Уроки 11.02.2015

Урок 2 - Основные электронные компоненты

Дорогой начинающий радиолюбитель!

Я не ставил своей задачей рассказать о диоде или транзисторе всё: преподать принципы его работы, полные характеристики, показать графики и т.п. Это уже сделано многими другими замечательными авторами. Например, я от всей души рекомендую скачать в сети Интернет или раздобыть в бумажной версии книгу Виктора Гавриловича Борисова «Юный радиолюбитель». Несмотря на то, что первое издание книги вышло в далёком 1951 году, и с тех пор в электронике произошла настоящая революция, теоретические основы радиотехники остались незыблемы, а преподаёт их автор просто мастерски - живо, увлекательно, доступным языком. Неудивительно, что многие поколения радиолюбителей (в том числе и я) выросли на этой книге.
Я же буду считать свою задачу выполненной, если ты, прочитав мои короткие рассказы о радиодеталях, сможешь отличить резистор от транзистора, а диод и конденсатор установишь на плату в правильной полярности. 

Скачать урок в формате PDF

Уроки 11.02.2015

Урок 2.1 - Печатная плата

Печатная плата

Печатная плата является основой любой современной радиолюбительской конструкции. На плату, как на шасси, устанавливаются все остальные детали. Печатная плата изготавливается из непроводящего ток материала (диэлектрика) толщиной один-полтора миллиметра. Цвет печатной платы может быть любой: зелёный (по умолчанию), синий, красный. чёрный, на другие характеристики платы он не влияет.

Печатная плата имеет две стороны. Условно их можно назвать лицевой стороной и стороной печатных проводников. С лицевой стороны наносится маркировка, чтобы можно было разобраться, куда и в какой полярности установить ту или иную деталь. Со стороны пайки к диэлектрику приклеены токопроводящие дорожки из фольги, а также имеются контактные площадки, к которым и припаиваются выводы радиодеталей.

На картинках ниже показана одна и та же печатная плата с разных сторон.

печатная плата 

 
Токопроводящие дорожки обычно покрыты слоем изолирующего лака (так называемой «маской»), и только контактные площадки открыты от маски и готовы к пайке. Контактные площадки подавляющего большинства плат Мастер Кит серебристые и блестящие, так как покрыты слоем олова, что защищает их от преждевременного окисления при длительном хранении. Такие платы легко паяются с помощью самого обычного припоя с каналом канифоли, и вам не потребуется приобретать дополнительно канифоль или флюс.

Если же вам встретится плата, контактные площадки которой не покрыты защитным слоем олова, а медные (характерного жёлтого цвета), то для снятия окислов и качественной пайки бывает необходимо применять канифоль и флюс. В запущенных случаях помогает шлифовка контактных площадок тонкой наждачной бумагой («нулёвкой»).

Иногда на печатной плате размещены отверстия для её крепежа в корпусе. Если таких отверстий не предусмотрено, можно самостоятельно просверлить их обычным сверлом в свободном от компонентов месте. Разумеется, нужно убедиться, что новое отверстие не нарушит какой-нибудь печатный проводник или контактную площадку.

Если печатная плата чуть-чуть не влезает в планируемый для её размещения корпус, плату можно подточить с торцов напильником. Но следите за тем, чтобы напильник не нарушил токопроводящие дорожки платы.

Испортить печатную плату сложно, но, если постараться, всё-таки возможно. Во-первых, не следует чрезмерно сильно сгибать её - плата может сломаться! И не допускайте перегрева платы при пайке! Хотя токопроводящие дорожки и контактные площадки из фольги приклеены к основе платы очень качественным клеем, устойчивым к воздействию высоких температур, чрезмерно долгое непрерывное воздействие (более нескольких секунд) горячего жала паяльника на контактную площадку может привести к её отрыву от основы. Если это всё же произошло, можно приклеить оторвавшуюся дорожку. Если же дорожка не просто отклеилась, а оторвалась, для восстановления целостности электрической цепи можно применить отрезок провода.

Промывать печатную плату от остатков паяльных материалов можно с помощью воды или спирта.

Скачать урок в формате PDF

Уроки 13.02.2015

Урок 2.2 - Резисторы

Резистор

Резистор – самый распространённый электронный компонент. В любом радиоэлектронном устройстве (телевизоре, плеере, компьютере), в любом наборе Мастер Кит резисторов больше всех других деталей.

Так выглядит и обозначается на схемах резистор:

резистор

Резисторы не имеют полярности и могут устанавливаться на печатную плату в любом положении выводов.

Слово «резистор» происходит от латинского «resisto» - сопротивление. Поэтому радиолюбители иногда называют эту деталь по-другому – сопротивление. Но лучше всё же придерживаться такого правила: радиодеталь называть резистором, а вот его физическую величину – сопротивлением. То есть корректно сказать так: «этот резистор имеет сопротивление 1 кОм», или «резистор номиналом 1 кОм», или «резистор упал со стола и куда-то затерялся». И не нужно говорить: «подай-ка мне вон то сопротивление, да поживее!».

 

Номинал (сопротивление) резистора
Основной параметр резистора – его сопротивление. Размерностью сопротивления является Ом (в честь немецкого физика с такой фамилией).
Как и любую другую фамилию, например, Иванов или Сидоров, Ом надо писать с большой буквы: 1 Ом, 5 Ом и т.п. Только очень большие невежи пишут: 3 ом или 100 ом.
Другие часто встречающиеся единицы размерности: килоОм (кОм) и мегаОм (МОм):
1 кОм = 1000 Ом
1 МОм = 1000 кОм

Номинал современного резистора маркируется на его корпусе цветовыми полосами. Такая система маркировки удобнее для автоматического монтажа и контроля на производстве с помощью систем промышленного зрения, но вот радиолюбителю придётся помучаться.

Есть два основных способа определения номинала резистора:
1. При помощи специальных справочных таблиц. Эти таблицы представлены и в инструкциях к наборам, и на сайте Мастер Кит, и на многих других сайтах в сети Интернет, и в радиолюбительской литературе.

Один из вариантов таблицы цветовая маркировка резисторов:

Мастер Кит цветовая маркировка резисторов


Но я настоятельно рекомендую определять номинал резистора способом №2 – как более простым и удобным.


2. При помощи измерительного прибора (мультиметра). Самый простой такой прибор можно купить за 150-200 рублей в радиомагазинах, на радиорынках, в крупных сетевых магазинах хозтоваров, или же заказать через интернет-магазины радиотоваров («Электронщик», «Десси» и т.п.). Кроме того, в номенклатуре Мастер Кит имеется набор-конструктор NM1006K Уникальность этого набора в том, что вы не только приобретаете высококачественный прибор, но и ознакомитесь в процессе сборки с принципом работы мультиметра, а также получите навыки монтажа и пайки электронных устройств.


Мультиметр будет полезен не только при определении номинала резистора. Это основной прибор радиолюбителя, поэтому мультиметр рекомендуется приобрести в любом случае.

Работать с мультиметром просто и удобно, правила обращения с ним имеются в прилагаемой к прибору инструкции.


Допуск (или точность) резистора
Любой резистор имеет номинальное сопротивление (например, 470 Ом) и фактическое сопротивление. Допустим, мы измерили мультиметром несколько резисторов номиналом 470 Ом и получили значения: 473 Ом, 491 Ом, 463 Ом… Что это – резисторы бракованные? Нет, это не так.
При производстве резисторов очень сложно достичь абсолютно идентичных значений их номиналов. Вернее, можно, но это ведёт к серьёзному удорожанию этих радиодеталей. Учитывая, что большинство не только радиолюбительских, но и промышленных схем прекрасно работают при изменении номинала резистора в пределах 10%, добиваться полной идентичности сопротивлений резисторов не только дорогое, но и бесполезное занятие.
Современные стандартные резисторы имеют допуск (или точность) 1% или 5% (ещё несколько лет назад стандартом считалась точность 10%). Поэтому, например, резистор номинальным сопротивлением 470 Ом и допуском 5% может иметь фактическое сопротивление в диапазоне от 447 Ом до 493 Ом, и это абсолютно нормально.
Производятся также резисторы повышенного класса точности: 0,1% или даже выше, но в радиолюбительской практике они, как правило, не используются.


Мощность резистора
Если через резистор сопротивлением 50 Ом течет ток 0,1 А, то он рассеивает мощность 5 Вт. Если резистор не рассчитан на такую мощность, то он может перегреться и сгореть.
Стандартные резисторы имеют мощность 0,125 Вт (таких резисторов большинство в электронной аппаратуре и в наборах Мастер Кит), 0,25 Вт, 0,5Вт, 1 Вт, 3 Вт, 5 Вт… Чем резистор мощнее, тем больше его размеры. На рисунке ниже показан резистор мощностью 5 Вт сопротивлением 2 кОм: 

Мощность резистора

Обратите внимание: этот резистор маркируется уже не цветовыми полосами, а явно – с помощью букв и цифр.

 

Параллельное и последовательное соединение резисторов

1. Последовательное соединение резисторов.
Допустим, вам требуется резистор сопротивлением 20 кОм, но под рукой только резисторы сопротивлениями 3 кОм, 2 кОм и 15 кОм. Соедините все три резистора последовательно – и вы получите необходимое сопротивление 20 кОм.
Запомните правило: при последовательном соединении общее сопротивление всей цепочки резисторов будет равно сумме сопротивлений каждого из резисторов, или:
Rобщ=R1+R2+R3+…

2. Параллельное соединение резисторов.

 Рассмотрим другую ситуацию: вам нужен резистор сопротивлением 20 кОм, но у вас имеются только резисторы номиналами 33 кОм и 47 кОм. Соедините эти резисторы параллельно, и общее сопротивление цепи будет (33*47)/(33+47) = 19.3 кОм – то есть практически то, что нам нужно!
При параллельном сопротивлении двух резисторов общее сопротивление цепочки рассчитывается по такой формуле:
R = (R1*R2)/(R1 + R2)
Если параллельно соединяются более двух резисторов, то общее сопротивление цепочки рассчитывается так:

1 = 1 + 1 + 1 + ...
R R1 R2 R3

последовательное и параллельное соединение резисторов

 

Переменные и подстроечные резисторы
Выше мы рассматривали постоянные резисторы, то есть резисторы, сопротивление которых не может изменяться: 1 кОм, 510 Ом, 33 кОм… Но для регулировки громкости, напряжения, частоты удобно применять резисторы, способные изменять своё сопротивление. Такие резисторы называются переменными. Переменный резистор имеет вал, на который можно одеть ручку. Вращая ручку, сопротивление переменного резистора можно изменять.
Подстроечный резистор – это миниатюрная копия переменного резистора. Он предназначен для настройки устройства в процессе его наладки и устанавливается непосредственно на печатную плату. Подстроечный резистор не имеет вала, его сопротивление регулируется с помощью отвёртки.
Внешний вид и обозначение на схемах:
переменный и подстроечный резистор

 

Скачать урок в формате PDF

Уроки 13.02.2015

Урок 2.3 - Конденсаторы

Конденсатор

Конденсатор встречается в наборах Мастер Кит (да и вообще в электронных устройствах) почти так же часто, как и резистор. Поэтому важно хотя бы в общих чертах представлять его основные характеристики и принцип работы.

Принцип работы конденсатора

принцип работы конденсатора

В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Чем больше отношение площади пластин к толщине диэлектрика – тем выше ёмкость конденсатора. Чтобы избежать физического увеличения размеров конденсатора до огромных размеров, конденсаторы изготавливают многослойными: например, сворачивают ленты пластин и диэлектриков в рулон.
Так как любой конденсатор имеет диэлектрик, то он не способен проводить постоянный ток, но он может сохранять электрический заряд, приложенный к его обкладкам, и в нужный момент отдавать его. Это важное свойство

Давайте договоримся: радиодеталь мы называем конденсатором, а его физическую величину – ёмкостью. То есть правильно сказать так: «конденсатор имеет ёмкость 1 мкФ», но некорректно сказать: «замени на плате вон ту ёмкость». Вас, конечно, поймут, но лучше соблюдать «правила хорошего тона».

 

Электрическая ёмкость конденсатора – это главный его параметр
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больший заряд он может сохранить. Электрическая ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах, обозначается F.
1 Фарад - очень большая ёмкость (земной шар имеет ёмкость менее 1Ф), поэтому для обозначения ёмкости в радиолюбительской практике используются следующие основные размерные величины - префиксы: µ (микро), n (нано) и p (пико):
• 1 микроФарад - 10-6 (одна миллионная часть), т.е. 1000000µF = 1F
• 1 наноФарад - 10-9 (одна миллиардная часть), т.е. 1000nF = 1µF
• p (пико) - 10-12 (одна триллионная часть), т.е. 1000pF = 1nF

Как и Ом, Фарад – это фамилия физика. Поэтому, как культурные люди, пишем прописную букву «Ф»: 10 пФ, 33 нФ, 470 мкФ.

 

Номинальное напряжение конденсатора
Расстояние между пластинами конденсатора (особенно конденсатора большой ёмкости) очень мало, и достигает единиц микрометра. Если приложить к обкладкам конденсатора слишком высокое напряжение, слой диэлектрика может быть нарушен. Поэтому каждый конденсатор имеет такой параметр, как номинальное напряжение. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Но лучше, когда номинальное напряжение конденсатора несколько выше напряжения в схеме. То есть, например, в схеме с напряжением 16В могут работать конденсаторы с номинальным напряжением 16В (в крайнем случае), 25В, 50В и выше. Но нельзя ставить в эту схему конденсатор с номинальным напряжением 10В. Конденсатор может выйти из строя, причём часто это происходит с неприятным хлопком и выбросом едкого дыма.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях для начинающих не используется напряжение питания выше 12В, а современные конденсаторы чаще всего имеют номинальное напряжение 16В и выше. Но помнить о номинальном напряжении конденсатора очень важно.

 

Типы конденсаторов
О разнообразных конденсаторах можно написать много томов. Впрочем, это уже сделали некоторые другие авторы, поэтому я расскажу только самое необходимое: конденсаторы бывают неполярные и полярные (электролитические).


Неполярные конденсаторы
Неполярные конденсаторы (в зависимости от типа диэлектрика подразделяются на бумажные, керамические, слюдяные…) могут устанавливаться в схему как угодно – в этом они похожи на резисторы.
Как правило, неполярные конденсаторы имеют относительно небольшую ёмкость: до 1 мкФ.

 

Маркировка неполярных конденсаторов
На корпус конденсатора нанесён код из трёх цифр. Первые две цифры определяют значение ёмкости в пикофарадах (пФ), а третья – количество нулей. Так, на изображённом ниже рисунке на конденсатор нанесён код 103. Определим его ёмкость:
10 пФ + (3 нуля) = 10000 пФ = 10 нФ = 0,01 мкФ.

емкость конденсатора маркировка


Конденсаторы ёмкостью до 10 пФ маркируются по-особенному: символ «R» в их кодировке обозначает запятую. Теперь Вы можете определить ёмкость любого конденсатора. Приведённая ниже табличка поможет Вам проверить себя.

 

Код

Номинал

Код

Номинал

Код

Номинал

1R0

1 пФ

101

100 пФ

332

3.3 нФ

2R2

2.2 пФ

121

120 пФ

362

3.6 нФ

3R3

3.3 пФ

151

150 пФ

472

4.7 нФ

4R7

4.7 пФ

181

180 пФ

562

5.6 нФ

5R1

5.1 пФ

201

200 пФ

682

6.8 нФ

5R6

5.6 пФ

221

220 пФ

752

7.5 нФ

6R8

6.8 пФ

241

240 пФ

822

8.2 нФ

7R5

7.5 пФ

271

270 пФ

912

9.1 нФ

8R2

8.2 пФ

301

300 пФ

103

10 нФ

100

10 пФ

331

330 пФ

153

15 нФ

120

12 пФ

361

360 пФ

223

22 нФ

150

15 пФ

391

390 пФ

333

33 нФ

160

16 пФ

431

430 пФ

473

47 нФ

180

18 пФ

471

470 пФ

683

68 нФ

200

20 пФ

511

510 пФ

104

0.1 мкФ

220

22 пФ

561

560 пФ

154

0.15 мкФ

240

24 пФ

621

620 пФ

224

0.22 мкФ

270

27 пФ

681

680 пФ

334

0.33 мкФ

300

30 пФ

751

750 пФ

474

0.47 мкФ

330

33 пФ

821

820 пФ

684

0.68 мкФ

360

36 пФ

911

910 пФ

105

1 мкФ

390

39 пФ

102

1 нФ

155

1.5 мкФ

430

43 пФ

122

1.2 нФ

225

2.2 мкФ

470

47 пФ

132

1.3 нФ

475

4.7 мкФ

510

51 пФ

152

1.5 нФ

106

10 мкФ

560

56 пФ

182

1.8 нФ

 

 

680

68 пФ

202

2 нФ

 

 

750

75 пФ

222

2.2 нФ

 

 

820

82 пФ

272

2.7 нФ

 

 

910

91 пФ

302

3 нФ

 

 


Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Например, вместо конденсатора 15 нФ набор может комплектоваться конденсатором 10 нФ или 22 нФ, и это не отразится на работе готовой конструкции.
Керамические конденсаторы не имеют полярности и могут устанавливаться в любом положении выводов.
Некоторые мультиметры (кроме самых бюджетных) имеют функцию измерения ёмкости конденсаторов, и Вы можете воспользоваться этим способом.

 

Полярные (электролитические) конденсаторы
Есть два способа увеличения ёмкости конденсатора: либо увеличивать размер его пластин, либо уменьшать толщину диэлектрика.
Чтобы минимизировать толщину диэлектрика, в конденсаторах большой ёмкости (выше нескольких микрофарад) применяется специальный диэлектрик в виде оксидной плёнки. Этот диэлектрик нормально работает только при условии правильно приложенного напряжения на обкладках конденсатора. Если перепутать полярность напряжения, электролитический конденсатор может выйти из строя. Метка полярности всегда маркируется на корпусе конденсатора. Это может быть либо значок «+», но чаще всего в современных конденсаторах полосой на корпусе маркируется вывод «минус». Другой, вспомогательный способ определения полярности: плюсовой вывод конденсатора длиннее, но ориентироваться на этот признак можно только до того, как выводы радиодетали обрезаны.
На печатной плате также присутствует метка полярности (как правило, значок «+»). Поэтому при установке электролитического конденсатора обязательно совмещайте метки полярности и на детали, и на печатной плате.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Также допустима замена конденсатора на аналогичный с бОльшим значением допустимого рабочего напряжения. Например, вместо конденсатора 330 мкФ 25В набор можно применить конденсатор 470 мкФ 50В, и это не отразится на работе готовой конструкции.

Внешний вид электролитического конденсатора (правильно установленный на плату конденсатор)

электролитический кондесатор внешний вид

 

Скачать урок в формате PDF

Уроки 16.02.2015

Урок 2.4 - Диоды и светодиоды

Диод

Диод – это электронный компонент, обладающий односторонней проводимостью.
Идеальный диод является проводником в одном направлении и изолятором - в другом направлении.

Основные характеристики диода

Максимально допустимый прямой ток и максимально допустимое напряжение – это такие значения тока и напряжения, которые диод может выдержать в течение длительного времени. Если превысить ток и/или напряжение, приложенные к диоду, он может выйти из строя.

В наборы Мастер Кит входят два типа диодов:
- диод малой мощности 1N4148. Максимально допустимый ток через этот диод составляет 0,15А, напряжение – до 75В
- диод средней мощности типа 1N4001…1N4007. Максимально допустимый ток через этот диод составляет 1А, напряжение (в зависимости от последней цифры) – от 50 до 1000В.


Взаимозаменяемость диодов

Если под рукой нет нужного диода, его можно заменить аналогичным. Конечно, нужно следить за тем, чтобы предельно допустимые ток и напряжения нового диода были выше таковых параметров схемы. Кроме того, новый диод должен иметь такой же или похожий тип корпуса (иначе диод может физически не поместиться на печатную плату).

Например, в схеме рекомендуется установить диод типа 1N4005. Его параметры: максимально допустимый ток – 1А, максимально допустимое обратное напряжение – 600В. Допустим, у вас нет диода 1N4005, но есть диод 1N4001 в таком же типе корпуса с параметрами, соответственно, 1А/50В. Но если в вашей схеме рабочие напряжения не превышают 12В, вы смело можете произвести замену рекомендованного диода 1N4005 на 1N4001.
Такая же ситуация бывает и на складе Мастер Кит, когда мы производим замену временно отсутствующего компонента на аналогичный.

 

Установка диода на печатную плату

Диод имеет полярность, то есть должен устанавливаться на печатную плату строго в определённом положении. Если установить диод неправильно, он не только не заработает, но и может выйти из строя.

На диоде обязательно имеется маркировка полярности. В диодах, входящих в набор Мастер Кит, полосой на корпусе маркируется вывод катода.


На печатной плате также имеется маркировка полярности диода – полоса. При установке диода на плату нужно совмещать «ключи»: полосу на компоненте и на печатной плате.

Диод

 

Светодиоды

 
Светодиод – это разновидность обычного диода, но этот диод обладает важным свойством: он излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении. В зависимости от типа, светодиоды могут иметь разную яркость и цвет свечения: красный, зелёный, синий, жёлтый. Существуют светодиоды невидимого спектра излучения: инфракрасные (широко применяемые в системах дистанционного управления), ультрафиолетовые.

светодиод

Как и обычный диод, светодиод корректно работает (излучает свет) только при условии правильной полярности приложенного к нему напряжения. Поэтому очень важно при установке светодиода на плату соблюдать «ключи».

У светодиодов, входящих в наборы Мастер Кит, вывод анода (он же «+») – длиннее.

На печатной плате также имеется маркировка полярности.

 светодиод

 

Скачать урок в формате PDF

Уроки 16.02.2015

Урок 2.5 - Транзисторы и микросхемы

Транзистор

Я очень долго думал, как объяснить простыми человеческими словами, что же такое транзистор. Даже если рассказывать о транзисторе очень-очень поверхностно, мне придётся написать не менее пяти листов, используя заумные термины.

Потом меня осенило: ведь главная цель моего обзора – не дать академические знания (за ними пожалуйте в университет или хотя бы в Википедию), а научить начинающего радиолюбителя хотя бы отличать транзистор от конденсатора и резистора, чтобы успешно собрать свои первые конструкции (например, наборы Мастер Кит).

Поэтому лучше всего сказать так: транзисторы – это радиодетальки с тремя выводами, предназначенные для усиления и преобразования сигналов. Так они могут выглядеть в жизни:

транзистор 

 

Так обозначается транзистор на схеме:

обозначение транзистора

У транзистора, как мы уже поняли, три вывода: база (B), коллектор (C), эмиттер (E).
На базу обычно подаётся входной сигнал, с коллектора - снимается усиленный сигнал, а эмиттер является общим проводом схемы. Конечно, это очень примитивное описание принципов работы транзистора, и вообще есть очень много нюансов, но мы уже договорились, что я не буду мучить вас чтением многостраничного труда.


На самой радиодетали выводы никак не маркированы. Какого-либо стандарта расположения выводов тоже нет. Так как же определить, где какой вывод?
Придётся воспользоваться справочной информацией: на каждый транзистор имеется так называемый даташит, или, иными словами, паспорт радиодетали. В даташите приводится вся информация по транзистору: максимально допустимые ток и напряжение, коэффициент усиления, расположение выводов и многое-многое другое. Даташиты проще всего искать в сети Интернет, также основные параметры транзисторов можно найти в радиолюбительской литературе.

 

Взаимозаменяемость транзисторов

Так как транзистор имеет гораздо более сложное устройство и больше значащих параметров, чем резистор, конденсатор или диод, подобрать допустимую замену отсутствующему компоненту непросто. Как минимум, у заменяемого транзистора должен быть такой же тип корпуса и цоколёвка (расположение выводов). Новый транзистор должен иметь такую же структуру: NPN или PNP. Кроме того, необходимо учитывать электрические параметры: допустимые токи, напряжения, в некоторых случаях – граничную частоту и т.п.
Иногда разработчик схемы делает этот труд за вас, предлагая возможные аналоги транзистора. В сети Интернет и в радиолюбительской литературе также имеются справочные таблицы с информацией о возможных аналогах транзисторов.
В наборы Мастер Кит также иногда вкладываются вместо оригинальных (временно отсутствующих на складе) транзисторов их аналоги, и такая замена не ухудшает качества работы готовой конструкции.

 

Установка транзистора на печатную плату

 Вообще же, для успешной сборки набора Мастер Кит необязательно знать, где какой вывод у транзистора. Достаточно совместить «ключи» на транзисторе и на печатной плате – и выводы транзистора «автоматически» установятся так, как положено.

Посмотрите на рисунок. У транзистора есть «ключ» - при взгляде на него сверху явно видно, что корпус полукруглый. Такой же «ключ» имеется на печатной плате. Для корректной установки транзистора достаточно совместить «ключи» на транзисторе и на печатной плате:

транзистор на плате

 

Микросхема


Микросхема – это уже почти готовое устройство, или, образно говоря, электронный полуфабрикат.

Микросхема содержит в себе электронную схему, выполняющую определённую функцию: это может быть логическое устройство, преобразователь уровней, стабилизатор, усилитель. Внутри микросхемы размером с ноготь могут содержаться десятки (а иногда и сотни, миллионы и миллиарды) резисторов, диодов, транзисторов и конденсаторов.

Микросхемы выпускаются в различных корпусах и имеют разное количество выводов. Вот некоторые примеры микросхем, с которыми может работать начинающий радиолюбитель:

Микросхема 


Цоколёвка микросхемы

Выводы нумеруются против часовой стрелки начиная с левого верхнего. Первый вывод определяется с помощью «ключа» — выемки на краю корпуса или точки в виде углубления.

Микросхема цоколевка


Взаимозаменяемость микросхем

Микросхема – это узкоспецифическая готовая электронная схема, содержащая в себе огромное количество элементов, и в общем случае каждая микросхема уникальна.
Но всё же в некоторых случаях можно подобрать замену. Разные производители могут выпускать одинаковые микросхемы. Проблема только в том, что не существует никакой унификации в названии (иногда, но не обязательно, могут совпадать цифры наименований). Например, MA709CH, MC1709G, LM 1709L SN72710L, К153УД1А/Б - это одна и та же микросхема разных фирм-производителей.

В некоторых случаях в наборы Мастер Кит также могут входить аналоги микросхем. Это нормально, и не ухудшает характеристик готовой схемы.


Микросхемы - стабилизаторы напряжения

Микросхемы стабилизаторов напряжения имеют три вывода, поэтому их легко можно перепутать с транзистором. Но в корпусе этого маленького компонента могут содержаться десятки транзисторов, резисторов и диодов. Например, на рисунке ниже представлена микросхема 78L05. Вы можете подавать на её вход напряжение от 5 до 30В, на выходе же микросхемы будет присутствовать неизменное напряжение 5В, при этом нагрузочная способность микросхемы – 100 мА. Подобный стабилизатор выпускается и в более мощной версии – до 1А нагрузочной способности, называется он 7805 и имеет более крупный корпус.

 Микросхема стабилизатор напряжения

 

 

Установка микросхемы на печатную плату

На микросхеме и на печатной плате имеются «ключи», и при установке микросхемы на плату обязательно требуется их совмещать, как показано на рисунке ниже:

Микросхема стабилизатор напряжения

 

Скачать урок в формате PDF

Уроки 18.02.2015

Урок 3 - Основы монтажа и пайки

Основы монтажа и пайки

Необходимые для работы инструменты и материалы рассмотрены в уроке №1.
Кратко напомню о том, что потребуется для сборки конструктора: паяльник, припой с каналом канифоли, радиотехнические бокорезы, пинцет, держатель платы типа «третья рука», спирт, салфетки, старая зубная щётка, стол, настольная лампа, стул.
Итак, приступим к сборке.
Мы будем собирать набор Мастер Кит
NS073 – «Живое сердце», хотя для целей обучения совершенно не важно, сборку какого набора рассматривать.
Вот что должно получиться в итоге:

Светодиоды собранного устройства эффектно перемигиваются, создавая очень красивый эффект «бегущего огня».
Но сначала нужно собрать набор. Для этого потребуется установить каждую деталь на своё место, а затем припаять все детали.
Глаза боятся – руки делают. Приступим!

 

Общие требования к рабочему месту. Основы безопасности

Несмотря на то, что мы уже говорили об этом в уроке №1, о таких серьёзных вещах, касающихся безопасности, нелишне напомнить снова:

- рабочее место (стол) не должен быть захламлён. На свободном столе работать приятнее и эффективнее. Кроме того, радиодетали не смогут легко потеряться в окружающем хламе;
- Так как радиодетали мелкие, во избежание излишнего перенапряжения глаз рабочее место должно быть хорошо освещено. Всегда включайте настольную лампу;
- во время пайки предусмотрите хорошую вентиляцию рабочего места. Открывайте форточку, или включайте настольный вентилятор, отгоняющий дым от паяльника в сторону;
- паяльник горячий! Держитесь только за его ручку. Не допускайте прикосновений пальцев к жалу;
- после пайки, как и после любой другой работы, всегда мойте руки.

 

Печатная плата

Печатная плата является основной, шасси всей конструкцией.
Все детали устанавливаются с лицевой стороны платы (с той, где есть надписи), а выводы деталей припаиваются с тыльной стороны (где имеются токопроводящие дорожки).

 

Монтаж резисторов

Допустим, мы хотим установить резистор R1. По таблице из инструкции определяем, что R1 должен иметь сопротивление 1 МОм. Находим в наборе резистор соответствующего номинала (как определить номинал резистора, рассказывается в уроке №2). Ищем на печатной плате установочное место R1. Чтобы резистор R1 удобно «улёгся» на предназначенное для него место на печатной плате, выводы резистора нужно отформовать, то есть изогнуть определённым образом. Изгибать выводы можно пальцами или с помощью пинцета. Если с первого раза не получилось изогнуть выводы правильно – ничего страшного, можно поправить формовку. Но надо помнить, что если изгибать вывод в одном месте более нескольких раз, то он может обломиться.

Вот так выглядит установленный резистор с разных ракурсов:

Резистор R1 установлен «вертикально», то есть его корпус находится над поверхностью платы. Угол между компонентом и корпусом может быть любым, это не влияет на качество работы схемы. Также вспомним из урока №2, что резистор не имеет полярности, то есть может быть установлен как коричневой полосой вверх (как на рисунке), так и коричневой полосой вниз.

Чтобы деталь не выпадала при поворотах платы, с обратной стороны платы выводы резистора загибаем в разные стороны:

Мы можем сразу же обрезать излишки вывода резистора и припаять его. Затем установить следующую деталь, опять обрезать его выводы и припаять… Но можно сначала установить все детали, затем обрезать их выводы, а затем все сразу припаять. Так получится быстрее, технологичнее, именно так поступают профессиональные монтажники на производстве. Мы тоже будем действовать таким образом.

Установим резистор R2. Обратите внимание, что этот резистор устанавливается «горизонтально», то есть его корпус вплотную прилегает к плоскости печатной платы. Соответственно, и формовка выводов этого резистора несколько другая.

Снова напомню, что резисторы не имеют полярности. В данном случае синяя полоса резистора находится справа. Но можно установить его и в обратную сторону – синей полосой влево.
Таким же образом устанавливаем все остальные резисторы (в данном наборе их 9 штук).

 

Монтаж конденсаторов

В данном наборе всего один конденсатор – С1, поэтому перепутать его с каким-то другим невозможно. Но всё-таки проверим, что на конденсаторе в полном соответствии с перечнем компонентов указан код ёмкости 104.
В данном случае выводы конденсатора можно не формовать, так как компонент прекрасно устанавливается на плату в заводском состоянии выводов.
Также мы знаем из урока №2, что керамический конденсатор полярности не имеет и может устанавливаться на плату в любом положении.
Если в каком-то другом наборе будет несколько керамических конденсаторов, необходимо по указанному на компоненту коду ёмкости определить, на какое посадочное место следует его установить – С1, С4 или С17, например.
В наборе NS073 нет других конденсаторов, но в целях обучения на примере другого набора рассмотрим также монтаж электролитического конденсатора.
Помним о том, что электролитический конденсатор должен устанавливаться с учётом его полярности.

 

Монтаж диода

Находим на печатной плате посадочное место диода VD1. Вспомним из урока №2, что диод имеет полярность. Обратите внимание, что на печатной плате имеется обозначение «ключа» диода – полоса вблизи одного из выводов. Такая же полоса имеется и на самом диоде. При установке диода необходимо строго придерживаться меток полярности. Если установить диод в неправильной полярности (в данном случае неправильная установка - полосой вверх), то схема не заработает. Более того, диод или другие элементы схемы в таком случае могут выйти из строя.

Формовка выводов диода аналогична резистору R2.

 

Монтаж транзистора

В наборе NS073 нет транзисторов, но для полноты изложения материала на примере другого набора рассмотрим монтаж транзистора. Помним о том, что транзистор имеет «ключ», который при установке необходимо совмещать с соответствующей меткой на печатной плате.

Кроме того, важно помнить, что разные транзисторы могут быть одинаковыми по внешнему виду. И если в набор входят два или более транзисторов, необходимо проверять маркировку на их корпусах и устанавливать компоненты строго на нужные позиции – VT1, VT2 и т.п.

 

Монтаж микросхем

В данный набор входят две микросхемы. При установке необходимо соблюдать их ключи, обозначенные выемками как на печатной плате, так и на самом компоненте.
Загибаем выводы микросхемы – не обязательно все, достаточно двух противоположных. Микросхема зафиксирована и не выпадет.
Кроме того, надо учитывать, что микросхемы DD1 и DD2 разные. Правда, в данном случае у микросхем разное количество выводов: у одной – 14, а у другой – 16, поэтому при установке вы сразу поймёте, если что-то делаете неправильно. Но бывает так, что разные микросхемы имеют одинаковые корпуса с одинаковым количеством выводов. Поэтому всегда обращайте внимание на маркировку на корпусах микросхем и информацию в табличке-перечне компонентов инструкции.

 

Монтаж перемычки

В некоторых наборах, и в NS073 в частности, требуется такая технологическая операция, как установка перемычки. Перемычка на печатной плате обозначается чертой:

 

Перемычка не является электронным компонентом и в состав набора не входит. Её можно выполнить как из небольшого обрезка провода, так и из обрезка одного из выводов любой радиодетали. Формуют перемычку так же, как и резистор.

 

Монтаж светодиодов

Светодиод – это разновидность диода. И он тоже имеет полярность, которую важно соблюдать при монтаже.

На печатной плате обозначен вывод «+» (анод) светодиода.

У самого светодиода вывод «+» (анод) длиннее. Но ориентироваться на этот ключ можно только до обрезки выводов диода. Есть и другая метка полярности – скос на корпусе диода у вывода катода («-»).
Монтируем все светодиоды (в наборе NS073 их 20 штук). Загибаем их выводы с обратной стороны платы. Торчащих выводов становится много, плата принимает неаккуратный вид, но не нужно этого бояться, на следующем этапе мы обрежем лишние выводы. Если же выводы очень мешают – можно обрезать некоторые из них или вообще все в процессе монтажа. Как это делать, рассказывается ниже.

 

Обрезка выводов

 

Вот такой «ужас» наблюдается у нас с обратной стороны платы после установки всех компонентов.

Сейчас мы приведём плату в аккуратный вид, обрезав выводы (или, как говорится на жаргоне радиомонтажников, «причешем» плату).

Нам потребуются радиотехнические бокорезы (подробнее об этом инструменте описано в уроке №1). Инструмент держим практически перпендикулярно плате. От каждого вывода оставляем около 1-2 мм. Слишком длинный вывод будет некрасиво торчать. Кроме того, длинные выводы разных компонентов могут в процессе последующей пайки замкнуться друг с другом и образовать паразитные перемычки. Слишком коротко обрезанный вывод может привести к выпадению компонента.
Желательно, чтобы вывод не выходил за пределы контактной площадки.
На картинках ниже излишне длинный вывод и вывод оптимальной длины.

Таким образом. обрезаем все выводы. В итоге у нас получится примерно такая картина:

Плата готова к пайке.

 

Пайка конструкции

О необходимом для сборки набора паяльном инструменте рассказывается в уроке №1.
Кратко напомню: потребуется паяльник (или паяльная станция) и припой с каналом канифоли. Удобно также применять фиксатор платы – так называемую «третью руку».

Плату удобно зафиксировать с помощью специального держателя типа «третья рука», или каким-либо другим образом.

В одну руку (для правшей – в правую) берём паяльник, в другую – пруток припоя.
Конечно, паяльник должен быть горячим. Таковым он становится не мгновенно после включения в розетку, а через несколько минут после этого.
Если подвести горячее жало к припою, тот начнёт плавиться.

Жало паяльника ставим на точку пайки. Обратите внимание – не на кончик вывода детали, а именно на контактную площадку. Одновременно подаём в эту же точку пруток припоя.
Как и жало паяльника, пруток подаём не на кончик вывода, не на паяльник, а на контактную площадку. Припой начинает плавиться. Немного как бы подаём пруток на точку пайки, при этом слегка перемещая паяльник. Всё, у нас сформировалась точка пайки. Убираем припой, а затем паяльник. Ждём секунду – припой застыл, точка пайки готова. На точку пайки уходит 2-3 миллиметра прутка припоя (это очень ориентировочные данные, зависящие от типа припоя и контактной площадки).
Процесс идёт гораздо быстрее, чем я об этом рассказываю. На одну точку пайки у меня уходит около секунды. Допустимо – до трёх секунд. Если греть точку пайки дольше, теоретически могут возникнуть проблемы: можно перегреть деталь, или контактная площадка или дорожка могут отклеиться от основы платы. Но на практике это маловероятно. В комплекте Мастер Кит только качественные платы, а компоненты в конструкторах для начинающих не такие «нежные» и прощают многие ошибки, в том числе и перегрев.

Качественная пайка блестит и ровная. Если пайка рыхлая, матовая – значит, вы используете некачественный припой (либо припой без канала канифоли), или паяльник либо недостаточно горячий, либо, что чаще всего бывает, слишком горячий.
Я рассказал о технологии пайки, при которой пруток припоя подаётся непосредственно в зону пайки, а жало же используется только как нагреватель. Для современных жал из малообгораемых материалов это единственно правильная техника. Если же вы используете паяльник с обычным медным жалом, можно расплавлять некоторое количество припоя на жале, и переносить жидкий припой в точку пайки на жале, как на лопате. Попробуйте – возможно, так вам будет удобнее.
Всё очень просто. Но это как футбол: требуется практика. Можно прочесть многие тома по теории футбола, но это не значит, что вы научитесь в него играть. Практика – это что-то другое и совершенно необходимое.

 

Промывка платы

 

Строго говоря, современные флюсы, входящие в состав припоев, допускают безотмывочный процесс. То есть можно плату не промывать. Но такая печатная плата выглядит некрасиво, на ней плохо видны дефекты пайки, да и вообще есть такое понятие – «культура производства», и каждый уважающий себя производитель платы промывает. На производстве применяют специальные отмывочные машины, но тратить несколько тысяч долларов и приобретать такую машину размером с половину комнаты для радиолюбителя нецелесообразно. Хороших результатов можно достичь с помощью спирта, старой зубной щётки и салфеток. Смачивая щётку, хорошенько надраиваем плату со стороны пайки, на заключительно же этапе удобно применять для очистки и просушки платы салфетки. Теперь наша смонтированная плата чистенькая, красивая, её и людям не стыдно показать.
После отмывки на плате легче найти дефекты. Поэтому ещё раз внимательно посмотрите на плату и убедитесь, что все контактные площадки хорошо припаяны, а паразитных замыканий нет. При необходимости дефекты устраняем.

 

Устранение дефектов пайки

На рисунке ниже имеются два дефекта пайки: один из выводов пропаян неполностью, только с одной стороны. Такой контакт ненадёжный (на профессиональном жаргоне это называется «непропай»). Другой же вывод мы просто забыли припаять.
Собранная с такими дефектами пайки конструкция может или совсем не заработать, или работать нестабильно.

Исправим дефекты, заново пропаяв обнаруженные проблемные точки пайки.

Иногда в процессе пайки допускаются паразитные соединения припоем соседних выводов:

Если не заметить такие дефекты пайки, то готовая конструкция может не только не заработать, но и вообще выйти из строя сразу же после включения. Поэтому необходимо внимательно проверять монтаж. Допустим, мы обнаружили паразитное замыкание (на радиотехническом жаргоне такой дефект часто называют неблагозвучно – «соплёй»). Я расскажу вам, как восстановить нормальную пайку.


1. С помощью ножа (скальпеля). Прогреваем паяльником дефектную пайку, и проводим острым лезвием между точками пайки. Дефект устранён.
2. С помощью специального инструмента – вакуумной помпы, которая по-другому называется «радиотехнический отсос». Прогреваем место пайки, подносим отсос, нажимаем его кнопку – излишки припоя втягиваются в инструмент. Пайка исправлена!
3. С помощью специальной радиотехнической «оплётки». Прогреваем место пайки, вводим в место пайки многожильную медную «оплётку» - под действием сил натяжения лишний припой впитывается на «оплётку». Пайка исправлена!

В следующем уроке я расскажу о том, как настраивать и подключать собранную конструкцию.

 

Скачать урок в формате PDF

Уроки 20.02.2015

Урок 4 - Источники питания

Источники питания радиолюбительских конструкций


Величина напряжения питания

Каждая электронная схема корректно работает в строго оговоренном диапазоне напряжения источника питания, и эту величину мы обязательно указываем в инструкции.
Например, в инструкции может быть написано так: «напряжение питания: 9…12В».
Если напряжение питания будет менее 9В, то схема может не включиться совсем, либо работать некорректно (тусклое свечение светодиодов, слабый звук и т.п.).
Гораздо более грубая ошибка – превышать напряжение питания. Например, при напряжении питания более 12В отдельные элементы схемы могут перегреваться или даже выйти из строя. Это может произойти через какое-то время (секунды, минуты, часы). В таком случае можно, заметив проблему в виде повышенного нагрева каких-то компонентов, успеть выключить питание и спасти конструкцию от выхода из строя.
Но процесс выхода из строя схемы может произойти и мгновенно после подачи напряжения питания – в таком случае придётся менять вышедшие из строя радиодетали.

 

Полярность напряжения питания

У любого источника питания, будь то батарея или сетевой блок питания, есть полярность: выводы «+» и «-». Очень часто в электронике вывод «-» называют «общим» проводом схемы, либо проводом «земли». По-английски вывод схемы «минус» иногда обозначают как «GROUND» или «GND». На схеме вывод для подключения плюсового вывода источника питания обозначается явно: «+», либо «+Vcc».
Очень часто в радиотехнике плюсовой вывод источника питания подключается проводом красного цвета, а минусовой – чёрным или синим проводом. Конечно, на качестве работы схемы цвет проводов не сказывается, да и не всегда это правило соблюдается, но знание этого правила может оказаться полезным, а соблюдение его означает высокий уровень радиолюбительской культуры разработчика.
Очень важно соблюдать правильную полярность подключения питания: в случае неправильного подключения полярности схема может не только не заработатЬ, но и моментально выйти из строя.

(Чтобы не запутывать начинающего радиолюбителя, здесь я не рассматриваю двуполярные источники питания со средней точкой – в схемах для начинающих радиолюбителей такое питание практически никогда не используется).

 

Тип источника питания

Вы можете питать свою конструкцию от батарей, аккумуляторов или сетевого источника питания.
Самые распространённые стандарты (или, как говорится, типоразмеры) батарей: элементы типа «АА» («пальчиковые» элементы питания напряжением 1,5В), «ААА» («мизинчиковые» элементы напряжением 1,5В), батареи типа «Крона» (9В).
Как же быть, если рекомендованное напряжение питания схемы, допустим, 5В?
Питать такую схему от батареи типа «Крона» напряжением 9 Вольт недопустимо – схема может выйти из строя. Но можно соединить несколько элементов напряжением 1,5 В последовательно, при этом напряжение получившейся батареи будет 4х1,5=6В. Как правило, для простых радиолюбительских конструкций такое превышение напряжения от номинального допустимо. Другой вариант: соединить последовательно три батареи и питать схему напряжением 4,5В: но в этом случае схема может либо изначально не заработать, либо по мере разряда батарей начать работать некорректно.

Принцип последовательного соединения батарей показан на рисунке:

Чтобы не паять контакты батарей, отдельные элементы удобно собирать в батарею с помощью так называемых батхолдеров – держателей батарей. На рисунке ниже показан батхолдер на 4 элемента типа «АА». Общее напряжение получившейся батареи – 6В. Держатели батарей можно купить в магазинах радиотоваров, либо заказать по почте в интернет-магазинах «Десси», «ДКО Электронщик» и подобных.

Батарейное (аккумуляторное) питание незаменимо для мобильных устройств.
Но батареи разряжаются, и их приходится заменять, что не всегда удобно и всегда невыгодно. Хорошая альтернатива – аккумуляторы, которые можно периодически заряжать. Аккумулятор стоит в среднем в пять раз дороже батарейки аналогичного типоразмера, кроме того, требуется приобрести зарядное устройство. Однако способность аккумулятора к многократной перезарядке делает такую покупку выгодной.
Но питать электронную конструкцию в домашних условиях от батарей или аккумуляторов – непозволительная роскошь. В таких случаях выгоднее применять сетевые источники питания (другое название – сетевые адаптеры). Вы можете приобрести новый сетевой адаптер, либо использовать уже имеющийся адаптер от ненужной бытовой техники.
Главные параметры адаптера: его номинальное напряжение и ток. Эти параметры указываются на корпусе адаптера. Например, ели на адаптере написано: «12V 0,5A» - это значит, что адаптер выдаёт 12 Вольт с максимальным током до 0,5 Ампер = 500 мА. Встречается другой вариант написания, например: «5V 10W». Это значит, что адаптер имеет выходное напряжение 5В и допустимую мощность нагрузки – 10 Вт, или допустимый ток нагрузки: 10/5=2A.
Адаптер, как правило, имеет на конце провода разъём. В радиолюбительской практике часто удобнее пользоваться двумя проводками – «+» и «-». В таком случае, просто откусите разъём кусачками. Как же определить, какой вывод адаптера – «плюс», а какой – «минус»?
Часто на проводе «+» есть белые метки, но это правило не обязательно всегда выполняется производителем. Проще всего для определения полярности воспользоваться мультиметром, о работе с которым мы поговорим в следующий раз.
Сетевой адаптер можно приобрести в магазинах радиотоваров, либо в интернет-магазинах «ДКО Электронщик», «Десси» и т.п.

 

Потребляемый ток

Любая электронная схема может быть более или менее «прожорливой». Например, радиоприёмник и фонарик питаются одним и тем же напряжением – 4,5В (от трёх батареек). Но приёмник может работать от батарей несколько суток, а фонарик разряжает эти же батарейки за несколько часов непрерывной работы. Дело в том, что разные электронные конструкции имеют разный ток потребления.
Ток потребления обычно указывается в миллиамперах. Зная ток потребления схемы, мы можем примерно оценить время работы конструкции от комплекта батарей или аккумуляторов.
Например, алкалиновый элемент типа «АА» имеет ёмкость около 1500…3000 мА/ч, алкалиновый элемент типа «АА» - около 1000 мА/ч, батарея типа «Крона» - около 100 мА/ч. Не ищите эти цифры на корпусе батареи: производители не считают нужным их указывать. Знайте только, что алкалиновые элементы питания имеют гораздо большую ёмкость и срок хранения, чем солевые. Поэтому, несмотря на несколько более высокую цену, рекомендую всегда приобретать алкалиновые элементы питания.
Таким образом, от комплекта батарей типа «АА» схема с током потребления100 мА может проработать ориентировочно 2000/100 = 20 часов. Эта же конструкция от батареи типа «Крона» проработает только 100/20 = 5 часов.
Если батарея собрана из нескольких последовательно соединённых элементов питания, ёмкость батареи определяется ёмкостью каждого элемента. Например, ёмкость батареи из десяти последовательно соединённых элементов ёмкостью по 1600 мА/ч каждая будет иметь ёмкость также 1600 мА/ч.
Это очень примерный расчёт. На практике время работы устройства зависит от многих факторов: фирмы-производителя батарей, режимом эксплуатации схемы (непрерывная работа или периодическое включение-выключение), температурой эксплуатации.
Значение тока потребления схемы важно знать и при выборе сетевого адаптера.
Каждый адаптер имеет максимально допустимый ток, который он может выдать в нагрузку. Этот параметр указывается на корпусе адаптера (см. выше).
Если схема потребляет 500 мА (0,5А), а адаптер способен выдавать только 0,3А – адаптер будет перегреваться и может необратимо выйти из строя (если это дешёвый адаптер), либо аварийно отключиться (это касается более качественных адаптеров, имеющих защитные цепи).
Обратная ситуация: если ток адаптера гораздо выше тока потребления схемы – абсолютно допустима и нормальна. Например, если адаптер способен обеспечить ток до 2А, а схема потребляет всего 50 мА (0,05A) – ничего страшного. Схема никогда не «возьмёт» от сетевого адаптер ток больший, чем ей необходимо.

 

Скачать урок в формате PDF

 

Уроки 26.02.2015

Урок 5 - Ошибки при монтаже

Основные ошибки при монтаже и сборке радиоэлектронных конструкций

В первых четырёх уроках вы получили основные знания, необходимые для сборки несложных электронных устройств. Если вы были внимательны и прилежны, то можете гордо сказать друзьям и родителям: «да, я умею паять!». Пожалуйста, не говорите «я профи и отлично паяю» - пока это слишком самоуверенно, но после следующего курса уроков и десятка-другого самостоятельно собранных устройств ваш профессиональный уровень, конечно, вырастет.
Мы заканчиваем первый цикл уроков, который можно назвать «радиомонтаж для самых начинающих». В дальнейших уроках я планирую познакомить читателей с современным SMD-монтажом. SMD-компоненты – это такие радиодетали размером с рисовое зёрнышко или даже меньше. Я расскажу, как их паяют, какое оборудование для этого требуется. Я расскажу про то, как сделать печатную плату в домашних условиях. Поговорим мы и о программировании микросхем.
А сейчас предлагаю подвести итоги первой части курса. Я решил, что лучше всего сделать итоговый урок в форме обзора наиболее часто встречающихся ошибок начинающих радиолюбителей. Разобрав эти ошибки, мы постараемся избежать их в своей деятельности, а также ещё раз вспомним некоторые важные вещи.

 

Ошибка: плохая организация рабочего места

«Какой порядок на столе, такой и в голове» - гласит одна из пословиц. На рабочем столе должны быть только инструменты и радиодетали, предназначенные для сборки данной электронной конструкции. Это настраивает на рабочий лад. Если же на столе бардак, то в нём непременно потеряются правильные мысли и нужные детали.
Плохое освещение рабочего места ведёт к быстрой утомляемости глаз и может спровоцировать ошибки в монтаже. Недостаточная вентиляция рабочего места ведёт к снижению концентрации внимания, может вызвать головную боль и усталость.

 

Ошибка: неподходящий инструмент

При работе надо использовать только радиомонтажный инструмент.
Например, если при обрезке выводов вместо специальных радиотехнических бокорезов использовать маникюрные ножницы или слесарные кусачки, то в первом случае вы просто испортите ножницы и мамино настроение, а во втором – не сможете аккуратно обрезать выводы.
Если для тонких радиомонтажных работ использовать паяльник, предназначенный для пайки кастрюль или мощных кабелей, ничего хорошего из этого не выйдет: радиодетали могут быть перегреты и выйдут из строя; можно испортить саму печатную плату (вызвать отслоение дорожек); легко допустить паразитные замыкания между проводниками платы.

 
Ошибка: неправильный монтаж компонентов на плату

Многие радиодетали похожи, как братья-близнецы. Например, резисторы 1 кОм и 10 кОм, входящие в состав одного набора, имеют одинаковый корпус и различаются только цветом одной полоски. Но если при монтаже перепутать их местами – схема не заработает.
Очень многие компоненты (диоды, электролитические конденсаторы, транзисторы и т.п.) требуют при установке на плату соблюдения полярности. В противном случае готовая конструкция также может не заработать, а в некоторых случаях «сгореть» сразу после включения.
Поэтому важно быть очень внимательным при монтаже набора.

 

Ошибка: использование при пайке кислотного активного флюса

Флюс используется для обезжиривания контактных площадок печатной платы и выводов компонентов. При использовании качественной лужёной печатной платы и новых электронных компонентов, а также припоя с каналом канифоли особой необходимости в применении флюса нет.
Но, если уж очень хочется, можно применять флюсы, специально предназначенные для радиомонтажных работ. Простейший вариант флюса – это раствор канифоли в спирте. В радиомагазинах можно купить и другие марки флюса (например, ЛТИ-120, ФКТ, ФКЭТ, ФКДТ, импортные аналоги). Главное – не применять флюсы, в состав которых входит кислота. Кислотные флюсы высокоактивны и применяются в основном для пайки алюминия, стали и других металлов. Но кислотные флюсы разъедают материал печатной платы и компонентов, могут обладать остаточным электрическим сопротивлением, плохо удаляются с платы даже при тщательной отмывке. Электронная конструкция, спаянная с применение кислотных активных флюсов, может не заработать изначально, либо выйти из строя через некоторое время.

 

Ошибка: неправильная температура пайки

Нормальная температура жала паяльника лежит в диапазоне от 270 до 310С. Проконтролировать её в домашних условиях сложно, поэтому приходится подбирать приемлемую температуру опытным путём.
При слишком низкой температуре пайки припой как следует не растекается, процесс пайки превращается в мучение. Даже если схема будет кое-как собрана и заработает, пайка будет непрочной, и конструкция может перестать работать в любой момент. Если пруток припоя, поднесённый к жалу, не плавится, или плавится крайне медленно – температура жала недостаточна. Подождите несколько минут, пока паяльник прогреется. Если и через несколько минут припой не плавится – возможно, паяльник неисправен или имеет недостаточную для работы мощность (возможно также, вы используете неподходящий припой).
Слишком высокая температура пайки может повредить печатную плату и электронные компоненты, а также приводит к преждевременному выгоранию флюса из припоя. Обычные дешёвые паяльники без терморегулятора очень часто уже через несколько минут после включения имеют температуру жала выше 350…400С, то есть слишком высокую для радиомонтажных работ. Можно рекомендовать либо периодическое включение-выключение паяльника, либо применение специальных самодельных или промышленных приставок, ограничивающих мощность паяльника.
Паяльная станция, поддерживающая заданную температуру – идеально решение для радиолюбителя. Стоимость таких станций зависит от их функционала (например, наличия/отсутствия дисплея с индикацией текущей температуры жала паяльника) и может начинаться от 1000 рублей.

 

Ошибка: плата не промыта

После пайки плату необходимо тщательно очистить от остатков паяльных материалов с помощью спирта, щётки, тампонов. Во-первых, некоторые флюсы активны и со временем разрушают места пайки. Второй, особенно важный момент, заключается в том, что на чистой плате гораздо лучше видны дефекты пайки (некачественно пропаянные точки и паразитные перемычки). И ещё есть такое понятие, как культура производства. Любой уважающий себя производитель отмывает свои платы. Но внутри какого-нибудь «особенно китайского» гаджета легко обнаружить печатную плату, всю залитую флюсом, с небрежной пайкой и криво установленными компонентами. Решите для себя, на кого вы хотите равняться.

 

Ошибка: плата не проверена перед включением

Вполне естественно желание любого радиолюбителя как можно быстрее включить свою конструкцию и убедиться, что всё работает как надо. Но дело в том, что некоторые ошибки (например, паразитные перемычки или неправильно установленные компоненты) фатальны и могут привести к моментальному выходу из строя компонентов схемы в первые же секунды после её включения. Если бы ошибка была обнаружена до включения – её можно было бы сравнительно легко исправить за несколько секунд или минут. Если же пропустить этап проверки и сразу же после сборки подать на схему напряжение питания - возможно, придётся идти в радиомагазин или заказывать по почте новую деталь.

 

Ошибка: неправильное питание

Каждая электронная схема корректно работает в строго определённом интервале напряжений. Например, 9…12В, или 7…9В. Некоторым схемам требуется точное напряжение: 5В или 12В. При пониженном рабочем напряжении схема может не заработать. Но более серьёзная ошибка – превышение допустимого напряжения питания. Не надо думать, что схема с допустимым диапазоном питания 9…12В будет работать от 15В «ещё лучше» – при таком напряжении отдельные элементы схемы могут просто «сгореть».
Другой серьёзной ошибкой является подключение напряжения питания в неправильной полярности – это тоже часто приводит к выходу элементов схемы из строя. Корректная полярность указана либо на самой печатной плате, либо в прилагаемой инструкции.

 

Скачать урок в формате PDf

Уроки 27.02.2015

Урок 6 - SMD компоненты

SMD компоненты

Мы уже познакомились с основными радиодеталями: резисторами, конденсаторами, диодами, транзисторами, микросхемами и т.п., а также изучили, как они монтируются на печатную плату. Ещё раз вспомним основные этапы этого процесса: выводы всех компонентов пропускают в отверстия, имеющиеся в печатной плате. После чего выводы обрезаются, и затем с обратной стороны платы производится пайка (см. рис.1).
Этот уже известный нам процесс называется DIP-монтаж. Такой монтаж очень удобен для начинающих радиолюбителей: компоненты крупные, паять их можно даже большим «советским» паяльником без помощи лупы или микроскопа. Именно поэтому все наборы Мастер Кит для самостоятельной пайки подразумевают DIP-монтаж.

Рис. 1. DIP-монтаж


Но DIP-монтаж имеет очень существенные недостатки:

- крупные радиодетали не подходят для создания современных миниатюрных электронных устройств;
- выводные радиодетали дороже в производстве;
- печатная плата для DIP-монтажа также обходится дороже из-за необходимости сверления множества отверстий;
- DIP-монтаж сложно автоматизировать: в большинстве случаях даже на крупных заводах по производству электронику установку и пайку DIP-деталей приходится выполнять вручную. Это очень дорого и долго.

Поэтому DIP-монтаж при производстве современной электроники практически не используется, и на смену ему пришёл так называемый SMD-процесс, являющийся стандартом сегодняшнего дня. Поэтому любой радиолюбитель должен иметь о нём хотя бы общее представление.

 

SMD монтаж

SMD (Surface Mounted Device) переводится с английского как "компонент, монтируемый на поверхность". SMD-компоненты также иногда называют ЧИП-компонентами.
Процесс монтажа и пайки чип-компонентов правильно называть SMT-процессом (от англ. «surface mount technology» – технология поверхностного монтажа). Говорить «SMD-монтаж» не совсем корректно, но в России прижился именно такой вариант названия техпроцесса, поэтому и мы будем говорить так же.
На рис. 2. показан участок платы SMD-монтажа. Такая же плата, выполненная на DIP-элементах, будет иметь в несколько раз большие габариты.

Рис.2. SMD-монтаж


SMD монтаж имеет неоспоримые преимущества:

- радиодетали дешёвы в производстве и могут быть сколь угодно миниатюрны;
- печатные платы также обходятся дешевле из-за отсутствия множественной сверловки;
- монтаж легко автоматизировать: установку и пайку компонентов производят специальные роботы. Также отсутствует такая технологическая операция, как обрезка выводов.

 

SMD-резисторы

Знакомство с чип-компонентами логичнее всего начать с резисторов, как с самых простых и массовых радиодеталей.
SMD-резистор по своим физическим свойствам аналогичен уже изученному нами «обычному», выводному варианту. Все его физические параметры (сопротивление, точность, мощность) точно такие же, только корпус другой. Это же правило относится и ко всем другим SMD-компонентам.

Рис. 3. ЧИП-резисторы


Типоразмеры SMD-резисторов

Мы уже знаем, что выводные резисторы имеют определённую сетку стандартных типоразмеров, зависящих от их мощности: 0,125W, 0,25W, 0,5W, 1W и т.п.
Стандартная сетка типоразмеров имеется и у чип-резисторов, только в этом случае типоразмер обозначается кодом из четырёх цифр: 0402, 0603, 0805, 1206 и т.п.
Основные типоразмеры резисторов и их технические характеристики приведены на рис.4.

Рис. 4 Основные типоразмеры и параметры чип-резисторов


Маркировка SMD-резисторов

Резисторы маркируются кодом на корпусе.
Если в коде три или четыре цифры, то последняя цифра означает количество нулей, На рис. 5. резистор с кодом «223» имеет такое сопротивление: 22 (и три нуля справа) Ом = 22000 Ом = 22 кОм. Резистор с кодом «8202» имеет сопротивление: 820 (и два нуля справа) Ом = 82000 Ом = 82 кОм.
В некоторых случаях маркировка цифробуквенная. Например, резистор с кодом 4R7 имеет сопротивление 4.7 Ом, а резистор с кодом 0R22 – 0.22 Ом (здесь буква R является знаком-разделителем).
Встречаются и резисторы нулевого сопротивления, или резисторы-перемычки. Часто они используются как предохранители.
Конечно, можно не запоминать систему кодового обозначения, а просто измерить сопротивление резистора мультиметром.

Рис. 5 Маркировка чип-резисторов

 

Керамические SMD-конденсаторы

Внешне SMD-конденсаторы очень похожи на резисторы (см. рис.6.). Есть только одна проблема: код ёмкости на них не нанесён, поэтому единственный способ ёё определения – измерение с помощью мультиметра, имеющего режим измерения ёмкости.
SMD-конденсаторы также выпускаются в стандартных типоразмерах, как правило, аналогичных типоразмерам резисторов (см. выше).

Рис. 6. Керамические SMD-конденсаторы

 
Электролитические SMS-конденсаторы

Рис.7. Электролитические SMS-конденсаторы


Эти конденсаторы похожи на своих выводных собратьев, и маркировка на них обычно явная: ёмкость и рабочее напряжение. Полоской на «шляпке» конденсатора маркируется его минусовой вывод.

 

SMD-транзисторы

Рис.8. SMD-транзистор

Транзисторы мелкие, поэтому написать на них их полное наименование не получается. Ограничиваются кодовой маркировкой, причём какого-то международного стандарта обозначений нет. Например, код 1E может обозначать тип транзистора BC847A, а может – какого-нибудь другого. Но это обстоятельство абсолютно не беспокоит ни производителей, ни рядовых потребителей электроники. Сложности могут возникнуть только при ремонте. Определить тип транзистора, установленного на печатную плату, без документации производителя на эту плату иногда бывает очень сложно.

 

SMD-диоды и SMD-светодиоды

Фотографии некоторых диодов приведены на рисунке ниже:

Рис.9. SMD-диоды и SMD-светодиоды



На корпусе диода обязательно указывается полярность в виде полосы ближе к одному из краев. Обычно полосой маркируется вывод катода.

SMD-cветодиод тоже имеет полярность, которая обозначается либо точкой вблизи одного из выводов, либо ещё каким-то образом (подробно об этом можно узнать в документации производителя компонента).

Определить тип SMD-диода или светодиода, как и в случае с транзистором, сложно: на корпусе диода выштамповывается малоинформативный код, а на корпусе светодиода чаще всего вообще нет никаких меток, кроме метки полярности. Разработчики и производители современной электроники мало заботятся о её ремонтопригодности. Подразумевается, что ремонтировать печатную плату будет сервисный инженер, имеющий полную документацию на конкретное изделие. В такой документации чётко описано, на каком месте печатной платы установлен тот или иной компонент.

 

Установка и пайка SMD-компонентов

SMD-монтаж оптимизирован в первую очередь для автоматической сборки специальными промышленными роботами. Но любительские радиолюбительские конструкции также вполне могут выполняться на чип-компонентах: при достаточной аккуратности и внимательности паять детали размером с рисовое зёрнышко можно самым обычным паяльником, нужно знать только некоторые тонкости.

Но это тема для отдельного большого урока, поэтому подробнее об автоматическом и ручном SMD-монтаже будет рассказано отдельно.

 

Скачать урок в формате PDF

Уроки 06.03.2015

Урок 7 - Монтаж и пайка SMD

Монтаж и пайка SMD-компонентов

Даже если тебе никогда в жизни не придётся самостоятельно иметь дело с чип-деталями, надо понимать, что 99% всей современной электроники создаётся именно на их основе. Поэтому каждый уважающий себя радиолюбитель должен хотя бы в общих чертах представлять SMD-техпроцесс.
В предыдущем уроке мы уже познакомились с так называемыми SMD-компонентами (чип-компонентами). Сейчас же пришло время узнать, как осуществляется их монтаж и пайка.
Можно припаять SMD-деталь и с помощью самого обычного припоя и паяльника с тонким жалом. Процесс состоит из трёх шагов:

- наносим припой на одну контактную площадку;
- с помощью пинцета устанавливаем чип-компонент на нужную позицию и, удерживая деталь пинцетом, прогреваем один из его выводов. Деталь зафиксирована, пинцет можно убрать;
- припаиваем второй вывод компонента.

 

Ручная пайка SMD-компонентов

Примерно таким же образом можно паять SMD-транзисторы и микросхемы.

Но ручная пайка – это очень долгий и кропотливый процесс, поэтому применяется только радиолюбителями для создания единичных конструкций. На крупных радиозаводах всё стараются автоматизировать. Поэтому там никто не паяет каждую деталь по отдельности паяльником, процесс совершенно другой.

Ты уже знаешь, что такое припой: гибкая оловянно-свинцовая проволока, которая при нагреве паяльником расплавляется, а после остывания застывает и надёжно фиксирует вывод радиодетали, обеспечивая при этом электрический контакт. Но припой может быть не только в виде оловянно-свинцового прутка. Можно создать припой в виде пасты, которая так и называется – паяльная паста. Паста содержит в своём составе и флюс, и мельчайшие частички олова. При нагреве паста расплавляется, а после остывания застывает, обеспечивая электрический и механический контакт.

Паяльная паста наносится на все контактные площадки. При производстве опытных образцов и мелкосерийных партий пасту наносят с помощью ручных дозаторов: шприцом, например, или даже зубочисткой. Но при крупносерийном производстве используется другая технология нанесения пасты. Сначала изготавливается трафарет: тонкий лист из нержавеющей стали, в котором имеются отверстия, точно совпадающие с контактными площадками печатной платы. Трафарет прижимается к печатной плате, сверху наносится слой паяльной пасты и разравнивается специальным шпателем. Затем трафарет поднимается, и таким образом буквально за пару секунд паяльная паста оказывается нанесённой на все контакты печатной платы.

 

Печатная плата с нанесённой на контактные площадки паяльной пастой

Теперь на плату можно устанавливать компоненты. SMD-компонент можно аккуратно установить на нужные контактные площадки. В радиолюбительстве установку компонентов производят вручную с помощью обычного или вакуумного пинцета, а на крупных производствах эту операцию выполняют роботы, которые могут установить до нескольких сотен деталей в минуту! Благодаря тому, что паяльная паста вязкая, компонент как бы фиксируется на своём месте, и это очень удобно.

После установки всех SMD-компонентов происходит пайка платы. Плата помещается в специальную печь, где за несколько минут нагревается примерно до 300С. Паяльная паста расплавляется, а после остывания обеспечивает механический и электрический контакт компонентов. Для того, чтобы избежать термоударов, важно настроить термопрофиль, то есть скорость нагрева и охлаждения печатной платы. В промышленности используются специальные многозонные печи, в каждой камере которых поддерживается строго заданная температура. Печатная плата, двигаясь по конвейеру, последовательно проходит все зоны печи.

 

Паяльные печи: промышленная (слева) и для мелкосерийной пайки (справа)

В мелкосерийном и опытном производстве используются компактные печки, в которых платы «запекаются» по одной. Радиолюбители и вовсе иногда приспосабливают для этих целей бытовые духовые шкафы, или нагревают печатную плату горячим воздухом с помощью промышленного фена. Конечно, качество пайки при таких кустарных методах очень нестабильно, но и требования к надёжности радиолюбительских конструкций обычно не высокие.

После окончания пайки плату промывают от остатков флюса, входящего в состав паяльной пасты, сушат и проверяют. Если в конструкции имеются DIP-компоненты, их припаивают в последнюю очередь, и даже на крупных радиозаводах этот процесс производится, как правило, вручную. Дело в том, что автоматизировать DIP-процесс очень сложно и дорого, именно поэтому современная радиоэлектроника в основном проектируется на SMD-компонентах.

Скачать урок в формате PDF

 

Уроки 24.04.2015

Урок 8.1 - Аналоговые и цифровые сигналы

8. Основы цифровой схемотехники

Цифровая схемотехника – важнейшая дисциплина, которую изучают во всех высших и средних учебных заведениях, готовящих специалистов в электронике. Настоящий радиолюбитель тоже должен хорошо разбираться в этом вопросе. Но большинство книг и учебных пособий написаны очень сложным для понимания языком, и начинающему электронщику (возможно, школьнику) будет тяжело освоить новую информацию. Цикл новых обучающих материалов от Мастер Кит призван восполнить этот пробел: в наших статьях о сложных понятиях рассказывается самыми простыми словами.


8.1. Аналоговые и цифровые сигналы

Сначала надо разобраться, чем вообще аналоговая схемотехника отличается от цифровой. И главное отличие – в сигналах, с которыми работают эти схемы.
Все сигналы можно разделить на два основных вида: аналоговые и цифровые.

Аналоговые сигналы

Аналоговые сигналы наиболее привычны для нас. Можно сказать, что весь окружающий природный мир вокруг нас – аналоговый. Наши зрение и слух, а также все остальные органы чувств воспринимают поступающую информацию в аналоговой форме, то есть непрерывно во времени. Передача звуковой информации – речь человека, звуки музыкальных инструментов, рёв животных, звуки природы и т.п. – также осуществляется в аналоговом виде.
Чтобы ещё лучше понять этот вопрос, нарисуем аналоговый сигнал (рис.1.):

 

 

Рис.1. Аналоговый сигнал

Мы видим, что аналоговый сигнал непрерывен во времени и по амплитуде. Для любого момента времени можно определить точное значение амплитуды аналогового сигнала.

 

Цифровые сигналы

Давайте будет анализировать амплитуду сигнала не постоянно, а дискретно, через фиксированные промежутки времени. Например, раз в секунду, или чаще: десять раз в секунду. То, как часто мы будем это делать, называется частотой дискретизации: один раз в секунду – 1 Гц, тысячу раз в секунду – 1000 Гц или 1 кГц.

Для наглядности нарисуем графики аналогового (вверху) и цифрового (внизу) сигналов (рис.2.):

 

Рис.2. Аналоговый сигнал (вверху) и его цифровая копия (внизу)


Мы видим, что в каждый мгновенный промежуток времени можно узнать мгновенное цифровое значение амплитуды сигнала. Что происходит с сигналом (по какому закону он меняется, какова его амплитуда) между интервалами «проверки», мы не знаем, эта информация потеряна для нас. Чем реже мы проверяем уровень сигнала (чем ниже частота дискретизации), тем меньше имеем информации о сигнале. Разумеется, справедливо и обратное: чем выше частота дискретизации, тем лучше качество представления сигнала. В пределе, увеличивая частоту дискретизации до бесконечности, мы получаем практически тот же аналоговый сигнал.
Значит ли это, что аналоговый сигнал в любом случае качественнее цифрового? В теории, пожалуй, да. Но на практике современные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) работают с такой высокой частотой дискретизации (до нескольких миллионов выборок в секунду), так качественно описывают аналоговый сигнал в цифровой форме, что органы чувств человека (глаза, уши) уже не могут почувствовать разницу между оригинальным сигналом и его цифровой моделью. Цифровой сигнал обладает очень существенным достоинством: его легче передавать по проводам или радиоволне, помехи не оказывают на такой сигнал существенного влияния. Поэтому вся современная мобильная связь, теле- и радиовещание - цифровая.


Нижний график на рис. 2 легко представить и в другом виде – как длинную последовательность пары цифр: время/амплитуда. А цифры – это как раз то, что нужно цифровым схемам. Правда, цифровые схемы предпочитают работать с цифрами в особом представлении, но об этом мы поговорим в следующем уроке.

Сейчас мы можем сделать важные выводы:


- цифровой сигнал дискретен, его можно определить только для отдельных моментов времени;
- чем выше частота дискретизации – тем лучше точность представления цифрового сигнала.

Уроки 24.04.2015

Урок 8.2 - Двоичная логика

8.2. Логические уровни и двоичная система счисления


В предыдущем уроке мы познакомились с цифровыми сигналами. Теперь мы знаем, как можно преобразовать привычный нам аналоговый сигнал в цифровой в виде последовательности чисел.
Но вот незадача: оказывается, «капризные» цифровые схемы предпочитают работать не с любыми числами, а только с определёнными цифрами. Им подавай либо «0», либо «1». Но ведь в мире огромное множество разных чисел! И как же нам быть, как описать их все только двумя цифрами? Давайте разбираться.
Начнём с определения понятия «логический уровень».
Цифровые схемы понимают только два состояния: «нет сигнала» или «есть сигнал». Другими словами, состояние «нет сигнала» - это низкий логический уровень, или логический «0», состояние «есть сигнал» - высокий логический уровень, или логическая «1». Условились считать, что в электронике логической единице соответствует сигнал высокого напряжения, а логическому нулю – сигнал низкого напряжения.
На графике (рис.1.) это можно представить так:

 

Рис.1. Высокий и низкий логический уровни

Обозначения на рисунке: Uп – это уровень напряжения питания; U1вых - уровень логической единицы, U0вых – уровень логического нуля.
Мы видим, что сигнал логической «1» может иметь напряжение не строго равное напряжению питания (Uп) или 0В, а находящееся в некотором диапазоне, ширина которого (Uп- U1вых). Так условились специально по причине того, что КПД микросхем не может быть 100% (из-за потерь на рассеивание тепла напряжение на выходе микросхемы всегда ниже её напряжения питания).
Эти же рассуждения справедливы и для уровня логического «0», который принимается равным чуть выше 0 Вольт.
Для разных микросхем ширина интервала логических «1» и «0» разная, поэтому на этом графике намеренно не указаны конкретные цифровые значения напряжений: для первого знакомства с цифровой схемотехникой этого не требуется.
А теперь поговорим о том, как преобразовывать любые числа в двоичный код, то есть в последовательность «нулей» и «единичек».
Есть простое правило перевода: для того, чтобы преобразовать десятичное число в двоичное, его нужно разложить по степеням двойки.
Возьмём, например, десятичное число 9 и разложим его по степеням двойки:
9: 24+23+22+21+20

Следующая наша задача – умножить каждое слагаемое правой части уравнения на 0 или 1, добившись равенства:
9 = 0х24+1х23+0х22+0х21+1х20

Последовательность нулей и единиц в правой части уравнения – это и есть двоичный код нашей девятки. Таким образом: 910 = 010012
Можете потренироваться сами, а для проверки приведём таблицу соответствия десятичных и двоичных числе от нуля до десяти (рис.2.):

Десятичное число

Двоичный код

0

000

1

001

2

010

3

011

4

100

5

101

6

110

7

111

8

1000

9

1001

10

1010

Рис.2. Таблица соответствия десятичных чисел и двоичного кода

Таким же образом можно перевести любое десятичное число в двоичный вид. Например, число 245 в двоичной системе будет записано так: 11110101.
Процесс перевода чисел из одной системы в другую – это рутинная механическая работа, поэтому разумнее воспользоваться благами прогресса и поручить эту работу машинам. Есть специальные он-лайн программы и приложения для смартфонов, мгновенно переводящие числа из одной системы счисления в другую.
Конечно, мы рассмотрели двоичную систему счисления только в самом общем виде, но мы же начинающие электронщики, и для первого понимания основ этой информации достаточно. А в следующих уроках мы продолжим погружение в увлекательный мир цифровой схемотехники и поговорим о простейших логических элементах.

Уроки 07.04.2017

Урок 8.3 - Логические элементы

8.3. Логические элементы

Все, абсолютно все электронные компоненты, обрабатывающие цифровые сигналы, состоят из небольшого набора одинаковых «кирпичиков». Они называются логические элементы. В микросхемах малой степени интеграции могут быть единицы и десятки таких элементов, а в современных процессорах их может быть очень и очень много.

Тем не менее, принцип работы цифровой логики остается неизменным – на входе логического элемента (входов может быть несколько)  должен быть цифровой сигнал (сигналы, если входов несколько), который однозначно определяет сигнал на выходе логического элемента.

Конечно, логические элементы строятся, в свою очередь, из уже рассмотренных в предыдущих уроках резисторов, транзисторов и других электронных компонентов, но с точки зрения разработки цифровых схем именно логический элемент является их «элементарной» частицей.

 При анализе работы логических элементов используется так называемая булева алгебра . Начала этого раздела математики было изложено в работах Джорджа Буля – английского математика и логика 19-го века, одного из основателей математической логики.  Основами булевой алгебры являются высказывания, логические операции, а также функции и законы. Для понимания принципов работы логических элементов нет необходимости изучать все тонкости булевой алгебры, мы освоим ее основы в процессе обучения с помощью таблиц истинности.

Еще несколько замечаний. Логические элементы (как, впрочем, и другие элементы электронных схем) принято обозначать  так, чтобы входы были слева, а выходы справа. Число входов может быть, вообще говоря, любым, отличным от нуля. Реальные цифровые микросхемы могут иметь до 8 входов, но мы ограничимся двумя – этого достаточно для понимания. Условные обозначения соответствуют отечественному ГОСТу, в других стандартах они могут быть иными.

Какие же бывают логические элементы?

 

Элемент «И» (AND), он же конъюнктор, выполняет операцию логического умножения:

Условное обозначение - Таблица истинности

Здесь изображен логический элемент «2И» (цифра перед буквой «И» означает число входов).  Знак  & (амперсант) в левом верхнем углу прямоугольника  указывает, что это логический элемент «И». Первые две буквы обозначения  DD1.2  указывают на то, что это цифровая микросхема (Digital), цифра слева от  точки указывает номер микросхемы на принципиальной схеме, а цифра справа от точки – номер логического элемента в составе данной микросхемы. Одна микросхема может содержать несколько логических элементов.

Состояние входов в таблице обозначаются «0» и «1» («ложь» и «истина»). Из таблицы видно, что выход «Y» будет иметь состояние «1» только в том случае, когда на обоих входах «Х1» и «Х2» будут «1». Это легко запомнить: умножение на «0» всегда дает «0».

 

Элемент «ИЛИ» (OR), он же дизъюнктор, выполняет операцию логического сложения:

Условное обозначение - Таблица истинности

Состояние «1»  на выходе будет всегда, пока есть хотя бы одна «1» на входах.

 

Элемент «НЕ» (NOT), он же инвертор, выполняет операцию логического отрицания:

Условное обозначение - Таблица истинности

Состояние на входе обратно состоянию на входе.

Вот из этих трех элементов строятся все цифровые устройства!

Рассмотрим еще три логических элемента, которые можно получить, комбинируя уже рассмотренные. В силу исторически сложившихся схемотехнических решений эти скомбинированные схемы тоже считаются логическими элементами.

 

Элемент «И-НЕ» (NAND), конъюнктор с отрицанием:

Условное обозначение - Таблица истинности

Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал противоположен. Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» будет единица. И наоборот.

 

Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR), дизъюнктор с отрицанием:

Условное обозначение - Таблица истинности

 

Элемент работает так же как и «ИЛИ», но с инверсией выхода.

 

Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR), сумматор по модулю 2:

Условное обозначение - Таблица истинности

В этом элемента «1» на выходе будет только тогда, когда на входах разные состояния.

На таких элементах  строят сумматоры двоичных многоразрядных чисел. Для этого используется еще один дополнительный выход, на котором при появлении на входах двух «1» появляется сигнал переноса разряда.

Мы рассмотрели логические элементы, которые применяются в цифровой технике для построения логических схем любого уровня сложности, но рассмотренные нами элементы не могут делать одну крайне важную работу  – они не умеют хранить информацию.  Для хранения используется более сложный класс устройств, называемый элементами с памятью или конечными автоматами. В этот класс входят триггеры, регистры, счетчики, шифраторы (дешифраторы), мультиплексоры (демультиплексоры) и сумматоры. Некоторый из этих устройств мы рассмотрим в следующем уроке.

 

Уроки 19.04.2017

Урок 8.4 Триггеры, регистры, счетчики

На предыдущем уроке мы рассмотрели логические элементы, состояние сигнала на выходе которых однозначно определяется состояниями сигналов на входах.

Логические элементы служат основой для создания более сложных цифровых устройств, одним из которых является триггер. Триггер – это целый класс электронных  устройств, которые могут длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний после прекращения сигнала, меняющего состояние. Состояние выхода триггера  определяется не только сигналами на его входах, но и предыдущим состоянием устройства. Таким образом, триггер является простейшей однобитной ячейкой памяти.

 

RS-триггер

Самый простой триггер можно получить из двух логических элементов 2ИЛИ-НЕ:

Самый простой триггер можно получить из двух логических элементов 2ИЛИ-НЕ 

Cхемотехническое  обозначение:

 Cхемотехническое  обозначение триггера

Такая схема представляет собой асинхронный RS-триггер.

Он имеет два входа: S (set) – установка, R (reset) – сброс, и два выхода: Q (прямой)  и Q с чертой сверху (инверсный, НЕ_Q).

При подаче сигнала логического нуля на оба входа триггера, его выходы будут установлены в произвольное состояние. Допустим, Q = 0, а НЕ_Q =1. Если на вход S подать «1», то состояние выхода Q скачкообразно изменится на «1», а НЕ_Q  - на «0». И это состояние будет поддерживаться в независимости от того «0» или «1» подано на вход  S, что и является проявлением свойства памяти.

Соответственно, при подаче уровня «1» на вход R выход Q станет «0», а НЕ_Q – «1».

Длительность устанавливающих импульсов может быть очень короткой, и ограничена физическим быстродействием логических модулей, из которых построен триггер.

Ситуация, когда на входах R и S действует высокий уровень, является недопустимой, поскольку при этом схема не может работать корректно. В этом есть недостаток RS-триггера.

RS-триггер также можно построить из двух элементов И-НЕ, такие элементы более распространены:

RS-триггер также можно построить из двух элементов И-НЕ

Установка и сброс триггера на элементах 2И-НЕ, в отличие от предыдущего, производится низким уровнем входного сигнала.

Если к последней схеме добавить  еще два вентиля 2И-НЕ, то мы получим синхронный RS-триггер.

синхронный RS-триггер

Изменение состояния такого триггера производится только при воздействии на вход С (Clock) синхронизирующего (тактового) импульса.

 

D-триггер

Немного изменив схему синхронного RS-триггера, можно получить  D-триггер. (D-delay, задержка). У него только один информационный вход D.

Если на этот вход подать «1», а затем подать импульс на вход C, то на выходе Q будет «1», если на вход подать «0», затем импульс на C, то на выходе Q будет «0». Таким образом, D-триггер осуществляет задержку информации, поступающей на вход.

D-триггер

Если вход D соединить с выходом НЕ_Q, то триггер будет менять свое состояние при каждом изменении состояния входа С от «0» к «1» . При изменении от «1» к «0» состояние триггера меняться не будет. Таким образом, частота выходных импульсов будет вдвое меньше частоты входных импульсов. Такой триггер называется счетным или T-триггером. Делитель частоты используется очень широко в цифровой технике.

Существует разновидность синхронного RS-триггера, не имеющая запрещенной комбинации – JK-триггер. Он имеет три входа: J (вместо R), K (вместо S), и C. Если на оба информационных входа подана «1», то JK-триггер работает как счетный T-триггер с входом C.

 

Регистр хранения

На триггерах можно строить более сложные цифровые устройства, например такие, как регистры. Регистры предназначены для хранения многобитовой информации, то есть чисел, записанных в двоичном коде.

Рассмотри трех битовый регистр хранения на D-триггерах:

трех битовый регистр хранения на D-триггерах 

Каждый триггер может хранить один разряд (бит) числа. Вход R служит для установки выходов всех триггеров в нулевое (исходное) состояние перед записью числа, которое подается на входы D0,D1 и D2. При подаче импульса на вход C производится запись информации с этих входов. Информация может храниться сколь угодно долго, пока на вход С не подаются импульсы и подается питание.

 

Регистр сдвига

Другой разновидностью регистров является регистр сдвига. Он предназначен для преобразования информации путем ее побитного сдвига в ту или иную сторону. На следующем рисунке приведена схема простейшего регистра сдвига информации вправо (по схеме):

схема простейшего регистра сдвига информации вправо на D-триггер

В отличие от регистра хранения выход предыдущего триггера соединен с входом последующего. Информация в виде логического уровня подается на вход первого (крайнего слева) триггера. При воздействии импульса на входе C присутствующая на входе D информация записывается в первый триггер. При подаче второго импульса информация из первого триггера переписывается во второй триггер, а в первый записывается информация, которая в этот момент присутствует на входе D, и так далее. Таким образом, с подачей каждого синхроимпульса информация в регистре сдвигается вправо на 1 разряд.

Сдвиговые регистры используются во многих схемотехнических решениях при построении цифровых устройств, прежде всего для преобразования последовательного кода в параллельный, а также для выполнения арифметических операций (умножения и деления на 2)с двоичными числами, организации линий задержки, формирования импульсов заданной длительности, генерирования псевдослучайных последовательностей (кодов) и т.п.

 

Счетчик

Еще один класс цифровых устройств, которые можно построить на триггерах – счетчики. Как следует из названия, они осуществляют счет входных импульсов в заданном коде и могут хранить результат. 

Простейший счетчик с последовательным переносом можно получить с помощью счетных T-триггеров:

Простейший счетчик с последовательным переносом можно получить с помощью счетных T-триггеров

Подачей импульса на вход R счетчик приводится в исходное состояние, когда на выходах Q1-Q3 – уровень логического нуля.

На вход C подаются импульсы для счета. С приходом заднего фронта первого импульса первый (левый) по схеме триггер устанавливается в «1». Если читать код справа налево, то он соответствует единице. Для нашего трехразрядного счетчика это код 001. С приходом второго импульса в «1» переключается второй триггер, а первый переключается в «0». Таким образом, код на выходах счетчика будет 010, что соответствует  десятичной цифре 2. Следующий импульс установит код 011, то есть 3. Трехразрядный счетчик может досчитать до кода 111, что соответствует десятичной цифре 7. При этом наступает так называемое переполнение счетчика, и с приходом следующего импульса счетчик обнулится.

Поскольку триггеры счетчика соединены последовательно, то и переключаться они будут также последовательно. Этот процесс отображен на графике, из которого видно, что время задержки переключения tз будет удваиваться и утраиваться. С увеличением числа разрядов задержка может оказаться неприемлемой, что является недостатком счетчиков с последовательным переносом.

Для повышения быстродействия применяются счетчики с параллельным переносом, что достигается одновременной подачей входных импульсов на входы всех триггеров счетчика. Это реализуется с помощью введения в схему логических элементов И:

 счетчики с параллельным переносом с помощью счетных T-триггеров

 

 

 Из схемы видно, что на вход второго триггера счетный импульс поступит только тогда, когда на выходе первого триггера будет «1», а на третий – когда «1» будет на выходах и первого, и второго триггеров. Очевидно, что с увеличением числа разрядов необходимо увеличивать как число логических элементов И, так и число их входов, что, в свою очередь, является недостатком такого типа счетчиков.

Регистры и счетчики, в свою очередь, могут применяться для построения более сложных цифровых устройств: сумматоров, ОЗУ и ПЗУ (оперативных и постоянных запоминающих устройств),  АЛУ (арифметическо-логических устройств), входящих в состав процессоров, и так далее, к все более сложным цифровым устройствам.

В следующей серии статей мы начнем знакомство с микроконтроллерами - замечательным классом цифровых микросхем, которые являются настоящими компьютерами, умещающимися в одной микросхеме, и входящими входят в состав большинства электронных устройств, от кофемашины до космического корабля!

Новинки

Вы недавно смотрели

            
Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика