своем проекте свя¬ не

зано с использованием

троллеров,

лены от составления и

приема команд

ной

как

в

минимум

виде

микрокон¬

громоздких

и сложных в наладке схем

вы

избав¬

передачи

ИК-каналу дискретной элемент¬ радио базе: отдельных транзисторах, колебательных контурах, счетчиках,

дешифраторах нет

компьютеров

необходимостью программирования. Зато

т. е. с

и

по

на

или по

мультиплексорах.

никакой нужды даже

Городить подобные

схемы сегодня

в

элементарных случаях передачи одной-двух команд управления на расстояние несколько метров. Тем не менее мы здесь рассмотрим сначала вариант решения простей¬ шей задачи передачи одной-единственной команды

в

пределах

прямой

видимости традиционными методами, без всяких микроконтроллеров.

Построим

охранной сигнали¬ информация заключается в факте пересечения

такую систему

щим

практическом примере

передаваемая периметра достаточно большим предметом,

зации, где некоего

на

свет.

Использованный здесь метод

случаях передачи однобитной команды

может

не

пропускаю¬

применяться

и в

других

типа «да-нет».

Эксперимент 26. Датчик охраны периметра с

лазерным лучом Материалы и оборудование: Передатчик: источник питания с выходным

адаптер

или

блок

из

трех

напряжением +3,5-5 В (сетевой

батареек АА);

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

156

микросхема CD4011 (можно

К561ЛЕ5,

а также

заменить

74НС00, 74НС02

с

на

К561ЛА7, CD4001,

учетом разводки выводов);

резисторы (0,25 Вт) 1 кОм, 51 кОм;

керамический конденсатор 0,1 мкФ; п-р-и-транзистор ВС337

или

мощностью не менее 200

мВт;

стабилизатор напряжения ем вход-выход

аналогичный,

с током до

100 мА

рассеиваемой

с

и малым падени¬

LP2950-3,0;

лазерный модуль 5 мВт, питание 3-5 В, форма выходного луча точка. Модуль S-5 фирмы Komoloff можно заменить на S-9 или

-

аналогичные.

Приемник: источник питания с выходным

напряжением +12 В (сетевой

блок

питания); адаптер лабораторный фототранзистор L-3DP3C (L-32P3C) или аналогичный; или

LM311

микросхемы: К554СА301

или

(можно

К554САЗ

с

заменить

на

отечественные

учетом разводки выводов); CD4001

(К561ЛЕ5); резисторы (0,25 Вт) 1 кОм, 5,1 кОм, 24 кОм, 100 кОм (4 шт.), 1 МОм;

переменный резистор

10 кОм;

керамические конденсаторы 1,0 мкФ (2 шт.), 2,2 мкФ; п-р-п транзистор ВС337 или аналогичный; со

излучатель звука

и

питанием

понятной идее

срабатыва¬

встроенным генератором

12 В

(например, НСМ1612Х); мультиметр и осциллограф.

Датчик охраны периметра основан на всем

луча. Не стоит устройства при пересечении пытаться сделать такой датчик на основе светоизлучающего диода по¬ любого с что нятно, у устройства рассеянием света в пределах 30-60°,

ния

какого-либо

светового

-

как

у обычных светодиодов, мощность излучения

очень

быстро. Приходится

емника,

а это не очень

излишне

здорово,

так

расстоянием падает увеличивать чувствительность при¬ как ведет к увеличению количества с

срабатываний. Например, попытка приспособить описанный следующем Эксперименте 27 очень чувствительный фотоприемник

ложных в

ИК-диапазона для такой задачи закончится неудачей: приемник будет срабатывать на любой достаточно мощный перепад освещенности да¬ леко за

пределами ИК-диапазона (зашедшее

ный или выключенный свет

В случае, когда

мещение ся

за

тучу солнце,

включен¬

д.). уличного фонаря соблюсти точное пространственное раз¬ и т.

невозможно

источника и

приемника друг относительно друга

применять излучатели

с

и

приходит¬

большим углом рассеяния, для предотвра¬

Глава 7. Способы дистанционной

щения ложных

сигналов,

о чем

срабатываний мы

используют специальное кодирование поговорим в следующем Эксперименте. Но для

(«есть пересечение луча нет пересечения») Проще использовать лазерный модуль, ко¬

простой бинарной задачи это избыточное решение.

торый

можно

157

передачи информации

настроить

-

в

десятка-другого метров, и Отметим, что реализация

любое расстояние в пределах обойдется это совсем в небольшие деньги.

принципе

на

функциональности приведенной

далее схе¬

мы приемника на микроконтроллере еще больше бы упростила и уде¬ шевила решение, но мы сейчас рассмотрим, как с этим можно спра¬ виться «по старинке».

Подробности Лазерные диоды, лежащие

в основе лазерных модулей, довольно капризная штука. В отличие от обычных диодов они совершенно не переносят перегру¬ зок по питанию, даже микросекундной длительности. Поэтому в каждый такой -

модуль встроен стабилизатор тока, иногда довольно сложный В

по конструкции.

стабилизатора модуля, которая прости¬ рается от нескольких десятков рублей до десятков тысяч. В нижнем ценовом диапазоне, кроме того, могут встречаться модули со всякими странностями: например, изделия из серии DSP6505 фирмы DESHENG, согласно документа¬ основном от качества

и зависит цена

ции, имеют время прогрева до 2 с и для работы в нашей схеме совершен¬ но не годятся (спасибо производителю, что указал этот параметр). Дешевый Arduino-модуль KY-008 годится разве что для отладки схемы

-

в нем

отсутствует

(ситуация совершенно светодиодным лампочкам). Вы можете, конечно, приобрести простую лазерную указку, и она, возможно, даже заработает в нашей схеме (не забудьте для нее стабилизировать отдельное пониженное питание!), но помните, что так вы по¬ если соберетесь делать сигнализацию всерьез, ступаете на свой страх и риск нормальный стабилизатор

тока

аналогичная дешевым

-

то озаботьтесь хорошим лазером.

Для зинах)

нашей цели годятся модули ценой от нескольких сотен

ностью выше

рублей (5-10

5 мВт покупать

или домашним животным

-

(в

обычных интернет-мага¬

долл. и

не

более). Модуль

можно

следует: кошки обожают

повредить

гоняться за

Не нужно также тратить деньги на дорогие модели на

разных расстояниях при нужде немного линзу можно почти у любого модуля. -

На

с

с мощ¬

глаза

яркой

себе

точкой.

фокусировкой луча фокусирующую

подвигать

передатчика (рис. 7.1) указан лазерный модуль S-5 отече¬ фирмы Komoloff с потреблением 50 мА и напряжением пи¬

схеме

ственной

2,7-3,3 В. Указанный малогабаритный стабилизатор LM2950-3.0 «держит» напряжение 3 В на выходе при снижении входного вплоть до 3,5 В и даже ниже, т. е. до истощения батареек, если питание подается от тания

них.

Если найдете подходящий модуль

ный или

зеленый), стабилизатор

с питанием

можно

удалить

5 В

(неважно, крас¬

из схемы.

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

158

Рис. 7.1. Передатчик на основе модулированного лазерного модуля

Подробности В виде исключения на схеме показано, к каким выводам микросхемы CD4011 подключать питание, а также неиспользуемый элемент DA1.4 с заземленными -

входами

как напоминание, что оставлять неподключенными входные вы¬

воды даже не участвующих в схеме элементов не рекомендуется. Ранее мы составляли макеты, где эту рекомендацию соблюдать необязательно, а здесь мы видим схему готового прибора. Как мы уже говорили, обычно такие нюансы

опускаются, чтобы не загромождать схему,так что, если

забудете, где

ся выводы питания и входы неиспользуемых элементов а также

-

см.

находят¬

приложение 2,

фирменную документацию.

микросхеме CD4011 представляет собой генератор симметричного меандра с частотой около 100 Гц. Транзистор VTj, вклю¬

Конструкция

на

ченный по схеме с

включая

общим эмиттером,

и выключая

с

этой частотой модулирует луч, В пространство излучается пре¬

лазерный модуль. рывистый лазерный луч красного или зеленого модуля. В сухом воздухе, он, кстати,

цвета, в зависимости от

точно так же невидим, как и

инфра¬

наблюдается только яркая точка на приемном конце. Мер¬ цание с частотой 100 Гц глазом незаметно, и точка (точнее, кружочек диаметром миллиметров 10-12) воспринимается, как просто горящая.

красный

-

Глава 7. Способы дистанционной

159

передачи информации

Рис. 7.2. Приемник модулированного лазерного

света со звуковым сигналом

на выходе

В

части

(рис. 7.2)

лазера прежде всего попадает на делитель резистора R, и фототранзисто¬ ра FT,. Сопротивление фототранзистора резко уменьшается при по¬ падании достаточно яркого света, и выходное напряжение на делителе

приемной

свет от

напряжения, составленный

падает.

Прежде чем собирать всю

делитель отдельно.

датчика от

с

к

Для

и

расстояния

направьте

ни в коем

При

случае

отсутствии

целесообразно настроить

лазерный модуль пере¬ (3 или 5 В, в зависимости

питания

луч

точно на

он должен

засветки

быть расположен

углом нему. лазером (даже при

рассеянного света) напряжение чае близко к напряжению питания. Оно при попадании прямого

фоторанзистор чите

точно по оси

к

не под

наличии

на выходе делителя

ве что

этот

из

фототранзистор, желательно метров. Фототранзистор имеет свою диаграм¬

его

в несколько

му направленности, потому луча,

схему,

этого подключите

постоянному напряжению

модуля)

из

постороннего в любом слу¬

может заметно снижаться

солнечного света.

можно поместить в

будет

Чтобы

этого

раз¬

избежать,

трубку. Далее вклю¬ фототранзистора и под¬

непрозрачную

лазер, проверьте совпадение осей луча

и

берите сопротивление резистора R, так, чтобы при засветке напряже¬ ние на выходе засвеченного делителя снижалось не менее, чем на 3-4 В. После этого можно вернуть

лазерный модуль

в

передатчик

и

собрать

полностью.

схему приемника Схема представляет собой чувствительный компаратор, управляю¬ щий одновибратором с выходом на излучатель звука со встроенным ге¬ нератором. Для исключения влияния постоянной составляющей из-за

посторонней

засветки

входной

делитель компаратора

R2/R3 отделяется

160

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

от приемного делителя

Rj/FTj

вины питания.

ометра

(около

На втором

Сг В исходном состоянии

конденсатором

отрицательном входе компаратора

на

оказывается

(положительном)

напряжение

поло¬

входе с помощью потенци¬

устанавливается напряжение чуть выше половины питания +0,5 В), с тем чтобы на выходе компаратора оказался высокий

R5

уровень напряжения

денсатор

(выходной транзистор компаратора заперт,

С2 заряжен через резистор Rg). От установленного на зависит

тельном входе

кон¬

положи¬

чувствительность всей системы, поэтому

уровня переменный резистор лучше оставить в окончательной схеме для ре¬ излишняя гулировки чувствительности «по месту» чувствительность к ложным из-за помех. приведет срабатываниям -

попадает на приемник, проникающие вход компаратора импульсы заставляют выходной

Когда модулированный луч на

отрицательный

транзистор периодически открываться.

дом 10

мс

дится в

(частота

100

Гц), половину

Импульсы

следуют

с

перио¬

этого

открытом состоянии, половину

в

времени транзистор нахо¬ запертом. За время первого

успевает быстро разрядить конденсатор сопротивление открытого выхода компаратора LM311 составляет единицы ом. Постоянная времени R8C2 почти в пять раз больше, чем же

С2

открытого

состояния он

-

периода входных импульсов, потому за время запертого со¬ конденсатор успевает зарядиться едва на 20 % (см. формулу на рис. 3.4я). На выходе компаратора устанавливается уверенный низкий половина стояния

рабочее состояние, в котором приемник пребывает дли¬ тельное время. Часть схемы после компаратора представляет собой одновибратор

уровень. Это

(элементы

DD1.1

DD2)

звукоизлучателем («буззером») в качестве включающий нагрузки. Транзистор УТ17 звукоизлучатель, подключен к выходу одновибратора через два свободных инвертора (элементы DD1.3 и DD1.4), играющих роль буфера-усилителя и в работе схемы не участвующих. Заметим, что излучателей звука со встроенным гене¬ ратором выпускается великое множество. Пьезоэлектрические меньше потребляют и громче звучат, чем электромагнитные, но дороже. Так как транзистор ВС337 может управлять нагрузкой до 0,5-0,8 А (лишь бы не перегревался), то нам годится любой излучатель с подходящим на¬ пряжением В главе 6

и

со

питания. мы

«проходили»

одновибратор

на

таймере

555

(Экспери¬

одну альтернативных схем, с которой об¬ Работает схема ращаться гораздо удобнее. следующим образом: в со¬ мент

22),

сейчас

вы видите

стоянии покоя на выходе

4

микросхемы)

из

второго

(правого)

состояние логического

элемента

нуля,

«ИЛИ-HE»

(вывод

так как его вход подключен

(питанию) через резистор Rg. Поскольку на входе одновибратора (вывод 2 микросхемы) в исходном состоянии тоже ло¬ гический ноль, то на выходе первого (левого) элемента «И-НЕ» (вывод к

высокому уровню

Глава 7. Способы дистанционной

3

161

передачи информации

микросхемы) логическая единица, и конденсатор разряжен. При пере¬

ключении входа схемы в состояние высокого

уровня,

на выходе

первого

элемента «И-НЕ» возникает состояние логического

дифференцирующую цепочку RC передается на

втором входе первого

так что на выходе схемы и соединенном с ним

мента

Это

1

(вывод

уже

будет устойчиво: обратная на выходе на

эле¬

оказывается логическая единица.

микросхемы)

состояние схемы,

нуля, которое через вход второго элемента,

уровня входного сигнала, бы перехватила и зафиксировала

независимо от

связь как

пока

конденсатор заряжается от вы¬ R. хода первого через резистор Через время, примерно рав¬ ное произведению RC, конденсатор зарядится до порога срабатывания

уровень нуля

время,

элемента

выходного элемента

«И-НЕ»,

и выход схемы скачком

но в состояние логической единицы по

перейдет обрат¬

опять же независимо от

выходу

Возникает положительный импульс длительностью двух секунд), через буферы DD1.3 и DD1.4 и транзистор

состояния входа.

~R9 С3 (около VTj, подающий Именно

питание на

это и

звукоизлучатель.

происходит

в схеме

при прерывании луча. Когда

на

компаратора перестают поступать импульсы, его выход «замира¬ уровня (выходной транзистор закрыт). Через время около 15-20 мс конденсатор С2 зарядится до порога срабатывания КМОП-элемента DD1.1 (примерно половина напряжения питания), вход

ет» в состоянии высокого

и

одновибратор сработает.

Если луч

восстановится в течение

необходимого для зарядки конденсатора

конденсатор

времени,

опять очень

произойдет. Можно попробо¬ увеличить эту «зону нечувствительности» (увеличивая номинал

быстро вать

С2,

разрядится

резистора пауза до

Rg),

но

и

при

срабатывания

этом

следует

не

иметь в

включения сигнализации снизит

стоящего

виду,

что слишком длинная

вероятность

обнаружения на¬

нарушителя.

Задания 1.

Соберите и отладьте устройство по рис. ных испытаний

система еще

2.

Бросая

определите

уверенно

поперек луча

максимальное

расстояние,

на

котором

работает.

мелкие

рушениях периметра

7Л-7.2. С помощью натур¬

предметы, определите, при

возникают ложные

каких на¬

срабатывания. Проверь¬

те, нельзя ли

обмануть систему, проскочив луч всем телом, но очень быстро. Подумайте, как бы вы доработали систему с тем, чтобы ис¬ ключить ложные срабатывания от падающих листьев или летучих насекомых, но сохранив чувствительность к большим предметам? 3. Предложите вариант системы, включающий освещение при пере¬ сечении нии

периметра

обратно.

в

одну сторону

и

выключающий при пересече¬

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

162

Эксперимент 27. Передача кодированных по ИК-каналу Материалы и оборудование: Передатчик: любой ИК-пульт от бытовой Приемник: Arduino Uno; ИК-приемник TSOP1736

сигналов

техники.

плата

другой

с питанием

В этом эксперименте

ную задачу передачи

или

TSOP1738 (заменяется частотой 36-38

рабочей

и

мы попытаемся

нескольких

на

любой

кГц);

решить другую, более

(вообще

слож¬

говоря, произвольного

дистанционный пульт управления телевизором

-

ко¬

команд на небольшое расстояние. Типичная задача

личества) разных такого рода

5В

другой домашней

техникой.

или

рода Поскольку лишь конечные ис¬ (различаются полнительные устройства), то мы не будем усложнять, и в качестве передатчика команд используем готовый ИК-пульт управления от какого-то (абсолютно любого) устройства, имеющегося в доме. Если

нической

точки

все задачи такого

зрения одинаковы

есть желание построить такой пульт самостоятельно, полно

рецептов

с тех¬

на самых

разных

платформах,

от

в

интернете Arduino до Android-

смартфонов. А здесь виде

-

сосредоточимся

только с сигнальным

факт

вать

мы

приемнике, причем

устройством,

доработке

можно

в самом

общем

зафиксиро¬ универсальной схеме при

позволяющим

приема нужной команды. К такой

соответствующей ное

на

приставить любое

исполнитель¬

серводвигатель для открывания окон или раздвигания для дистанционного включения света, многокомандные си¬ штор, реле стемы управления игрушечными моделями и т. д.

устройство:

И главное,

вы

увидите,

насколько задача

построения подобной

схемы

микроконтроллеров. Между прочим, когда-то производители телевизоров стали в первых рядах применения именно для обслужива¬ микроконтроллеров в бытовых устройствах

упрощается при

использовании

-

ния

дистанционных

стоит из и

двух

пультов. Собственно,

компонентов:

микроконтроллера,

вать

даже не

пим, схему

будем

приемник команд

приемника-формирователя

в качестве

стандартный Arduino

весь

Uno.

которого для

Устройство

ИК-сигналов

макета можно использо¬

настолько

простое,

что мы

рисовать привычную принципиальную схему, а посту¬ Arduno-сайтах: нарисуем наглядную монтажную

как на модных в виде

со¬

изображений

компонентов

(рис. 7.3).

Глава 7. Способы дистанционной

163

передачи информации

Рис. 7.3. Подключение ИК-приемника к Arduino Uno

Подробности Сразу необходимо

замечания.

сделать два

приемника: а почему нужен именно

Во-первых,

относительно

специальный приемник? Нельзя ли

ИК-

использо¬

фотодиод или фототранзистор? Специальный приемник усиливает и сразу формирует сигнал, причем он защищен от постоянной засветки и спосо¬ бен работать на прямом солнечном свету т. е. решает много непростых задач, вать обычный

-

которые вы с полпинка не одолеете. Начиная с того, что

чувствительности

на расстояниях в

подобной избирательной руками добить¬

десяток-другой метров своими

ся очень трудно, а стоимость такого компонента ненамного превышает стоимость

фототранзистора. Тем не менее внутри ИК-приемника нет особых хитро¬ разновидностей наплодили великое множество. В принципе, для данной задачи годится практически любой с 5-вольтовым питанием (в том числе и гото¬ вый Arduino-модуль), но, несмотря на то, что у такого приемника всего три вывода, о стандартах подключения мечтать не приходится. Здесь нами выбран TSOP1736

«голого»

стей, и

их

как один из самых

распространенных и чувствительных, еще и потому, что у него сигнальный вывод (справа) чуть разводку выводов проще других от У питания. типов выводов отодвинут других приемников разводка может быть все возможные комбинации другая, причем встречаются между тремя выводами. запомнить

-

Второе замечание касается распространившейся тенденции представления красивых картинок соединений взамен принципиальных схем. Пожалуйста, не надо этим увлекаться правильно оформленная принципиальная схема -

несет в себе намного больше информации, чем любая картинка или видео. Начнем с того, что обычно на картинке (тем более если это собственноруч¬ но сделанная фотография) не обозначены наименования компонентов, отчего

приходится терять кучу времени

нужной информации. И скажите, вы фото или видео оранжевую по¬ красной? А разница, между прочим, на два

на поиск

уверенно можете отличить на любительском лоску на

резисторе -

порядка

от желтой или

от 100 Ом до

10 кОм.

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

164

Как

уже говорили, в качестве источника сигналов можно брать ИК-пульт любой фирмы от любого устройства. ИК-пульт посылает в инфракрасном диапазоне сигнал, представляющий собой последова¬ мы

битов. Посылки следуют

тельность

со

стандартной

частотой 36-40 кГц

(бывает и больше, но, скорее, как исключение). На приемном конце, образом, последовательность нужно распознать, расшифровать

таким

код посылаемой команды. Но нам нет нужды в теории манчестерского кодирования и синхронизировать ковыряться отсчет битов по таймеру. Эти задачи уже решены за нас существует и

преобразовать в число

-

-

такая гениальная вещь, как готовая

библиотека Arduino-IRremote.

Для формата команд и даже частоты передачи не существует какихлибо стандартов каждая делает так, как ей

удобнее. Потому

фирма

-

быть уверенным, что, действуя наугад, мы получим точное значе¬ мы кода команды. Но ведь оно нас в данной задаче не интересует

нельзя ние не

-

конструируем универсальный пульт,

товый под

а

просто

приспосабливаем

го¬

Поэтому, даже если программа при определении кода нам наврет, ничего страшного не случится, лишь бы вранье всегда было одинаковым. (Существует даже метод определения кода без ка¬ ких-либо

свои цели.

библиотек, -

троллера

с помощью последовательного

вот там точно всегда

получается вранье,

порта микрокон¬

но тем не менее для

нашей задачи и такой метод вполне пригоден). Возьмите Arduino Uno и подключите вывод данных приемника (Out)

выводу И, а также разведите питание +5 В и GND, как показано на рис. 7.3. Скачайте библиотеку Arduino-IRremote по адресу https://github. comlz3tOIArduino-IRremote. Следует отметить, что в комплект Arduino по¬ к

следних с

версий

входит библиотека

Arduino-IRremote

по названиям

RobotlRremote, которая пересекается

файлов

и вызывает

ошибку

компи¬

Чтобы они не мешали друг другу, автор библиотеки ArduinoIRremote советует папку RobotlRremote из arduinoMibraries перенести в другое место за пределы доступа среды Arduino или попросту удалить. Далее создайте новый скетч, назовите его IRjCode и впишите туда

ляции.

следующий текст простенькой программы (напоминаем, что все про¬ граммы из этой книги можно найти в архиве practikum.zip по адресу, указанному в обращении «К читателю»):

#include #define RemotePin 11 //прием на 11 вывод IRrecv irrecv(RemotePin); //вывод приемника decode_results results; void setupQ { Serial.begin(9600); //запускаем СОМ-порт irrecv.enableIRIn(); //запускаем прием }

Глава 7. Способы дистанционной передачи информации

165

loop() { if (lrrecv.decode(&results)) //если команда пришла { Serial.println(results.value, HEX); //выводим полученный irrecv.resumeQ; //готовность к приему следующей команды } } //конец loop

void

Запаситесь пультами, которые му

в

контроллер

в

Загрузите програм¬ запустите Монитор порта. Направляя пульт на при¬ различные клавиши, вы увидите на экране их коды

и

емник и нажимая

В

есть

у

вас дома.

придется разбираться во-первых, скорее всего, будет повторяться несколько одну клавишу могут выдаваться два и более разных

шестнадцатеричной форме.

при каждом

код

них

-

нажатии код,

раз, во-вторых, на кодов подряд. Самые простые

короткие у фирмы Sony: например, код клавиши увеличения громкости 0x490, а снижения громкости 0хС90. При каждом и

нажатии на соответствующую клавишу такой код выдается от двух до четырех раз.

пример фирма Pioneer. У нее код при каждом нажатии со¬ стоит из двух длинных частей. Клавиша увеличения громкости выдаст два числа подряд: 0XD52A34CB и 0XF50A4FB0. Причем при каждом нажа¬ тии этот код повторится дважды. Если вы теперь нажмете на клавишу

Другой

-

уменьшения громкости, но заключить из этих

то

получите 0XD52A34CB

и

0XF50ACF30. Как мож¬

последовательностей, первое

число здесь

-

код

пульта, он одинаков для всех клавиш. А вот второе число как раз и есть код нажатой клавиши.

Другие фирмы представляют еще большее разнообразие разновид¬ ностей кодов. Кстати, для разборки кодов в составе библиотеки ArduinoIRremote есть специальные

функции,

которые

разбирают код на состав¬

ляющие и сами распознают производителя. Нам этого всего не нужно, так как достаточно знания кодов нескольких определенных клавиш.

ориентируемся на фирму Pioneer. Создадим громкости пульта будет вклю¬ программу, которая чать и выключать имеющийся на плате Arduino светодиод, подключен¬ ный к выводу 13. Скетч назовем IRjproba:

Предположим,

что мы

с помощью клавиш

#include #define ledPin 13 //светодиод #define RemotePin 11 //вывод приемника IRrecv irrecv(RemotePin); decode_results results; void setupQ

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

166

{ Irrecv.enablelRInQ; //

запускаем прием

// светодиод на выход } void loopQ { if (xrrecv.decode(&results)) // Если данные пришли pinMode(ledPxn, OUTPUT);

{ if(results.value==0xF50A4FB0)// Если нажата кнопка digitalWrite(ledPin, HIGH); // включаем светодиод if(results.value==0xF50ACF30)// Если нажата кнопка digitalWrlte(ledPln, LOW); // выключаем светодиод irrecv.resune(); // Принимаем следующую команду } }//конец loop Эта программа при

нажатии

клавиши

«+»

«-»

бу¬

увеличения громкости

дет включать светодиод на плате и выключать при нажатии клавиши уменьшения громкости. виши достаточно

Для

замены на

пульт

или

их коды с помощью скетча

определить

менить коды, имеющиеся в

другой

другие

IRJZode

кла¬ и за¬

программе.

Задания 1. Подключите

IR-приемник

познавания кодов

IRjCode.

пульта, определите коды

выбранных

2. Вставьте полученные коды sults, value) и загрузите ее

ющие

клавиши

Arduino, закачайте программу рас¬

к

Нажимая

в

в

на клавиши имеющегося

программу

IR_proba (переменные

контроллер. Нажимая

пульта, проверьте

у

вас

клавиш.

срабатывание

на

re¬

соответству¬

имеющегося на

плате светодиода, подключенного к выводу 13 Arduino.

О способах передачи данных по радиоканалу изобретено огромное количество способов пере¬ дачи данных по радио. Они работают на самые разные расстояния: каждый из нас ежедневно сталкивается с системами, работающими на десятки тысяч километров (спутниковая навигация), на сотни ме¬ К нашему времени

(мобильная телефония), на десятки метров (WiFiроутеры), на пару-тройку метров (беспроводные мыши и Bluetooth), наконец, на единицы сантиметров (банковские карты и проездные билеты, бесконтактные замки). Причем этим перечислением исполь¬ зование радиоканалов для передачи именно данных (а не только изо¬ бражения и звука, как это было еще пару-тройку десятилетий назад)

тров

и

километры

Глава 7. Способы дистанционной

167

передачи информации

далеко не исчерпываются: есть еще неисчислимое количество менее известных способов. В результате радиоспектр оказался переполнен: если три-четыре десят¬ ка лет назад, во времена, когда Р. А. Сворень писал свою книгу, развитие

радиосвязи лимитировалось отсутствием достаточно

радиокомпонентов,

то сегодня

-

высокочастотных

только и исключительно

информаци¬

онной емкостью

удобных диапазонов. В используемых для радиосвязи диапазонах электромагнитных волн действует приближенное правило «чем ниже частота, тем выше

волны

проникающая способность»

могут огибать земной шар,

деревянными

0,3-3 ГТц,

а частоты выше

перегородками). Существует

где и проникающая

способность,

(сверхдлинные

5 ГГц задерживаются

некий оптимум и

в диапазоне

информационная

емкость

достаточно велики, и весь этот диапазон

спектра (УВЧ, ультравысокие забит самыми частоты) наглухо различными потребителями от телеви¬ в и голосовой дения радиосвязи нижней части диапазона до спутниковой навигации, стандартов 2-3-4-5G, а также упомянутых WiFi и Bluetooth в середине и в верхней части. И по всему спектру властно вмешивают¬ ся нужды военных, космической и правительственной связи, которые -

с трудом сдают свои позиции, когда жизнь заставляет их

очередной раз

подвинуться. При этом разброс мощностей сигналов достигает 10,2-1013 (до 130 дБ, от мощного роутера до исчезающее слабых спутнико¬

немного

сигналов). Учитывая еще то, что, например, в том же диапазоне, WiFi (2,4 ГГц), работают бытовые микроволновки, хочется понять,

вых

и

что как

функционировать, друг другу. Для начала ситуация облегчается тем, что в большей части способов речь идет о пакетной передаче. То есть источник не занимает все время в эфире, а передает данные короткими пакетами, вклиниваясь в момен¬ все это может довольно надежно

ты, когда месте

эфир свободен.

не мешая

Именно

сосуществуют в одном и том же протокола отведен совсем неболь¬

так

WiFi-устройства, хотя для этого работы таких устройств

шой участок спектра. Для

даже вводят норма¬

тивы по заполняемости времени передачи. этого, существуют выделенные международными соглашени¬ ями и внутригосударственными установлениями участки спектра, сво¬

Кроме

бодные

для использования в «промышленных, научных, медицинских

и бытовых применениях»

(ISM-диапазоны). Понятно, что рядом

тающим радиолокатором никакие разделения пакетов

и

с

рабо¬

меры защиты

шума в эфире не noMoiyr, потому платой за такую свободу оказы¬ ограниченная нормативами мощность передатчиков (в разных диапазонах она разная). В интересующем нас участке спектра (в России) от

вается

ISM-диапазоны 2,4 ГТц (2400-2500 МГц). В

основные и

-

это

433

(433,05-434,79),

последние годы к ним

915

(902-928) МГц

добавился диапазон

(866,0-868,0) МГц. Все маломощные устройства с дальностью от еди¬ ниц до сотен метров работают именно в этих участках спектра. 868

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

168

для наших целей чем ниже частота, тем лучше. В табл. 7.1 воспроизведены сведения о прохождении радиоволн различных частот

Причем

через стены. Как видите, там, где WiFi

(2,4 ГГц)

полностью

задержива¬

уже 10-сантиметровой перегородкой из бетона, устройства на ча¬ стоте 433 МГц могут работать почти через полуметровую капитальную стену. Для деревянных и пенобетонных стен ослабление сигнала при¬

ется

мерно вдвое меньше, чем для кирпича и гипсолитовых перегородок, для железобетона вдвое больше, чем для обычного бетона. -

Таблица 7.1. Предельная толщина материала для радиосигнала различных частот2 Материал

Частота

Кирпич

433 МГц

4,3

868 МГц

2,18

2,4 ГГц

0,78

433 МГц

0,47

868 МГц

0,24

2,4 ГГц

0,09

Бетон

Но перечисленных

Предельная

толщина, м

мер недостаточно не все устройства такие «умные» и «вежливые», чтобы работать поочередно, не мешая друг другу. Основная плата за разнообразие и дешевизну способов пере¬ дачи данных

выше

по

-

довольно «навороченный» алгоритм переда¬ радио в сообщений приема условиях шума и помех со стороны других

чи и

устройств

и

-

природных

именно из-за наличия таких

телевидение имеет лучшее качество, чем анало¬

цифровое Принципы надежной

алгоритмов говое.

факторов. Кстати,

передачи зашумленных сообщений

циальная математическая дисциплина, основы

Шеннон

передавать

полнительные известные

в

спе¬

заложе¬

середине XX

века.

любой

сколь угодно зашумленной линии без ошибок, если добавлять к нему до¬ биты по определенным правилам. Все

смог доказать, что в

связи можно

которой

Клодом Шенноном

ны выдающимся математиком

были

-

сигнал

(избыточные) проводной

способы

и

беспроводной передачи данных ис¬ рода. Причем в беспроводных

такого

пользуют различные алгоритмы протоколах из-за большого числа истине

огромной:

редается Wi-Fi

2

Из

в

избыточность

может

быть

по-

протоколе Wi-Fi один значащий бит пе¬ бит. В таких модулях, как

аж одиннадцать

размером эти алгоритмы скрыты от пользователя они «за¬ управляющих контроллерах. А в рассматриваемых нами далее

или

шиты» в

например,

пакетом

помех

Bluetooth,

публикации М.

С. Елькина

-

в

журнале «Системы безопасности» № 3, 2010.

Глава 7. Способы дистанционной передачи информации

169

простейших модулях на 433 МГц вся тяжесть по обеспечению надежной передачи ложится на программные алгоритмы, скрытые

Вы уже

окончательно поняли,

в

библиотеках.

в

почему современных средствах связи без микроконтроллеров не обойтись? Альтернативой цифровой пере¬ даче данных будет не только муторное и затратное налаживание схем передатчика

и

но и низкая надежность канала, и создание

приемника,

помех соседям, а то и

-

чем

черт не

шутит? конфликт с надзорными ор¬ -

ганами по

поводу нарушений правил использования радиочастотного спектра. Но это вовсе не значит, что обязательно надо покупать дорогущие модули с сложными протоколами, вполне можно обойтись и про¬ стыми

средствами. Один

из таких

вариантов

мы

сейчас

и

рассмотрим.

Эксперимент 28. способ передачи данных радио

Простой по

Материалы и оборудование: плата плата

Arduino Nano; Arduino Uno;

маломощный интегральный стабилизатор напряжения напряжением 5 В LP2950-5,0;

с выход¬

ным

керамический конденсатор 1,0-2,2 мкФ; электролитический конденсатор 33,0-100,0 мкФ, ловый или полимерный); комплект

При

передатчик

конструировании

и

16 В

(2 шт., танта-

приемник 433 МГц RF link kit

устройств домашней

-

автоматики

1+1

шт.

рано

или

вам понадобится дистанционный радиодатчик. Совершенно необязательно, чтобы он передавал информацию за километры, но, на¬ поздно

пример,

если от

и влажности на как

домашней метеостанции для измерения температуры улице приходится тянуть провода через окно, то это

неудобно и некрасиво, а иногда и невозможно. ИК-канал, предыдущем Эксперименте, не будет работать в отсутствие пря¬

минимум

как в

мой видимости через стенку

радиоканалу. Для целей домашней

и даже

через

стекло.

автоматики годится в

10-100 м,

Остается передача

по

принципе любой способ,

работающий удовлетворяющий некоторым условиям: датчики должны быть экономичными (рассчитанными на ра¬ боту от батареек) и связи не должны мешать стены и перегородки. При этом, в отличие от мобильной связи и интернета, особых требований к информационной емкости канала здесь не предъявляется достаточ¬ но скорости на уровне в несколько сотен-тысяч бит в секунду. Поэтому, на дистанциях

но

-

170

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

например, Wi-Fi

для этой

и

родственные ему способы

цели подходят плохо: сигналы

ми стенками,

устройства

емкость каналов

при

связи много

этом

Рис. 7.4. Модули RF link kit справа

-

гигагерцовых диапазонах задерживаются межкомнатныв

потребляют,

а

информационная

избыточна.

на

433 МГц:

передатчик); 6

-

внешний вид (слева приемник, принципиальная схема передатчика. а

-

-

Здесь мы остановимся на наиболее простом и дешевом способе связи

-

передатчиках и приемниках диапазона 433 МГц. Самый распространен¬ ный комплект носит название 433Mhz RF link kit и выглядит примерно так,

как показано на

рис. 7.4. Они могут

иметь и

другое

оформление, но

это простые схемы радиодиа¬ принцип работы у них один и тот же пазона, не содержащие никаких управляющих контроллеров и других «умных» микросхем. Сами по себе эти модули могут только одно: за¬ -

фиксировать подан

на

приемником перепад вход передатчика.

логического

уровня, который был

Передатчик (он носит название FS1000A), как мы видим (рис. 7.46), представляет собой простейший генератор на резонатора

на

из его схемы

основе

433 МГц. Такой резонатор выгодно отличается

от

ПАВ-

простого

Глава 7. Способы дистанционной

171

передачи информации

колебательного контура, описанного в книге Р. А.

Свореня: он не требует

ручной настройки и сразу выдает заведомо качественный радио¬ Генератор собран на транзисторе VT,, а транзистор VT2/ на базу

никакой сигнал.

которого подаются цифровые данные, просто ключ, который подклю¬ чает генератор к питанию (точнее, к шине GND) при наличии высокого уровня (логической единицы) на входе. Питание Vcc может быть от +5 до -

+12 В, причем,

по

работает нестабилизированному питанию на входе платы Arduino (контакт Vin). У приемника схема сложнее, и мы не будем ее воспроизводить, но она

дальше к

утверждению производителей, чем выше питание, тем Поэтому питание передатчика лучше подключать

связь.

обходится без каких-либо контроллеров. Приемник

тоже

должен при¬

отфильтровать частоту 433 МГц, в логические уровни. Приемник

нять и усилить высокочастотный сигнал,

выделить

преобразовать их подстроечный дроссель (посередине платы, см. рис. 74а), но без точных приборов для измерения амплитудно-частотной характеристики его крутить не рекомендуется. В схеме с Arduino или любым другим циф¬ ровым устройством питание приемника (3-5 В) ни в коем случае нельзя подключать к той же шине питания 5 В, к которой подключен контроллер всплески и

имеет

(как

это

предполагается

ресурсах)

-

из-за

во всех

цифровых

без

исключения

помех на

этой

примерах

шине дальность

на

интернет-

работы

пары

Для приемника должен устанавливаться отдельный ка¬ чественный линейный (не импульсный!) стабилизатор, питающийся от того же несгабилизированного входа платы Arduino (контакт Vin). Передатчик и приемник должны быть снабжены антеннами даль¬ резко

снизится.

-

ность передачи в этом случае существенно возрастает. В продажу они чаще всего поступают без антенн, которые можно приобрести отдельно в виде скрученных спиралей. Антенны несложно соорудить самостоя¬ тельно,

да

отмерив прямой отрезок одножильного изолированного прово¬

сечением

лять

17,3

0,5-1

мм.

Для диапазона

см от кончика до кончика.

433 МГц его Один конец

длина должна состав¬

отмеренных отрезков

зачищают на длину 2-3 мм и впаивают в отверстия на платах передат¬ чика и приемника, помеченные надписью Ant (оно обычно крупнее

остальных, не менее 1 мм в

диаметре). Для дальнейших экспериментов соберите тестовые схемы передатчика и приемника на отдельных платах (рис. 7.5). Выберем для передатчика плату Arduino Nano, подключенную к отдельному адаптеру питания (че¬ рез контакт Vin), а для приемника Arduino Uno, которая питается от дру¬ гого адаптера через встроенный разъем. Положительный контакт этого -

разъема соединен с тем же выводом Vin, к которому здесь подключается вход стабилизатора питания приемника. Конденсаторы С, и С2 в прием¬ нике, а также конденсатор С, в передатчике могут быть любой емкости

оборудования диапазона, но электролитические быть танталовыми или полимерными. должны предпочтительно из

указанного

в списке

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

172

Рис. 7.5.

Передатчик (а)

и приемник

(б)

данных по радиоканалу

с использованием RF link kit

Глава 7. Способы дистанционной

LP2950-5.0

Стабилизатор ный

с выходом

5 В

дом.

Кроме того,

роткие ника от

помехи.

они

компьютера

другой

но не стоит ставить

линей¬

традици¬

КР1157ЕН5Б), так как допустимый перепад между входом и выхо¬ слишком медленные и могут не отрабатывать ко¬ отечественный аналог

После программирования

обмен через Serial

на

любой

можно заменить на

(например, LM2931),

онный LM78L05 (или его у них слишком большой

173

передачи информации

не отключается

плата

контроллера прием¬

(тестовая программа рассчитана

порт), но внешний адаптер

все

равно должен быть

подключен для обеспечения питания приемника. В качестве контакта для обмена данными у передатчика

ровой вывод D10, у приемника

-

выбран циф¬

вывод D2. Их можно сменить на любые

другие, указав это в тексте скетчей. Максимальная скорость передачи таким способом может составлять несколько тысяч бит в секунду, но мы

будем устанавливать не слишком большую

-

от этого зависит дальность

и надежность

передачи. модули 433 МГц «заточены» под передачу битовых последова¬ тельностей и изначально не понимают никакого разделения на байты, то библиотеки для работы с ними имеют свою специфику. Она заключа¬ Так

как

ется в том, что

емник, служат

переменными, которыми оперируют передатчик и при¬ не отдельные числа, а байтовые массивы. Из этого при¬

ходится исходить при создании скетчей для

Сначала

мы

работы с такими модулями. просто попробуем что-нибудь передать и принять.

Тестовые программы передачи

и

приема

Для работы с RF link мы воспользуемся самой распространенной библиоте¬ кой для этой цели под названием Virtual Wire. Ее

можно скачать по

адресу

http://www.airspayce.com/mikem/arduino/VirtualWire (ссылка на архив с библио¬ текой в тексте на странице по этому адресу). Документация к библиотеке, -

к сожалению, очень плохая,

по многочисленным

применение Сети.

под названием

Proba433MHz_

примерам, которые Для проверки создадим новый скетч

peredatchik

и запишем в него

короткий

постигать ее

легко находятся в

потому приходится

текст

программы передатчика:

#include char msg[4]; //массив-строка для передачи int хх=2731; //целое число void setup() { vw_setup(1200); //скорость соединения VirtualWire vw_set_tx_pin(10); //вывод передачи VirtualWire } void loopQ { itoa(xx, msg, 10); //преобразование

числа

vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg));

в

массив

char

//передача сообщения

174

ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ. ПРАКТИКУМ

vw_wait_tx(); // Ждем delay(2000); //каждые

завершения передачи две секунды

} Напоминаем, в

архиве

по

что тексты всех

адресу, указанному

Программа

программ

из

во введении

каждые две секунды

четырехзначное десятичное число,

будет

этой книги можно найти

«От автора».

окружающий мир случае 2731 (значение абсо¬

передавать

в данном

в

нуля градусов с отброшенными знаком и разделительной точкой). и занимает четыре байта в памяти. Но здесь в будет проще преобразовать число строку алфавитных символов (функ¬ ция itoa), переслать его в таком виде, а потом на приемном конце совер¬

лютного

В принципе, это число типа int

обратное преобразование. Эго займет ненамного больше программ¬ времени, чем разборка числа на отдельные байты и последующая его сборка из таких «осколков», но гораздо нагляднее и быстрее в отладке. Скорость передачи выбрана 1200 бит в секунду, что не очень большая величина нам торопиться некуда, зато дальность передачи будет на высоте. Автор библиотеки указывает, что при 9-вольтовом питании пе¬ шить

ного

-

редатчика дальность передачи 150

м на

скоростью может составлять до В открытом пространстве. приемнике нужно будет обязательно с такой

установить такую же величину скорости. Для приема данных составим другой

скетч,

который

назовем

Proba433MHz_priemnik: #include char str[5]; void setup() { vw_setup(1200); //скорость соединения VirtualWire vw_rx_start(); //готовность приема vw_set_rx_pin(2); //вывод приемника VirtualWire Serial.begin(9600); //Serial-порт для контроля } void loop() { uint8_t buf[VW_MAX_MESSAGE_LEN]; //переменная для принятых данных uint8_t buflen = VW_MAX_MESSAGE_LEN; //пах длина принятых данных if

(vw_get_nessage(buf, &buflen)) //если

данные приняты

{ for (byte i=0;i