Электроника и электричество

Источник питания: внутри идёт химическая реакция, которая создаёт напряжение между «+» и «−» и гонит ток по замкнутой цепи. Пальчиковая батарейка даёт 1,5 В, «крона» — 9 В; когда реакция заканчивается, батарейка «садится».

✗ «В батарейке хранится готовый ток». Нет: батарейка хранит химическую энергию, а ток возникает сразу во всей цепи, когда её замкнули.

Устройство управления цепью: механически замыкает и размыкает контакты; разомкнул — цепь разорвана, ток не течёт нигде. Виды: выключатель (фиксируется), кнопка (работает, пока нажата), переключатель (выбирает одну из двух цепей).

✗ «Выключатель убирает ток только после себя». Нет: он размыкает цепь, и ток останавливается сразу во всём кольце.

Последовательная пара резисторов R1 и R2 от источника: ток через оба одинаков, поэтому напряжения делятся пропорционально сопротивлениям, и на выходе Uвых = Uвх·R2/(R1+R2). Если заменить R1 или R2 датчиком — фоторезистором или терморезистором, — получится сигнал для аналогового входа контроллера.

✗ «Делителем можно понизить напряжение для питания мотора или платы». Нет: под нагрузкой напряжение делителя проседает, а резисторы греются — он для слабых сигналов, не для питания.

Полупроводниковый элемент с двумя выводами — анодом и катодом (он со стороны полоски): в прямом направлении проводит, в обратном заперт. Чтобы открыться, кремниевому диоду нужно ~0,7 В — как дверце нужен напор против пружинки; эти 0,7 В на нём и падают. Применение: защита от переполюсовки, выпрямление переменного тока в постоянный.

✗ «Диод пропускает ток без потерь, как провод». Нет: на открытом кремниевом диоде падает около 0,7 В, поэтому под большим током он заметно греется.

Соединение корпуса прибора с землёй через третий контакт розетки: при пробое изоляции на корпус ток уходит в землю, а защита в щитке, заметив утечку, отключает линию. В электронике «землёй» (GND) называют общий провод схемы, от которого отсчитывают все напряжения; с настоящей землёй он часто не связан.

✗ «GND на схеме — то же самое, что заземление в розетке». Нет: GND — общая точка отсчёта напряжений, она может быть никак не связана с землёй; защитное заземление — отдельный проводник на случай аварии.

Ток в участке цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению: I = U/R; зная любые две величины, находишь третью (U = I·R, R = U/I). Так подбирают резистор для светодиода и проверяют, не перегружена ли цепь.

✗ «Закон Ома действует для любой детали». Нет: он точен для резисторов и металлов при постоянной температуре; светодиод и лампа накаливания ему не подчиняются.

Излучатель звука: электрический сигнал заставляет пластинку внутри колебаться, а колебания создают звук. Активный зуммер со встроенным генератором пищит одной нотой от постоянного напряжения; пассивному нужен меняющийся сигнал, зато высоту ноты задаёт схема снаружи.

✗ «Любой зуммер запищит, стоит подать питание». Нет: так работает только активный зуммер со встроенным генератором; пассивному нужен меняющийся сигнал — от постоянного напряжения он молчит.

Конденсатор сверхбольшой ёмкости: единицы и десятки фарад против микрофарад у обычных. Быстро принимает и отдаёт заряд, служит сотни тысяч циклов, но напряжение одной ячейки мало — около 2,5–2,7 В (школьные ионисторы на 5,5 В — две ячейки подряд). Применяют как резервное питание памяти и часов и как буфер для пиковых токов.

✗ «Ионистор — это просто аккумулятор получше». Нет: энергии он хранит в сотни раз меньше батарейки того же размера; зато заряжается за секунды и выдерживает сотни тысяч циклов.

Провод, намотанный витками, часто на сердечнике: ток создаёт магнитное поле, и в нём запасается энергия. На резкое изменение тока катушка отвечает напряжением самоиндукции — поэтому при отключении катушки реле возникает выброс, и параллельно ей ставят защитный диод. Индуктивность измеряют в генри; ходовые значения — мкГн и мГн.

✗ «Катушка — просто моток провода, сопротивление крошечное, значит в схеме она ничего не делает». Нет: постоянный ток она пропускает почти свободно, но любое изменение тока тормозит и запасает энергию в магнитном поле.

Две металлические обкладки с изолятором между ними: подключил к источнику — накапливает заряд, отключил — отдаёт. Ёмкость измеряют в фарадах; ходовые значения — микро- и пикофарады. Постоянный ток конденсатор не пропускает — только заряжается. Электролитические конденсаторы полярны. Применение: сглаживание питания, задержки.

✗ «Конденсатор — это маленькая батарейка». Нет: он не вырабатывает энергию, а лишь быстро запасает и отдаёт заряд; типичный конденсатор разряжается за доли секунды.

Соединение выводов источника путём с почти нулевым сопротивлением, в обход потребителя: ток вырастает во много раз, провода и источник перегреваются вплоть до пожара. Защита — предохранитель или автомат: они разрывают цепь при слишком большом токе.

✗ «Короткое замыкание — это когда провод порвался». Нет: наоборот, ток нашёл слишком короткий и лёгкий путь в обход лампочки; порванный провод — это обрыв, разомкнутая цепь.

Плата для сборки схем без пайки: под отверстиями — пружинные зажимы, соединённые в короткие ряды по пять отверстий, по краям — длинные шины питания «+» и «−»; центральная канавка разрывает ряды под микросхемы. Годится для прототипов, но большие токи контакты не держат.

✗ «Дырочки макетки никак не соединены между собой». Нет: внутри спрятаны металлические зажимы, соединяющие отверстия рядами и линиями питания; кто не знает этот рисунок, собирает нерабочие схемы.

Универсальный измерительный прибор: режимы — напряжение, ток, сопротивление, прозвонка (пищит, если путь замкнут). Правила: напряжение измеряют параллельно, между двумя точками; ток — последовательно, в разрыв цепи; сопротивление — только при отключённом питании. Перед измерением выбирают режим и гнёзда для щупов.

✗ «Мультиметр можно подключать как угодно — он же просто показывает». Нет: ток измеряют последовательно, в разрыв цепи, а напряжение — параллельно; неверное включение сжигает предохранитель прибора или саму схему.

Разность потенциалов между двумя точками цепи: показывает, сколько энергии источник отдаёт каждой порции заряда; обозначается U, измеряется в вольтах (В). Ток течёт «через» деталь, а напряжение измеряют «на» детали — между двумя её выводами.

✗ «Напряжение течёт по проводам». Нет: течёт ток; напряжение — «толкающая» разница между двумя точками, само оно никуда не течёт.

Соединение деталей расплавленным припоем: паяльник греет место пайки, припой растекается и, застыв, даёт прочный токопроводящий контакт; флюс убирает окислы, без него припой не прилипает. Хорошая пайка блестит и облегает вывод, «холодная» — матовая и хрупкая.

✗ «Паяльник плавит сами провода». Нет: плавится только припой; детали лишь нагреваются, чтобы припой к ним прилип.

Ток, направление и величина которого периодически меняются; в российской розетке — 50 колебаний в секунду (частота 50 Гц) при напряжении 230 В. Переменный ток удобен тем, что его напряжение легко менять трансформатором — так энергию передают на сотни километров. Электронике нужен постоянный ток: блок питания выпрямляет и понижает сетевой.

✗ «В розетке, как в батарейке, ток всегда течёт в одну сторону». Нет: ток в розетке меняет направление 100 раз в секунду — 50 полных колебаний; в одну сторону течёт постоянный ток батарейки.

Пластина из стеклотекстолита с медной фольгой: лишнюю медь убирают — остаются дорожки, повторяющие схему. Сверху — защитная паяльная маска (обычно зелёная) и белые надписи-обозначения. Детали вставляют в отверстия или ставят на поверхность и припаивают. Плата надёжнее макетки: соединения не выпадают и не путаются.

✗ «Дорожки на плате — это краска или рисунок». Нет: это медные проводники; зелёный цвет — защитная маска поверх них, а не сами дорожки.

Свойство источника или детали иметь два неравнозначных вывода — «+» и «−»; ток во внешней цепи направлен от плюса к минусу. Полярные детали (светодиод, зуммер, электролитический конденсатор) работают только при верном подключении, лампочка и резистор — неполярные.

✗ «Работает только плюс, а минус — «пустой» конец». Нет: ток идёт по кругу через оба полюса; без минуса цепь не замкнётся.

Последовательно — элементы стоят в одной дорожке: ток через все одинаков, напряжение делится, обрыв любого гасит всю цепь. Параллельно — у каждого своя ветвь: напряжение на всех одно, токи ветвей складываются, ветви независимы. Поэтому старая гирлянда гаснет целиком из-за одной лампочки, а розетки в доме работают независимо.

✗ «Параллельные лампочки светят вполнакала, потому что делят ток». Нет: каждая параллельная ветвь получает полное напряжение источника; вполнакала светят лампочки, соединённые последовательно.

Переменный резистор с тремя выводами: два конца резистивной дорожки и ползунок, скользящий по ней. Между крайними выводами сопротивление постоянно, а ползунок делит его на две части — получается регулируемый делитель напряжения: поворот ручки плавно меняет напряжение на среднем выводе от нуля до напряжения питания.

✗ «Потенциометр включают двумя выводами, как обычный резистор». Нет: его главный режим — делитель напряжения на всех трёх выводах; включение двумя выводами — лишь частный случай, реостат.

Одноразовый защитный элемент с номиналом по току (написан на корпусе): при токе заметно выше номинала плавкая вставка расплавляется и размыкает цепь — главная защита от короткого замыкания. Включается последовательно с защищаемой цепью. Менять — только на тот же номинал: «жучок» из толстой проволоки оставляет цепь без защиты.

✗ «Предохранитель защищает прибор от любых поломок». Нет: он разрывает цепь только при слишком большом токе — спасает от перегрева и пожара, а прибор к этому моменту может уже выйти из строя.

Условное изображение цепи: элементы рисуют стандартными значками (у резистора, диода, конденсатора — свои), соединения — линиями, точка на пересечении линий — контакт. Схема передаёт электрические связи, а не расположение деталей. Читают её от источника питания, прослеживая, куда может идти ток.

✗ «Схема рисует, как детали лежат на столе или на плате». Нет: принципиальная схема показывает только электрические соединения; расположением деталей занимаются монтажная схема и чертёж платы.

Припой — легкоплавкий сплав (ходовой ПОС-61 — олово со свинцом), часто в виде проволоки с флюсом внутри. Флюс (например, канифоль) при нагреве растворяет плёнку окислов и не даёт металлу окисляться снова, пока припой растекается и смачивает поверхности. Без флюса припой не смачивает металл, и соединение не держится.

✗ «Флюс — это клей, который держит детали». Нет: держит застывший припой; флюс лишь очищает металл от окислов, чтобы расплавленный припой смог его смочить.

Проводник для соединения элементов цепи: медная жила (одна толстая или много тонких) в изоляции, которая ток не проводит и защищает от замыканий. Чем толще жила, тем больший ток провод выдерживает без нагрева.

✗ «Ток идёт по цветной оболочке провода». Нет: ток течёт по металлу внутри; пластиковая оболочка ток не проводит — она защита.

Деление веществ по способности проводить ток: в проводниках (металлы, графит, солёная вода) много свободных заряженных частиц, в изоляторах (пластик, резина, керамика, сухое дерево) их почти нет. Тело человека — проводник, поэтому оголённых проводов не касаются: изоляция — это защита.

✗ «Изолятор не пропускает ток ни при каких условиях». Нет: при достаточно большом напряжении пробивается любой изолятор — даже воздух, когда бьёт молния.

Деталь с точно известным сопротивлением: ограничивает ток и делит напряжение; номинал в омах нанесён цветными полосками или цифрами. Главные параметры — сопротивление и мощность, которую резистор может рассеять без перегрева.

✗ «После резистора ток меньше, чем до него». Нет: в последовательной цепи ток одинаков в любой точке; резистор уменьшает его сразу во всём кольце.

Полупроводниковая деталь: светится, когда ток идёт через неё в прямом направлении, в обратном — ток не пропускает. Загорается, лишь когда напряжение на нём достигает порога — клапану нужен достаточный напор. Ток обязательно ограничивают резистором, иначе светодиод перегорит; цвет свечения задаёт кристалл, а не окраска линзы.

✗ «Светодиод — та же лампочка, можно включать в батарейку напрямую». Нет: без резистора ток ничем не ограничен и светодиод перегорает; и светит он только при верной полярности.

Свойство проводника ограничивать ток; обозначается R, измеряется в омах (Ом). Зависит от материала, длины и толщины: длинный тонкий провод сопротивляется току сильнее короткого толстого. Чем больше сопротивление при том же напряжении, тем меньше ток.

✗ «Сопротивление есть только у резисторов». Нет: сопротивление есть у любого проводника — у провода, лампочки, мотора и даже у тела человека.

Резистор с сильной зависимостью сопротивления от температуры. NTC-тип при нагреве уменьшает сопротивление, PTC — увеличивает. Номинал указывают для 25 °C, ходовой — 10 кОм. Это датчик температуры в 3D-принтерах, зарядных устройствах, моторах; чаще всего там стоит NTC.

✗ «Терморезистор сам показывает градусы». Нет: он лишь меняет сопротивление от температуры; в градусы значение пересчитывает схема или программа по формуле или таблице.

Полимерная трубка, растянутая при изготовлении: нагрев «возвращает» ей прежний, меньший диаметр, и она обжимает соединение — изолирует его и защищает провод от излома. Трубку надевают на провод до пайки и сдвигают подальше от места нагрева, иначе сядет раньше времени. Усаживают строительным феном; открытым пламенем легко пережечь.

✗ «Термоусадка — та же изолента, только трубкой». Нет: от нагрева трубка усаживается и плотно обжимает соединение; в отличие от изоленты она не сползает и не разматывается со временем.

Полупроводниковый элемент с тремя выводами: небольшой ток или напряжение на управляющем выводе открывает путь большому току между двумя другими. Режим ключа — полностью открыт или закрыт: так плата управляет моторами и светодиодными лентами. Режим усилителя — открыт частично и повторяет форму слабого сигнала в сильном токе.

✗ «Транзистор усиливает сигнал из ничего». Нет: энергию даёт источник питания; транзистор лишь управляет большим током по команде слабого сигнала.

Резистор, сопротивление которого зависит от освещённости: в темноте — сотни килоом и больше, на ярком свету падает до сотен ом — единиц килоом. Полярности нет, включается как обычный резистор. Основа датчиков света: уличные фонари-автоматы, ночники, «умный дом».

✗ «Фоторезистор вырабатывает электричество из света». Нет: это солнечная батарея; фоторезистор лишь меняет своё сопротивление, а ток даёт источник питания.

Соединение источника питания и потребителей проводниками в замкнутый контур, по которому течёт ток. Элементы обозначаются на схеме условными знаками; соединения бывают последовательные и параллельные.

✗ «Ток расходуется в лампочке». Нет: сколько тока втекает в лампочку, столько из неё и вытекает; расходуется энергия, а не ток.

Направленное движение заряженных частиц (в металле — электронов) по замкнутой цепи; обозначается I, измеряется в амперах (А). Сила тока показывает, сколько заряда проходит через провод за секунду; в последовательной цепи ток одинаков во всех точках.

✗ «Электроны мчатся по проводу со скоростью света». Нет: сами электроны ползут миллиметры в секунду; почти мгновенно передаётся «толчок» — как в трубе, уже полной воды.