Радиоэлектроника, или как я начал её постигать

Радиоэлектроника, или как я начал её постигать

Добрый день, уважаемое сообщество. Меня все время удивляли люди, которые понимают в радиоэлектронике. Я всегда их считал своего рода шаманами: как можно разобраться в этом обилии элементов, дорожек и документации? Как можно только взглянуть на плату, пару раз «тыкнуть» осциллографом в только одному ему понятные места и со словами «а, понятно» взять паяльник в руки и воскресить, вроде как почившую любимую игрушку. Иначе как волшебством это не назовёшь.

Расцвет радиоэлектроники в нашей стране пришёлся на 80-е годы, когда ничего не было и все приходилось делать своими руками. С той поры прошло много лет. Сейчас у меня складывается впечатление, что вместе с поколением 70-х уходят и знания с умением. Мне не повезло: половину эпохи расцвета меня планировали родители, а вторую половину я провёл играя в кубики и прочие машинки. Когда в 12 лет я пошёл в кружок «Юный техник» — это были не самые благополучные времена, и ввиду обстоятельств через полгода пришлось с кружком «завязать», но мечта осталась.

По текущей деятельности я программист. Я осознаю, что найти ошибку в большом коде ровно тоже самое, что найти «плохой» конденсатор на плате. Сказано — сделано. Так как по натуре я люблю учиться самостоятельно — пошёл искать литературу. Попыток начать было несколько, но каждый раз при начале чтения книг я упирался в то, что не мог разобраться в базовых вещах, например, «что есть напряжение и сила тока». Запросы к великому и ужасному Гуглу также давали шаблонные ответы, скопированные из учебников. Попробовал найти место в Москве, где можно поучиться этому мастерству — поиски не закончились результатом.

Итак, добро пожаловать в кружок начинающего радиолюбителя. Я люблю учиться и узнавать что-то новое, но просто знания мне мало. В школе мне привили навык «теорему нельзя выучить — её можно только понять» и теперь я несу это правило по жизни. Окружающие, конечно, смотрят с недоумением, когда вместо того, чтобы взять готовые решения и сложить по-быстрому их воедино я начинаю изобретать свои велосипеды. Второй довод для написания статьи — это мысль «если ты понимаешь предмет — ты можешь его с лёгкостью объяснить другому». Ну что ж, попробую сам понять и другим объяснить.

Первая моя цель, прямо как по книгам — аналоговый радиоприёмник, а там пойдем и в цифру.

Сразу хочу предупредить — статья написана дилетантом в радиоэлектронике и физике и является скорее рассуждением. Все поправки буду рад выслушать в комментариях.

Итак, чем что такое напряжение, ток и прочее сопротивление? В большинстве случаев для понимания электрических процессов приводят аналогию с водой. Мы не будем отходить от этого правила, правда с небольшими отклонениями. Представим трубу. Для контроля некоторых показателей мы включим в неё несколько счётчиков расхода воды, манометров для измерения давления, и элементы, которые мешают току воды.

В электрическом эквиваленте схема будет выглядеть примерно так:

Напряжение

Курс физики нам говорит, что напряжение — это разность потенциалов между двумя точками. Если перекладывать определение на нашу трубу с водой, то потенциал — это давление, т. е. напряжение — это разница давлений между двумя точках. Этим и объясняется принцип его измерения вольтметром. Получается, что если попытаться измерить напряжение в двух соседних точках трубы, где нет никаких сопротивлений движению воды (отсутствуют краны и сужения, внутренним трением воды о стенки трубы мы пока пренебрежём) и давление не меняется — то разница давлений в этих двух точках будет равна нулю. Если же сопротивление присутствует, происходит снижение давления (в электрическом эквиваленте падение напряжения), то мы получим величину напряжения. Сумма напряжений на всех элементах равна напряжению на источнике. Т.е. если сложить показания всех вольтметров на нашей схеме, мы получим напряжение батареи.
Например, будем считать, что наша батарея даёт напряжение 5 вольт и резисторы имеют сопротивление 100 и 150 Ом. Тогда по закону Ома U=IR, или I=U/R, получаем, что по цепи течёт ток с силой I=5/250=20мА. Так как сила тока во всей цепи одинакова (пояснения чуть дальше), из того же закона Ома следует, что первый вольтметр покажет U=0,02*100=2В, а второй U=0,02*150=3В.

Сила тока

Из того же курса физики известно, что это количество заряда за единицу времени. В водяном эквиваленте — это сама вода, а её измеритель, амперметр — есть счётчик воды. Опять таки становится понятно, почему амперметр подключается в разрыв цепи. Если его подключить на место, например, вольтметра V1, то образуется новая цепь, из которой будет исключено сопротивление R1, а значит как минимум мы получим некорректные значения (что будет «как максимум»станет понятно чуть позже). Вернёмся к нашей водичке — подключение амперметра параллельно любому из элементов означает, что часть воды пойдёт по основной трубе, а другая часть пойдёт через счётчик — и как раз этот счётчик будет врать.

Ах, да, о цепи. В большинстве литературы что мне попадалось фраза о том, что батарейки являются лишь источником напряжения, и только сопротивления являются источником тока. Как же так? Как сопротивление может являться источником чего-то ещё, кроме как источником сопротивления (тепло пока не в счёт)? Все верно, если опираться на закон Ома I=U/R, однако сколько не прикладывай сопротивление, ток не появится, пока не будет источника напряжения и замкнутой цепи (ровно как если заткнуть справа нашу трубу пробкой что не делай — счётчики воды будут молчать)!

Сопротивление в цепи просто должно присутствовать, ведь если оно равно нулю — сила тока устремится в бесконечность. Такую ситуацию мы видим при «замыкании» — искры это и есть очень большая сила тока, а если точнее теплота, равная Q=(I^2)Rt (формула действительна при постоянной силе тока и сопротивления).

Ещё одно важное замечание — при рассмотрении расчёта напряжения и силы тока я не нашёл уточнений, что в замкнутой цепи на всех участках сила тока будет одинаковой. Т.е. все счётчики будут крутиться с одной скоростью и показывать одни и те же значения. По сути, количество тока, который прошёл по цепи аналогичен количеству «воды», вышедшей из трубы.

Сопротивление

Пожалуй, самое простое явление для объяснения. Вернувшись к нашей трубе, сопротивление — это есть все возможные сужения и краны. Согласно тому, что мы разобрали выше — при повышении сопротивления уменьшается ток во всей цепи и понижает напряжение на концах сопротивления. Или снова в водяных реалиях — закрытие нашего крана на пол оборота вызовет уменьшение расхода воды на всех счётчиках и пропорциональное (в зависимости от сопротивления) снижение давления на манометрах.
Так куда же все падает и уменьшается? Вот здесь аналогия с водой неоднозначна, так как в случае с электричеством «излишки» превращаются в тепло и рассеиваются. Количество теплоты, которое при этом выделяется, снова можно рассчитать формулой Q=(ΔI^2)Rt (снова при постоянном сопротивлении). Если поделить количество теплоты на время, получим мощность, которую нужно применить при выборе самого резистора P=Q/t=(ΔI^2)R.
Курить не круто!
Когда я ходил в кружок Юный техник более старшие товарищи проводили «эксперименты» с прикуриванием от электричества. Для этого они брали блок питания, подключали к нему резисторы малой мощности и повышали напряжение. Повышали до тех пор, пока он не раскалялся до красна, как автомобильный прикуриватель. После этого, практически через мгновение резистор «перегорал» и отправлялся в мусорное ведро.

С постоянным током все понятно, а переменный?

Переменный ток, как таковой в радиоэлектронике используется редко. Его как минимум делают постоянным и в большинстве случаев снижают. Видимо по этому в попадавшейся мне литературе про него практически не говорится.
В чем же его отличие? C обывательской точки зрения, в малом — направление тока в нем меняется. Здесь аналогия с трубой не совсем уместна, первое что приходит в голову — шейкер для коктейлей (жидкость при смешивании в нем гуляет туда-сюда). Нам в радиоэлектронике нужно знать, как идёт ток в нашей цепи, чтобы получить от него то, что мы хотим.

Следующее, с чем я пошёл разбираться — полупроводники. Дырки? Электроны? Ключевой режим? Каскады? Полевой транзистор, то тот, который нашли в поле? Пока ничего не понятно…

Составляющие элементы

Электротехника для начинающих

Для того чтобы получилась удобная мастерская радиолюбителя, достаточно выбрать для стола хорошо освещённый угол комнаты. На стене возле примыкающей стороны стола надо поместить несколько электрических розеток. Кроме того, понадобится следующее:

• электронные устройства;
• основные измерительные приборы;
• инструменты и материалы.

Электронные устройства

Регулируемый блок питания

В первую очередь надо обзавестись регулируемым блоком питания. Блок подключают к бытовой электросети. Переменный ток преобразуется в постоянный с напряжением от 3 до 12 вольт. Устройство состоит из трансформатора, выпрямителя и стабилизатора.

Трансформатор

Его вторичная обмотка понижает напряжение тока, который поступает на первичную катушку из электросети, с 220 до 12 вольт. Обе обмотки трансформатора надёжно изолированы друг от друга. Поэтому попадание высокого напряжения на вторичную обмотку в случае пробоя первой катушки абсолютно исключено.

Выпрямитель

Пониженное переменное напряжение поступает на диодный мостик выпрямителя. Переменный ток теряет возвратную способность и преобразуется в постоянный электрический поток. Для исключения пульсации напряжения на выходе ток протекает через электролитический конденсатор.

Стабилизатор

Основой стабилизатора выступает микросхема МС34063. Радиодеталь оснащена узлом, защищающим от перегрузки и короткого замыкания в цепи.

Многофункциональная розетка

Многофункциональное питающее устройство позволяет создать максимально комфортные условия работы радиолюбителя. В процессе сборки и монтажа радиосхем часто требуется подключение одновременно нескольких потребителей, как сетевого, так и постоянного тока напряжением 12 вольт.

В корпусе многофункционального оборудования встроен общий выключатель для всех разъёмов. Также устройство снабжено блоком преобразователя переменного тока.

Дополнительная информация. Многофункциональную розетку можно приобрести в готовом виде. Начинающему радиолюбителю будет интересно собрать такое устройство своими руками.

Основные измерительные приборы

К основным измерительным приборам относятся амперметр, вольтметр и омметр. Как правило, приборы занимают довольно много места на рабочем столе. Выходом из этого положения будет приобретение мультиметра (тестера). Цифровое устройство заменяет собой сразу все три прибора.

Что такое мультиметр

Тестер оснащён жидкокристаллическим экраном. Прибором измеряют переменные и постоянные характеристики токов в разных диапазонах. Универсальное устройство может измерить постоянное и переменное напряжение, силу постоянного тока, величину сопротивления. Мультиметром тестируют диоды и конденсаторы, а также другие радиоэлементы.

На передней панели находятся:

1. ЖК-дисплей. Он показывает значения величин различных характеристик тока в цифровом изображении.
2. В центре находится вращающийся диск с указателем. Его устанавливают напротив метки требуемого режима измерения.
3. Вокруг диска расположены следующие обозначения:

• OFF – прибор выключен;
• ACV – измерение переменного напряжения;
• DCV – то же постоянного напряжения;
• DCA – измерение величины постоянного тока;
• Ω – замер сопротивления.

1. В гнездо COM вставляют наконечник чёрного провода.
2. Гнездо «10АDC» красного провода служит для измерения напряжения или тока до 10 ампер.
3. Разъёмом «VRmA» пользуются для замера токов до 200 mA.
4. Для определения сопротивления служит гнездо со знаком «Ω».
5. Клеммное отверстие под знаком « ▬►▌▬» используется для проверки электроцепи на разрыв.

Важно! При использовании приборов надо помнить, что чёрный провод должен быть всё время подключён к гнезду COM со знаком «-». Если щупы перепутать местами, то сгорит плавкий предохранитель измерительного устройства.

Инструменты и материалы

Рабочий стол радиолюбителя должен быть укомплектован необходимыми инструментами и материалами.

Инструменты

Самые необходимые инструменты составляют следующий набор:

1. Паяльник.
2. Индукционная паяльная станция.
3. Паяльный фен.
4. Сопутствующие приспособления.

Паяльник

Главным орудием радиомастера является паяльник. Без овладения искусством пайки схем и радиодеталей невозможно постичь для начинающих радиолюбителей основы радиотехники. Для новичка лучше начинать сразу пользоваться импульсным паяльником.

Электроинструмент практически моментально нагревается до температуры плавления припоя. Его жало в виде изогнутой проволоки позволяет наносить расплавленный металл точно в место пайки.

Индукционная паяльная станция

Станция снабжена паяльником, в котором отсутствует передающий нагревательный элемент. Ферромагнитная поверхность жала является продолжением монолитного сердечника из меди. Стержень своим концом входит в индукционную катушку.

Система станции рассчитана на постоянную поддержку уровня нагрева жала паяльника. Это позволяет избежать лишнего расхода электроэнергии и не допустить перегрева в зоне пайки.

Достигнув определённого уровня температуры, ферромагнитная оболочка сердечника перестаёт воспринимать переменное магнитное поле индукционной катушки, и жало начинает остывать. Падение температуры восстанавливает свойства ферромагнитного покрытия, и нагрев сердечника возобновляется.

Паяльный фен

Термофен для радиолюбителей появился сравнительно недавно. Прибор нагнетает через узкое сопло раскалённый воздух в место пайки. Его температура достигает уровня плавления припоя. С помощью паяльного фена легко удаляют пайку или монтируют радиодеталь на печатной плате.

Спираль из нихромной проволоки охватывает цилиндр воздуховода. Чтобы избежать потери тепла, спираль сверху оборачивают слюдой или другим теплоизолятором. Воздушный поток создаёт встроенный вентилятор.

Сопутствующие приспособления

Для фиксации деталей используют различные зажимы, минитиски и струбцины. Делают платформы из деревянной планки, в которой фрезой вырезают углубления под чашечки для свечей. Их заполняют флюсом, припоем и медной стружкой для очистки жала паяльника. Набор надфилей, кусачки и скальпель всегда пригодятся в работе радиолюбителя.

Материалы

Вот примерный список материалов для начинающего радиотехника:

• текстолит для изготовления печатных плат;
• жидкость для травления;
• припой и флюс;
• салфетки или медная стружка.

Глава 1 Уроки юного конструктора

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

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

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