Электроника. Сборник рецептов: готовые решения на базе Arduino и Raspberry Pi [Саймон Монк] (pdf) читать онлайн

Электроника

Сборник рецептов
Готовые решения на базе

Arduino и Raspberry Pi

Electronics Cookbook
Practical Electronic Recipes
with Arduino and Raspberry Pi

SimonMonk

Beijing • Boston • Farnham • Sebastopol •Tokyo

O"REILLY"

Электроника
Сборник рецептов
Готовые решения на базе
Arduino и Raspberry Pi

Саймон Монк

Москва· Санкт-Петербург

2019

ББК

32.85
М77

УДК

621.38
Компьютерное издательство "J(иалектика"
Перевод с английского И.В. Василенко

Под редакцией В.Р. Гинзбурга

По общим вопросам обращайтесь в издате11ьство "Диалектика" по адресу:

info@dialektika.com, http://www.dialektika.com
Монк, Саймон.

М77

Электроника. Сборник рецептов: готовые решения на базе

с англ.

-

СПб.: ООО "Диалектика':

ISBN 978-5-907114-54-8

2019. - 480 с.:

ил.

-

Arduino

и

Raspberry Pi. : Ilep.

Парал. тит. англ.

(рус.)
ББК

32.85

Все названю1 программных продуктов являются зарегистрированными торговыми марками соответ­

ствующих фирм.
Никакая часть настоящего издания ни в каких целях не может быть воспроизведена в какой бы то ни
было форме и какими бы то ни было средствами, будь то э11ектронныс или механические, включая фотоко­
пирование и запись на магнитный носитель, если на это нет письменного разрешения издательства O'Reilly
Media, !пс.
Authorized Russiaп traпslatioп of the Eпglish editioп of Electro11ics Cookbook (JSBN 978-1-491-95340-2)
© 2017 Simoп Мопk.
This traпslatioп is puЬlished апd sold Ьу permissioп of O'Reilly Media, !пс" which owпs or coпtrols al\ rights
to sell the same.
All rights reserved. No part of this book may Ье reproduced or traпsmitted iп any form or Ьу any means, electronic or mechanical, including photocopyiпg, recording, or Ьу апу iпformation storage or retrieval system, withoul
the prior writteп permissioп of the copyright owпer апd the PuЬlisher.

Научно-популярное издание

СаймонМонк

Электроника. Сборник рецептов: готовые решения на базе
Arduino и Raspberry Pi
Ilодписано в пс•1ать

15.01.2019.
Times.
Усл. печ. л. 38,7. Уч.-изд. л. 30.
Тираж 400 экз. Заказ № 665.

Формат 70х100/16. lарвитура

От11с•1атано в АО "Ilервая Образцовая типография"
Филиал "Чеховский Ilечатный Двор"

142300, Московская область,'" Чехов, ул. llолиграфистов, д. 1
Сайт: www.chpd.ru, E-mail: salcs@chpd.ru, те11. 8 (499) 270-73-59
ООО "Диа11ектика':

195027,

Санкт-Ilетербург, Ма1·11ито1·орская ул" д.

30,

лит. А, пом.

848

ISBN 978-5-907114-54-8

(рус.)

© 2019 ООО "Диалектика"

ISBN 978-1-491-95340-2

(англ.)

© 2017 Simoп Monk

Оглавление
Введение

15

Глава

1. Основные законы

21

Глава

2. Резисторы

31

Глава

3. Конденсаторы и катушки индуктивности

49

Глава

4. Диоды

б5

Глава

5. Транзисторы

Глава

6. Переключатели

Глава

7. Источники

Глава

8. Батарейки и аккумуляторы

139

Глава

9. Солнечные панели

153

и интегральные микросхемы
и реле

питания

75
97
105

Глава 10. Arduiпo и Raspberry Pi

165

Глава

11. Переключение сигналов

201

Глава

12. Датчики

227

Глава 13. Электродвигатели

263

Глава

287

14. Светодиоды и индикаторы

Глава 15. Цифровые интегральные микросхемы

323

Глава

16. Аналоговая электроника

335

Глава

17. Операционные усилители

359

Глава 18. Звук

381

Глава

397

19. Радио

Глава 20. Сборка

413

Глава 21. Инструменты и оборудование

437

Приложение А. Комплектующие и поставщики

457

Приложение Б. Расположение выводов на плате Arduino

467

Приложение В. Расположение выводов на плате Raspberry Pi

469

Приложение Г. Единицы измерения

471

Предметный указатель

473

Содержание
Об авторе
Об изображении на обложке

13
13

Введение

15

На кого рассчитана эта книга

15
15
16
16
19
19
20

Идея книги
Современная электроника

Структура книги

Условные обозначения
Файлы примеров
Ждем ваших отзывов!

Гnава

1. Основные законы

1.1. Электрический ток
1.2. Напряжение
1.3. Связь напряжения, тока и сопротивления
1.4. Ток в произвольной точке цепи
1.5. Напряжение в произвольной ветви цепи
1.6. Электрическая мощность
1.7. Переменный ток
Гnава

2. Резисторы

3. Конденсаторы

21
22
23
25
26
28
28
31

2.1. Маркировка резисторов
2.2. Подбор номинала резистора
2.3. Переменные резисторы
2.4. Последовательное подключение резисторов
2.5. Параллельное подключение резисторов
2.6. Понижение напряжения до необходимого уровня
2.7. Подбор резистора, выдерживающего рабочую нагрузку
2.8. Измерение уровня освещенности
2.9. Измерение температуры
2.10. Подбор проводов
Гnава

21

и катуwки индуктивности

3.1. Временное сохранение заряда
3.2. Типы конденсаторов
3.3. Маркировка конденсаторов
3.4. Параллельное подключение конденсаторов
3.5. Последовательное подключение конденсаторов
3.6. Накопление больших зарядов
3.7. Расчет энергии, накопленной конденсатором

31
33
34
36
38

40
41
43
44
45

49
49
54
56
57
58
58
59

3.8. Изменение формы сигнала
3.9. Преобразование напряжения

60
61

Гnава

65
65
68
69
71
73

4. Диоды

4.1. Предотвращение протекания электрического тока
4.2. Типы диодов
4.3. Ограничение постоянного напряжения
4.4. Да будет свет!
4.5. Датчик освещенности
Гnава

S. Транзисторы

и интеграnьные микросхемы

75
76
80
81
84
86
89
90
91
93

5.1. Переключение токов слабыми сигналами
5.2. Переключение токов с большим коэффициентом усиления
5.3. Переключение сильных токов
5.4. Переключение сигналов высокого напряжения
5.5. Подбор транзистора
5.6. Переключение переменных токов
5.7. Датчик освещенности на транзисторах
5.8. Оптическая развязка в электрической цепи
5.9. Интегральные микросхемы
Гnава

6. Перекnючатеnи

и

pene

97
97
98
101
102

6.1. Механические переключатели
6.2. Типы переключателей
6.3. Магнитный переключатель
6.4. Механические реле
Гnава

7. Источники

питания

7.1. Преобразование переменного напряжения
7.2. Преобразование переменного напряжения

105
106
в постоянное,

зависящее от нагрузки

7.3. Преобразование переменного

107
напряжение в постоянное

с уменьшенной пульсацией

7.4. Преобразование переменного напряжения в стабилизированное постоянное
7.5. Преобразование переменного напряжения в регулируемое постоянное
7.6. Стабилизация напряжения на выходе батарейки
7. 7. Стабилизированный источник тока
7.8. Стабилизатор постоянного напряжения с высоким КПД
7.9. Преобразование низкого постоянного напряжения в высокое
7.10. Преобразование постоянного напряжения в переменное
7.11. Питание от электросети с переменным напряжением 110 или 220 В
7.12. Умножение напряжения
7.13. Повышение напряжения до 450 В
7.14. Создание источников питания очень высокого напряжения (больше 1 кВ)

Содержание

109
112
114
116
117
118
119
120
123
125
126
129

1

7

7.15.
7.16.
7.17.

130
133
135

Источник питания сверхвысокого напряжения

Предохранитель
Защита от напряжения неправильной полярности

Гnава

8. Батарейки

и аккумуnяторы

139

8.1. Ожидаемый срок службы
8.2. Подбор батареек разового использования
8.3. Подбор аккумуляторов
8.4. Дозарядка аккумуляторов
8.5. Источник аварийного питания
8.6. Зарядка литий-полимерных аккумуляторов
8.7. Полная разрядка источника питания

139
141
143
144
146
147
149

Гnава

153

9.1.
9.2.
9.3.
9.4.
9.5.

9. Соnнечные

панеnи

Получение электроэнергии из солнечного света

153
156
158
161
162

Выбор солнечной панели
Измерение выходной мощности солнечной панели

Электропитание

Arduino от солнечной панели
Электропитание Raspberry Pi от солнечной панели

Гnава

10. Arduino

и

Raspberry Pi

165

10.1. Обзор платы Arduino
10.2. Загрузка скетчей, используемых в проектах книги
10.3. Обзор платы Raspberry Pi
10.4. Загрузка программ Python, используемых в проектах книги
10.5. Автоматический запуск программ при загрузке Raspberry Pi
10.6. Альтернативы Arduino и Raspberry Pi
10.7. Переключение сигналов
10.8. Управление цифровыми выходами платы Arduino
10.9. Управление цифровыми выходами платы Raspberry Pi
10.10. Считывание сигналов, подаваемых на вход Arduino
10.11. Считывание сигналов, подаваемых на вход Raspberry Pi
10.12. Считывание аналоговых сигналов в Arduino
10.13. Изменение напряжения на выводах Arduino
10.14. Изменение напряжения на выводах Raspberry Pi
10.15. Подключение оборудования к Raspberry Pi через соединение I2C
10.16. Подключение оборудования к Raspberry Pi через соединение SPI
10.17. Преобразование логических уровней

165
168
169
171
172
173
175
179
180
182
184
186
188
192
193
196
197

Гnава

201

11.1.

11. Перекnючение сигнаnов

Переключение сигналов с мощностью выше допустимой для

и

11.2. Ключ верхнего плеча
11.3. Переключение сигналов высокой
11.4. Переключение сигналов высокой

8

1

Arduino

Raspberry Pi

Содержание

мощности
мощности ключом верхнего плеча

201
203
206
209

11.5. Выбор между биполярным и МОП-транзистором
11.6. Управление питанием из Arduino
11. 7. Управление питанием из Raspberry Pi
11.8. Переключение питания в обоих направлениях
11.9. Управление реле через вывод GPIO
11.10. Управление полупроводниковыми реле через вывод GPIO
11.11. Подключение устройств через вывод с открытым коллектором
Гnава

210
211
216
218
219
221
223

12. Датчики
к Arduino или Raspberry Pi

12.1. Подключение переключателя
12.2. Датчик уrла поворота
12.3. Считывание аналогового сигнала с выхода резистивного датчика
12.4. Подключение АЦП к Raspberry Pi
12.5. Подключение резистивного датчика к Raspberry Pi без использования АЦП
12.6. Определение уровня освещенности
12.7. Измерение температуры с помощью Arduino
12.8. Измерение температуры с помощью Raspberry Pi без использования АЦП
12.9. Измерение угла поворота с помощью потенциометра
12.1 О. Измерение температуры аналоговым датчиком
12.11. Измерение температуры цифровым датчиком
12.12. Измерение влажности
12.13. Измерение расстояния
Гnава

13. Эnектродвиrатеnи

13.1. Управление электродвигателем постоянного тока
13.2. Измерение скорости вращения вала двигателя постоянного тока
13.3. Изменение направления вращения вала электродвигателя постоянного тока
13.4. Поворот вала двигателя на строго заданный угол
13.5. Шаговое вращение вала электродвигателя
13.6. Подбор простого шагового двигателя
Гnава

14. Светодиоды

227
227
232
237
240
241
243
244
247
249
250
253
257
259
263
263
265
267
272
277
282
287
287
290
293
295
295
299
304
309

и индикаторы

14.1. Подключение светодиода к выводу GPIO
14.2. Управление светодиодами повышенной яркости
14.3. Управление массивом светодиодов
14.4. Управление питанием массива светодиодов
14.5. Мультиплексное управление семисегментным индикатором
14.6. Управление большим количеством светодиодов
14.7. Управление RGВ-светодиодом
14.8. Управление лентой RGВ-светодиодов с адресным доступом
14.9. Управление многоразрядным семисегментным индикатором

313
317
319

через 12С-соединение

14.10. Вывод графических изображений на ОLЕD-дисплей
14.11. Вывод текста на алфавитно-цифровой дисплей
Содержание

1

9

Глава

15. Цифровые интеrральные микросхемы

323

15.1. Защита микросхем от электрических помех
15.2. Определение семейства логических схем
15.3. Управление большим количеством выводов,
чем располагает интерфейс GPIO
15.4. Цифровой триггерный переключатель
15.5. Понижение частоты сигнала
15.6. Управление десятичным счетчиком

323
325

Глава

335

16. Аналоrовая электроника

16.1. Фильтр низких частот (дешевый и низкоэффективный)
16.2. Мультивибратор
16.3. Последовательное мигание светодиодов
16.4. Стабилизация напряжения при подключении нагрузки
16.5. Простой генератор импульсных сигналов
16.6. Генератор импульсных сигналов с регулируемым
коэффициентом заполнения

326
330
331
332

335
339
340
341
343

16.7. Ждущий одновибратор
16.8. Управление скоростью вращения вала электродвигателя
16.9. Преобразование аналогового сигнала в ШИМ-сигнал
16.1 О: Генератор, управляемый напряжением
16.11. Децибелы как единицы измерения

345
348
349
352
353
355

Глава

359

17. Операционные усилители

17.1. Выбор операционного усилителя
17.2. Двухполярный источник питания для операционного усилителя
17.3. Однополярный источник питания для операционного усилителя
17.4. Инвертирующий усилитель
17.5. Неинвертирующий усилитель
17.6. Повторитель (буферный усилитель)
17.7. Подавление высокочастотного сигнала
17.8. Фильтр высоких частот
17.9. Полосовой фильтр
17 .1 О. Сравнение напряжений

360
362
364
365
367
369
371
375
376
378

Глава

381

18. Звук

18.1. Воспроизведение звуков в Arduino
18.2. Воспроизведение звуков в Raspberry Pi
18.3. Запись звука электретным микрофоном
18.4. Одноваттный усилитель мощности
18.5. Усилитель мощностью 10 Вт

10

1

Содержание

382
385
386
390
392

Г11ава

19. Радио

397
397
402
403
405
407

Введение

19.1. FМ-передатчик
19.2. Программный FМ-передатчик на базе Raspberry Pi
19.3. FМ-приемник, управляемый из Arduino
19.4. Беспроводная передача цифровых данных
Г11ава

20. Сборка

413

20.1. Сборка прототипа
20.2. Постоянно действующие прототипы
20.3. Создание собственных печатных плат
20.4. Пайка выводных электронных компонентов
20.5. Поверхностный монтаж компонентов
20.6. Выпаивание компонентов из платы
20.7. Охлаждение электронных компонентов
Г11ава

21. Инструменты

413
420
424
426
428
433
434

и оборудование

437

21.1. Универсальный блок питания
21.2. Измерение постоянного напряжения
21.3. Измерение переменного напряжения
21.4. Измерение силы тока
21.5. Поиск разрыва цепи
21.6. Измерение сопротивления, емкости и индуктивности
21.7. Безопасная разрядка конденсатора
21.8. Измерение высоких напряжений
21.9. Осциллограф
21.10. Генератор сигналов специальной формы
21.11. Моделирование электрических схем
21.12. Безопасная работа с высоким напряжением

437
439
440
441
442
443
444
445
449
450
452
455

При11ожение А. Комn11ектующие и поставщики

457

Компоненты

457
458
459
459
460
462
463
463
465
466

Оборудование для прототипирования
Резисторы
Конденсаторы и катушки индуктивности

Транзисторы и диоды
Интегральные м~кросхемы
Оптоэлектроника

Модули (платы расширения)
Разное

Специальное оборудование

Содержание

1

11

При11ожение Б. Распо11ожение выводов на п11ате

Arduino

467
467
468

Raspberry Pi

469
469
469
470

Arduino Uno R3
Arduino Pro Mini
При11ожение В. Расподожение выводов на п11ате

Raspberry Pi 2, модели В, В+, А+, Zero
Raspberry Pi, модели А и В (второй ревизии)
Raspberry Pi, модель В (первой ревизии)

Производные единицы измерения

471
471
471

Предметный указате11ь

473

При11ожение Г. Единицы измерения
Базовые единицы измерения

12

1

Содержание

Об авторе
Саймон Монк посвящает все свое время написанию книг по электротехнике,

рассчитанных на моделистов-любителей. Его перу принадлежат такие бестселле­
ры, как

Raspberry Pi.

Сборник рецептов: решение программнь1х и аппаратных за­

дач, 2-е издание и Практическая электроника: иллюстрированное руководство для
радиолюбителей.
Детально с библиографией Саймона можно познакомиться на сайте www .
simonmonk. org. При желании можете непосредственно пообщаться с ним в Твитте­
ре (@simonmonk2).

Об изображении на обложке
Рыба, изображенная на обложке книги,

слоник (лат. Gпаthопетиs

petersii).

-

это гнатонем Петерса, или нильский

Этот вид широко распространен в Центральной

и Западной Африке. Предпочитает покрытые густой растительностью участки рек с
небольшим течением и мутной водой. Видовое название

(petersii)

дано в честь немец­

кого натуралиста Вильгельма Петерса.
Окрас тела нильского слоника темно-коричневый, практически черный. Харак­

терной особенностью рыбы является рот, точнее

-

нижняя губа в виде хоботка,

придающего ей сходство со слоном. Этот орган оснащен множеством нервных окон­

чаний и может вырабатывать слабые электрические импульсы, что позволяет рыб­
кам ориентироваться в мутной воде, находить пищу и партнера, а также обнаружи­
вать опасность.

Многие из видов животных, изображаемых на обложках книг издательства

O'Reilly,

находятся под угрозой исчезновения. Очень важно сохранить их в естес­

твенной среде обитания.
Изображение на обложке взято из книги
кера.

The Royal Natиral History Ричарда

Лидек­

Введение

Здравый смысл и выработанные с детства инстинкты самосохранения предосте­
регают нас от вмешательства в работу электроприборов без знания их устройства
и принципов функционирования. После знакомства с рецептами, приведенными в
этой книге, вы преодолеете имеющиеся фобии и не только полюбите электронные
устройства, но и захотите создать парочку-другую собственными руками. Рецепты

совсем не обязательно изучать в приведенном в книге порядке. Можете читать лишь
то, что вам интересно, или обращаться к описанию тех задач, которые не в силах ре­

шить самостоятельно. На пути к новым знаниям вам не придется штудировать учеб­
ники по физике и электронике

-

материал книги излагается в предельно простой и

понятной для неподготовленного читателя форме.

Разумеется, в одну книгу нельзя вместить сведения обо всех типах компонентов
и устройств, используемых в электротехнике. Поэтому я постарался включить в нее

описание лишь наиболее популярного среди моделистов и конструкторов электрон­
ного оборудования.

На коrо рассчитана эта книrа
В первую очередь, книга будет интересна тем, кто не имеет специального образо­

вания, но не представляет своей жизни без конструирования электронных устройств.
Здесь вы познакомитесь с рецептами готовых к использованию проектов, которые
вам по силам повторить независимо от уровня знаний.

Если вы только начинаете познавать азы электроники, то книга станет вашим

первым учебником. В противном случае ее всегда можно использовать в качестве
справочного руководства или сборника полезных советов.

Идея книrи
Идея написания книги возникла далеко не сразу. Без лишней скоромности можно
утверждать, что она принадлежит самому Тиму О'Райли. Предполагается, что книга
заполнит рыночную нишу, образованную с одной стороны такими популярными из­

даниями, как

Raspberry Pi.

Сборник рецептов, а с другой

-

профессиональной техни­

ческой литературой по электронике.
Иными словами, перед автором стояла задача простыми словами описать конс­

трукцию и общие принципы работы электронных устройств, управляемых микро-

контроллерами. В частности, вы узнаете, как правильно выбрать для электронного
устройства источник питания, подобрать транзисторы, отвечающие за подачу пи­
тания на электродвигатель, и использовать интегральные микросхемы для решения

других распространенных задач. Вы узнаете, как собираются и тестируются прото­
типы устройств, а также познакомитесь с процессом создания решений, готовых к
практическому применению.

Современная эnектроника
Появление на рынке плат

Arduino

и

Raspberry Pi

ознаменовало новый виток ин­

тереса к моделированию и конструированию электронных устройств с немыслимы­

ми ранее функциональными возможностями. Ощутимое удешевление электронных
компонентов и инструментов привело к рекордному увеличению количества людей,

выбравших своим хобби моделирование, а доступность хакерспейсов (клубов техни­
ческого творчества) и фаблабов (лабораторий цифрового производства) позволила
реализовать огромное количество проектов, основанных на самых смелых и неожи­
данных идеях.

Свободный обмен информацией, в том числе проектными файлами, позволяет
использовать в собственных проектах лучшие из идей, предложенных другими мо­
делистами.

Многие из тех, кто начинал знакомство с электроникой с любительских проектов,
сегодня работают профессиональными конструкторами или открыли собственный

бизнес, а некоторые

-

после получения диплома о высшем образовании

-

посвя­

тили электронной инженерии всю свою жизнь. Как бы там ни было, при наличии
компьютера, Интернета и нескольких простых инструментов вам вполне по силам
реализовать несколько инновационных прототипов, сконструировать на их основе

новейшие устройства и наладить их производство, заручившись поддержкой одной

из краудфандинговых площадок. На сегодня любительская электронная инженерия
не только позволяет воплотить в жизнь давние мечты, но и становится отправной

точкой в налаживании собственного производства.

Структура книrи
Структурно книга организована в виде сборника рецептов, что необычно для тех­
нического издания, но предоставляет вам важное преимущество

-

позволяет изу­

чать новый материал в произвольном порядке. Если в рецепте используются сведе­

ния, изложенные в других главах книги, то он снабжается перекрестными ссылками
на соответствующие разделы.

Тематически рецепты сгруппированы в главы. В главах

1-6

рассматриваются ос­

новы электроники, включая базовые теоретические сведения о прохождении тока
через электрические цепи, состоящие из простых электронных компонентов.

•

Глава

1,

"Основные законы". Как предполагает название, эта глава знакомит

читателей с основными законами, описывающими прохождение тока в элек-

16

Введение

трических цепях. Среди них

-

закон Ома и формула расчета мощности, ис­

пользуемые повсеместно.

•

Глава

2,

"Резисторы': В рецептах этой главы рассматривается наиболее распро­

страненный электронный компонент и изучаются основные его характеристики.

•

Глава

3,

"Конденсаторы и катушки индуктивности': В этой главе вы узнаете о

свойствах, назначении и практическом применении конденсаторов и катушек
индуктивности.

•

Глава

4,

"Диоды". Прочитав эту главу, вы научитесь применять специальные

типы диодов: стабилитроны, фотодиоды и светодиоды. Вы узнаете о принци­
пах их действия и назначении.

•

Глава

5,

"Транзисторы и интегральные микросхемы': Эта глава содержит ре­

цепты, описывающие назначение и способы включения основных полупровод­
никовых компонентов электрических схем: транзисторов. Кроме того, в главе
приведено описание интегральных микросхем, хотя детально принципы их

работы будут рассмотрены в последующих главах.

•

Глава

6,

"Переключатели и реле': В этой главе рассматриваются такие незаслу­

женно упускаемые из виду компоненты электрических схем, как переключате­
ли и реле.

Следующая группа глав включает сведения о практическом применении компо­
нентов, описанных в предыдущих главах. Здесь вы узнаете, как правильно конструи­

ровать электронные устройства, имеющие заданные рабочие характеристики.

•

Глава

"Источники питания': Ни один электронный прибор не обходится

7,

без источника питания. Из этой главы вы узнаете об устройстве традицион­
ных источников питания, назначении импульсных блоков питания, а также
области применения высоковольтных источников питания.

•

Глава

8,

"Батарейки и аккумуляторы': Эта глава содержит рецепты, в которых

описываются аккумуляторные батареи и способы их зарядки от электрической
сети. В ней также рассматриваются системы автоматического резервного питания.

•

Глава

9,

"Солнечные панели". Эта глава полностью посвящена способам по­

лучения электрического тока из солнечной энергии. В ней вы найдете рецеп­

ты обеспечения автономным питанием одноплатных компьютеров

Raspberry Pi,
•

Глава

Arduino

и

используемых для управления внешними устройствами.

10, "Arduino

и

Raspberry Pi".

Управление электронным оборудованием в

большинств~ рассматриваемых в книге проектов осуществляется с помощью
простых одноплатных компьютеров:

Arduino

и

Raspberry Pi.

В этой главе вы

узнаете об их рабочих характеристиках и особенностях использования.

•

Глава

11,

"Переключение сигналов': Не стоит недооценивать роль переключа­

телей, к которым относятся транзисторы, электромеханические и полупро­

водниковые реле, в электрических схемах. При правильном подключении к

Arduino

и

Raspberry Pi

они превращаются в незаменимый компонент любого

электронного устройства.

Введение

17

•

Глава 12, "Датчики". Эта глава содержит рецепты
Raspberry Pi датчиками самых разных типов.

•

Глава
и

управления из

Arduino

и

13, "Электродвигатели': В этой главе вы узнаете, как с помощью Arduino
Raspberry Pi можно управлять электродвигателями наиболее распространен­

ных в моделировании типов (постоянного тока, шаговыми и сервоприводами).
Вы научитесь изменять скорость и направление вращения их вала.

Глава

•

14, "Светодиоды

и индикаторы': К

Arduino

и

Raspberry Pi можно

подклю­

чать как обычные светодиоды, так и сложные светодиодные устройства: све­
тодиоды высокой яркости, светодиодные ленты, индикатор~~ на органических

светодиодах

(OLED),

светодиодные модули с адресным доступом

(NeoPixels)

и жидкокристаллические индикаторы. В этой главе рассказано о том, как пра­
вильно управлять ими.

Глава

•

15,

"Цифровые интегральные микросхемы': В этой главе вы познакоми -

тесь с назначением и рабочими характеристиками интегральных микросхем,

которые все еще востребованы в схемах управления электронным оборудова­
нием, основанных на использовании микроконтроллеров.

Глава

•

16,

"Аналоговая электроника". В этой главе вы узнаете об аналоговом

электронном оборудовании и научитесь использовать его в собственных про­
ектах. В частности, вы познакомитесь со схемами частотных фильтров, генера­
торов сигналов и таймеров.

Глава

•

17,

"Операционные усилители': В продолжение предыдущей главы эта

глава содержит рецепты практического применения операционных усилите­

лей, предназначенных для решения широкого спектра задач

-

от фильтрации

до сравнения сигналов.

Глава

•

18,

"Звук". В рецептах этой главы описаны способы воспроизведения

звука с помощью

Arduino

и

Raspberry Pi,

а также устройства его усиления до

требуемого уровня. В главе рассматриваются как аналоговые, так и цифровые
звуковые усилители.

Глава

•

19,

"Радио". Эта глава содержит описание принципов передачи и приема

радиосигналов, а также обмена пакетными данными между платами

Arduino.

В последних двух главах рассматриваются вопросы сборки прототипов электрон­
ных устройств и использования специальных инструментов.

Глава

•

20,

"Сборка". В этой главе вы познакомитесь с принципами беспаечного

макетирования прототипов устройств, их тестирования и сборки в конечном
исполнении. Кроме того, вы узнаете о правилах пайки электронных компонен­

тов, как обычных, так и поверхностного монтажа.

Глава

•

21,

"Инструменты и оборудование". Эта глава посвящена специальному

оборудованию (импульсным источникам питания, мультиметрам и осцилло­

графам), а также программному обеспечению, использование которого сильно
упрощает сборку собственных проектов.

18

1

Введение

В конце книги вы найдете несколько приложений, содержащих подробные сведе­
ния о технических характеристиках оборудования, используемого в проектах книги,
и назначении выводов на контактных колодках одноплатных компьютеров и микро­

контроллерных плат.

Усnовные обозначения
В книге приняты следующие условные обозначения.
Курсив
Служит для выделения новых терминов.
Мо ноширинный

Служит для выделения элементов программного кода, в частности имен атри­

бутов, переменных, методов и других ключевых слов, а также имен файлов.
Моноширинный

курсив

Служит для выделения заменяемых параметров в синтаксисе команд, выраже­

ний, функций и методов.
Моно!ШlрИННЫЙ полужирный

Служит для выделения вводимых пользователем значений и команд.

Файnы примеров
Все вспомогательные файлы (коды примеров , упражнения и др . ) доступны для
загрузки по следующему адресу:

ht tps://gi t hub.com/simonmonk/electroni c s

cookЬo o k

Также архив материалов продублирован на сайте издательства "Диалектика":
http: // www . williams puЬl is hing. com/Boo k s/978 - 5 - 9071 14- 5 4- 8 .htm l

Все доступные для загрузки файлы призваны помочь вам лучше изучить матери ­

ал книги, поэтому не бойтесь использовать их в собственных целях. Любые файлы,
которые вы найдете по указанным адре с ам, можно смело применять в других про­

ектах или ссылаться на них в учебных пособиях. При этом совсем не обязательно
ставить в известность авторов, за исключением случаев коммерческого использова­

ния больших фрагментов кода. В частности, использование отдельных фрагментов
кода для создания персонального проекта вполне допустимо, а вот для продажи или

Введение

19

распространения файлов примеров на любом из носителей необходимо получать
разрешение. Аналогичным образом разрешается свободно цитировать фрагменты
кода из книги на сайтах, однако для включения больших фрагментов кода в доку­
ментацию к собственному продукту необходимо запрашивать разрешение.
По возможности ссылайтесь на материалы, взятые из этой книги, если исполь­

зуете их в своих проектах, хотя это не обязательное требование. Если вы не знаете,
нужно ли получать специальное разрешение на использование программных кодов,
приведенных в книге, в каждом конкретном случае, не поленитесь связаться с изда­

тельством по электронной почте (permissions@oreilly.com).

Ждем ваших отзывов!
Вы, читатель этой книги, и есть главный ее критик. Мы ценим ваше мнение и

хотим знать, что было сделано нами правильно, что можно было сделать лучше и что
еще вы хотели бы увидеть изданным нами. Нам интересны любые ваши замечания
в наш адрес.

Мы ждем ваших комментариев и надеемся на них. Вы можете прислать нам бу­
мажное или электронное письмо либо просто посетить наш сайт и оставить свои

замечания там. Одним словом, любым удобным для вас способом дайте нам знать,
нравится ли вам эта книга, а также выскажите свое мнение о том, как сделать наши

книги более интересными для вас.
Отправляя письмо или сообщение, не забудьте указать название книги и ее авто­

ров, а также свой обратный адрес. Мы внимательно ознакомимся с вашим мнением
и обязательно учтем его при отборе и подготовке к изданию новых книг.
Наши электронные адреса:

E-mail: info@dialektika.com
WWW: http://www. dialektika. com

20

Введение

ГЛАВА

1

Основные законы

Несмотря на то что в книге рассматриваются преимущественно практические за­

дачи, для их реализации необходимо обладать определенными теоретическими зна­
ниями в области электроники.
В частности, чтобы в полной мере понять весь изложенный в книге материал,
нужно знать, как взаимосвязаны электрический ток, напряжение и сопротивление.

Не менее важной выглядит и формула расчета электрической мощности, вычис­
ляемой через силу тока и напряжение.

1.1. Эnектрический

ток

Задача
Понять, что такое электрический ток.

Решение
Само понятие тока подразумевает направленное движение электрических частиц,

подобное потоку воды в трубе. В данной аналогии сила тока определяется как коли­
чество воды, протекающей через трубу за единицу времени.
Электрический ток вычисляется как заряд, переносимый электронами через про­

водник за время, равное одной секунде (рис.

1.1).

В качестве единицы измерения

силы электрического тока принят ампер (А).

Обсуждение
В электронных устройствах электрический ток силой в несколько ампер встреча­
ется достаточно редко. Намного чаще нам придется оперировать величинами, изме­

ряемыми в тысячных долях ампера

-

миллиамперах (мА).

Допоnнитеnьные сведения
Полный список основных единиц измерения и их производных приведен в при­
ложении Г.

Подробно методика расчета силы тока в электрической цепи рассмотрена в ре­
цепте

1.4.

Электрический ток

•

Точка наблюдения
Рис.

1.1. Электрический

ток, проходящий через проводник

1.2. Напряжение
Задача
Понять, что такое электрическое напряжение.

Решение
В предыдущем рецепте вы узнали, что электрический ток

-

это мера заряда, про­

текающего через проводник за единицу времени. Но ток, как и другие физические
потоки, возникает не сам по себе, а под воздействием внешних сил. Например, вода
в трубе течет только тогда, когда один из ее концов приподнят.
Чтобы понять, как напряжение влияет на силу электрического тока в цепи, да­
вайте предположим, что он протекает по проводнику подобно потоку воды в трубе.
В данном случае напряжение можно сравнить с величиной подъема одного из краев

трубы (рис.

1.2).
-

концов трубы,

Важно понимать, что напряжение, как и высота подъема одного из
величина относительная. Скорость потока воды в трубе зависит не

от высоты ее расположения над уровнем моря, а от разницы высот расположения ее
концов.

Напряжение можно измерять либо относительно концов какого-либо проводника
в схеме, либо относительно одного из выводов источника питания. Напряжение обя­

зательно измеряется между двумя точками (выводами) электрической цепи

-

бес­

смысленно измерять его только в одной точке. Положительное напряжение, обозна­

чаемое на схемах символом"+': считается более высоким, чем отрицательное.

22

1 Глава 1. Основные законы

Напряжение

Рис. 1.2. Напряжение в проводнике можно сравнить с высотой подъема
одного из краев трубы
Ток в проводнике протекает только в случае подачи на его концы напряжения
разного уровня. Если концы проводника находятся под одинаковым напряжением,

ток в нем протекать не будет.
В качестве единицы измерения электрического напряжения принят вольт (В).
Например, на выводах батареи типоразмера АА устанавливается напряжение поряд­

ка

1,5

В. При этом плата

напряжением
жением

3,3

5 В,

Arduino,

как и

Raspberry Pi,

требует источника питания с

хотя высокий логический уровень последней определяется напря­

В.

Обсуждение
Иногда на электрических схемах указывают напряжение в отдельной точке, а не

разность потенциалов между двумя точками. В подобных случаях подразумевает­
ся, что напряжение измерено между конкретной точкой схемы и общим проводом
("землей"). Общий провод (на схемах обозначается аббревиатурой

GND) -

это не­

кая общая точка, относительно которой условились измерять напряжения во всех
остальных точках схемы и потенциал которой поэтому равен О В.

Дополнительные сведения
Подробно о напряжении рассказывается в рецепте

1.3. Связь

1.5.

напряжения, тока и сопротивnения

Задача
Рассчитать зависимость электрического тока, протекающего через проводник, от
напряжения, приложенного к его концам.

1.3. Связь напряжения, тока и сопротивления

23

Решение
Воспользуйтесь законом Ома.

Закон Ома гласит, что ток

(J), протекающий через проводник, пропорционален

приложенному к нему напряжению (И) и обратно пропорционален его сопротивле­

нию

(R).

Математически закон Ома выражается следующей формулой:

Для вычисления напряжения закон Ома представляется в таком виде:
И=/хR
Измерив силу тока и напряжение на отдельном участке цепи, с помощью закона
Ома можно легко вычислить его сопротивление.

Обсуждение
Электрическое сопротивление характеризует способность материала препятство­
вать прохождению через него электрического тока. Поскольку проводники, использу­
емые для соединения электронных компонентов схемы, должны иметь минимальное
сопротивление, провода и дорожки на печатных платах делаются как можно толще.

Несколько сантиметров тонкого провода, соединяющего источник питания с лампоч­

кой (или светодиодом) карманного фонарика, будут иметь сопротивление порядка
О, 1 Ом, тогда как сопротивление толстого провода, соединяющего электрочайник с

розеткой, будет не более

1 мОм.

Высокое сопротивление часто применяется для ограничения электрического тока,
проходящего через отдельный участок цепи. Электронный компонент, играющий в
цепи роль дополнительного сопротивления, называется резистором.

1.3. На нем также изо­
(J) и показан вектор измене­

Символическое обозначение резистора показано на рис.

бражено направление протекания электрического тока
ния напряжения (И) на концах резистора.

R

Рис.

1.3. Напряжение,

ток и сопротивление

100 Ом подключается
1,5 В (рис. 1.4).

Рассмотрим ситуацию, когда к резистору с сопротивлением

обычная батарейка, обеспечивающая выходное напряжение

24

1

Глава 1. Основные законы

Рис.

1.4. Резистор,

напрямую

подключенный к батарейке
Согласно закону Ома, для вычисления электрического тока, протекающего через

резистор, необходимо напряжение, измеренное на его концах
сопротивление

(100 Ом).

(1,5

В), разделить на

В простейшем случае предполагается, что провода, которы­

ми резистор соединяется с батарейкой, и сама батарейка обладают нулевым сопро­
тивлением. Результат получается таким:

l

= 1,5 /

100 = 0,015

А (или

15

мА)

Допоnнитеnьные сведения
О том, как вычисляется электрический ток в произвольной точке цепи, рассказы­
вается в следующем рецепте.

Зависимость мощности от напряжения и электрического тока рассмотрена в ре­
цепте

1.6.

1.4. Ток в произвоnьной точке цепи
Задача
Вычислить ток, протекающий в произвольной точке электрической цепи.

Решение
Используйте первое правило Кирхгофа 1 •
В упрощенном виде первое правило Кирхгофа гласит, что сумма токов, втекаю­
щих в отдельный узел (точку) цепи, равняется сумме токов, вытекающих из этого

узла (точки).

1

В отечественной литературе по электронике часто пишут "закон Кирхгофа':

-

Примеч. ред.

1.4. Ток в произвольной точке цепи

25

Обсуждение
Рассмотрим электрическую цепь, схема которой показана на рис.

1.5.

Она состоит

из двух резисторов, подключенных параллельно к общему источнику питания, пред­

ставленному аккумуляторной батареей (обратите внимание на символ, которым на
электрических схемах обозначаются источники постоянного напряжения).

х

1/2

1/2

у
Рис.

1.5. Электрическая схема параллельного подключения

к источнику питания сразу нескольких резисторов

Легко заметить, что в точку Х электрический ток поступает от батареи, а вытекает
из нее через две ветви

-

на параллельно расположенные резисторы. Таким образом,

если резисторы имеют одинаковый номинал, то через каждый из них протекает ток,
вдвое меньший втекающего в точку Х.

В точке У наблюдается обратная ситуация: в нее электрический ток течет из двух
ветвей (резисторов), а вытекает всего через одну ветвь, связанную с противополож­
ным выводом источника питания.

Допоnнитеnьные сведения
Об использовании правил Кирхгофа для вычисления напряжения в разных вет­
вях цепи рассказывается в следующем рецепте.

Описание электрической цепи, включающей параллельно подключенные резисто­
ры, приведено в рецепте

1.S. Напряжение

2.5.

в произвоnьной ветви цепи

Задача
Отследить падение напряжения в разных участках цепи.

Решение
Обратитесь ко второму правилу Кирхгофа.

26

1

Глава 1. Основные законы

В упрощенном виде второе правило гласит, что сумма напряжений на (резистив­
ных) элементах замкнутого контура равна сумме напряжений на выходе всех источ­
ников питания (ЭДС), входящих в этот контур.

Обсуждение
На рис.

1.6

показана электрическая схема контура, состоящего из батарейки и

двух резисторов равного номинала, включенных последовательно.

u
Рис. 1.6. Электрическая схема последовательного
подключения резисторов к батарейке
На первый взгляд, применимость правила Кирхгофа к данной схеме не совсем оче­

видна. Чтобы понять, как оно работает, достаточно учесть полярность включенного в
схему источника питания. Напряжение на выходах батарейки (И), показанной в левой
части схемы, вдвое больше, чем напряжение на концах каждого из последовательно
включенных в схему резисторов. При этом полярность напряжения на выходе бата­
рейки противоположна (со знаком минус) той, которая наблюдается на концах рези­
сторов.

Таким образом, напряжение на выходе батарейки уравновешивается суммарным
падением напряжения на резисторах. Математически это утверждение записывается

следующим образом:
И= И/2

+ U/2

Или так:

И

-

(И/2

+ И/2)

=О

Допо11ните11ьные сведения
Схема, состоящая всего из двух резисторов, часто применяется для понижения
уровня напряжения в цепи, о чем рассказано в рецепте

2.6.

Первое правило Кирхгофа, позволяющее рассчитать ток, протекающий в произ­
вольной точке цепи, было рассмотрено в предыдущем разделе.

1.5. Напряжение в произвоnьной ветви цепи

27

1.6. Электрическая

мощность

Задача
Познакомиться с понятием электрической мощности.

Решение
Чаще всего под мощностью в электронике подразумевается величина, позволя­

ющая оценить скорость преобразования энергии из электрической формы в любую
другую (обычно тепловую). Мощность измеряется в джоулях в секунду (Дж/с) или
ваттах (Вт). Если собрать простую электрическую цепь, представленную схемой на
рис.

1.4

(см. рецепт

1.3),

то легко заметить, что резистор сильно нагревается. Коли­

чество тепла, выделяемое резистором припрохождении через него электрического

тока, рассчитывается по такой формуле:
Р=Их!

Из формулы следует, что для вычисления тепловой мощности резистора доста­
точно перемножить силу тока, проходящего через резистор, и падающее на нем на­

пряжение. Согласно рис.

при токе

15

1.4

на концах резистора устанавливается напряжение

мА (вычисляется в рецепте

энергии равна

1,5

Вх15 мА=

22,5

1.3),

1,5

В

поэтому мощность рассевания тепловой

мВт.

Обсуждение
Для расчета мощности не обязательно знать силу тока

-

достаточно оперировать

значениями сопротивления резистора и напряжения, подаваемого на его выводы.

Объединив формулу вычисления мощности и закон Ома, получим следующую за­
висимость:

u2

P=R
Таким образом, при И

= 1,5

В и

тепловой энергии определяется как

R = 100 Ом мощность
l,5xl,5/100 = 22,5 мВт.

рассеивания резистором

Допоnнитеnьные сведения
Закон Ома был рассмотрен в рецепте

1.7. Переменный

1.3.

ток

Задача
Выяснить, чем отличается постоянный ток

(Alternating Current -

АС).

28 1 Глава 1. Основные законы

(Direct Current - DC)

от переменного

Решение
Во всех предыдущих рецептах речь велась исключительно о постоянном электри­
ческом токе. В рассмотренных выше примерах в качестве источника электрическоrо

тока использовалась батарейка, обеспечивающая постоянное выходное напряжение.
В бытовой электрической сети, к которой можно подключиться через настен­

ную розетку, протекает переменный ток. В большинстве стран мира напряжение
в электрической сети поддерживается на достаточно высоком уровне

(в США

- 110
3.9).

цепт

В), хотя

ero

- 220-240

В

всеrда можно понизить до более безопасноrо уровня (ре­

Обсуждение
Переменным ток называют потому, что в течение секунды он изменяет свое на­

правление на противоположное большое количество раз. На рис.

1.7

показан харак­

тер изменения напряжения в бытовой электрической сети США.

200

150

100

cn

-

::>

50

ф

:s:

:I:

ф

о

*
о::

а.
с::

ro -50

I

-100

-150

-200
Время

Рис.

1.7.

(t), мс

Изменение напряжения в электрической сети переменного тока (в США)

Леrко заметить, что напряжение изменяется по синусоидальному закону, сначала

возрастая примерно до

150

В, а затем спадая примерно до

-150

В и проходя в сере­

дине цикла точку О В. Полный цикл изменения напряжения совершается за

16,6

мс

(тысячных долей секунды).

1.7. Переменный ток

1

29

Под частотой переменного тока понимают величину, обратную длительности (пе­
риоду) полного цикла изменения напряжения. Она определяет количество полных

циклов изменения напряжения за секунду и рассчитывается по следующей формуле:
Частота= - - -

Период

Частота переменного тока измеряется в герцах (Гц). Согласно графику, показанно­
му на рис.

1.7,

период цикла изменения напряжения составляет

16,6

мс, или

0,0166

с,

что позволяет максимально точно рассчитать его частоту.

Частота=

1

Период

= - - - = 60 Гц

0,0166

У вас может возникнуть справедливый вопрос: как можно утверждать, что на­
пряжение в сети переменного тока равно

300 В?

11 О

В, если амплитуда сигнала равна целых

Ответ на него очень прост, если знать, что величина

110

В представляет собой

среднеквадратичное значение для синусоидального сигнала, график которого пока­
зан на рис.

квадратный

корень из

1.7. Оно рассчитывается как амплитуда сигнала, деленная на
2 (приблизительно равен 1,41). Среднеквадратичное значение

представля­

ет собой аналог постоянного напряжения для переменного сигнала и используется
преимущественно при вычислении мощности тока, протекающего в электрической

сети. Если внимательно изучить показанную на рис.
наружить, что амплитуда сигнала достигает значения
дает искомый результат

- 110

1.7 зависимость, то можно об­
155 В, деление которого на 1,41

В.

Допоnнитеnьные сведения
Детально о переменном токе рассказывается в главе

30

1

Глава 1. Основные законы

7.

ГЛАВА

2

Резисторы

За редким исключением без резисторов не обходится ни одна электрическая схе­

ма. Резисторы бывают разных размеров, форм и номиналов

от нескольких милли­

-

ом (тысячных долей ома) до десятков мегаом (миллионов ом).
В международной классификации единица измерения сопротивления ом (Ом)
обозначается греческим символом "омега"
ляется латинской буквой

"R".

резистора может указываться как

2.1. Маркировка

(Q), хотя

во многих источниках представ­

Например, в технической литературе сопротивление

l OOQ, l OOR

или

l 00

Ом .

резисторов

Задача
Научиться разбираться в номиналах резисторов.

Реwение
Номинал резистора под пайку (с ножками) легко определить по маркировке цве­
товыми полосами, нанесенными на его корпус.

При маркировке резистора, подобной показанной на рис.

2.l,

его номинал опре­

деляется первыми тремя полосками , а отдельная полоска, расположенная в правой
части корпуса, указывает допуск по сопротивлению .

2

Рис.

7

2.1. Маркировка рез и стора тремя цв етовыми полосами

Каждая цветовая полоса на корпусе резистора представляет определенную цифру
в числовом значении сопротивления, как показано в табл.
Табnица

2.1.

2.1. Цветовая маркировка резисторов

Цвет

Значение

Черный

о

Коричневый
Красный

2

Оранжевый

з

Желтый

4

Зеленый

5

Синий

6

Фиолетовый

7
8
9
1/10
1/100

Серый
Белый
Золотой

Серебряный

При показанной на рис.

2.1

маркировке резистора первая полоска определяет

первую цифру числа, вторая полоска

вторую цифру, а третья

-

-

множитель, ука­

зывающий на количество нулей, добавляемых к числовому значению после первых
двух цифр. В нашем случае красная, фиолетовая и коричневая полоски говорят о
том, что резистор имеет сопротивление

270

Ом. Последняя из трех полосок, опре­

деляющая множитель числа, может представляться не только целочисленным, но и

дробным значением. В частности, золотая полоска предписывает использовать для
числового значения множитель

меньшим

10

0,1,

позволяя маркировать резисторы номиналом,

Ом. Например, одноомный резистор маркируется коричневой, черной

и золотой полосками.
Как уже упоминалось, отдельно стоящая полоска указывает допуск измерения со­
противления резистора: коричневая полоска соответствует погрешности

тая

- ±5%,

а серебряная (встречается крайне редко)

± 1%,

золо­

- ±10%.

Применение схемы обозначения, подобной показанной на рис.

2.2,

позволяет ука­

зывать номинал резистора с более высокой, чем в предыдущем случае, точностью.

В подобной маркировке базовое значение определяется первыми тремя полосками,
а его множитель устанавливается четвертой полоской. Например, сопротивление ре­

зистора, показаного на рис.

2.2,

разрядный ноль не добавляется.

32

Глава 2. Резисторы

равно

270

Ом, поскольку к базовому значению

270

2

Рис.

2.2.

7

о

о

Маркировка резисторов четырьмя полосками

Для обозначения номиналов низкого сопротивления четвертая полоска окраши­

вается в золотой (множитель

0,1)

или серебряный (множитель

0,01)

цвет. В частнос­

ти, для обозначения одноомного резистора применяется следующая схема маркиров­
ки: коричневая, черная, черная и серебряная полоски

(lOOx0,01).

Обсуждение
У резисторов поверхностного монтажа

(Surface Mount Technology - SMT)

зна­

чение сопротивления наносится в числовом виде непосредственно на корпус. При

этом формат записи полностью соответствует рассмотренной выше схеме цветовой
идентификации . Например, на корпус резистора поверхностного монтажа с сопро­
тивлением
руется как

270 Ом
1001.

нанесено числовое значение

2700,

а килоомный резистор марки­

Допоnнитеnьные сведения
Конденсаторы зачастую маркируются так же, как и резисторы поверхностного

монтажа (см. рецепт

2.2.

3.3).

Подбор номинапа резистора

Задача
Точные вычисления указывают на необходимость применения в электрической
схеме резистора с сопротивлением

239

Ом, но электронный компонент с таким но­

миналом промышленностью не выпускается. Какой резистор лучше всего использо­

вать в подобных случаях?

Решение
Используйте резистор серии Е24 с допустимым отклонением

±5%.

2.2. Подбор номинала резистора

33

Номинальный ряд Е24 включает резисторы со следующими базовыми значения­

10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82

ми:

и

91.

Количество нулей (множитель) у базового значения может быть произвольным
(максимальное сопротивление резистора определяется только технологическими

ограничениями производственной линии).

Обсуждение
Допуск

± 1%

характерен для резисторов серии Е96. Она содержит вчетверо боль­

ше базовых значений и включает весь номинальный ряд Е24. Тем не менее в инже­

нерной практике такая высокая точность подбора резисторов избьrrочна.
Чаще всего резисторы применяются для ограничения тока, протекающего через

электронные компоненты, например светодиод (рецепт
ного транзистора (рецепт

5.1).

4.4),

или тока базы биполяр­

В подобных случаях используются резисторы из се­

рии Е24 с номиналом, наиболее близким в большую сторону к расчетному.
В частности, если вычисления говорят о необходимости использования сопро­
тивления

240

239

Ом, то в схему нужно включать резистор из серии Е24 с номиналом

Ом.

В действительности резисторы не покупаются по отдельности, а приобретаются
целыми наборами, включающими номиналы разного достоинства. Каждый уважа­

ющий себя радиолюбитель должен иметь в "загашнике" не менее нескольких десят­
ков резисторов каждого из следующих номиналов:

1 кОм, 3,3

кОм

4,7

кОм,

10

кОм,

100

кОм и

l

10

Ом,

100

Ом,

270

Ом,

470

Ом,

МОм.

Допоnнитеnьные сведения
Детально серии резисторов описаны в Википедии:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Pяды_нoминaлoв_paдиoдeтaлeй

2.3.

Переменные резисторы

Задача
Изучить принципы работы переменных резисторов

Решение
Переменный резистор, или потенциометр, состоит из проводящей дорожки и

подвижного (среднего) контакта, перемещающегося по ней. Сопротивление между
каждым из фиксированных выводов и этим контактом зависит от положения движ­
ка (ползунка) на проводящей дорожке. Перемещая движок вдоль дорожки, можно

добиться изменения сопротивления между ним и фиксированными выводами по­
тенциометра, смонтированными на концах дорожки. Простейший вариант потенци­

ометра показан на рис.

34

1

Глава 2. Резисторы

2.3.

А

Б

Рис.

2.3.

Поворотный потенциометр (переменный резистор)

Обсуждение
Промышленностью выпускаются потенциометры самых разных форм и разме­
ров. Наиболее распространенные их виды показаны на рис.

Рис.

2.4.

2.4.

Потенциометры

Два первых потенциометра (слева на рис .

2.4)

известны как подстроечнь1е резис­

торы. В них для перемещения движка по проводящей дорожке необходимо провер ­
нуть поворотный регулятор

-

с помощью отвертки или вручную .

2.3. Переменные резисторы

1

35

Третий слева потенциометр, оснащенный длинным поворотным регулятором,
применяется чаще остальных и предназначается для установки в специально проде­
ланные для него отверстия.

В центре на рис.

2.4

показан потенциометр с явно выраженным двухрядным рас­

положением выводов. Он совмещает в одном устройстве сразу два потенциометра

и обычно применяется для регулировки уровня громкости в стереосистемах. Сле­
дующий (второй справа) потенциометр снабжен переключателем замыкания и раз­
мыкания цепи (вкл./выкл.), а последний представляет собой линейный переменный

резистор (ползунок)

-

такими устройствами оснащаются все без исключения мик­

шерские пульты.

Конструктивно потенциометры бывают двух типов. В первом из них сопротив­
ление проводящей дорожки изменяется линейно

-

в средней точке оно составляет

половину от максимального значения.

Во втором случае сопротивление проводящей дорожки изменяется с расстоянием

не линейно, а согласно логарифмической зависимости. Такие потенциометры обыч­
но применяются в звуковой аппаратуре, поскольку чувствительность человеческо­

го уха к уровню громкости звука также описывается логарифмической функцией.
В оборудовании остальных типов чаще встречаются линейные потенциометры.

Дополнительные сведения
О подключении переменного резистора к
в рецепте

Arduino

и

Raspberry Pi

рассказывается

12.9.

Технические характеристики потенциометра позволяют использовать его для по­

строения простейших делителей напряжения (рецепт

2.4.

2.6).

Поспедоватепьное подкпючение резисторов

Задача
Рассчитать общее сопротивление сборки, состоящей из нескольких последова­
тельно соединенных резисторов.

Решение
Общее сопротивление нескольких последовательно соединенных друг с другом
резисторов равняется сумме их сопротивлений.

Обсуждение
Простая схема последовательного подключения двух резисторов к источнику

электрического тока показана на рис.

2.5.

В данном случае ток от батарейки сначала

протекает через первый резистор и только после этого проходит через второй резис­

тор. Таким образом, показанную на схеме сборку из двух компонентов можно заме­
нить одним резистором с сопротивлением

36

Гnава 2. Резисторы

200

Ом.

R1
1000м

1,5 в
R2
1000м

2.5. Электрическая схема последовательного
подключения резисторов

Рис.

На каждом из резисторов данной схемы рассеивается следующая мощность:

2

Р = !!__ = О, 75

2

1000м

R

=

5 6 мВт
'

После замены сборки эквивалентным резистором с сопротивлением

200

Ом рас­

сеиваемую на нем мощность можно рассчитать по такой формуле:

и2
Р=-=

R

1 52
'

2000м

=11 ЗмВт
'

Легко заметить, что использование двух резисторов вместо одного позволяет
удвоить мощность рассеивания тепловой энергии.

В приведенном примере кроется ответ на вопрос, зачем включать в схему не­

сколько последовательных резисторов, если можно обойтись одним, суммарного но­
минала. Далеко не всегда под рукой имеется резистор с достаточной рассеиваемой

мощностью, и вместо него приходится использовать несколько компонентов, обеспе­

чивающих требуемые рабочие характеристики.
На рис.

2.6

показана схема последовательного подключения обычного резистора

и потенциометра, позволяющая регулировать сопротивление участка цепи, нижний
предел которого определяется номиналом резистора.

Допоnнитеnьнь1е сведения
Схема, в которой имеется несколько последовательно включенных резисторов,

используется при создании делителей напряжения (рецепт

2.6).

2.4. Посnедоватеnьное nодкnючение резисторов

37

Rl
R2
Рис. 2.6. Электрическая схема последовательного
подключения резистора и потенциометра

2.5.

Параnnеnьное подключение резисторов

Задача
Определить общее сопротивление сборки, состоящей из нескольких параллельно
подключенных резисторов.

Решение
Общее сопротивление ветви схемы, состоящей из нескольких параллельно под­
ключенных резисторов, равно сумме обратных значений сопротивления каждого из
них. В частности, для вычисления сопротивления сборки, состоящей из двух парал­
лельно подключенных резисторов с номиналами

Rl

и

R2,

применяется следующая

формула:

1
Rобщ= 1
---+-Rl R2

Обсуждение
2.7, ток от источника питания проте­
100 Ом, включенных в цепь параллельно.

В примере, схема которого показана на рис.
кает через два резистора с сопротивлением

Такая сборка резисторов обладает следующим сопротивлением:

Rобщ =

1

---------- +
100 Ом

38

2

100 Ом

1 Гnава 2. Резисторы

lОООм

500м

Полученное значение вполне ожидаемо и интуитивно понятно

-

через каждый

из параллельно включенных в схему резисторов протекает вдвое меньший электри­
ческий ток, чем через единственный резистор с таким же номиналом.

1,5 в

2.7.

Рис.

R1

R2

1000м

1000м

Электрическая схема параллелыюго подключения резисторов

Разумеется, сборку, состоящую из двух параллельно подключенных резисторов
с номиналом

100

Ом, можно заменить одним резистором номиналом

50

Ом, но как

это скажется на общей мощности рассеивания тепловой энергии?
Ожидается, что два резистора номиналом

100

Ом каждый рассеивают столько же

тепла, сколько единственный резистор с сопротивлением

50

Ом, но для большей убе­

дительности необходимо провести точный расчет.
Каждый из 100-омных резисторов обладает следующей мощностью рассеивания
тепловой энергии:

и2
Р=-=
R

1 52
'
=22 5мВт
100 Ом
'

Мощность рассеивания тепла сразу двумя такими резисторами составляет

45

мВт.

При параллельном включении в схему нагрузка на каждом из них вдвое меньше.
Теперь выполним расчет мощности рассеивания для эквивалентного резистора

номиналом

50

Ом. Результат полностью совпадает с предыдущим значением.

и2
1 52
Р=-=-'-=45мВт
R

500м

Дополнительные сведения
Схема последовательного подключения резисторов была рассмотрена в рецепте

2.5. Параnnеnьное подключение резисторов

2.4.

39

Понижение напряжения до необходимоrо уровня

2.6.

Задача
Понизить уровень постоянного или переменного напряжения.

Решение
Используйте делитель напряжения, состоящий из двух последовательно вклю­
ченных в схему резисторов. Как известно, от напряжения зависят сила тока в ветви

цепи и количество совершаемой работы.
Электрическая схема простого делителя напряжения, в котором задействованы

всего два резистора, представлена на рис.

2.8.

R1

R2

Рис.

2.8.

Электрическая схема делителя напряжения

Выходное напряжение

( и.ы)

составляет только часть входного (И.) и рассчиты -

вается по следующей формуле:

И

вых

=

Rl xU
Rl +Rl
вх

-

5

Обратите внимание на то, что при равенстве сопротивлений

R1

Например, при

Rl,

равном

470

Ом,

R2,

равном

270

Ом, и и.х

В выходное на­

пряжение вычисляется следующим образом:

И

вых

=

47 О
Rl xU =
Rl+R2
вх
270+470

х5Б=318Б
'

Обсуждение
напряжение составляет ровно половину входного.

40

1

Глава 2. Резисторы

и

R2

выходное

В качестве делителя напряжения всегда можно использовать потенциометр, за­
меняющий два последовательно включенных резистора с отдельным выводом меж­

ду ними. При повороте регулятора потенциометра изменяется соотношение плеч

R1

и

R2,

что позволяет корректировать выходное напряжение в режиме реального

времени.

Самое простое, что сразу приходит в голову,

-

это использовать делитель для

понижения напряжения на выходе источника питания. Но такое решение позволяет

добиться должного эффекта далеко не всегда. В предложенном варианте подключе­
ние к выходу нагрузки означает ее расположение в схеме параллельно резистору

R2.

Это приводит к существенному понижению сопротивления нижнего плеча делите­

ля, а потому и выходного напряжения. Таким образом, рассмотренный выше способ
понижения напряжения справедлив только при нагрузках, сопротивление которых

существенно выше, чем у резисторов

R1

и

R2.

В результате подобный делитель на­

пряжения можно смело использовать для понижения уровня сигнала в слаботочных
цепях, но он неприменим для подключения мощных электрических устройств.

Дополнительные сведения
Детально другие методики понижения напряжения рассматриваются в главе

Сдвиг уровня сигнала с помощью делителя напряжения описан в рецепте

2.7.

7.
10.17.

Подбор резистора, выдерживающеrо

рабочую наrрузку
Задача
Вычислить мощность рассеивания тепловой энергии, которой должен обладать

резистор, чтобы не "выгорать" при включении в схему.

Решение
Для вычисления мощности рассеивания резистором тепловой энергии исполь­

зуйте формулы, приведенные в рецепте

1.6. Для включения в схему подходят только

те резисторы, мощность рассеивания которых (указана на корпусе и в технической
документации) превышает расчетное значение.
Например, при прямом подключении резистора номиналом
питания с выходным напряжением

1,5

10

Ом к источнику

В мощность рассеивания вычисляется следу­

ющим образом:

P=u2
R

=1,5хl,5=0225Вт
10 Ом

'

Таким образом, в схему можно включить стандартный 1/4-ваттный резистор, но

для большей надежности лучше использовать полуваттный электронный компонент.

2.7. Подбор резистора, выдерживающеrо рабочую наrрузку

41

Обсуждение
Чаще всего в радиоэлектронике применяются резисторы, мощность рассеивания
тепловой энергии которых составляет

250

мВт

(1/4

ватта). Они совсем крохотные и

оснащены настолько тонкими выводами, что не подходят для беспаечного монта­
жа (рецепт

20.1).

При этом они недорогие и справляются с большинством задач по

ограничению тока в схемах, применяемых в радиолюбительской практике, например
с подачей питания на светодиоды (рецепт

помощью делителя напряжения (см.

14.1)
рецепт 2.6).

или понижением уровня сигнала с

Разумеется, промышленностью выпускаются и резисторы под пайку с другими

стандартными значениями мощности рассеивания:

0,5; 1; 2; 5; 10

Вт и больше.

Внешний вид резисторов, обеспечивающих разную мощность рассеивания тепло­
вой энергии, показан на рис.

2.9.

CGS SBCHf. 1$
•Х'} f

HW

НJ)

=

)

1

)
2.9. Резисторы с разной мощностью теплового рассеива­
ния, слева направо: 0,125; 0,25; 0,5; 1 и 7 Вт (вверху)

Рис.

У резисторов поверхностного монтажа, обладающих заметно меньшим размером,
мощность рассеивания тепловой энергии существенно ниже, чем у резисторов под

пайку.

Дополнительные сведения
Понятие мощности детально было описано в рецепте

42

Глава

2.

Резисторы

1.6.

2.8.

Измерение уровня освещенности

Задача
Измерить интенсивность освещения в помещении с помощью электронного обо­
рудования.

Решение
Испо11ьзуйте фоторезистор.
Фоторезистор (рис.

2.10)

представляет собой заключенный в прозрачный плас­

тиковый корпус полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от
интенсивности света, падающего на него. Чем выше уровень освещеннос ти среды, в

которую помещен фоторезистор, тем ниже его сопротивление.

Рис.

2.1 О.

Фоторезистор

При солнечном освещении стандартный фоторезистор имеет сопротивление

1 кОм,

которое увеличивается до нескольких мегаом в абсолютной темноте.

Обсуждение
Фоторезисторы, как и обычные резисторы, находят применение в делителях на­
пряжения (см. рецепт

2.6), обеспечивающих понижение уровня сигнала,
12.6) или компаратор (рецепт 17.10).

подаваемого

на микроконтроллер (рецепт

Допоnнитеnьные сведения
Детально с назначением фоторезисторов можно познакомиться в рецепте

2.8. Иэмерение уровня освещенности

12.6.

1

43

2.9. Измерение температуры
Задача
Измерить температуру с помощью электронного оборудования.

Решение
Один из способов заключается в применении терморезистора (термистора).
Остальные методики детально описаны в рецептах

12.10 и 12.11.

Сопротивление всех резисторов в той или иной степени зависит от температуры
среды, в которую они помещены. Наиболее чувствительный к изменению температу­

ры резистор называется термистором. Как и фоторезистор (см. предыдущий рецепт),
термистор применяется в делителях напряжения (см. рецепт

2.6),

обеспечивающих

изменения уровня сигнала в зависимости от характеристик окружающей среды.

1

/
Рис.

2.11. Термисторы

Обсуждение
Термисторы бывают двух основных типов: с отрицательным (NТС-термисто­

"Negative Temperature Coefficient") и положительным (РТС-термисторы, от
"Positive Temperature Coefficient", или позисторь1) температурным коэффициентом
ры, от

сопротивления (или ТКС). Сопротивление термисторов первого типа падает с уве­
личением температуры, а у позисторов оно растет.

Кроме измерения температуры позисторы часто применяются для ограничения
тока в цепи. По мере увеличения силы тока термистор нагревается, а при нагреве его
сопротивление увеличивается, что приводит к уменьшению тока в цепи.

44

1

Глава 2. Резисторы

Допоnнитеnьные сведения
Практические примеры использования термистора приведены в рецептах

и

12.7

12.8.

2.1 О.

Подбор проводов

Задача
Идеальный провод обладает нулевым сопротивлением. В действительности все
провода имеют некое сопротивление, зависящее от материала, из которого они из­

готовлены, и их длины. Разумеется, сопротивлением проводов пренебрегать нель­
зя, а потому крайне важно научиться определять его для каждого из типов прово­
дников.

Решение
За редким исключением провода, используемые в современной электронике, из­

готавливаются из меди. В общем случае чем толще провод, тем ниже его сопротив­
ление. Существует несколько стандартов, устанавливающих толщину проводов, про­

изводимых промышленным способом. Диаметр (сечение) электрического провода
может задаваться не только в миллиметрах, но и в единицах
американский калибр проводов) и

Gauge -

AWG (American Wire
SWG (Standard Wire Gauge - британ­

ский калибр проводов).
При снятии изоляции с провода можно обнаружить, что он имеет серебряное по­
крытие, защищающее медь от окисления и облегчающее пайку. Внутри провод пол­
ностью медный, что обеспечивает его низкое сопротивление.

Основные характеристики медных проводов стандартных сечений приведены в
табл.

2.2.

Табnица

AWG

2.2. Стандартные диаметры

Диаметр, мм

проводов

Погонное сопро-

Погонное

тивление, мОм/м

сопротивление,

мОм/фут

Максимально
допустимый
ток, А

30
28
24

0,255
0,376
0,559

339
213
84,2

103
64,9
25,7

0,14
0,27
0,58

19

0,95

26,4

8,05

1,8

15

1,8

10,4

3,18

4,7

Примечание

Одножильный монтажный (навесной)
провод

Многожильный
провод общего назначения

Многожильный
провод для высоких
нагрузок

2.1 О. Подбор проводов

1

45

Обратите внимание на то, что в системе

калибр. Провода, толщина которых меньше

ляции (рис.

2.12)

AWG провод тем тоньше, чем больше
24 AWG, выпускаются в эмалевой изо ­

и используются в обмотках трансформаторов, двигателей и генера­

торов.

Рис. 2.12. Эмалированные медные провода толщиной
зуемые в катушках индуктивности

22-30 AWG,

исполь­

Одножильные провода выпускаются в пластиковой изоляции (рис .
меняются при сборке устройств на плате беспаечного монтажа (рецепт

2.13) и при ­
20.1). Их не

следует использовать в ситуациях, требующих скручивания, так как при частом сги­
бании металлическая жила может переломаться. У автора всегда хранится несколько
мотков такого провода, заключенного в изоляцию как минимум трех цветов. Крас­
ный провод традиционно используют для подачи положительного питания, чер­
ный

-

отрицательного питания, а провода остальных расцветок

Рис.

46

1

2.13.

Гnава 2. Резисторы

Одножильные навесные провода

-

для других целей.

(24 AWG)

Многожильный провод состоит из скрученных между собой медных проводов

малого диаметра, заключенных в пластиковую оболочку. Как и одножильные прово­

да, они выпускаются самых разных расцветок и сечений (рис.

2. l 4).

Рис. 2.14. Многожильные провода 19 AWG, 15 AWG и двухжильный
кабель, используемый для подключения кнопки дверного звонка

Обсуждение
В табл.

2.2

указаны только предполагаемые электрические токи, допустимые для

пропускания через провода разных диаметров. Реальные значения максимальной

силы тока, которая не будет вызывать перегрева и повреждения проводов, зависит

от множества факторов, включая способ прокладки провода внутри помещения, его
охлаждение и общее количество жил в кабеле. Таким образом, в табл.

2.2

приведены

лишь оценочные значения, требующие уточнения в каждом из рабочих проектов.
У каждого провода есть еще один важный параметр, не имеющий никакого отно­

шения к его способности пропускать электрический ток: температура максимального
нагрева пластиковой изоляции. Она определяет не столько время до полного разру­
шения провода при перегреве, сколько его устойчивость к внешним экстремальным

воздействиям. В частности, она указывает на возможность использования провода в
электропечах и духовках .

В случае применения источников питания высокого напряжения необходимо
подбирать провода с толстой и прочной изоляцией. Как бы там ни было, в техничес­
кой документации к каждому из проводов указывается значение напряжения про­

боя

-

оно должно заметно превышать выходное напряжение источника питания.

Дополнительные сведения
Подробно о калибрах, единицах

AWG

и их пересчете в метрические единицы рас­

сказывается в Википедии:
https://ru.wikipedia.org/wiki /Aмepикaнcкий_кaлибp проводо в

2.1 О. Подбор проводов

47

ГЛАВА

3

Конденсаторы и катушки индуктивности

В цифровой электронике конденсаторы играют роль временных хранилищ заря­
да, повышающих надежность работы электрических схем. Чтобы выполнить эту за­
дачу в сложных проектах, не нужно проводить сложные математические расчеты

-

достаточно следовать инструкциям, приведенным в технической документации к
интегральным микросхемам.

В аналоговой электронике дело обстоит совсем иначе. Способность к накоплению
и временному удержанию заряда позволяет использовать конденсаторы в схеме гене­

ратора импульсов (рецепт

16.5).

Кроме того, они обеспечивают сглаживание сигнала

при преобразовании переменного тока в постоянный (рецепт

ются для фильтрации звуковых сигналов (рецепт

7.2),

а также применя­

17.9).

В книге конденсаторы упоминаются повсеместно, поэтому крайне важно разо­

браться в принципах их работы и научиться правильно подбирать их для каждой из
прикладных задач.

Катушки индуктивности встречаются в электрических схемах намного реже кон­
денсаторов, что не делает их менее значимыми. В частности, создать эффективный
источник питания без использования катушек индуктивности крайне затруднитель­
но (глава

3.1.

7).

Временное сохранение заряда

Задача
Подобрать электронный компонент для временного хранения заряда, позволя­
ющий генерировать импульсный сигнал или предохранять остальные электронные
компоненты от сильных скачков напряжения.

Решение
Используйте конденсатор.
Конструктивно он состоит из двух проводящих поверхностей, разделенных слоем

диэлектрика (рис.

3.1).

Рис.

3.1.

Конструкция конденсатора

Конечно, в качестве диэлектрика можно использовать воздух, но емкость такого

конденсатора будет небольшой. Если быть предельно точным, то емкость конденса­
тора зависит от площади проводящих пластин, расстояния между ними и парамет­

ров материала, из которого изготовлен диэлектрический слой. Чем больше площадь

пластин и меньше расстояние между ними, тем больше заряда способен накопить
конденсатор.

Через конденсатор не протекает электрический ток, но заряд, накопленный в од­

ной его части, определяет электрический потенциал на другой пластине. Если под­

ключить конденсатор к источнику питания, например батарейке, то на одной из его

пластин накопится положительный заряд, а на другой

-

отрицательный (согласно

полярности источника питания). Как видите, пластины накапливают заряды одина­
ковой величины, но разной полярности.
В аналогии с водяным потоком конденсатор можно представить в виде эластич­

ной мембраны, установленной внутри трубы (рис.

3.2).

При слабом напоре мембрана

будет всего лишь растягиваться, вмещая в себя некоторое количество воды и не по­
зволяя ей двигаться дальше по трубе. С увеличением давления мембрана рано или

поздно порвется, и вода продолжит свой путь по трубе. Подобным образом подача
на конденсатор слишком большого напряжения приводит к его пробою и выходу из
строя.

Обсуждение
Подав на конденсатор напряжение от источника питания напрямую, вы заря­
дите его практически мгновенно. Если же в цепь питания включить резистор, то

конденсатор будет заряжаться ощутимо дольше. Схема простого устройства заряд­
ки и разрядки конденсатора, оснащенного переключателями

рис.

S1

и

S2,

показана на

3.3.

При замыкании переключателя

S1

конденсатор С1 заряжается через резистор

R1,

набирая заряд до тех пор, пока на его выводах не установится напряжение, равное
выходному напряжению источника питания. При последующем размыкании пере­

ключателя

S1

конденсатор будет стараться удержать полученный ранее заряд, очень

медленно теряя его за счет явления саморазряда.

50

Глава 3. Конденсаторы и катушки индуктивности

Заряженная

Без заряда

Эластичная

мембрана

,,

Труба

Рис.

3.2.

Водяной "конденсатор " в трубе

S1

S2

.....з:..._

.....з:..._

R2

R1
С1

LED1 ~
Рис.

3.3. Электрическая схема, обеспечивающая заряд

и разряд конденсатора

3.1. Временное сохранение заряда

1

51

Если теперь воспользоваться переключателем
разрядится через резистор

S2

(замкнуть цепь), то конденсатор

R2 и светодиод LED1. Этот процесс сопровождается яркой

вспышкой светодиода и последующим медленным его угасанием . Светодиод переста­
нет гореть только после полной разрядки конденсатора.
Для построения электрической цепи, представленной на рис.

3.3,

воспользуйтесь

макетной платой беспаечного монтажа, расположив на ней все компоненты так, как
показано на рис.

3.4.

Подробно макетные платы описаны в рецепте

схеме используются резисторы с сопротивлением

100

20.1.

В нашей

1 кОм и конденсатор емкостью

мкФ.

••

••
••
••

••
••
••
••

Рис.3.4. Монтажная схема устройства заряда и разряда конденсатора
Для полного заряда конденсатора нажмите кнопку Заряд и удерживайте ее нажа­

той в течение нескольких секунд. Чтобы разрядить конденсатор, отпустите кнопку
Заряд и нажмите кнопку Разряд. Сначала светодиод загорится очень ярко, а затем
станет затухать, прекратив светиться после полного разряда конденсатора (прибли ­

зительно через секунду после нажатия кнопки) .
Если измерить напряжение на выводах конденсатора в процессе его заряда и раз ­

ряда, то легко получить зависимость, представленную графиком на рис.
Согласно графику, показанному на рис.

3.5,

3.5.

заряд конденсатора осуществляется

через килоомный резистор постоянным напряжением

9 В в течение 400

мкс. Несмот­

ря на подачу на вход конден с атора постоянного напряжения, накопление им заря ­

да происходит нелинейно. Легко заметить, что большая часть заряда накапливается

конденсатором очень быстро в самом начале процесса, а его "добор " до максимально
возможного уровня длится существенно дольше.

52

Глава 3. Конденсаторы и катуwки индуктивности

Разряд

Заряд

Рис.

3.5.

--.....___

--------

Напряжение на конденсаторе при заряде и разряде

Потеря конденсатором заряда происходит похожим образом

-

большая часть за­

ряда уходит с пластин сразу же, а "остаток" удерживается спустя некоторое время
после нажатия кнопки

82.

Если конденсатор способен накапливать электрический заряд, то чем же он от­
личается от перезаряжаемого аккумулятора? Стоит заметить, что современной про­

мышленностью производятся конденсаторы повышенной емкости (так называемые
суперконденсаторы), используемые в качестве чрезвычайно мощных импульсных
источников питания, сила тока на выходе которых заметно выше, чем у перезаряжае­

мых аккумуляторов. Как бы там ни было, конденсаторы и аккумуляторы относятся к
разным типам устройств, каждый из которых имеет свои отличительные особенности.

•

Электрический ток в аккумуляторах возникает в процессе химической реак­
ции, а в конденсаторе его источником является заряд, накопленный на пла­
стинах.

•

Аккумулятор разряжается и заряжается в течение нескольких десятков минут

и даже часов. Заряд и разряд конденсатора длятся менее секунды.

•

Напряжение на выходе конденсатора заметно падает сразу же после начала
разрядки. Напряжение на выходе аккумулятора поддерживается на постоян­
ном уровне и начинает падать только незадолго до его полного разряда.

•

Удельный заряд (на единицу массы устройства), производимый аккумулято­
ром, намного превышает заряд, накапливаемый даже самым мощным конден­
сатором.

Дополнительные сведения
Детально макетная плата беспаечного монтажа описана в рецепте

20.1.

График изменения напряжения на выходе конденсатора, показанный на рис.

создан программой моделирования электрических цепей (рецепт

3.5,

21.11 ).

3.1. Временное сохранение заряда

53

3.2. Типы

конденсаторов

Задача
Разобраться в типах конденсаторов и научиться подбирать их согласно техничес­
ким условиям проекта.

Решение
За исключением отдельных случаев тип конденсатора легко определить по его
внешнему виду и размеру.

Дисковые керамические конденсаторы обычно имеют небольшую емкость (от

до

1 пФ

1 нФ),

заметно большей емкостью (от
(рис.

3.6,

3.6, крайний слева) . Много­
(Multilayer Ceramic Capacitor - MLC) обладают
до 1 мкФ), чем пленочные, при малом размере

а потому и весьма скромный размер (рис.

слойные керамические конденсаторы

1 нФ

второй слева) . У алюминиевых электролитических конденсаторов емкость

еще выше

-

от

1 мкФ

(рис.

3.6,

второй справа). Крайним справа на рис.

3.6

показан

танталовый электролитический конденсатор .

Рис.

3.6. Дисковьtй

керамический, многослойный керамический, алюминиевый

и танталовый электролитические конденсаторы

Обсуждение
Несмотря на широкую распространенность керамических и электролитических
конденсаторов всех основных видов , существуют и другие технологии их изготов­

ления .

Слюдяные конденсаторы прекрасно работа ют в широком температурном диа ­

•

пазоне, но дорогие в производстве.

54

1

Глава 3. Конденсаторы и катушки индуктивности

•

При монтаже танталовых конденсаторов необходимо учитывать полярность
выводов. Конденсаторы этого типа имеют емкость, характерную как для мно­
гослойных керамических, так и для алюминиевых электролитических конден­

саторов. Обладая небольшим размером, они имеют относительно высокую
стоимость и максимальную емкость в несколько десятков микрофарад. При

перегорании (вследствие подачи на вход слишком большого напряжения)
ножки танталового конденсатора часто спаиваются между собой, что при­
водит к взрыву. Улучшение технологии производства многослойных керами ческих конденсаторов позволило увеличить их емкость до нескольких сотен

микрофарад и полностью отказаться от использования танталовых конденса­
торов в электронном оборудовании.
Конденсаторы более подвержены выходу из строя, чем резисторы. Даже незна­
чительное превышение уровня допустимого рабочего напряжения вызывает пробой
диэлектрического слоя, что делает конденсатор непригодным для дальнейшего ис­
пользования. В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика выступает

оксид алюминия, образующийся на поверхности алюминиевой фольги при контакте
с электролитом. Тонкая оксидная пленка легко разрушается при перегреве под воз­
действием чрезмерно высокого напряжения и просто со временем (вследствие "усы­
хания" электролита). Именно поэтому при поломке старого электронного оборудо­
вания в первую очередь стоит проверить работоспособность больших электролити­
ческих конденсаторов, находящихся на плате питания. Очень часто при выходе из

строя корпус конденсатора лопается, и электролит из него забрызгивает все вокруг,

что доставляет большие неприятности при ремонте электронных устройств.

Максимальное рабочее напряжение
При выборе конденсатора необходимо обращать внимание не только на его ем­
кость, но и на ряд других рабочих параметров. Самый важный из них

-

это мак­

симальное рабочее напряжение. Рабочее напряжение большинства конденсаторов
малой емкости, как правило, не превышает

50

В. О максимальном рабочем напря­

жении электролитического конденсатора можно судить по его размеру. Чем больше
конденсатор, тем на большее рабочее напряжение он рассчитан.Промышленностью
выпускаются электролитические конденсаторы со следующими уровнями предельно

допустимого рабочего напряжения:

450

6,3; 10; 25; 30; 40; 50; 63; 100; 160; 200; 250; 400

и

В. Вам вряд ли посчастливится найти электролитический конденсатор, сохраня­

ющий работоспособность при напряжении, большем

500

В.

Предельная рабочая-температура
Керамические и многослойные керамические конденсаторы прекрасно работа­
ют в широком диапазоне температур. А вот алюминиевые электролитические кон­

денсаторы не любят перегрева и рассчитаны на максимальный нагрев до

105

80

°С или

3.2. Типы конденсаторов

SS

°С.

Эквиваяентное посяедоватеяьное сопротивяение
Конденсатор обладает собственным электрическим сопротивлением, известным
как эквивалентное последовательное сопротивление

ESR).

(Equivalent Series Resistance -

Оно позволяет определить количество тепла, выделяемого конденсатором при

быстрой зарядке и разрядке.
Конденсаторы малой емкости имеют небольшое эквивалентное сопротивление
(всего в несколько раз превышающее электрическое сопротивление "ножек") и под­
держивают высокую частоту заряда/разряда. У конденсаторов большой емкости
оно достигает значения в

1

Ом, и его нужно обязательно учитывать при построе­

нии электрических схем. Частота заряда/разряда таких конденсаторов существенно
ниже, а температура и скорость нагрева

-

выше.

Допоnнитеnьные сведения
Об использовании электролитических конденсаторов для сглаживания выходного
напряжения источников питания рассказывается в рецепте

3.3. Маркировка

7.4.

конденсаторов

Задача
Распознать конденсатор по маркировке на корпусе.

Решение
Конденсаторы поверхностного монтажа имеют настолько малый размер, что мар­

кировка на них не наносится. Во избежание путаницы старайтесь идентифицировать
их сразу же после покупки.

На корпусе электролитических конденсаторов указываются данные только об их
емкости и максимальном рабочем напряжении. Кроме того, у поляризованных кон­

денсаторов отрицательный вывод, обозначенный символом"-" или ромбом, всегда
короче положительного.

Маркировка всех остальных конденсаторов выполняется согласно правилам, при­

нятым для резисторов поверхностного монтажа. Обычно надпись на корпусе состо­
ит из трех цифр и буквы. Первые две цифры определяют базовое значение, а тре­
тья

-

это множитель (количество разрядов). Базовое значение всегда указывается в

пикофарадах (пФ; приложение Г).
Например, конденсатор емкостью
множителем

телем

10), а

100

конденсатор емкостью

"101" (10 пФ с
"104" (10 пФ с множи­

пФ маркируется надписью

100 нФ -

надписью

10 ООО).

Буква, указанная после числового значения, определяет допуск

ветственно для

56

1

±5, 10

или

20%).

Гnава 3. Конденсаторы и катушки индуктивности

(J,

К или М соот­

Обсуждение
Ряд стандартных значений у конденсаторов значительно короче, чем у резисто­
ров:

10, 15, 22, 33, 47

и

68.

Диапазон возможных значений определяется количеством

дописываемых к этим цифрам нулей, что задается множителем.

Допоnнитеnьные сведения
О цветовой маркировке резисторов подробно рассказывалось в рецепте

3.4.

2.1.

Параллельное подключение конденсаторов

Задача
Подключить конденсаторы так, чтобы получить сборку с максимально возмож­
ной емкостью.

Решение
Из рис.

3.7

видно, что чем больше конденсаторов подключено параллельно, тем

больше площадь проводящих пластин, а потому и емкость сборки. При таком спо­
собе подключения общая емкость равняется сумме емкостей всех конденсаторов
сборки.

Рис.

3.7. Конденсаторы, подключенные параллельно

Обсуждение
Подключение конденсаторов параллельно друг к другу позволяет существенно

увеличить заряд, накапливаемый в электрической цепи. Эта способность часто при­
меняется для сглаживания выходного напряжения трансформаторных источников
питания, в частности, используемых в звуковых усилителях, где критически важно

избавиться от си~ьных скачков напряжения (рецепт

7.2).

Замена конденсатора большой емкости несколькими параллельно подключенны­
ми конденсаторами меньшего номинала позволяет снизить эффективное последова­
тельное сопротивление схемы.

Допоnнитеnьные сведения
Последовательное подключение конденсаторов рассмотрено в следующем рецепте.

3.4. Параллельное подключение конденсаторов

1

57

3.5.

Последовательное подключение конденсаторов

Задача
Узнать, какими характеристиками обладает сборка из нескольких последователь­
но подключенных конденсаторов.

Решение
При последовательном включении в схему двух конденсаторов общая емкость

схемы вычисляется согласно формуле, напоминающей использу.емую при расчете
общего сопротивления двух параллельно подключенных резисторов:

1
1
собщ = 1
---+---·--Cl С2
Обсуждение
Встретить конденсаторы, подключенные в электрической схеме последовательно,

можно нечасто. Если такая сборка и имеет место, то только как часть более сложной
схемы (рецепт

7.12).

Допоnнитеnьные сведения
Особенности параллельного подключения конденсаторов были описаны в преды­
дущем рецепте.

3.6.

Накопление больших зарядов

Задача
Изучить способы накопления больших зарядов, недоступных для хранения даже
самыми крупными конденсаторами.

Решение
Современной промышленностью выпускаются суперконденсаторы (ионисторы),
имеющие низкое рабочее напряжение и чрезвычайно высокую емкость. Они неза­
менимы в системах накопления электрической энергии, в которых перезаряжаемые

аккумуляторы не обеспечивают токоотдачу требуемого уровня.
Емкость суперконденсатора достигает нескольких сотен фарад, в то время как
емкость самого крупного электролитического конденсатора составляет всего

0,22

Ф.

Обсуждение
Суперконденсаторы (относительно) низкой емкости

-

не более нескольких фа­

рад

-

часто применяются вместо перерезаряжаемых аккумуляторов для аварийного

58

1

Гnава 3. Конденсаторы и катуwки индуктивности

питания микросхем статической памяти или модулей часов реального времени, со­

храняя их работоспособность при отключении основного источника питания.

Суперконденсаторами чрезвычайно большой емкости оснащается электронное

оборудование, работающее от источников питания с токоотдачей, намного большей,
чем обеспечивают обычные аккумуляторные батареи.
Несмотря на высокую емкость суперконденсаторы номиналом

500

Ф стоят всего

несколько долларов. Не стоит забывать, что у них очень маленькое максимальное
рабочее напряжение: всего

2,7

В. Чтобы обеспечить его, зарядка конденсатора осу­

ществляется через специальную защитную схему, поддерживающую на входе заря­
жаемого конденсатора постоянное напряжение не выше указанного уровня.

Внешне суперконденсаторы выглядят как обычные электролитические конденса­
торы. Количество накапливаемой ими электрической энергии намного меньше, чем
у перезаряжаемых аккумуляторов, скорость разряда намного выше, а напряжение на
выходе уменьшается по мере разряда.

Допоnнитеnьные сведения
Количество накопленной суперконденсатором энергии можно вычислить, вос­

пользовавшись формулами, приведенными в следующем разделе.

3.7.

Расчет энерrии, накопnенной конденсатором

Задача
Вычислить энергию, накопленную конденсатором при зарядке от источника пита­
ния, поддерживающего на выходе постоянное напряжение.

Решение
Накопленная конденсатором энергия Е вычисляется по следующей формуле:

си 2
2

Е=--

Обсуждение
Электролитический конденсатор средней емкости
источника питания с напряжением

2

35

(470

мкФ), заряжаемый от

В, накапливает следующее количество энергии:

2

Е= СИ = О,00047х35 =О 29 Дж
2
2
,
Согласно приведенной выше формуле количество накопленной конденсатором
энергии пропорционально квадрату напряжения на выводах, поэтому при напряже­

нии питания

35

В полученный результат далеко не самый впечатляющий. Ситуация

в корне изменяется с увеличением напряжения

-

ниже приведен расчет для схемы,

зарядки конденсатора в которой осуществляется напряжением

200

В:

3.7. Расчет энергии, накопленной конденсатором

59

2

2

Е= СИ = О,00047х200 = 9

'

2

2

4 Дж

Для сравнения давайте вычислим количество энергии, накапливаемое полностью
заряженным суперконденсатором:

Е=СИ 2
2

=SOOx 2•72

=18225Дж=1822кДж
'

2

'

Стоит заметить, что полностью заряженный полуторавольтовый аккумулятор ти­

поразмера АЛ емкостью

2000

мАхч все равно хранит большее количество энергии:

2 А х 3600 с х 1, 5 В = 1О,8 кДж
Допоnнитеnьные сведения
Детальные сведения об аккумуляторах приведены в рецепте

3.8.

8.3.

Изменение формы сиrнаnа

Задача
Подобрать электронный компонент, позволяющий отфильтровать сигнал или
сгладить скачки напряжения в нем.

Решение
Включите в схему индуктивность. В простейшем случае в качестве элемента ин­
дуктивности применяется провод, скрученный в виде катушки. При протекании по­

стоянного тока он ведет себя так, как и любой другой проводник. Отличия проявля­
ются при подаче на индуктивность переменного сигнала.

Протекание тока через катушку в одном из направлений сопровождается возник­
новением в ней противоЭДС, а потому и тока, направленного в противоположную

сторону. Эффект становится более заметным с увеличением частоты сигнала, пода­
ваемого на индуктивность. Таким образом, чем выше частота сигнала, тем больше

ток противоЭДС, а потому и сопротивление катушки. Чтобы не путать данное со­
противление с электрическим сопротивлением материала, из которого изготовлен

проводник, оно получило название реактивного. Как и электрическое, реактивное

сопротивление измеряется в омах (Ом).
Для вычисления реактивного сопротивления Х катушки индуктивности приме­

няется следующая формула:
х

=21tjL

Здесь

f-

это частота сигнала (количество изменений направления сигнала в се­

кунду) в герцах (Гц), а

60

L-

это индуктивность катушки, выраженная в генри (Гн).

1 Гnава 3. Конденсаторы и катуwки индуктивности

Наличие реактивного сопротивления, в отличие от электрического, не становится
причиной нагревания электронного компонента. Почти вся энергия реактивного со­

противления возвращается обратно в электрическую цепь.
Индуктивность возрастает с увеличением количества витков провода в катушке

и зависит от материала, из которого изготовлен ее сердечник. Для получения низкой
индуктивности достаточно нескольких витков провода. Такая катушка индуктивнос­

ти не имеет сердечника (катушка с воздушным сердечником), в отличие от катуш­

ки с высокой индуктивностью, имеющей большое количество витков и ферритовый
сердечник внутри. Феррит обладает хорошей магнитной проницаемостью, хотя и от­
носится к неметаллическим материалам.

Проводимость индуктивного компонента в первую очередь зависит от толщины
провода, намотанного на сердечник.

Обсуждение
Элементы индуктивности применяются в импульсных высокочастотных источни­

ках питания (рецепты

7.8

и

Катушки индуктивности также часто используются

7.9).

в радиоэлектронике при построении колебательных контуров, состоящих из индук­
тивности и конденсатора (глава

19).

Кроме того, с помощью индуктивности можно очистить сигнал от высокочастот­

ной составляющей, что позволяет использовать ее во всевозможных фильтрах. Для
очистки сигнала, передаваемого по сигнальному кабелю, от высокочастотных помех

на одном из его концов часто закрепляют специальный ВЧ-фильтр, представляющий
собой цилиндр из феррита, существенно увеличивающий реактивное сопротивление
провода.

Допоnнитеnьные сведения
О назначении элементов индуктивности в импульсных источниках питания рас­
сказывается в рецептах

7.8

и

7.9.

Трансформаторы описаны в следующем рецепте.

3.9.

Преобразование напряжения

Задача
Изменить переменное напряжение.

Решение
Для преобразования переменного напряжения используются трансформаторы,
состоящие из двух или большего количества катушек, намотанных на общий сер­
дечник. Элемент, которым трансформатор обозначается на электрических схемах,
показан на рис.

3.8.

Трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток. В самом простом
случае на первичную обмотку подается переменное напряжение от бытовой линии
электропитания

(220

В), а вторичная обмотка подключается к нагрузке.

3.9. Преобразование напряжения

1

61

Рис.

Первичная

Вторичная

обмотка

обмотка

3.8. Обозначение трансформатора на электрических схемах

Напряжение на вторичной обмотке зависит от соотношения количества витков в

обмотках трансформатора. Например, если первичная обмотка состоит из
ков, а вторичная

-

всего из

100,

то напряжение на выходе будет в

10

1ООО

вит­

раз меньше

входного.

Примеры производимых промышленным образом трансформаторов приведены
на рис.

3.9.

Легко заметить, что трансформаторы бывают самых разных форм и раз­

меров.

Рис.

62

3.9.

Разнообразие трансформаторов

Глава 3. Конденсаторы и катушки индуктивности

Самый маленький из них (крайний слева) извлечен из старого фотоаппарата с
ксеноновой вспышкой, где он использовался для преобразования напряжения
поступающего от обычной батарейки, в импульсный сигнал

400

1,5

В,

В, подаваемый в

цепь питания вспышки.

В центре показан стандартный трансформатор, применяемый в блоках питания,
которые преобразуют напряжение бытовой электрической сети в постоянное напря­
жение

6-9

В.

Последний трансформатор (крайний справа) имеет тороидальный сердечник, на
который намотаны первичная и вторичная обмотки
то применяются в звуковых усилителях класса

Hi-Fi,

одна поверх другой. Они час­
в которых критически важно

избегать помех, возникающих при использовании обычных импульсных источников
питания.

Обсуждение
Чтобы "запитать" от домашней электросети

(220

В) низковольтное устройство,

например радиоприемник, нужно сначала понизить напряжение до безопасного
уровня

(6-9

В) с помощью трансформатора и только после этого преобразовать пе­

ременный сигнал в постоянный.

В современной электронике роль трансформаторов успешно играют импульсные
источники питания (рецепт

7.8).

Они заметно легче и не требуют большого коли­

чества дорогостоящего медного провода. На самом деле трансформаторы есть в ка­
ждом импульсном источнике питания, но работают они на частотах, намного превы­

шающих

50

Гц (частота тока в домашней электросети). Для преобразования сигналов

с частотой в несколько сотен килогерц в импульсных блоках питания используются

трансформаторы небольших размеров, которые выполняют те же функции, что и
крупные низкочастотные трансформаторы в обычных источниках питания.

Дополнительные сведения
На

YouTube

можно найти огромное количество видеороликов, демонстрирующих

процесс наматывания обмоток в катушках трансформатора. Вот один из примеров:

https://youtu.be/82PpCzM2CUg
Об использовании трансформаторов для преобразования переменного напряже­
ния рассказано в рецепте

7.1.

3.9. Преобразование напряжения

63

ГЛАВА

4

Диоды

Первыми диодами, использованными в электронике, были кристаллические детек­
торы, применявшиеся в детекторных приемниках. Такой диод представлял собой кри­

сталл полупроводника (как правило, сульфида кадмия), в который упиралась тонкая
металлическая проволока. Место касания проволоки на кристалле можно было изме­

нять, добиваясь такого расположения, при котором ток протекал только в одном на­
правлении, что соответствовало наибольшей громкости звучания приемника (глава

19).

Современные диоды имеют несколько иную конструкцию и намного проще в ис­
пользовании.

4.1.

Предотвращение протекания эnектрическоrо тока

Задача
Изучить электронный компонент, обладающий электрической проводимостью
только в одном направлении.

Решение
Роль диода в электрических схемах сводится к пропусканию электрического тока

в прямом направлении и блокированию

-

в противоположном. Функционально

он подобен клапану в водопроводных системах, который предотвращает обратный

ток воды. На физическом уровне ситуация не столь однозначна: диод имеет очень
маленькое сопротивление к току, протекающему в прямом направлении, и облада­
ет невероятно большим сопротивлением в обратном направлении. Водопроводный

клапан с подобными свойствами немного протекал бы при подаче воды в обратном
направлении и несколько сдерживал бы ее свободный ход в прямом направлении.

Несмотря на неидеальность физического устройства, в большинстве электронных
систем диод можно рассматривать как устройство, не имеющее сопротивления к

прямому току и препятствующее распространению электрического тока в обратном
направлении.

Диоды бывают самых разных типов, каждый из которых обладает собственными

функциональными особенностями. Начать изучение их возможностей проще всего
на примере выпрямительного диода. На рис.

4.1

показана схема электрической цепи,

состоящей из источника питания постоянного тока, к которому последовательно
подключены резистор и диод.

8,5мд

анод

0,5

в

8,5

в

9В

1 кОм

Рис.

4.1. Диод в схеме с прямьtм смещением

В предложенной схеме диод не препятствует протеканию тока и называется ди­
одом с прямым смещением перехода. Каждый диод имеет два вывода: анод (обозна­

чается символом''/\.') и катод (обозначается символом "К"). Для отпирания диода на
его анод нужно подать большее напряжение, чем на катод.
В отличие от резистора напряжение на диоде почти не зависит от силы протекаю­

щего через него тока. В общем случае разница потенциалов на выводах диода посто­
янна и равна

0,5

В, но может отличаться в зависимости от его типа.

Для электрической схемы, показанной на рис.

4.1,

сила тока через диод рассчиты­

вается следующим образом:

l=u =9В-О,58=8,5мА
lкОм
R
Примечательно, что замена диода обычным медным проводом привела бы к уве­
личению тока всего на
На рис.

4.2

0,5

мА.

показана электрическая схема, в которой диод включен в противопо­

ложном направлении. Теперь он называется диодом с обратным смещением и (поч­

ти) полностью блокирует электрический ток в цепи.

Обсуждение
Способность диода пропускать электрический ток только в одном направлении
часто используется для преобразования переменного тока (см. рецепт

1.7)

в посто­

янный. Эффект пропускания переменного тока через диод проиллюстрирован на
рис.

4.3.

66

1 ·

Гnава 4. Диоды

Од

1 кОм

Рис.

4.2. Диод в схеме с обратным смещением

Напряжение

Напряжение

+

+

о~Vl--==-

время

Рис.

4.3. Выпрямление сигнала

Операция пропускания тока только в одном направлении называется выпрям­

лением тока (рецепт

7.2).

Легко заметить, что в нашем случае "обрезается" нижняя

часть графика, соответствующая обратным токам. Полученный ток все еще не мо­
жет считаться постоянным, хотя в нем и отсутствует отрицательная составляющая.

Чтобы избавиться от скачков и падений напряжения в нем, параллельно к резистору
нужно подключить конденсатор, обеспечивающий сглаживание сигнала почти до по­
стоянного уровня.

Допоnнитеnьные сведения
Сведения о роли диодов в схемах источников питания приведены в рецептах
и

7.2

7.3.

4.1. Предотвращение протекания эnектрическоrо тока

1

67

4.2. Типы диодов
Задача
Определить тип диода, используемого в электрической схеме.

Решение
На рис.

4.4

изображены диоды нескольких основных типов. В общем случае чем

больше диод, тем на большие токи он рассчитан. Внешне диод выглядит как черный
пластиковый цилиндр, на один из краев корпуса которого нанесена белая полоска.
Для отпирания диода и обеспечения прохождения тока в прямом направлении на

помеченный таким образом вывод нужно подать меньшее напряжение, чем на про­
тивоположный.

Крайний слева диод, показанный на рис.

4.4,

предназначен для поверхностного

монтажа. Остальные три диода используются для навесного монтажа. Чем крупнее

диод, тем большие токи он может пропускать.

Рис.

4.4. Диодьt

нескольких наиболее распространенных типов

Обсуждение
Диоды делятся на типы согласно основным рабочим характеристикам, но в отли ­

чие от резисторов идентифицируются не по ним, а по каталожному номеру.
Характеристики наиболее распространенных выпрямительных диодов приведены
в табл.

4.1.

68

Глава

4. Диоды

Табnица

4.1. Стандартные выпрямитеnьные диоды

Номер по

Прямое

Максимальный

Максимальное

Время

каталогу

напряжение, В

ток, А

обратное

восстановления,

напряжение, В

мкс

50
400
100
40

30
30
0,004
0,01

1N4001
1N4004
1N4148
1N5819

0,6
0,6
0,6
0,6

1
0,2

Прямое напряжение, обычно обозначаемое как Uпр' указывает на разницу потен­
циалов на выводах диода при пропускании тока в прямом направлении. Максималь­
но допустимым считается обратное напряжение, превышение которого приводит к
выходу диода из строя.

Время восстановления определяет частоту, с которой диод можно переводить из

открытого состояния в запертое. Высокая скорость смены рабочего режима важна
далеко не во всех схемах, но там, где она критична, без высокоскоростного диода не
обойтись.
Каталожным номером

1N5819

обозначается диод Шоттки. Согласно техническим

данным он характеризуется низким прямым напряжением и минимальным тепло­
выделением.

Допоnнитеnьные сведения
С техническими характеристиками диодов семейства

1N4000

можно ознакомить­

ся по следующему адресу:

http://esxerna.ru/?p=3339

4.3. Оrраничение

постоянноrо напряжения

Задача
Использовать диод для ограничения постоянного напряжения в одной из ветвей
электрической цепи.

Решение
Используйте стабилитрон (диод Зенера).
При прямом включении в электрическую цепь диод Зенера работает так же, как и
обычный диод, почти беспрепятственно пропуская ток. При низких напряжениях
и обратном включении в цепь стабилитрон сохраняет высокое сопротивление. Но

как только напряжение на нем превышает некое значение (напряжение стабилиза­
ции), диод Зенера начинает пропускать электрической ток, как и в случае прямого
включения.

4.3. Ограничение постоянного напряжения

69

Особенность работы стабилитрона заключается в том, что напряжение "пробоя"
в нем не столь высоко, как у обычного диода, и не приводит к его выходу из строя.
Конечное значение напряжения стабилизации определяется технологией производ­
ства диода и обычно задается на уровне

5-6

В.

Обсуждение
Как предполагает основное название, диод Зенера используется для стабилизации

напряжения на подключенной к нему нагрузке (рис.

4.5).

Обратите внимание на сим­

вол, которым стабилитрон обозначается на электрических схемах: со стороны катода
черточка заменена знаком "тильды': (Согласно европейским стандартам вместо чер­

точки используется знак, подобный букве "Г':

-

Примеч. ред.)

А

Uвых

(5 В)

Рис. 4.5. Электрическая схема, обеспечивающая
стабилизацию напряжения на нагрузке
В показанной на рис.

4.5 электрической

цепи резистор А необходим для ограниче­

ния тока, протекающего через стабилитрон. Предполагается, что этот ток существен­
но превышает ток через нагрузку, подключенную к стабилитрону.
Предложенная схема может применяться как источник опорного напряжения,

обеспечивая стабилизацию напряжения только для слабых нагрузок, например в
схеме со стабилизатором напряжения, рассмотренной в рецепте
при включении в схему резистора с сопротивлением

жения (И.), равного

12

1 кОм

7.4.

В нашем случае

и подаче входного напря­

В, в цепи протекает следующий электрический ток:

/=~= 12-5 =7мА
R

1000

До тех пор пока на вход схемы подается напряжение, превышающее

5

В, на на­

грузке, подключенной к стабилитрону, также будет поддерживаться напряжение
независимо от уровня входного напряжения

( И.J

5 В,

Чтобы понять, почему это проис­

ходит, рассмотрим ситуацию, когда на стабилитрон подается напряжение, меньшее

70

1 Гnава 4. Диоды

уровня стабилизации

(f--0__
Электрическая схема

Батарейка

1____

- __

Общий провод
Рис. 7.24. Электрическая схема простой защиты линий
питания от подачи напряжения противоположной по­
лярности

Не забывайте при подборе диода учитывать максимальный ток, протекающий в
линии питания.

Если снижение уровня сигнала на целый вольт неприемлемо, то вместо обычного

диода используйте диод Шоттки, обладающий в несколько раз меньшим прямым со­
противлением (понижает напряжение в линии всего на

0,2-0,3

В).

Если электрическая схема не предполагает снижение уровня сигнала в линии пи­
тания даже на

0,3

В, то используйте для ее защиты р-канальный МОП-транзистор,

как показано на рис.

7.25.

Батарейка

+1rt

Электрическая
схема

Общий провод
Рис.

7.25.

Электрическая схема защиты линии поло­

жительного питания МОП-транзистором
При подаче сигнала правильной полярности в линию питания на затворе уста­

навливается напряжение, достаточное для отпирания МОП-транзистора. В откры­

том состоянии МОП-транзистор обладает чрезвычайно низким сопротивлением
"сток-исток", позволяя избежать ощутимого падения напряжения в линии питания.

136

1

Глава 7. Источники питания

Данная защита эффективна только при напряжении питания, большем порогового
значения для затвора МОП-транзистора. В противном случае транзистор останется

запертым, и ток в линии питания протекать не будет.
При подаче сигнала обратной полярности МОП-транзистор запирается, предот­
вращая протекание тока в линии положительного питания.

Так как затвор МОП-транзистора управляется напряжением, а не током, утечки
заряда через него на отрицательную линию питания при запирании не происходит.

Ничто не запрещает реализовать защиту от подключения источника питания
противоположной полярности через линию отрицательного питания, воспользовав­

шись n-канальным МОП-транзистором, как показано на рис.

Батарейка

+--=r----

Батарей~ -11

7.26.

Электрическая
схема

-

Общий провод

Рис.

7.26. Электрическая схема защиты линии отрицатель­

ного питания МОП-транзистором

Обсуждение
Защитой от подачи напряжения противоположной полярности необходимо осна­
щать любые электронные схемы постоянного тока. Исключение не составляют даже
устройства, которые запитываются от аккумуляторов, оснащенных ассиметричными

разъемами (типа "крона" с выходным напряжением
Самый оптимальный вариант

-

9 В).

использовать МОП-транзисторы, которые вы­

держивают токи силой в несколько ампер, обладают меньшим размером, чем равно­
значные по возможностям диоды, и стоят намного дешевле, особенно в исполнении
для поверхностного монтажа.

Допоnнитеnьные сведения
Об использовании предохранителей для защиты электрических схем было расска­
зано в предыдущем разделе.

Принципы работы и назначение диодов описаны в главе

4.

Детальные сведения о МОП-транзисторах приведены в рецепте

5.3.

7.17. Защита от напряжения неправипьноii полярности

137

ГЛАВА

8

Батарейки и аккумуnяторы

В предыдущей главе были рассмотрены способы получения постоянного напря­
жения питания от высоковольтной сети переменного тока. В этой главе описаны ав­

тономные источники питания и электрические схемы, обеспечивающие их безопас­
ную зарядку.

8.1. Ожидаемый срок сnужбы
Задача
Оценить время, в течение которого батарейка сохраняет свою работоспособность.

Реwение
Емкость батарейки измеряется в ампер-часах (Ахч) или миллиампер-часах (мАхч).

Чтобы узнать приблизительное время, в течение которого батарейка будет сохранять
свои рабочие характеристики, нужно разделить ее емкость на силу тока, потребляе­
мого подключенным к ней устройством, выраженную в амперах или миллиамперах.

Например, стандартный аккумулятор с выходным напряжением
кость около

200

9

В имеет ем­

мАхч. Если подключить к нему светодиод, последовательно соеди­

ненный с резистором подходящего номинала, то такая цепь будет потреблять ток
питания

20

мА. В итоге срок службы аккумулятора до полной разрядки будет рас­

считываться следующим образом.

200 мА · ч = l О ч
20мА

Обсуждение
Рассчитанный выше срок службы аккумулятора называется ожидаемым, потому
что дает только приблизительную оценку времени, в течение которого аккумулятор
будет снабжать цепь электрическим током. Реальный срок службы источника пита­
ния зависит от множества факторов, таких как температура окружающей среды, воз­

раст аккумулятора и рабочий ток.

Срок жизни аккумуляторной батареи (блока из нескольких последовательно под­
ключенных батареек), например 4хАА, такой же, как и одной батарейки, поскольку

одинаковый электрический ток протекает через каждую батарейку (рис.

8.1).

9мА

+

68

11,58
11,58
11,58

R1
4700м

LED1

1,5 в
Рис.

8.1. Электрическая схема последовательного подключения батареек

Из первого правила Кирхгофа (см. рецепт 1.4) следует, что через каждый элемент
замкнутой электрической цепи протекает одинаковый ток. Зная, что прямое рабочее
напряжение светодиода составляет

она составляет

1,8

В, легко вычислить силу тока через него

9 мА. Таким образом, ток силой 9

-

мА протекает не только через све­

тодиод, но и через каждую батарейку в блоке источника питания. Стандартная бата­
рейка формата АА имеет емкость

2000

мАхч, что предполагает следующий срок ее

жизни:

2000 мА · ч = 222 ч
9мА

Старайтесь избегать параллельного подключения батареек, поскольку выходное
напряжение у них несколько отличается: в первые минуты работы оно опустится до

уровня, определяемого батарейкой с самым низким напряжением на выходе. При ис­
пользовании аккумуляторов, заряженных до одинакового уровня, это не критично, а

вот батарейки разового действия в процессе быстрой разрядки часто перегреваются
и выходят из строя.

140

1

Глава 8. Батарейки и аккумуляторы

Все батарейки обладают определенным внутренним сопротивлением, которое,
как и эквивалентное последовательное сопротивление конденсаторов, нужно учиты­

вать при проектировании электрических схем (см. рецепт

3.2).

Наличие внутреннего

сопротивления объясняет нагрев батарейки при разрядке: чем больше выходной ток,
тем сильнее нагревается источник питания. При слишком большом токе батарейка

может даже воспламениться
костью

200

-

именно поэтому нельзя использовать батарейки ем­

мАхч в качестве источника тока силой

10

А, который согласно прямым

расчетам должен обеспечивать указанный ток питания в течение всего

72

с. Чтобы

предотвратить неконтролируемо быструю разрядку батареек, их умышленно снаб­
жают заведомо большим внутренним сопротивлением. Чем меньше батарейка, тем
выше ее сопротивление.

В технической документации для большинства перезаряжаемых аккумуляторов
указывается максимально допустимый ток разрядки.

Допопнитепьные сведения
Рекомендации по правильному выбору перезаряжаемых источников питания
приведены в рецепте

8.3.

Правила подбора батареек разового использования описа­

ны в следующем рецепте.

8.2.

Подбор батареек разовоrо использования

Задача
Выбрать правильный тип неперезаряжаемого источника питания для проекта.

Решение
Сначала нужно определить время, в течение которого автономный источник пи­

тания должен снабжать электроэнергией создаваемое вами электронное устройство.

Исходя из данной потребности рассчитайте емкость батарейки в миллиамперах и
подберите ее тип, сверившись с табл.

8.1.

Чтобы увеличить выходное напряжение источника питания, подключите после­
довательно сразу несколько батареек.
Таблица

8.1. Технические характеристики батареек

Тип

Оценочная емкость, мАхч

Напряжение, В

Круглая литиевая батарейка типа "таблетка"

200
500
1200
800
2000
6000
15000

3

Щелочная батарейка РРЗ типа "Крона"
Литиевая батарейка РРЗ типа "Крона"
Щелочная батарейка ААА
Щелочная батарейка АА
Щелочная батарейка С
Щелочная батарейка О

9

9

1,5
1,5
1,5
1,5

8.2. Подбор батареек разового использования

141

Обсуждение
Разовые источники питания высокой емкости имеют неоправданно большую сто­
имость, поэтому батарейки типоразмера С и

D

на сегодняшний день используются

очень редко, в отличие от перезаряжаемых литий-полимерных аккумуляторов (ре­
цепт

8.3).

Всячески избегайте использования батареек нестандартных типов и размеров.
В идеальном случае нужно проектировать собственные электронные устройства так,

чтобы они запитывались от стандартных батареек АА или на крайний случай (ми­
ниатюрные изделия)

-

ААА.

Держатель или отсек, подобный показанному на рис.
ции и последовательного соединения сразу

выходе блока напряжение

Рис.

3, 4,5, 6, 9

8.2. Держатель

или

12

2, 3, 4, 6

8.2, применяется для фикса­
8 батареек, обеспечивая на

или

В соответственно.

для четырех батареек типоразмера АА

Батарейки высокого качества имеют небольшое внутреннее сопротивление и со­

храняют работоспособность при подключении любых нагрузок. У большинства не­
дорогих батареек внутреннее сопротивление относительно высокое, поэтому они
быстро перегреваются при большой токоотдаче. Перегрев приводит к быстрому вы­
ходу батарейки из строя. Обычно чем больше по размеру батарейка, тем на более
высокие нагрузки она рассчитана.

Допоnнитеnьные сведения
Сведения о перезаряжаемых источниках питания приведены в следующем рецепте.

142

Глава 8. Батарейки и аккумуляторы

8.3.

Подбор аккумуляторов

Задача
Определиться с типом перезаряжаемого источника питания, подбираемого для
проекта.

Решение
Вычислите время, в течение которого целевое устройство должно оставаться ра­

ботоспособным, и, исходя из полученного результата, определите емкость аккумуля­
тора (табл.

Таблица

8.2).

8.2. Технические характеристики аккумуляторов

Тип

Оценочная

Напряжение, В

емкость, мАхч

Никель-металл-гидридный аккумулятор типа "таблетка"
Никель-металл-гидридный аккумулятор ААА
Никель-металл-гидридный аккумулятор Ад
Литий-полимерный аккумулятор

LCl 8650

Литий-полимерный аккумулятор от мобильного телефона
Электролитический (кислотный) аккумулятор

2,4-3,6

80
750
2000
800-3600
50-8000
600,8000

1,25
1,25

3,7
3,7
6 или 12

Обсуждение
Литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы обладают самыми большими
удельными емкостью и стоимостью, сравнимыми с таковыми у никель-металл-гид­

ридных аккумуляторов, однако они небезопасны в использовании и требуют особой

осторожности при зарядке и разрядке (рецепт

8.6).

Аккумуляторы, произведенные по старой никель-металл-гидридной технологии,

все еще используются в некоторых бытовых устройствах, например в электричес­

ких зубных щетках. Они имеют меньшую, чем у литий-полимерных аккумуляторов,
удельную емкость, но намного надежнее и безопаснее в использовании (рецепт
Электролитические, или кислотные, аккумуляторы

представленных в табл.

8.2

-

8.4).

самые тяжелые из всех

источников питания. К их достоинствам относят устой­

чивость к быстрой зарядке и длительный срок службы (несколько лет). Из-за боль­
шого веса они практически не используются в проектах, требующих автономного
электропитания, вытесняясь литий-полимерными аккумуляторами.

Скорость безопасной зарядки и разрядки большинства аккумуляторов указыва­
ется в единицах С. Эта единица измерения пропорциональна емкости аккумулятора.

Например, когда говорят о скорости разрядки
тью

1 Ахч,

то подразумевают ток питания

SC для аккумуляторной батареи емкос­

5 А (Sxl

А). Если максимальная скорость

зарядки аккумулятора равна 2С, то это значит, что он способен безопасно заряжаться
ТОКОМ до

2 А.

8.3. Подбор аккумуnяторов

143

Допоnнитеnьные сведения
Неперезаряжаемые источники питания были рассмотрены в предыдущем рецепте.

8.4. Дозарядка аккумуnяторов
Задача
Медленно дозарядить никель-метаталл-гидридный или электролитический акку­

мулятор без отключения от рабочей цепи.

Дозарядка nитий-поnимерных аккумуnяторов
Литий-полимерные аккумуляторы нельзя дозарядить описанным

ниже способом. О том, как это правильно сделать, рассказывается в
рецепте

-

8.6.

Решение
Для дозарядки аккумуляторов достаточно подать на них напряжение от внешнего

источника питания, ограничив ток зарядки с помощью резистора. Чтобы предотвра­
тить повреждение источника питания при выключении, включите диод в цепь за­

рядки аккумулятора. На рис.

8.3

изображена электрическая схема, применяемая для

дозарядки аккумуляторов с выходным напряжением
ным напряжением

6

В от блока питания с выход­

12 В.

01

46мА

1N4004

R1
1200м

12 в

-

Рис.

144

1

т

68

8.3. Электрическая схема устройства дозарядки аккумулятора

Глава 8. Батарейки м аккумуляторы

Обсуждение
В технической документации, поставляемой с аккумулятором, напрямую указы­

вается только ток быстрой зарядки. Более слабый ток дозарядки представляется как
величина, производная от скорости разрядки, указанной в единицах С. В подобных
случаях скорость разрядки нужно рассматривать как емкость аккумулятора, выра­

женную в мАхч. Например, в характеристиках аккумулятора типоразмера АА ем­
костью

2000

мАхч ток дозарядки может определяться как С/10 мА, что позволяет

легко вычислить его величину:

2000/ 1О = 200

мА. Доза рядка аккумулятора токами,

сила которых превышает указанное значение, может привести к его повреждению.

Оптимальный рабочий режим аккумулятора предполагает его дозарядку током, в
несколько раз меньшим, чем указано в технической документации. В частности, в
системах аварийного электропитания, оснащенных аккумулятором типоразмера АА,

дозарядку источника питания лучше всего выполнять током С/50

(40

мА).

Для определения тока зарядки аккумулятора нужно правильно рассчитать сопро­
тивление резистора

Напряжение на выводах резистора равно

R.

12

В

- 6

В

- 0,5

В

=

= 5,5 В. Для вычисления сопротивления резистора достаточно воспользоваться за­
коном Ома:
И

R =1

5,5В

=- - =13 7, 5 Ом ~ 120 Ом
40мА

При использовании резистора стандартного номинала
сколько отличается от

1 =И

R

40

(120

Ом) ток зарядки не­

мА.

= 5•5 В =46 мА
1200м

Поглощенная резистором электрическая энергия рассевается в виде тепла. Мощ­

ность рассеивания тепловой энергии вычисляется согласно следующей формуле:

P=IU =46мАх5,5

В=

253 мВт

Таким образом, для наших целей вполне подойдет 0,25-ваттный резистор, но луч­
ше перестраховаться и использовать в схеме полуваттный компонент.

Для ограничения тока вместо резистора можно использовать схему, описанную в

рецепте

7.7.

Она обеспечивает протекание постоянного тока через аккумулятор в те­

чение всего времени его зарядки, изменяя напряжение на его выводах, хотя заметно
сложнее и дороже в реализации.

Допоnнитеnьные сведения
Дозарядку аккумуляторов можно выполнять от солнечной панели (рецепт

8.4. Дозарядка аккумуляторов

9.1).

145

8.S.

Источник аварийноrо питания

Задача
В номинальном рабочем режиме питание электронного устройства осуществля­

ется от адаптера питания, подключенного к бытовой электросети, но в аварийных
ситуациях оно должно подаваться от батареек или аккумуляторов.

Решение
Используйте батарейки с несколько меньшим выходным напряжением, чем у бло­
ка питания. Не забудьте включить в схему диоды, как показано на рис.

8.4.

D1

D2
Блок питания

Выход

10 в

____ 98

Рис.

I

8.4. Электрическая схема источника аварийного питания

Наличие диодов в схеме обеспечивает подачу питания одновременно только от
одного источника

-

обладающего большим выходным напряжением. Такая компо­

новка элементов схемы предполагает, что выходное напряжение основного источ­

ника питания всегда на один-два вольта выше, чем вспомогательного (аварийного).

В нашем случае в качестве аварийного источника питания применяется батарейка,
выходное напряжение которой со временем только падает. Насхеме, показанной на
рис.

8.4,

основной источник питания имеет выходное напряжение

прямосмещенный (пропускает ток), а диод
зом, диод

D2

D2 -

10

В, диод

D1 -

обратносмещенный. Таким обра­

предотвращает случайную дозарядку батарейки (которая, как известно,

неперезаряжаемая) от основного источника питания. При питании от аварийного

источника прямосмещенным становится диод

D2,

а диод

D1 -

обратносмещенным,

предотвращая протекание постоянного тока через основной источник питания.

Обсуждение
Подбирая диоды

D1

и

D2,

нужно учитывать нагрузку, которая подключается к

обоим источникам питания. В большинстве случаев можно смело использовать

146

1

Гnава 8. Батарейки и аккумуnяторы

диоды серии

1N4xxx, характеризующиеся падением напряжения в режиме прямого
0,5 В. Меньшим внутренним сопротивлением обладают только диоды
Шоттки (см. рецепт 4.2).
Электрическая схема, показанная на рис. 8.4, справедлива как для батареек разо­

тока, равным

вого использования, так и для перезаряжаемых аккумуляторов, хотя и не обеспечи­

вает их дозарядку. Чтобы устранить этот недостаток, схему нужно усовершенство­
вать, как показано на рис.
рецепте

8.5.

Номинал резистора вычисляется так, как описано в

8.4.

01

02
Блок питания

Выход

10 в

Рис.

8.5. Электрическая схема

R1

-

98

I

источника аварийного питания, обеспечивающего

дозарядку аккумуляторов
Теперь при подаче питания от основного источника часть тока через диод

резистор

R1

протекает к аварийному источнику питания (диод

D2

D1

и

включен в обрат­

носмещенном режиме, поэтому ток через него не протекает). При выключении ос­
новного источника питания (О В) диод

D2

становится прямосмещенным, позволяя

подавать ток в линию питания от аварийного источника. Резистор

R1

в этом про­

цессе не участвует, поскольку его сопротивление намного выше, чем сопротивление

диода

D2.

Допоnнитеnьные сведения
Критерии подбора диодов рассмотрены в рецепте

4.2.

Функциональные особенности диодов описаны в рецепте

4.1.

8.6. Зарядка nитий-поnимерных аккумуnяторов
Задача
Зарядить литий-полимерный аккумулятор.

8.6. Зарядка литий-полимерных аккумуляторов

147

Решение
Используйте схему зарядки литий-полимерных аккумуляторов, основанную на

специализированной интегральной микросхеме (МСР73831). Электрическая схема
готового зарядного устройства приведена на рис.

8.6.

МСР73831/2

4
Вход

3,75-6 в

С1

~

-{7мкФ
Рис.

VDD

LED1

VBAT
PROG

R2
STAT
4700м

vss

3

5

Выход,

R1

литий-

полимерный

2

IC1

4,7 мкФ

аккумулятор

Электрическая схема зарядного устройства для литий-полимерных аккуму­

8.6.

ляторов

Литий-полимерными аккумуляторами оснащены многие бытовые приборы и

компьютерные устройства (зачастую они заряжаются от USВ-порта). Стоимость
зарядных устройств для таких аккумуляторов, построенных на базе микросхемы

МСР73831 и позволяющих автоматически управлять процессом зарядки, очень не­
велика

-

менее доллара.

В самом простом случае для получения зарядного устройства для литий-полимер­
ных аккумуляторов, кроме микросхемы МСР73831, понадобятся только два конден­
сатора и резистор. Резистор

R2 и светодиод, показанные на схеме, можно опустить,

поскольку их роль второстепенная

-

указывать на то, что процесс зарядки еще про­

должается.

Микросхема автоматически контролирует ток зарядки, уменьшая его до безопас­
ного уровня по мере накопления аккумулятором энергии. Тем не менее максималь­

ный ток зарядки (безопасный уровень указывается в технической документации)
можно выразить через сопротивление резистора R1, воспользовавшись такой фор­
мулой:

1

= 1000

.\ШКС

Rl

В соответствии с этой формулой для зарядки аккумулятора током
нужно использовать резистор

500

мА в схеме

R1 с сопротивлением 2 кОм.

Чтобы не утруждаться изготовлением собственных зарядных устройств, купите
решение в виде готового модуля, например

Adafruite 1905

или

Sparkfun PRT-10217

(оба основаны на микросхеме МСР73831).

Обсуждение
При неправильной эксплуатации литий-полимерные аккумуляторы часто воспла­

меняются, что делает их использование небезопасным занятием. Чтобы обезопасить

148

1

Гnава 8. Батарейки и аккумуnяторы

электронное устройство от повреждения, контроль за процессом зарядки литий-по­

лимерных аккумуляторов возлагается на специальную микросхему. Для большей на­
дежности включите в схему зарядного устройства термический предохранитель (см.
рецепт

7.16).

Если вы склонны использовать в собственных проектах только безопасные тех­
нологии, то обратитесь к аккумуляторам старых типов

-

никель-металл-гидридным

или электролитным.

В отличие от аккумуляторов старых типов литий-полимерные источники пи­

тания нельзя заряжать, подключив друг к другу параллельно. Зарядка каждого ли­
тий-полимерного аккумулятора осуществляется с помощью отдельной схемы. Если

ваше устройство рассчитано на напряжение питания, большее
повышающим стабилизатором (см. рецепт

3,7

В, то снабдите его

7.9).

Допоnнитеnьные сведения
Технические характеристики микросхемы МСР73831 приведены по следующему
адресу:

http://www.farnell.com/datasheets/630369.pdf

8.7.

Поnная разрядка источника питания

Задача
В процессе использования разрядить батарейку полностью, а не до минимально
допустимого уровня напряжения.

Решение
Создайте устройство, снабжающее светодиод электрическим током от батарейки,
разряжая ее до тех пор, пока выходное напряжение не понизится до

0,6

В.

Наша схема представляет собой повышающий стабилизатор (см. рецепт 7.9), со­
стоящий из транзистора, резистора и трансформатора собственного изготовления
(рис.

8.7).

Питание на него подается от одной батарейки с исходным выходным на­

пряжением

1,5 В

и не прекращается до тех пор, пока оно не упадет ниже

0,6

В.

Предложенная схема по принципу действия напоминает рассмотренную в рецеп­

те

7.15 за тем лишь

исключением, что в ней вторичная обмотка трансформатора под­

ключается не к паразитной емкости, а к базе транзистора и насчитывает столько же
витков, сколько и первичная обмотка.

Обсуждение
Прототип повышающего стабилизатора напряжения для батарейки, собранный
на макетной плате беспаечного монтажа, показан на рис.
значение

-

8.8.

У него всего одно на­

показать, насколько долго будет светить светодиод до полного разряда

батарейки.

8.7. Полная разрядка источника питания

149

R1

-

0,6-1,5

1 кОм

в

2NЗ904,_

'il

LED1

Рис. 8.7. Электрическая схема подключения повышающего ста­
билизатора напряжения к батарейке

\
\

Рис.

8.8.

Прототип повышающего преобразователя для бата­

рейки, собранный на макетной плате

150

Глава 8. Батарейки и аккумуляторы

Обе катушки трансформатора создавались вручную
эмалированного медного провода диаметром

0,1-0,2

-

обе содержат по

12

витков

мм, намотанного на феррито­

вый сердечник тороидальной формы. В действительности форма сердечника не так
уж и важна, равно как и тип изоляции медного провода.

Данная схема позволяет получить на выходе импульсный прямоугольный сигнал

с частотой

50

кГц (зависит от характеристик трансформатора).

Дополнительные сведения
Детально повышающие стабилизаторы описаны в рецепте
Подобная схема рассмотрена в рецепте

7.9.

7.15.

Стандарты, используемые для маркировки сечения проводов, рассмотрены в ре­
цепте

2.10.

8.7. Полная разрядка источника питания

151

ГЛАВА

9

Соnнечные панеnи

Эта глава полностью посвящена генерированию электрического тока из солнеч­

ного света с помощью панели фотогальванических элементов. Здесь также рассмат­
риваются вопросы сохранения электроэнергии для дальнейшего использования в
проектах, в которых задействуются такие популярные одноплатные решения, как

Arduino

9.1.

и

Raspberry Pi.

Получение эnектроэнерrии из соnнечноrо света

Задача
Научиться использовать солнечные панели в качестве источника питания, изба­
вившись от необходимости регулярной перезарядки аккумуляторов или покупки ба­
тареек.

Решение
Используйте солнечные панели (рис.

9.1)

для зарядки аккумуляторов, кото­

рые выступают в качестве основного источника питания электронного устройства.

Крайняя слева панель извлечена из бюджетного уличного светильника стоимостью

1,5

доллара.

Электрическая схема устройства зарядки аккумуляторов от солнечных панелей
приведена на рис.

9.2.

Солнечная панель состоит из большого количества последовательно соединенных

фотогальванических элементов. Такой способ их подключения обеспечивает выход­
ное напряжение, достаточное для применения в простых электронных устройствах.

Для зарядки аккумуляторов нужно использовать панель фотогальванических эле­
ментов, выходное напряжение которой больше, чем у батареи.
Диод

01

необходим для предотвращения протекания обратного тока, поступаю­

щего от аккумуляторов к солнечной панели, в случаях, когда она не вырабатывает
электроэнергию (не освещается солнечным светом).
Резистор R1 подбирается так же, как и в схеме устройства быстрой зарядки (см. ре­
цепт

8.4).

К выходу зарядного устройства лучше подключить стабилизатор тока, опи­

санный в рецепте

7.7.

.~;.j '.~;. . ~· ·~:· = О && br ightness and ~

Г.;оdе

[з2kнz

eoom

Fltter Reeponse

Fewest
S18ges

1mi ordor Buttervюrffl
{1'1aqo}

200m

2nd order Buttorwortt1
(1sta~J

"'"

180

IOOi<

Frequency(Нz)

Рис.

17. 1О.

Настройка параметров фильтра в приложении Analog Filter Wizard

По умолчанию приложение сконфигурировано на использование децибелов в ка­
честве единиц измерения (см. рецепт

372

Глава 17. Операционные усилители

16.11).

Чтобы выразить усиление сигнала через

соотношение амплитуд (напряжений) выходного сигнала к входному, а не в деци­
белах, щелкните на раскрывающемся списке поля
выберите в нем опцию

V/V

частоты среза указано значение

32

Gain

(Коэффициент усиления) и

17.10).

Обратите внимание на то, что в качестве

1,78 кГц, а
-40 дБ.

полоса подавления начинается с частоты

(см. рис.

кГц и коэффициента затухания

С помощью ползунка в нижней части панели настроек фильтра указывается кру­
тизна АЧХ фильтра и его плавность в области полосы пропускания. Кроме того, по­
ложение этого ползунка определяет количество операционных усилителей в схеме

(порядок фильтра) : фильтр второго порядка содержит всего один ОУ, третьего по­
рядка

два и т.д. Схемы фильтров старшего порядка предполагают каскадное вклю­

-

чение сразу нескольких операционных усилителей. От типа фильтра (Баттерворта,

Бесселя или Чебышева) зависит не столько его схема, сколько номиналы используе­
мых в нем электронных компонентов, определяющие рабочие характеристики схемы

(подробнее об этом далее).

В нашем примере выбран фильтр Баттерворта второго порядка. После под­
тверждения выбранных параметров и щелчка на кнопке

Go to Component Selection

(Перейти к выбору компонентов) на странице отображается схема рассчитываемого
приложением фильтра (рис.

Туре

17.11 ).
Compon

Specifications

low-Pass; 2nd order Buttorworth

Voltage Supplies CJ
+Vs :
-Vs :

View:

.
"

Circult

r -s v

r-

-5

Stage А
2nd order
low-Pass
Sallen Кеу

v

Components CJ

•

1nF

Pickforme

1want to choose
IN
Compensate for GBW О

66.7k0

1 .2ма

i

OUT

100pF

Optimization
Low Power

Рис.

17.11.

Схема фильтра с указанием номиналов электронных компонентов

На панели настроек этой страницы можно указать напряжение линий питания
операционного усилителя и отдельные параметры оптимизации схемы. Поскольку

приложение разрабатывалось компанией

Analog Devices, то

и модель операционного

усилителя, обозначенная на схеме, взята из ее каталога. Разумеется, в схеме фильтра
можно использовать операционные усилители других производителей, обладающие

схожими рабочими характеристиками.

17.7. Подавление высокочастотного сигнала

373

Схему можно заставить не только фильтровать высокочастотную составляющую
входного сигнала, но и усиливать выходной сигнал, добавив обратную связь между
выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, как описано в рецеп­

те

17.5.

При этом указывать номиналы резисторов делителя напряжения совершенно

не обязательно, достаточно определиться с коэффициентом усиления схемы на пер­
вом этапе разработки (см. рис.

17.10).

Обсуждение
Несмотря на весьма непростые условия задачи, для ее решения достаточно филь­
тра второго порядка, включающего всего один операционный усилитель. Такой

фильтр одновременно прост в исполнении и обладает отличными рабочими харак­
теристиками. В действительности искусству построения узкоспециализированных

фильтров, предназначенных для решения задач разного уровня сложности, посвяще­
ны целые учебные пособия.

Приложение

Analog Filter Wizard

позволяет создавать схемы фильтров следую­

щих типов.

Баттерворта

Характеризуется максимально гладкой АЧХ (с неизменным уровнем усиления)

в области пропускания

-

вплоть до частоты среза

-

и более пологим (по

сравнению с фильтрами остальных типов) переходом от области пропускания
к области подавления. Сдвиг фаз между входным и выходным сигналами,
характерный для фильтра Баттерворта, приводит к существенному искажению
исходного сигнала.

Чебышева

Имеет более крутой спад АЧХ и существенную неравномерность амплитудно­
частотной характеристики на частотах полос пропускания и подавления,

чем у фильтров других типов. К недостаткам этого фильтра также относится
существенный фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.
Бесселя

К преимуществам фильтров данного типа относится несущественный фазовый
сдвиг за счет наименьшей крутизны АЧХ в области перехода от полосы
пропускания к полосе подавления.

Фильтры всех трех типов основаны на схеме, представленной на рис.

17.11.

Для

расчета номиналов электронных компонентов, используемых в каждом конкретном

случае, укажите необходимый тип фильтра на панели настроек первой страницы
приложения

Analog Filter Wizard.

Дополнительные сведения
В следующем разделе рассмотрены фильтры высоких частот.

374

Глава 17. Операционные усилители

17 .8. Фильтр

высоких частот

Задача
Построить активный фильтр, подавляющий низкочастотную составляющую сиг­
нала , оставляя неизменной его высокочастотную часть.

Решение
Создайте фильтр второго порядка, основанный на операционном усилителе, ис­
пользуя приложение

Analog Filter Wizard

(см. предыдущий рецепт). АЧХ активного

высокочастотного фильтра второго порядка, сгенерированная онлайн-приложением,

изображена на рис.

17.12. Из

графика видно, что фильтр обеспечивает десятикратное

усиление выходного сигнала и характеризуется частотой среза

Vlow'

Paar.Ьand [

Gain
r - -3 dB

1 10 VN ~

1 кГц .

Magn
>

.

4,7 кОм ::Е
5V

~4,7 кОм

Arduino

приведена на рис.

19.8.

ТЕА5767

с
с

с

SDA

SDA

SCL

SCL

Arduino Uno

MODE

ANT
К усилите лю

L

мощности

R

GND

~

5V

GND

..L

Общий провод
Рис.

19.8.

Электрическая схема подключения модуля FМ-приемника к Ardиino

Чтобы упростить написание программ управления модулем, загрузите библиоте­

ку

Arduino

ТЕА5767 с сайта

GitHub,

щелкнув на кнопке

Clone or download.

https://githuЬ.corn/sirnonrnonk/arduino_TEA5767

Загрузите ZIР-архив и подключите его содержимое в интегрированной среде раз­
работки с помощью команды

SketchQlnclude LibraryQAdd ZIP Library

(СкетчQПод­

ключить библиотекус>Добавить .ZIР-библиотеку).

19.3. FМ-приемник, управпяемый из Arduino

1

405

Обсуждение
Для создания прототипа FМ-радиоприемника на макетной плате беспаечного
монтажа (рис.

l 9.9)

вам понадобится коммутационная плата для модуля. Ее можно

изготовить самостоятельно из макетной платы под пайку, следуя инструкциям, при­
веденным по следующему адресу:

http://www.doctormonk.com/2012 / 03/
tea5767-fm-radio-breakout-board-for.html

Рис. 19.9. Прототип FМ-приемника, собранный на макетной плате
беспаечного монтажа
Для указания рабочей частоты используется монитор последовательного порта.
Запустите скетч

c h_ 19_ f m_ r adi o,

отобразите монитор порта, убедитесь в том, что в

раскрывающемся списке, расположенном в правой нижней части окна, выбрана оп­

ция

No line ending

(Нет окончания строки), и только после этого вводите частоту, на

которую должен настроиться приемник.

Код скетча доступен для загрузки с веб-страницы книги на сайте

цепт

10.2).

#include
#inc lude
TEA5767Radio radio

406

1

Глава 19. Радио

=

TEA5767Rad i o( );

GitHub

(см. ре­

void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println("Enter Frequency:");
Wire.begin();

void loop() {
if (Serial.availaЬle())
float f = Serial.parseFloat();
radio.setFrequency(f);
Serial.println(f);

Рабочая частота, выраженная в мегагерцах, передается функции

setFrequency ()

в виде десятичного числа с точкой в качестве разделителя (например, 93. о).

Допоnнитеnьные сведения
Усилители мощности для приемника рассмотрены в рецептах

18.4 и 18.5.

О создании FМ-передатчика рассказывалось в первых двух рецептах главы.

19.4. Беспроводная

передача цифровых данных

Задача
Передать данные через беспроводное соединение на несколько сотен метров.

Решение
Используйте модуль передатчика/приемника цифровых сигналов СС1101. Стои­
мость модуля невелика, а приобрести его можно на любых онлайн-аукционах (на­

пример, еВау). Схема подключения модуля к
на рис.

Arduino

через интерфейс

SPI

показана

19.10.

Модуль работает на логике с напряжением

3,3

В

в технической документации

-

указано, что все его выводы рассчитаны на максимальное напряжение

образом, при подключении к плате

Arduino

(с логикой

вать целых три делителя напряжения (см. рецепт

2.6),

5 В)

3,9

В. Таким

в схеме нужно использо­

каждый из которых состоит из

двух резисторов.

Обсуждение
Для одновременного тестирования и передатчика, и приемника цифровых дан­
ных необходимо собрать два прототипа, каждый из которых включает плату
и модуль се 11о1, как показано на рис.

Arduino

19.11.

19.4. Беспроводная передача цифровых данных

1

407

1
З.ЗV

02

013
012
Arduino Uno
010
011

R2c ~ RЗС.
•
>
-с>
>
с>
>

GNO

:

"

2700м

....___

2700м

.....---

СС1101

Module

VOO

VOO

MOSI

sск

MISO

G002

cs

GOOO

GNO

GNO

-

4700мс

-

=~
с>

2700м

Rбс•

R1"> R4. •>
">
с:
>•

:

Rsc~

-с>

4700мс·~

4700м

Общий провод

Рис.

19.1 О.

Электрическая схема подключения модуля

CCl 1О1

к плате Атdиiпо

Тестирование модулей несколько затруднено невозможностью отображения в мо­

ниторе интегрированной среды разработки

Arduino

данных сразу с двух последова­

тельных портов. Для преодоления столь неожиданной трудности вам понадобится
еще один компьютер с установленной на нем средой разработки

Arduino.

Для упрощения программного кода скетча загрузите специальную библиотеку с
сайта

GitHub:

https://githuЬ.com/simonmonk/CCllOl_arduino

Щелкните на кнопке

Clone or Download

и сохраните ZIР-архив на диске компьюте­

ра. Для подключения библиотеки в интегрированной среде разработки
пользуйте команду

Sketchlnclude LibraryAdd ZIP Library

Arduino ис­

(СкетчПодключить биб­

лиотекуДобавить .ZIР-библиотеку).
В архиве с библиотекой находятся две программы управления модулем
одна обеспечивает передачу данных, а вторая

-

ны для загрузки с веб-страницы книги на сайте

408

1 Глава 19. Радио

CCl 101:

их получение. Скетчи также доступ­

GitHub

(см. рецепт

10.2).

Рис.

19.11.

Подключение модуля СС 11О1 к плате Ardиino

Скетч управления передатчиком данных

( ch_ 19_се 1 1О1 _tx)

имеет следующий вид.

#include
const i n t n = 61;
b yte buffer [n]
""·'
vo id setup() {
Serial.begin( 96 00);
Serial.println ("Set line ending t o New Line i n Serial Mon itor.");
Serial. p rintln ( "Enter Messa ge " ) ;
ELECHOUSE ccll 01. I nit (F_ 433 ) ; //задать частот у :
// F_4 33 , F_868 , F 965 МГц

vo id loop () {
if (Serial.a va i laЬle())
i n t l en = Serial. readBytesUn ti l(' \ n', buffer, n );
buffer (l en] = '\ О ' ;
Serial . p r int ln( (char *) bu f f er );
ELECHOUSE_cc llOl.SendData (buffer, len);

19.4. Беспроводная передача цифровых данных

409

Передаваемые данные хранятся в массиве байтов

buffer

(в нашем случае

тое текстовое сообщение), а трансляция данных выполняется пакетами по
В функции

setup ()

- прос­
64 байт.

сначала устанавливается частота, на которой транслируются

данные, а затем в окне монитора порта выводится предупреждение о необходимос­

ти включения режима No

line ending

(Нет окончания строки). Только после этого на

экране появляется запрос на указание передаваемых данных. Введенное в мониторе

порта содержимое заносится в массив

щью функции

buffer,

после чего передается в эфир с помо­

SendData ().

Код управления приемником цифровых данных

( ch _ 19_ccl1о1 _ tx)

имеет следу­

ющий вид.

#include
const int n = 61;
void setup ()
{

Serial.begin(9600);
Serial.println("Rx");
ELECHOUSE ccllOl.Init(F 433); 11 задать частоту:
11 F_433, F_868, F 965
ELECHOUSE_ccllOl.SetReceive();

byte buffer [ 61]

МГц

{О);

void loop ()
if (ELECHOUSE_ccllOl.CheckReceiveFlag())
{

int len = ELECHOUSE cc1101.ReceiveData(buffer);
buffer[len] = '\О';
Serial.println( (char *) buffer);
ELECHOUSE_ccllOl.SetReceive();

За отслеживание сигнала на выводе

Arduino, извещающего о поступле­
нии данных от модуля CCl 101, отвечает функция CheckRecei veFlag (). Принятое
модулем сообщение заносится в массив buffer и выводится на экран монитора по­
D2

платы

следовательного порта. Содержимое монитора порта для передатчика и приемника
данных показано на рис.

410

Глава

19. Радио

19.12

и

19.13.

/dev/cu.usbmodcm 14141 (Arduino/Genuino Uno)
Radю

Send

is magic

Set line ending to New Line in Serial Мonitor .
Enter Мessage
It was the best of times. It was the worst of times .

1!'.1 Autoscroll
Рис.

•

ф

Newline

19.12.

9600 baud

Передача данных модулем

CCl 1О1

/dev/cu.usbmodem1421 (Arduino/Genuino Uno)
Send

Rx
It was the best of t1mes. It was the worst of times.

r.i

Newline

Autoscroll

Рис.

19.13.

В

Получение данных модулем

9600 baud

в

CCl 1О1

Дополнительные сведения
Технические характеристики модуля

CCl 101

приведены в следующем документе :

https://www.terraelectronica.ru/images/notes/NE201 0_2_1.pdf
Используемая в скетчах библиотека получена в результате модернизации про­
граммного решения, заимствованного на сайте

elechouse. сот.

19.4. Беспроводная передача цифровых данных

411

ГЛАВА

20

Сборка

В этой главе рассматриваются вопросы построения прототипов схем, собираемых
на макетных платах беспаечного монтажа, а также последующего создания более
долговечных и надежных постоянных версий электронных устройств.

20.1. Сборка прототипа
Задача
Быстро собрать прототип электронного устройства, не прибегая к пайке его ком­
понентов.

Решение
Для создания временных версий электронных устройств прекрасно подходят ма­

кетные платы беспаечного монтажа (рис.

20.1),

позволяющие менять компоновку

элементов схемы без паяльника и припоя (рецепт

20.6).

После тестирования про­

тотипа можно приступать к созданию полноценной версии устройства, собирая его

на макетной плате под пайку или на печатной плате собственного изготовления (ре­
цепт

20.3).

Макетные платы беспаечного монтажа бывают самых разных форм и размеров.
Для наших целей вполне подойдет макетная плата на

400

контактов (половинного раз­

мера согласно каталогам большинства интернет-магазинов). Лучше приобрести сразу
несколько таких плат, на каждой из которых свободно размещается несколько микро­
схем со всеми необходимыми дополнительными компонентами. Несколько плат мож­
но соединить в одну

-

на боковых сторонах плат есть пазы и выступы.

Контакты платы беспаечного монтажа объединены в нумерованные шины

пять контактов в строке (рис.
дов

- "abcde"

и

"fghij': -

20.2).

-

по

Рабочая область платы включает два столбца ря­

не имеющих между собой электрического соединения.

""' lt" • •

"r""""

о il l

f 1(

t

...' ...
·····-

". ".". 1

"""".,.. ,
"" " " " "~

Рис.

20.1.

Макетные платы беспаечного монтажа

По обе стороны от рабочей области на макетной плате находятся шины пита­
ния, которые могут использоваться в общих целях, а не только для подключения к

источнику напряжения. Чаще всего шина с маркировкой символом

"-"

и полосой

синего цвета используется в качестве общего провода, а к "красной " линии, обозна­
чаемой символом

"+",

подключается провод от положительного полюса источника

питания.

Разбивка рабочей области платы беспаечного монтажа на строки и столбцы, про­
нумерованные числовым и алфавитным способом, упрощает перенос прототипа схе­

мы на другие макетные платы, например

Permaspoto

или

Monk Makes Protoboard,

об­

ладающие более широкими функциональными возможностями. Координатная сетка
макетных плат беспаечного монтажа также полностью совпадает с применяемой в
макетных платах общего назначения.

Прототип схемы двухтранзисторноrо мультивибратора (см. рецепт
ный на макетной плате беспаечноrо монтажа, показан на рис.

16.2), собран­

20.3.

Для монтажа электронных компонентов под пайку достаточно вс тавить их вы­
воды в соответствующие схеме отверстия макетной платы. Соединение с другими

компонентами схемы выполняется через общие шины (строки) или с помощью на­
весных перемычек (проводов) со штыревыми и гнездовыми разъемами на концах.

414

Глава

20. Сборка

о;

JS

:I:

о;

:s;

JS

:I:

ctl

:I:

:s; f:s;

э

i::

t+
• •

••

••
••
•

•

11

•

••
••
"
••
11

••
• •
••
••
••

••
• •
••
• •
•

Строка контактов

Строка контактов

на общей шине

на общей шине

1

I

2

а

"

ь t,;

d

• "

• • • •

з

е

" ... " •

•

• • • • "
• • "

4

• ...

5
6
7

"

-. "

• " •
•
" "
• •
• •
"

• "
б • • •
9 • •
"
10 • • •
1 • •
"
12 • • •
13 • • •
14 • •

•
•

•

.• •

,9

" " • " •

21
22

f !;}
•
" "
• •
•
• •
• •

1.

h

•
•

:s; f:s;

э

з

" 4

.
." "" •• ••

• • • • " 8
• • • • 9

••

• "
• • • •

"

•
•""•

• 10
• 11
• 12
13
14

15
" 16

17

20
21
• 23
24
25

23

24
25

i::

~.-

• • " 5
• • 6
• " 7

•

ctl

- "11
• " 2 • •

. •" -•

• •

i

:s;
:I:

•

••
•
••
'8

• •
• •

••
••
••
• •
••

••
••

• •

• •
••
••
••
••
••
••

••

•

29
10

••
••

Выступы для соединения с другой платой
Рис .

20.2. Макетная

плата беспа е чного монтажа половинного размера

Построение прототипов электронных устройств на макетной плате сродни ис­

кусству. Чтобы понять это, достаточно сравнить электрическую схему двухтранзис­
торного генератора (рис.

20.4),

детально рассмотренную в рецепте

16.2,

с монтаж­

ной схемой его прототипа, собирае мого беспаечным способом на макетной плате
(см . рис .

20.3).

Монтажная схема прототипа из ображена на рис.

20.5.

20.1. Сборка прототипа

415

Рис.

20.3.

Схема, собранная на макетной плате беспаеttного монтажа

5-9 в

R1

R4

1 кОм

1 кОм

02
2N3904
LED1~

#
Общий провод
Рис.

416

1

20.4.

Электриttеская схема мультивибратора на двух транзисторах

Глава 20. Сборка

.:• .:• : : :. ~
~ : : .: .: .:
+98

Общий
провод

••

• ••
•••
•••
• ••
•••
• ••

Рис.

•
•

~~

•
••
•••••
• •• ••

••
•

•
•
•
•

••
•

•
•
•

•••••
•••••

• • • • •

••

• •
••
•••
•• •••
•••••

••

••
••
••
••
••
••

•
•
•
•

•••••
•• •
•••
•
•
•
•

• •
• •
••
• •
•••••

20.5. Монтажная схема мультивибратора,

••

••
••
••

•

•

•
•

••

собираемого

на макетной плате

При переносе на макетную плату лучше начать с монтажа ключевых элементов
электрической схемы или компонентов, выводы которых плохо сочетаются с разъ­

емами платы. Как правило, монтаж сложных электронных устройств начинается с
микросхемы, но в нашем случае первыми на макетную плату устанавливаются тран ­

зисторы, располагаясь в рабочей области симметрично относительно центрального
разделителя.

Впоследствии на макетную плату монтируются простые электронные компонен­

ты и при необходимости

-

навесные провода. К сожалению, прототип, собранный

на плате беспаечного монтажа, выглядит запутанно и громоздко, но позволяет быс­
тро менять расположение элементов схемы без использования паяльника.

20 .1. Сборка прототипа

417

Обсуждение
Рис.

20.5

был получен с помощью открытого программного обеспечения

Fritzing.

Оно используется для рисования электрических схем и их автоматического преобра­
зования в монтажные схемы для макетных и печатных плат. Таким образом, функци­
ональных возможностей одной программы достаточно для разработки электричес­
кой схемы, построения прототипа и создания макета печатной платы электронного
устройства.

Для подключения макетной платы беспаечного монтажа к Arduiпo потребуются
проволочные перемычки со штыревыми разъемами на обоих концах. Ее подключе­

ние к плате

Raspberry Pi

выполняется с помощью проволочных перемычек, оснащен­

ных как штыревыми, так и гнездовыми разъемами. На рис.

ключение для схемы, управляемой

Raspberry Pi

20.6

показано такое под­

и описанной в рецепте

12.12.

!1 5V
rN
NO
17
27
22
33V
QMOSI

g MISO
11 SCКL

GNO
14 тхо
@] 15 PJNЗ9)

?NЗ904

JT
о~

1 cJ
1=

+"
u t}

~-

(

t

1

1)

+ Left--cnck to telect object. to move
Рис.

---------·- --- - - - - - - - - - - - -

20.14. Редактор электрических схем программы EAGLE

Еще одна бесплатная САD-программа, на которую стоит обратить внимание,

это

DesignSpark.

-

Благодаря простоте использования она стремительно набирает по­

пулярность, хотя и отталкивает навязчивой рекламой .
Проектирование простых схем, состоящих из стандартных электронных компо­

нентов, можно выполнить с помощью уже известной вам программы

Fritzing.

Она

не только проста в использовании, но и позволяет создавать монтажные схемы для

макетных плат нескольких популярных типов. Тем не менее она плохо подходит для

разработки сложных схем, в которых используются компоненты, отсутствующие в
базе данных программы. Чтобы добавить новые элементы в базу данных
обходимо уметь редактировать многослойные файлы формата

Fritzing,

не­

SVG.

Все упомянутые выше приложения поддерживают работу с проектными файлами

формата

Gerber.

После экспорта из программы разработки данные файлы можно пе­

редать через соответствующую веб-службу на специализированное предприятие по
изготовлению печатных плат. Как правило, на изготовление плат уходит несколько
недель, минимальная партия составляет

10

штук, а стоимость простейшей платы

-

не менее доллара.

В Интернете вы найдете большое количество предложений по изготовлению
печатных плат как от операторов, так и от самих предприятий. Отраслевой рынок

быстро меняется

-

будьте готовы к уходу с него отдельных компаний и приходу

новых.

20.3. Соэдание собственных печатных плат

425

Обсуждение
На сегодняшний день собственноручное изготовление печатных плат не практи­

куется даже заядлыми энтузиастами. Обладая всем необходимым оборудованием, я
давно сложил его на полке в чулане и в ближайшем будущем не планирую доставать.
Стоимость оборудования для фотохимической обработки плат невелика

-

набор

начального уровня можно изготовить самостоятельно, используя светодиоды, излу­

чающие в ультрафиолетовой части спектра. А вот что напрочь отбивает желание за­
ниматься ручным изготовлением плат, так это необходимость применения едких хи­
мических реактивов, которые нужно утилизировать специальным образом. К тому

же произведенные промышленным способом платы обладают несомненно более
высоком качеством изготовления, чем домашние "поделки". Принимая в расчет все
описанные выше факторы, единственным правильным решением будет заказать пе­
чатные платы у надежного производителя.

Допопнитепьные сведения
Программа КiKad описана на следующем сайте:

http://kicad-pcb.org/
Ознакомиться с САD-приложением DesigпSpark можно по следующему адресу:

https://www.rs-online.com/designspark/pcb-software

20.4.

Пайка выводных эnектронных компонентов

Задача
Обучиться пайке электронных компонентов, снабженных выводами, на макетной
плате.

Решение
В течение нескольких секунд разогревайте паяльником место пайки и вывод ком­

понента и только после этого наносите припой (рис.

20.15).

Более детально процесс создания надежного паяного соединения описывается
следующими пошаговыми инструкциями.

1.

Удостоверьтесь в том, что паяльник разогревается до температуры, превышаю­
щей температуру плавления припоя. Припой для пайки выводов электронных

компонентов имеет температуру плавления

280

°С. Припой для компонентов

поверхностного монтажа плавится при температуре

310

°С. Если припой плохо

растекается, попробуйте увеличить температуру жала паяльника.

2.

Очистите жало паяльника, воспользовавшись влажной губкой или бронзовой
стружкой. Чистое жало всегда блестит.

3.

Разогрейте паяльник и прикоснитесь жалом к месту будущего соединения, не­
сколько секунд удерживая его на плате/выводе.

426

Гnава

20. Сборка

Рис.

4.

20.15.

Пайка электронных компонентов на макетной плате

Подайте припой к разогретому месту, дождавшись пока он равномерно расте­

чется по выводу компонента и области пайки на макетной плате. Припой дол­

жен формировать небольшой выступ вокруг вывода, продетого в отверстие.

5.

Обрежьте лишнюю часть вывода, торчащего с тыльной стороны макетной платы.

Техника безопасности при пайке
Жало паяльника нагревается до очень высокой температуры

-

при­

косновение им к незащищенной части тела вызывает серьезные и бо­
лезненные ожоги. Будьте предельно аккуратны и внимательны. Для
предотвращения попадания в глаза расплавленного припоя, слетаю­
щего с кончика жала паяльника или внезапно подскочившего вверх

вывода, используйте защитные очки. Они также обезопасят глаза от

попадания в них едкого дыма, неизбежно поднимающегося к лицу
при разогреве флюса.
Постарайтесь оснастись рабочее место устройством отвода дыма и
вредных испарений (см. приложение А). Оно не обойдется дорого
и предотвратит попадание едких химических веществ в легкие.

20.4. Пайка выводных эnектронных компонентов

427

Обсуждение
Современные технологии производства печатных плат предполагают полный от­

каз от использования свинца (химический элемент РЬ). Сегодня свинец отсутствует
в составе большинства промышленных припоев. К сожалению, такой припой имеет
более высокую температуру плавления, а потому работать с ним несколько сложнее,
чем с "классическим': Для домашнего использования вы все еще можете приобрести

"настоящий, проверенный временем" припой, лишенный недостатков экологически
чистого собрата.
Для пайки небольших электронных компонентов лучше всего использовать труб­
чатый припой с канифолью толщиной

0,7

мм.

Дополнительные сведения
Научиться правильно обращаться с паяльником и припоем проще всего, просмо­
трев несколько учебных занятий на

20.S.

YouTube.

Поверхностный монтаж компонентов

Задача
Припаять компонент поверхностного монтажа к плате.

Решение
При построении действующего прототипа или единственного экземпляра элек­
тронного устройства компоненты поверхностного монтажа можно припаять к пла­

те вручную. Если ранее вы этим не занимались, то результат будет выглядеть "не

очень", что, впрочем, никак не скажется на способности прототипа выполнять воз­
ложенные на него задачи.

Учиться пайке компонентов поверхностного монтажа лучше всего на резисторах
или конденсаторах, заключенных в корпуса с числовым обозначением выше
также на микросхемах с расстоянием между выводами не менее
ключенных в корпус

1,27

0603,

а

мм, обычно за­

SOIC.

Номинальные ряды всех основных компонентов включают широкий спектр кор­
пусов для поверхностного монтажа.

Перед пайкой компоненты поверхностного монтажа необходимо плотно прижать

к поверхности платы (обычно пинцетом). Как и при пайке в отверстия, сначала разо­
грейте вывод и место пайки и только после этого наносите припой. После остывания

припой должен образовать прочное и надежное соединение.
Начните с нанесения капли припоя на площадку платы, к которой будет паяться
первый вывод компонента (рис.

20.16),

а затем плотно прижмите компонент к пла­

те, одновременно разогревая жалом паяльника место пайки, и дождитесь растекания

припоя по выводу (рис.

20.17). После остывания припоя прижимать компонент к
- остальные выводы можно паять без удерживания де­
20.18). Завершив пайку всех остальных выводов, проверьте на­

плате нет необходимости

тали пинцетом (рис.

дежность первого контакта и при необходимости подправьте его.

428

Глава 20. Сборка

Рис.

20.16.

Капля припоя на площадке для пайки вывода компонента

поверхностного монтажа

Рис.

20.17.

Удерживание компонента при пайке первого вывода

20.5. Поверхностный монтаж компонентов

429

Рис.

20.18.

Резистор поверхностного монтажа, вручную припаянный к плате

Пайку компонентов поверхностного монтажа можно выполнять термофеном

(термовоздушной паяльной станцией), используя специальную паяльную пасту. Сна­
чала нанесите немного пасты на площадки, к которым будут припаиваться выводы
компонента (рис.

20.19),

а затем прижмите его к плате пинцетом, одновременно ра­

зогревая термофеном (рис.

Рис.

430

1

20.19.

Глава 20. Сборка

20.20).

По капле паяльной пасты на каждую площадку

Рис.

20.20.

Удержание компонента и разогрев паяльной пасты

При использовании самодельной паяльной печи, подобной показанной на
рис.

20.21,

все необходимые компоненты можно припаять на плату одновременно.

Как и в предыдущем случае, процесс пайки начинается с нанесения пасты на кон­
тактные площадки для всех компонентов поверхностного монтажа, для чего поверх

платы накладывается специальный шаблон, изготавливаемый ее производителем по

требованию и за отдельную плату.

Рис.

20.21 . Самодельная паяльная печь
20.S. Поверхностный монтаж компонентов

431

Компоненты аккуратно укладываются на свои места на плате, прилипая выво­

дами к паяльной пасте, нанесенной на контактные площадки. Далее плата "запека­
ется" в печи до плавления пасты и образования надежного соединения выводов с

контактными площадками. Более совершенные "модели" паяльных печей имеют не­
сколько режимов работы, обеспечивающих эффективное плавление пасты разных
типов. Удивительно, насколько полезным может оказаться самодельный инструмент,

изготовленный из подручного оборудования. Моя печь получена в результате модер­
низации обычной электродуховки

-

в нее добавлен термозонд. Технология пайки

компонентов поверхностного монтажа на печатной плате с помощью пасты (имеет

низкую температуру плавления), полученная методом многочисленных проб и оши ­
бок, сводится к выполнению следующих инструкций.

1.

Поместите плату в печь.

2.

Включите максимальный нагрев, дождавшись повышения температуры до

80

°С. Выключите печь и подождите две минуты

ся до температуры

3.

-

печь продолжит нагревать­

130 °С.

Снова включите максимальный нагрев и дождитесь плавления паяльной пас­

ты на контактных площадках платы (начинает плавиться уже при

140

°С).

Выключите печь.

4.

Спустя

30

секунд после выключения печи откройте ее дверцу и выньте плату

для более быстрого остывания.
Процедуры будут различаться в зависимости от модели духовки, но приведенные

выше инструкции послужат хорошей отправной точкой в собственных изысканиях.

Самодеnьные печи опасны!
Самодельные печи, переделанные из духовых шкафов, часто стано­
вятся причиной пожаров. Изменяя конструкцию духовки, необходи ­
мо трезво оценить степень риска и уровеньответственности. Если
вы не уверены в правильности выполняемых действий, то откажи­

тесь от затеи и прибегните к другому методу пайки.
Подключайте печь к электрической сети только при непосредствен­
ном использовании, а в остальное время держите кабель электропи­
тания вынутым из розетки.

Обсуждение
Многие операторы и производители печатных плат предоставляют услуги по пай­
ке на них электронных компонентов . За небольшую стоимость (при минимальном

заказе от

5-10 штук)

на плату можно фабричным способом напаять все необходимое

оборудование. Это значительно проще и быстрее, чем заниматься " выпеканием" соб ­
ственных плат в самодельных печах.

432

Глава 20. Сборка

Допоnнитеnьные сведения
О демонтаже электронных компонентов с печатных плат рассказано в следующем
разделе.

20.6.

Выпаивание компонентов из платы

Задача
Удалить с платы неправильно припаянный электронный компонент.

Реwение
Извлекать компонент из печатной платы обычно намного сложнее, чем припаи­
вать его. Если выпаиваемый компонент не представляет особой ценности, то можно

не беспокоиться о его сохранности и спокойно разрушать при извлечении.
Двухвыводные компоненты навесного монтажа, например резисторы, выпаива­
ются из платы следующим образом.

1.

Удалите как можно больше припоя с выводов и места пайки, нагревая его па­
яльником и промакивая лентой (косичкой) для снятия припоя (рис.

2.

20.22).

Иногда для удаления компонента достаточно расплавить припой на его выво­
дах, но чаще всего удается извлечь деталь из отверстий только наполовину. Для
полного ее извлечения из отверстий потребуется срезать выводы кусачками,
вытянуть

компонент, а затем аккуратно выпаять остатки

выводов, ухватив­

шись за них пинцетом.

3.

Выпаивайте выводы по очереди, нагревая припой с тыльной стороны платы и
вытягивая их из отверстий пинцетом с противоположной стороны.

о'°

о~

Рис.

20.22.

Сбор припоя медной косичкой

20.6. Выпаивание компонентов из платы

433

Выпаять двухрядные микросхемы несколько сложнее, чем обычные электронные
компоненты. Опять-таки, если микросхема не подлежит повторному использованию,
просто срежьте ее ножки кусачками, а затем поочередно выпаяйте торчащие из пла­

ты выводы. Извлечение микросхемы без повреждений

-

вполне выполнимая задача

даже для начинающих. Снимите как можно больше припоя с ее выводов, воспользо­
вавшись медной косичкой, а затем подденьте одну из сторон микросхемы тонкой от­

верткой и аккуратно приподнимите сразу весь ряд ножек над платой. Разогрейте па­
яльником выводы на противоположной стороне микросхемы и подденьте их отверт­

кой, как и в предыдущем случае. Продолжая пошагово выполнять описанные выше
действия, добейтесь полного извлечения выводов микросхемы из отверстий платы'.
Проще всего выпаивать компоненты поверхностного монтажа

-

разогрейте их

термофеном и снимите с платы пинцетом.

Обсуждение
Выпаивание компонентов из печатной платы
тие,

часто приводящее

-

это сложное и трудоемкое заня­

к разрушению компонентов, контактных площадок и даже

проводящих дорожек платьr. Иногда намного проще и дешевле создать новую печат­
ную плату, чем заниматься переделкой уже имеющейся.

Допоnнитепьные сведения
О печати навесных компонентов рассказано в рецепте
поверхностного монтажа описана в рецепте

20.4.

Пайка компонентов

20.5.

20.7. Охnаждение эnектронных

компонентов

Задача
Подобрать радиатор, обеспечивающий надежное охлаждение компонента высо­

кой мощности (например, силового транзистора).

Решение
Определите мощность, которую должен рассеивать компонент, а также макси­

мально допустимую температуру

(T""J

его нагрева (заведомо меньше предельной

температуры, указанной в технической документации). Для вычисления термическо­

го сопротивления радиатора Rерадиатоr• используйте следующую формулу:

Tlf(Жl'

-

тсреды

R()ридиатора = ---р-~Здесь Т,р