Телевизор 

Основы цифровой техники для чайников. Школа для электрика: все об электротехнике и электронике

Содержание:

Существует множество понятий, которые нельзя увидеть собственными глазами и потрогать руками. Наиболее ярким примером служит электротехника, состоящая из сложных схем и малопонятной терминологии. Поэтому очень многие просто отступают перед трудностями предстоящего изучения этой научно-технической дисциплины.

Получить знания в этой области помогут основы электротехники для начинающих, изложенные доступным языком. Подкрепленные историческими фактами и наглядными примерами, они становятся увлекательными и понятными даже для тех, кто впервые столкнулся с незнакомыми понятиями. Постепенно продвигаясь от простого к сложному, вполне возможно изучить представленные материалы и использовать их в практической деятельности.

Понятия и свойства электрического тока

Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.

Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.

Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:

  • Нагревание проводника, по которому протекает ток.
  • Изменение химического состава проводника под действием тока.
  • Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.

Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором - периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах

Основные токовые величины

При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется , измеряемой в амперах .

Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как . Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица - вольт . Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.

Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление , измеряемое в омах . Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока - 1 А.

Закон Ома

Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и . Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.

Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:

  1. Сила тока: I = U/R (ампер).
  2. Напряжение: U = I x R (вольт).
  3. Сопротивление: R = U/I (ом).

Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким - на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов - напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.

Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.

Энергия и мощность в электротехнике

В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность , связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.

Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P = I x U, единицей измерения служит . Он означает перемещение одним вольтом через сопротивление в один ом.

Таким образом, основы электротехники для начинающих помогут на первых порах разобраться с основными понятиями и терминами. После этого будет значительно легче использовать полученные знания на практике.

Электрика для чайников: основы электроники

Твоё путешествие в мир электроники мы начнем с погружения в цифровую электронику. Во-первых, потому что это верхушка пирамиды электронного мира, во-вторых, базовые понятия цифровой электроники просты и понятны.

Задумывался ли ты о том, какой феноменальный прорыв в науке и технике произошел благодаря электронике и цифровой электронике в частности? Если нет, тогда возьми свой смартфон и внимательно на него посмотри. Такая простая с виду конструкция -- результат огромной работы и феноменальных достижений современной электроники. Создание такой техники стало возможным благодаря простой идее о том, что любую информацию можно представить в виде чисел. Таким образом, независимо от того, с какой информацией работает устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.

Тебе наверняка знакомы римские и арабские цифры. В римской системе числа представляются в виде комбинации букв I, V, X, L, C, D, M, а в арабской с помощью комбинации символов 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Но существуют и другие формы представления числа. Одна из них -- это двоичная форма. Или, как её чаще называют, двоичная система счисления. В такой системе счисления любое число представляет собой последовательность только из "0" и "1".

Арабские Римские Двоичные
0 - 00
1 I 01
2 II 10
3 III 11

Математики c инженерами хорошо потрудились, и сегодня любая информация может быть представлена в виде комбинации нулей и единиц: сигнал с датчика движения, музыка, видео, фото, температура, и даже вот этот текст, который ты сейчас читаешь, на самом деле в недрах твоего устройства имеет вид последовательности из нулей и единиц.

Независимо от того, с какой информацией работает цифровое устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.

Почему именно "0" и "1", а не "0", "1" и "2", к примеру? На самом деле были вполне успешные попытки создать цифровую технику, которая использует не двоичную, а троичную систему исчисления ("0", "1" и "2"), но двоичная все же победила.

Возможно, победа досталась ей, потому что СССР развалился, а может потому, что "0" и "1" легче представить в виде электрических сигналов. А значит, цифровые устройства на основе двоичной системы исчисления проще и дешевле производить. Подробнее о двоичных числах я расскажу позже.

Структура цифрового устройства

Почти в каждом цифровом устройстве встречаются типовые элементы, из комбинации которых оно состоит. Какие-то элементы совсем простые, какие-то более сложные, а какие-то совсем сложные. В любительской практике чаще всего встречаются: триггеры, таймеры, счетчики, регистры, микроконтроллеры, компараторы и др.

Давай выберем что-нибудь из этого списка и посмотрим, как оно устроено. Пусть это будет микроконтроллер (МК)! Ладно, признаюсь. Микроконтроллер я выбрал неспроста. Дело в том, что именно появление микропроцессоров произвело настоящую революцию в электронике и выдвинуло её развитие на новый уровень.

МК является наиболее многочисленным и популярным видом микропроцессоров в мире. Особенным его делает то, что микроконтроллер представляет собой микро-PC -- целый компьютер в одной микросхеме. Представь себе компьютер размером, например, с копейку. Вот это и есть МК.

Микроконтроллеры используются повсеместно: в современных телевизорах, холодильниках, планшетах, охранных системах. Везде, где требуется чем-то управлять, микроконтроллер может найти своё место. А всё благодаря тому, что, как и любой микропроцессор, МК можно программировать. В итоге один и тот же вид микросхем можно использовать в сотнях различных устройств.

В наше время наибольшей популярностью пользуются, к примеру, микроконтроллеры AVR, PIC, ARM. Каждая из компаний, что выпускает перечисленные виды МК, производит десятки, если не сотни, разновидностей микроконтроллеров, предназначенных под все мыслимые и немыслимые задачи.

Как работает микроконтроллер

Несмотря на всю сложность конструкции настоящего микроконтроллера, рассказать, как он функционирует можно всего одним предложением: "В память микроконтроллера записывается текст программы, МК считывает команды из этой программы и выполняет их", -- вот и всё.

Конечно, МК не может выполнить какие угодно команды. У него есть базовый набор команд, которые он понимает и знает как выполнить. Комбинируя эти команды, можно получить практически любую программу, с помощью которой устройство будет делать именно то, что от него хотят.

В современном мире микропроцессор (МК тоже микропроцессор, но специализированный) может иметь либо очень много базовых команд, либо очень мало. Это такое условное разделение, для которого даже придумали два термина: CISC и RISC. CISC -- это много разных видов команд на все случаи жизни, RISC -- это только наиболее необходимые и часто использующиеся команды, т.е. сокращенный набор команд.

Большинство микроконтроллеров исповедуют RISC. Объясняется это тем, что при использовании сокращенного набора команд микроконтроллеры проще и дешевле для производства, их легче и быстрей осваивают разработчики аппаратуры. Между CISC и RISC много различий, но сейчас принципиально важно запомнить только то, что CISC -- много команд, RISC -- мало команд. Глубже с этими двумя идеями познакомимся как-нибудь в другой раз.

Что происходит, когда включается микроконтроллер?

Итак, давай представим идеальный мир, в котором у тебя есть МК и в его память уже записана программа. Или, как обычно говорят, МК "прошит" (при этом программу называют "прошивкой") и готов к бою.

Что произойдёт, когда ты подашь питание на свою схему с МК? Оказывается, ничего особенного. Там нет вообще никакой магии. Происходить будет следующее:

После подачи питания микроконтроллер пойдёт смотреть, что находится в памяти. При этом он "знает", куда следует смотреть, чтобы найти первую команду своей программы .

Местоположение начала программы устанавливается при производстве МК и никогдане меняется. МК считает первую команду, выполнит её, затем считает вторую команду, выполнит её, затем третью и так до последней. Когда же он считает последнюю команду, то всё начнётся сначала, так как МК выполняет программу по кругу, если ему не сказали остановится. Так вот он и работает.

Но это не мешает писать сложные программы, которые помогают управлять холодильниками, пылесосами, промышленными станками, аудиоплеерами и тысячами других устройств. Ты тоже можешь научиться создавать устройства с МК. Это потребует времени, желания и немножко денег. Но это такие мелочи, правда?

Как устроен типичный МК

Любая микропроцессорная система стоит на трёх китах:

  1. Процессор (АЛУ + устройство управления),
  2. Память (ROM, RAM, FLASH),
  3. Порты ввода-вывода .

Процессор с помощью портов ввода-вывода получает/отправляет данные в виде чисел, производит над ними различные арифметические операции и сохраняет их в память. Общение между процессором, портами и памятью осуществляет по проводам, которые называются шиной (шины делятся на несколько видов по назначению). Это общая идея работы МП-системы. Вот как на картинке ниже.

МК, как я уже писал, тоже микропроцессор. Просто специализированный. Физическая структура микросхем МК разных серий может существенно различаться, но идейно они будут похожи и будут иметь такие, например, блоки как: ПЗУ, ОЗУ, АЛУ, порты ввода/вывода, таймеры, счетчики, регистры.

ПЗУ Постоянная память. Всё, что в неё записано, остаётся в ПЗУ и после того как устройство было отключено от питания.
ОЗУ Временная память. ОЗУ -- это рабочая память МК. В неё помещаются все промежуточные результаты выполнения команд или данные от внешних устройств.
АЛУ Математический мозг микроконтроллера. Именно он складывает, вычитает, умножает, а иногда и делит, сравнивает нолики и единички в процессе выполнения команд программы. Один из важнейших органов МК.
Порты I/O Просто устройства для общения МК с внешним миром. Без них ни во внешюю память записать, ни данные от датчика или клавиатуры получить нельзя.
Таймеры Готовил торт или курицу? Ставил таймер, чтобы он тебя оповестил, когда блюдо будет готово? Вот в МК таймер выполняет схожие функции: отсчитывает интервалы, выдаёт сигнал о срабатывании и т.д.
Счетчики Пригождаются, когда требуется что-либо подсчитать.
Регистры Самое непонятное слово для тех, кто хоть раз пытался освоить Асемблер самостоятельно. А между прочим они своего рода выполняют роль быстрой ОЗУ МК. Каждый регистр представляет собой своего рода ячейку памяти. И в каждом МК их всего несколько десятков.

Современный масштаб развития цифровой электроники настолько огромен, что даже по каждому пункту из этой табилцы можно написать целую книгу, а то и не одну. Я же опишу базовые идеи, которые помогут дальше самостоятельно разобраться более подробно в каждом из устройств.

Мозг микроконтроллера

Микропроцессор/микроконтроллер всегда работает по заложенной в него программе. Программа состоит из последовательности операций, которые МК умеет выполнять. Операции выполняются в ЦПУ -- это мозг микроконтроллера. Именно этот орган умеет производить арифметические и логические операции с числами. Но есть ещё четыре важных операции, которые он умеет делать:

  • чтение из ячейки памяти
  • запись в ячейку памяти
  • чтение из порта В/В
  • запись в порт В/В

Эти операции отвечают за чтение/запись информации в память и во внешние устройства через порты ввода/вывода. И без них любой процессор проверащается в бесполезный хлам.

Технически процессор состоит из АЛУ (калькулятор процессора) и управляющего устройства, которое дерижирует взаимодействием между портами ввода-вывода, памятью и арифметико-логическим устройством (АЛУ).

Память микроконтроллера

Ранее в таблице с типичными устройствами, входящими в МК, я указал два вида памяти: ПЗУ и ОЗУ. Различие между ними заключается в том, что в ПЗУ данные сохраняются между включениями устройства. Но при этом ПЗУ (ROM) довольно медленная память. Поэтому и существует ОЗУ (RAM), которая довольно быстра, но умеет хранить данные только тогда, когда на устройство подано питание. Стоит выключить устройство и все данные оттуда...пшик и нету.

Если у тебя есть ноутбук или персональный компьютер, то тебе знакома например такая ситуация: писал гору текста, забыл сохранить его на жесткий диск, внезапно пропало электричество. Включаешь компьютер, а текста нет. Всё верно. Пока ты его писал, он хранился в ОЗУ. Поэтому текст и пропал с выключением компьютера.

В зарубежном мире ОЗУ и ПЗУ называют RAM и ROM:

  1. RAM (Random Access Memory) -- память со случайны доступом
  2. ROM (Read Only Memory) -- память только для чтения

У нас же их еще называют энергозависимой и энергонезависимой памятью. Что на мой взгляд более точно отражает природу каждого вида памяти.

ПЗУ

Сейчас всё больше получила распространение ПЗУ память типа FLASH (или, по-нашему, ЭСПЗУ). Она позволяет сохранять данные даже тогда, когда устройство выключено. Поэтому в современных МК, например в МК AVR в качестве ПЗУ используются именно FLASH-память.

Раньше микросхемы ПЗУ-памяти были однократно-программируемыми. Поэтому если были записаны программа или данные с ошибками, то такую микросхемы просто выкидывали. Чуть позже появились ПЗУ, которые можно было перезаписывать многократно. Это были чипы с ультрафиолетовым стиранием. Они довольно долго прожили и даже сейчас встречаются в некоторых устройствах из 1990-х...2000-х годов. Например, вот такая ПЗУ родом из СССР.

У них был один существенный минус -- при случайно засветке кристалла (тот, что виден в окошечке) программа могла быть повреждена. А также ПЗУ до сих пор работает медленней, чем ОЗУ.

ОЗУ

Оперативная память в отличие от ПЗУ, ППЗУ и ЭСПЗУ является энергозависимой и при выключении питания устройства все данные в ОЗУ пропадают. Но без неё не обходится ни одно микропроцессорное устройство. Так как в процессе работы требуется где-то хранить результаты вычислений и данные, с которыми работает процессор. ПЗУ для этих целей не подходит из-за своей медлительности.

ПАМЯТЬ ПРОГРАММ И ПАМЯТЬ ДАННЫХ

Помимо разделения на энергозависимую (ОЗУ) и энергонезависимую память в микроконтроллерах есть разделение на память данных и память программ. Это значит, что в МК есть специальная память, которая предназначена только для хранения программы МК. В нынешние времена обычно это FLASH ПЗУ. Именно из этой памяти микроконтроллер считывает команды, которые выполняет.

Отдельно от памяти программ существует память данных, в которую помещаются промежуточные результаты работы и любые другие данные, требующиеся программе. Память программ -- это обычное ОЗУ.

Такое разделение хорошо тем, что никакая ошибка в программе не сможет повредить саму программу. К примеру, когда по ошибке МК попытается записать на место какой-нибудь команды в программе случайное число. Получается что программа надёжно защищена от повреждения. Кстати, у такого разделения есть своё особо название -- "гарвардская архитектура".

В 1930-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. В конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура компьютера Марк I, в дальнейшем называемая по имени этого университета.

Ниже я схематично изобразил гарвардскую архитектуру:

Таким образом программа и данные, с которыми она работает, физически храняться в разных местах. Что касается больших процессорных систем подобных персональному компьютеру, то в них данные и программа во время работы программы хранятся в одном и том же месте.

ИЕРАРХИЯ ПАМЯТИ

КАК УСТРОЕН МОЗГ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Ты уже значешь, что мозгом МК является ЦПУ -- центральный процессор, который состоит из АЛУ (арифметико-логическое устройство) и устройства управления (УУ). УУ дерижирует всем оркестром из памяти, внешних устройств и АЛУ. Благодаря ему МК может выполнять команды в том порядке в каком мы этого хотим.

АЛУ -- это калькулятор, а УУ говорит АЛУ что, с чем, когда и в какой последовательности вычислять или сравнивать. АЛУ умеет складывать, вычитать, иногда делить и умножать, выпонять логические операции: И, ИЛИ, НЕ (о них будет чуть позже)

Любой компьютер, МК в том числе, умеет сегодня работать только с двоичными числами, составленными из "0" и "1". Именно эта простая идея привела к революции в области электроники и взрывному развитию цифровой техники.

Предположим, что АЛУ надо сложить два числа: 2 и 5. В упрощенном виде это будет выглядеть так:

При этом УУ знает в каком месте памяти взять число "2", в каком число "5" и в какое место памяти поместить результат. УУ знает обо всём этом потому, что оно прочитало об этом в команде из программы, которую в данный момент прочитало в программе. Более подробно про арефмитические операции с двоичными числами и как устроен сумматор АЛУ изнутри я расскажу чуть позже.

Хорошо, скажешь ты, а что если нужно получить эти числа не из программы, а из вне, например, с датчика? Как быть? Вот тут в игру и вступают порты ввода-вывода, с помощью которых МК может принимать и передавать данных на внешние устройства: дисплеи, датчики, моторы, задвижки, принтеры и т.д.

ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ

Тебе наверняка хорошо знакомо шуточное высказывание про "женскую логику"? Но речь пойдет не о ней, а логике в принципе. Логика оперирует причинно-следственными связями: если солнце взошло, то стало светло. Причина "солнце взошло" вызвала следствие "стало светло". При этом про каждое утверждение мы можем сказать "ИСТИНА" или "ЛОЖЬ".

Например:

  • "Птицы плавают под водой" -- это ложь
  • "Вода мокрая" -- при комнатной температуре это утверждение истинно

Как ты заметил, второе утверждение при определённых условиях может быть как истинным, так и ложным. В нашем компьютере есть только числа и инженеры с математичками придумали обозначать истину "1", а ложь "0". Это дало возможность записывать истинность утверждения в виде двоичных чисел:

  • "Птицы плавают под водой" = 0
  • "Вода мокрая" = 1

А ещё такая запись позволила математикам выполнять с этими утверждениями целые операции -- логические операции. Первым до этого додумался Джордж Буль. По имени которого и названа такая алгебра: "булева алгебра", которая оказалась очень удобной для цифровых машин.

Вторая половина АЛУ -- это логические операции. Они позволяют "сравнивать" утверждения. Базовых логических операций всего несколько штук: И, ИЛИ, НЕ, -- но этого достаточно, так как более сложные могут комбинироваться из этих трёх.

Логическая операция И обозначает одновременность утверждений, т.е. что оба утверждения истинны одновременно. Например утверждение будет истинно только тогда, когда оба более простых утверждения будут истинны. Во всех остальных случаях результат операции логического И будет ложным

Логическая операция ИЛИ будет истинно, если хотя бы одно из участвующих в операции утверждений будет истинно. "Птицы плавают под водой" И "Вода мокрая" истинно, так как истинно утверждение "вода мокрая"

Логическое операция НЕ меняет истинность утверждения на противоположное значение. Это логическое отрицание. Например:

Солнце всходит каждый день = ИСТИНА

НЕ (Солнце всходит каждый день) = НЕ ИСТИНА = ЛОЖЬ

Благодаря логическим операция мы можем сравнивать двоичные числа, а так как наши двоичные числа всегда что-то обозначают, например, какой-нибудь сигнал. То получается, что благодаря булевой алгебре мы можем сравнивать настоящие сигналы. Этим логическая часть АЛУ и занимается.

УСТРОЙСТВО ВВОДА-ВЫВОДА

Наш МК должен общаться с внешним миром. Только тогда он будет представлять из себя полезное устройство. Для этого у МК есть особые устройства, которые называются устройствами ввода-вывода.
Благодаря этим устройствам мы можем посылать в микроконтроллер сигналы от датчиков, клавиатуры и других внешних приборов. А МК после обработки таких сигналов отправит через устройства вывода ответ, с помощью которого можно будет регулировать скорость вращения двигателя или яркость свечения лампы.

Подведу итоги:

  1. Цифровая электроника -- верхушка айсберга электроники
  2. Цифровое устройство знает и понимает только числа
  3. Любая информация: сообщение, текст, видео, звук, -- могут быть закодированы с помощью двоичных чисел
  4. Микроконтроллер -- это микрокомпьютер на одной микросхеме
  5. Любая микропроцессорная система состоит из трёх частей: процессор, память, устройства ввода-вывода
  6. Процессорс состоит из АЛУ и управляющего устройства
  7. АЛУ умеет выполнять арифметические и логические операции с двоичными числами

Оставайся с нами. В следующих статьях я расскажу более подробно как устроена память МК, порты ввода-вывода и АЛУ. А после этого мы пойдём ещё дальше и в итоге дойдём до аналоговой электроники.

p.s.
Нашёл ошибку? Сообщи мне!

/blog/tsifrovaya-elektronika-chto-eto/ В этом рассказе первые шаги в мир электроники делаются с необычного направления. Своё путешествие по электронике ты начинаешь с мира цифровой схемотехники, с микроконтроллеров 2016-11-17 2016-12-26 цифровая электроника, цифровая схемотехника, микроконтроллер, логические элементы

Большой радиолюбитель и конструктор программ

Каждый из нас, когда начинает увлекаться чем-то новым, сразу кидается в «пучину страсти» пытаясь выполнить или реализовать непростые проекты самоделок . Так было и со мной, когда я увлекся электроникой. Но как обычно бывает – первые неудачи поубавили запал. Однако отступать я не привык и начал систематически (буквально с азов) постигать таинства мира электроники. Так и родилось «руководство для начинающих технарей»

Шаг 1: Напряжение, ток, сопротивление

Эти понятия являются фундаментальными и без знакомства с ними продолжать обучение основам было бы бессмысленно. Давайте просто вспомним, что каждый материал состоит из атомов, а каждый атом в свою очередь имеет три типа частиц. Электрон — одна из этих частицы, имеет отрицательный заряд. Протоны же имеют положительный заряд. В проводящих материалах (серебро, медь, золото, алюминий и т.д.) есть много свободных электронов, которые перемещаются хаотично. Напряжение является той силой, которая заставляет электроны перемещаться в определенном направлении. Поток электронов, который движется в одном направлении, называется током. Когда электроны перемещаются по проводнику, то они сталкиваются с неким трением. Это трение называют сопротивлением. Сопротивление «ужимает» свободное перемещения электронов, таким образом снижая величину тока.

Более научное определение тока – скорость изменения количество электронов в определенном направлении. Единица измерения тока — Ампер (I). В электронных схемах протекающий ток лежит в диапазоне миллиампера (1 ампер = 1000 миллиампер). Например, свойственный ток для светодиода 20mA.

Единица измерения напряжения – Вольт (В). Батарея – является источником напряжения. Напряжение 3В, 3.3В, 3.7В и 5В является наиболее распространенным в электронных схемах и устройствах.

Напряжение является причиной, а ток – результатом.

Единица измерения сопротивления – Ом (Ω).

Шаг 2: Источник питания

Аккумуляторная батарея — источник напряжения или «правильно» источник электроэнергии. Батарея производит электроэнергию за счет внутренней химической реакции. На внешней стороне у неё присутствуют две клеммы. Одна из них является положительным выводом (+ V), а другая отрицательным (-V), или «землёй». Обычно источники питания бывают двух типов.

  • Батареи;
  • Аккумуляторы.

Батарейки используются один раз, а затем утилизируются. Аккумуляторы могут быть использованы несколько раз. Батарейки бывают разных форм и размеров, от миниатюрных, используемых для питания слуховых аппаратов и наручных часов до батарей размером с комнату, которые обеспечивают резервное питание для телефонных станций и компьютерных центров. В зависимости от внутреннего состава источники питания могут быть разных типов. Несколько наиболее распространённых типов, используемых в робототехнике и технических проектах:

Батареи 1,5 В

Батарейки с таким напряжением могут иметь различные размеры. Наиболее распространённые размеры АА и ААА. Диапазон ёмкости от 500 до 3000 мАч.

3В литиевая «монетка»

Все эти литиевые элементы рассчитаны номинально на 3 В (при нагрузке) и с напряжением холостого хода около 3,6 вольт. Ёмкость может достигать от 30 до 500мAч. Широко используется в карманных устройствах за счёт их крошечных размеров.

Никель-металлогидридные (NiМГ)

Эти батареи имеют высокую плотность энергии и могут заряжаться почти мгновенно. Другая важная особенность — цена. Такие аккумуляторы дешёвые (в сравнение с их размерами и ёмкостями). Этот тип батареи часто используется в робототехнических самоделках .

3.7 В литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Они имеют хорошую разряжающую способность, высокую плотность энергии, отличную производительность и небольшой размер. Литий-полимерный аккумулятор широко используется в робототехнике.

9-вольтовая батарея

Наиболее распространенная форма — прямоугольная призма с округленными краями и клеммами, что расположены сверху. Ёмкость составляет около 600 мАч.

Свинцово-кислотные

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются рабочей лошадкой всей радио-электронной промышленности. Они невероятно дешёвы, перезаряжаются и их легко купить. Свинцово-кислотные аккумуляторы используются в машиностроении, UPS (источниках бесперебойного питания), робототехнике и других системах, где необходим большой запас энергии, а вес не так важен. Наиболее распространенными являются напряжения 2В, 6В, 12В и 24В.

Последовательно-параллельное соединение батарей

Источник питания может быть подключен последовательно или параллельно. При подключении последовательно величина напряжения увеличивается, а когда подключение параллельное – увеличивается текущая величина тока.

Существует два важных момента относительно батарей:

Емкость является мерой (как правило, в Aмп-ч) заряда, хранящейся в батарее, и определяется массой активного материала, содержащегося в ней. Ёмкость представляет собой максимальное количество энергии, которую можно извлечь при определенно заданных условиях. Тем не менее, фактические возможности хранения энергии аккумулятора могут значительно отличаться от номинального заявленного значения, а ёмкость батареи сильно зависит от возраста и температуры, режимов зарядки или разрядки.

Ёмкость батареи измеряется в ватт-часах (Вт*ч), киловатт-часах (кВт-ч), ампер-часах (А*ч) или миллиампер-час (мА * ч). Ватт-час – это напряжение (В) умноженное на силу тока(I) (получаем мощность – единица измерения Ватты (Вт)), которое может выдавать батарея определенный период времени (как правило, 1 час). Так как напряжение фиксируемое и зависит от типа аккумулятора (щелочные, литиевые, свинцово-кислотные, и т.д.), часто на внешней оболочке отмечают лишь Ач или мАч (1000 мАч = 1Aч). Для более продолжительной работы электронного устройства необходимо брать батареи с низким током утечки. Чтобы определить срок службы аккумулятора, разделите ёмкость на фактический ток нагрузки. Цепь, которая потребляет 10 мА и питается от 9-вольтной батареи будет работать около 50 часов: 500 мАч / 10 мА = 50 часов.

Во многих типах аккумуляторов, вы не можете «забрать» энергию полностью (другими словами, аккумулятор не может быть полностью разряжен), не нанося серьезный, и часто непоправимый ущерб химическим составляющим. Глубина разрядки (DOD) аккумулятора определяет долю тока, которая может быть извлечена. Например, если DOD определено производителем как 25%, то только 25% от ёмкости батареи может быть использовано.

Темпы зарядки/разрядки влияют на номинальную ёмкость батареи. Если источник питания разряжается очень быстро (т.е., ток разряда высокий), то количество энергии, которое может быть извлечено из батареи снижается и ёмкость будет ниже. С другой стороны если батарея разряжается очень медленно (используется низкий ток), то ёмкость будет выше.

Температура батареи также будет влиять на ёмкость. При более высоких температурах ёмкость аккумулятора, как правило, выше, чем при более низких температурах. Тем не менее, намеренное повышение температуры не является эффективным способом повышения ёмкости аккумулятора, так как это также уменьшает срок службы самого источника питания.

С-Ёмкость: Токи заряда и разряда любой аккумуляторной батареи измеряются относительно её емкости. Большинство батарей, за исключением свинцово-кислотных, оценено в 1C. Например, батарея с ёмкостью 1000mAh, выдает 1000mA в течение одного часа, если уровень – 1C. Та же батарея, с уровнем 0.5C, выдает 500mA в течение двух часов. С уровнем 2C, та же батарея выдает 2000mA в течение 30 минут. 1C часто упоминается как одночасовой разряд; 0.5C – как двухчасовой и 0.1C – как 10-часовой.

Ёмкость батареи обычно измеряется с помощью анализатора. Анализаторы тока отображают информацию в процентах отталкиваясь от значения номинальной ёмкости. Новая батарея иногда выдает больше 100 % тока. В таком случае, батарея просто оценена консервативно и может выдержать более длительное время, чем указанно производителем.

Зарядное устройство может быть подобрано с точки зрения ёмкости батареи или величины C. Например зарядное устройство с номиналом C/10 полностью зарядит батарею через 10 часов, зарядное устройство с номиналом в 4C, зарядило бы аккумулятор через 15 минут. Очень быстрые темпы зарядки (1 час или менее) обычно требуют того, чтобы зарядное устройство тщательно контролировало параметры аккумулятора, такие как предельное напряжение и температура, чтобы предотвратить перезаряд и повреждения батареи.

Напряжение гальванического элемента определяется химическими реакциями, что проходят внутри него. Например, щелочные элементы – 1.5 В, все свинцово- кислотные – 2 В, а литиевые – 3 В. Батареи могут состоять из нескольких ячеек, поэтому вы редко, где сможете увидеть 2-вольтовую свинцово-кислотную батарею. Обычно они соединены вместе внутри, чтобы выдавать 6 В, 12 В или 24 В. Не стоит забывать о том, что номинальное напряжение в «1.5-вольтовой» батарее типа AA фактически начинается с 1.6 В, затем быстро опускается к 1.5, после чего медленно дрейфует вниз к 1.0 В, при котором батарею уже принято считать ‘разряженной’.

Как лучше выбрать батарею для поделки ?

Как вы уже поняли, в свободном доступе, можно найти много типов батарей с разным химическим составом, таким образом, не легко выбрать, какое питание является лучшим для именно вашего проекта. Если проект очень энергозависимый (большие системы звука и моторизованные самоделки ) следует выбирать свинцово-кислотную батарею. Если вы хотите построить переносную поделку , которая будет потреблять небольшой ток, то следует выбрать литиевую батарею. Для любого портативного проекта (легкий вес и умеренное питание) выбираем литиево-ионный аккумулятор. Вы можете выбрать более дешёвый аккумулятор на основе метало-никелевого гидрида (NIMH), хотя они более тяжёлые, но не уступают литиево-ионным в остальных характеристиках. Если вы хотели бы сделать энергоёмкий проект то литиево-ионный щелочной (LiPo) аккумулятор будет лучшим вариантом, потому что он имеет маленькие размеры, лёгок по сравнению с другими типами батарей, перезаряжается очень быстро и выдаёт ток высокого значения.

Хотите, чтобы Ваши аккумуляторы прослужили долгое время? Используйте высококачественное зарядное устройство, которое имеет датчики для поддержания надлежащего уровня заряда и подзарядки малым током. Дешёвое зарядное устройство убьёт ваши аккумуляторы.

Шаг 3: Резисторы

Резистор — очень простой и наиболее распространённый элемент на схемах. Он применяется для того, чтобы управлять или ограничивать ток в электрической цепи.

Резисторы — пассивные компоненты, которые только потребляют энергию (и не могут производить её). Резисторы, как правило, добавляются в цепь, где они дополняют активные компоненты, такие как ОУ, микроконтроллеры и другие интегральные схемы. Обычно они используются, чтобы ограничить ток, разделить напряжения и линии ввода/вывода.

Сопротивление резистора измеряется в Омах. Большие значения могут быть сопоставлены с префиксом кило-, мега-, или гига, чтобы сделать значения легко читаемыми. Часто можно увидеть резисторы с меткой кОм и МОм диапазоне (гораздо реже мОм резисторы). Например, 4,700Ω резистор эквивалентен 4.7kΩ резистору и 5,600,000Ω резистор можно записать в виде 5,600kΩ или (более обычно) 5.6MΩ.

Существуют тысячи различных типов резисторов и множество фирм, что их производят. Если брать грубую градацию то существуют два вида резисторов:

  • с чётко заданными характеристиками;
  • общего назначения, чьи характеристики могут «гулять» (производитель сам указывает возможное отклонение).

Пример общих характеристик:

  • Температурный коэффициент;
  • Коэффициент напряжения;
  • Частотный диапазон;
  • Мощность;
  • Физический размер.

По своим свойствам резисторы могут быть классифицированы как:

Линейный резистор — тип резистора, сопротивление которого остается постоянным с увеличением разности потенциалов (напряжения), что прикладываются к нему (сопротивление и ток, что проходит через резистор не изменяется от приложенного напряжения). Особенности вольт-амперной характеристики такого резистора — прямая линия.

Не линейный резистор – это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от значения прикладываемого напряжения или протекающего через него тока. Это тип имеет нелинейную вольт-амперную характеристику и не строго следует закону Ома.

Есть несколько типов нелинейных резисторов:

  • Резисторы ОТК (Отрицательный Температурный Коэффициент) — их сопротивление понижается с повышением температуры.
  • Резисторы ПЕК (Положительный Температурный Коэффициент) — их сопротивление увеличивается с повышением температуры.
  • Резисторы ЛЗР (Светло-зависимые резисторы) — их сопротивление изменяется с изменением интенсивности светового потока.
  • Резисторы VDR (Вольт зависимые резисторы) — их сопротивление критически понижается, когда значение напряжения превышает определенное значение.

Не линейные резисторы используются в различных проектах. ЛЗР используется в качестве датчика в различных робототехнических проектах.

Кроме этого, резисторы бывают с постоянным и переменным значением:

Резисторы постоянного значения — типы резисторов, значение которых уже установлено, при производстве и не может быть изменено во время использования.

Переменный резистор или потенциометр – тип резистора, значение которого может быть изменено во время использования. Этот тип обычно имеет вал, который поворачивается или перемещается вручную для изменения значения сопротивления в фиксированном диапазоне, например, от. 0 кОм до 100 кОм.

Магазин сопротивлений:

Этот тип резистора состоит из «упаковки», в которой содержится два или более резисторов. Он имеет несколько терминалов, благодаря которым может быть выбрано значение сопротивления.

По составу резисторы бывают:

Углеродные:

Сердечник таких резисторов отливается из углерода и связующего вещества, создающих требуемое сопротивление. Сердечник имеет чашеобразные контакты, удерживающие стержень резистора с каждой стороны. Весь сердечник заливается материалом (наподобие бакелита) в изолированном корпусе. Корпус имеет пористую структуру, поэтому углеродные композиционные резисторы чувствительны к относительной влажности окружающей среды.

Эти типы резисторов обычно производит шум в цепи за счёт электронов, проходящих через углеродные частицы, таким образом, эти резисторы, не используются в «важных» схемах, хотя они дешевле.

Осаждения углерода:

Резистор, который сделан путём нанесения тонкого слоя углерода вокруг керамического стержня — называется углеродо-осаждённым резистором. Он изготавливается путем нагревания керамических стержней внутри колбы метана и осаждением углерода вокруг них. Значение резистора определяется количеством углерода, осажденного вокруг керамического стержня.

Пленочный резистор:

Резистор выполнен путем осаждения распыляемого металла в вакууме на керамическую основу прута. Эти типы резисторов очень надежны, имеют высокую устойчивость, а также имеют высокий температурный коэффициент. Хотя они дороже по сравнению с другими, но используются в основных системах.

Проволочный резистор:

Проволочный резистор изготовлен путем намотки металлической проволоки вокруг керамического сердечника. Металлический провод представляет собой сплав различных металлов подобранных согласно заявленным особенностям и сопротивлениям требуемого резистора. Эти тип резистора имеет высокую стабильность, а также выдерживает большие мощности, но, как правило, они более громоздкие по сравнению с другими типами резисторов.

Метало-керамические:

Эти резисторы изготовлены путем обжига некоторых металлов, смешанные с керамикой на керамической подложке. Доля смеси в смешанном метало-керамическом резисторе определяет значение сопротивления. Этот тип очень стабилен, а также имеет точно вымеренное сопротивление. Их в основном используют для поверхностного монтажа на печатных платах.

Прецизионные резисторы:

Резисторы, значение сопротивлений которых лежит в пределах допуска, поэтому они очень точны (номинальная величина находится в узком диапазоне).

Все резисторы имеют допуск, который даётся в процентах. Допуск говорит нам, насколько близко к номинальному значению сопротивления может изменяться. Например, 500Ω резистор, который имеет значение допуска 10%, может иметь сопротивление между 550Ω или 450Ω. Если же резистор имеет допуск 1%, сопротивление будет меняться только на 1%. Таким образом, 500Ω резистор может варьироваться от 495Ω 505Ω.

Прецизионный резистор — резистор, у которого уровень допуска всего 0.005%.

Плавкий резистор:

Проволочный резистор, разработан таким образом, чтобы легко перегореть, когда номинальная мощность превысет граничный порог. Таким образом плавкий резистор имеет две функции. Когда питание не превышено, он служит ограничителем тока. Когда номинальная мощность превышена, оа функционирует как предохранитель, после перегорания цепь становится разорванной, что защищает компоненты от короткого замыкания.

Терморезисторы:

Теплочувствительный резистор, значение сопротивления которого изменяется с изменением рабочей температуры.

Терморезисторы показывают или положительный температурный коэффициент (PTC) или отрицательный температурный коэффициент (NTC).

Насколько изменяется сопротивление с изменениями рабочей температуры зависит от размера и конструкции терморезистора. Всегда лучше проверить справочные данные, чтобы узнать все спецификации терморезисторов.

Фоторезисторы:

Резисторы, сопротивление которых меняется в зависимости от светового потока, что падает на его поверхность. В тёмной среде сопротивление фоторезистора очень высоко, несколько M Ω. Когда интенсивный свет попадает на поверхность, сопротивление фоторезистора существенно падает.

Таким образом фоторезисторы — переменные резисторы, сопротивление которых зависит от количества света, что падает на его поверхность.

Выводные и безвыводные типы резисторов:

Выводные резисторы: Этот тип резисторов использовался в самых первых электронных схемах. Компоненты подключались к выводным клеммам. С течением времени, начали использоваться печатные платы, в монтажные отверстия которых впаивались выводы радиоэлементов.

Резисторы поверхностного монтажа:

Этот тип резистора всё более часто стали использовать начиная с введения технологии поверхностного монтажа. Обычно этот тип резистора создается путём использования тонкоплёночной технологии.

Шаг 4: Стандартные или общие значения резисторов

Система обозначений имеет свои истоки, которые выходят с начала прошлого века, когда большинство резисторов были углеродными с относительно плохими производственными допусками. Объяснение довольно простое – используя 10% допуск можно уменьшить число выпускаемых резисторов. Было бы малоэффективно производить резисторы с сопротивлением 105 Ом, так как 105 находится в пределах 10%-го диапазона допуска резистора на 100 Ом. Следующая рыночная категория составляет 120 Ом, потому что у резистора на 100 Ом с 10%-й терпимостью, будет диапазон между 90 и 110 Ом. У резистора на 120 Ом диапазон лежит между 110 и 130 Ом. По этой логики предпочтительно выпускать резисторы с 10% допуском 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330 и так далее (соответственно округлены). Это — ряд E12, показанный ниже.

Терпимость 20% E6,

Терпимость 10% E12,

Терпимость 5% E24 (и обычно 2%-я терпимость),

Терпимость 2% E48,

E96 1% терпимости,

E192 0,5, 0,25, 0,1% и выше допуски.

Стандартные значения резисторов:

Е6 серии: (20% допуска) 10, 15, 22, 33, 47, 68

E12 серии: (10% допуска) 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82

E24 серии: (5% допуска) 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91

E48 серии: (2% допуска) 100, 105, 110, 115, 121, 127, 133, 140, 147, 154, 162, 169, 178, 187, 196, 205, 215, 226, 237, 249, 261, 274, 287, 301, 316, 332, 348, 365, 383, 402, 422, 442, 464, 487, 511, 536, 562, 590, 619, 649, 681, 715, 750, 787, 825, 866, 909, 953

E96 серии: (1% допуска) 100, 102, 105, 107, 110, 113, 115, 118, 121, 124, 127, 130, 133, 137, 140, 143, 147, 150, 154, 158, 162, 165, 169, 174, 178, 182, 187, 191, 196, 200, 205, 210, 215, 221, 226, 232, 237, 243, 249, 255, 261, 267, 274, 280, 287, 294, 301, 309, 316, 324, 332, 340, 348, 357, 365, 374, 383, 392, 402, 412, 422, 432, 442, 453, 464, 475, 487, 491, 511, 523, 536, 549, 562, 576, 590, 604, 619, 634, 649, 665, 681, 698, 715, 732, 750, 768, 787, 806, 825, 845, 866, 887, 909, 931, 959, 976

E192 серии: (0,5, 0,25, 0,1 и 0,05% допуска) 100, 101, 102, 104, 105, 106, 107, 109, 110, 111, 113, 114, 115, 117, 118, 120, 121, 123, 124, 126, 127, 129, 130, 132, 133, 135, 137, 138, 140, 142, 143, 145, 147, 149, 150, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164, 165, 167, 169, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 187, 189, 191, 193, 196, 198, 200, 203, 205, 208, 210, 213, 215, 218, 221, 223, 226, 229, 232, 234, 237, 240, 243, 246, 249, 252, 255, 258, 261, 264, 267, 271, 274, 277, 280, 284, 287, 291, 294, 298, 301, 305, 309, 312, 316, 320, 324, 328, 332, 336, 340, 344, 348, 352, 357, 361, 365, 370, 374, 379, 383, 388, 392, 397, 402, 407, 412, 417, 422, 427, 432, 437, 442, 448, 453, 459, 464, 470, 475, 481, 487, 493, 499, 505, 511, 517, 523, 530, 536, 542, 549, 556, 562, 569, 576, 583, 590, 597, 604, 612, 619, 626, 634, 642, 649, 657, 665, 673, 681, 690, 698, 706, 715, 723, 732, 741, 750, 759, 768, 777, 787, 796, 806, 816, 825, 835, 845, 856, 866, 876, 887, 898, 909, 920, 931, 942, 953, 965, 976, 988

При разработке оборудования лучше всего придерживаться самого низкого раздела, т.е. лучше использовать E6, а не E12. Таким образом, чтобы число различных групп в любом оборудовании было минимизировано.

Продолжение следует

Видео версия статьи:

Начнем пожалуй с понятия электричества. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В качестве частиц могут выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости.
Есть ещё ток в полупроводниках, но это отдельная тема для разговора. Как пример можно привести высоковольтный трансформатор из микроволновки – сначала электроны бегут по проводам, затем ионы движутся между проводами, соответственно сначала ток идет через металл, а потом через воздух. Вещество называются проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Заряженные частицы несут на себе электрический заряд, который измеряется обозначается q в кулонах.
Единица измерения силы тока называется Ампер и обозначается буковой I, ток величиной в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда величиной 1 Кулон за 1 секунду, то есть грубо говоря сила тока измеряется в кулонах секунду. И по сути сила тока это количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем соответственно больше ток.
Чтобы заставить заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквой V или U. Чтобы получить напряжение величиной 1 Вольт нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж. Согласен, немного непонятно.

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под действием силы тяжести вытекает через трубу. Пусть вода – это электрический заряд, высота водяного столба – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток. Точнее не скорость потока, а количество вытекающей за секунду воды. Вы понимаете, что чем выше уровень воды, тем больше будет давление внизу А чем выше давление внизу, тем больше воды вытечет через трубу, потому что скорость будет выше.. Аналогично чем выше напряжение, тем больший ток будет течь в цепи.

Зависимость между всеми тремя рассмотренными величинами в цепи постоянного тока определяет закон ома, который выражается вот такой формулой, и звучит как сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению. Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.

Добавлю ещё пару слов про сопротивление. Его можно измерить, а можно посчитать. Допустим у нас есть проводник, имеющий известную длину и площадь поперечного сечения. Квадратный, круглый, неважно. Разные вещества имеют разное удельное сопротивление, и для нашего воображаемого проводника существует вот такая формула, определяющая зависимость между длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением. Удельное сопротивление веществ можно найти в интернете в виде таблиц.
Можно опять же провести аналогию с водой: вода течёт по трубе, пусть труба имеет удельную шершавость. Логично предположить, что чем длиннее и уже труба, тем меньше воды будет по ней протекать за единицу времени. Видите, как всё просто? Формулу даже запоминать не нужно, достаточно представить себе трубу с водой.
Что касается измерения сопротивления, то нужен прибор, омметр. В наше время более популярны универсальные приборы – мультиметры, они измеряют и сопротивление, и ток, и напряжение, и ещё кучу всего. Давайте проведём эксперимент. Я возьму отрезок нихромовой проволоки известной длины и площади сечения, найду удельное сопротивление на сайте где я её купил и посчитаю сопротивление. Теперь этот же кусочек измерю при помощи прибора. Для такого маленького сопротивления мне придется вычесть сопротивление щупов моего прибора, которое равно 0.8 Ом. Вот так вот!
Шкала мультиметра разбита по размерам измеряемых величин, это сделано для более высокой точности измерения. Если я хочу измерить резистор с номиналом 100 кОм, я ставлю рукоятку на большее ближайшее сопротивление. В моём случае это 200 килоом. Если хочу измерить 1 килоом, то ставлю на 2 ком. Это справедливо для измерения остальных величин. То есть на шкале отложены пределы измерения, в который нужно попасть.
Давайте продолжим развлекаться с мультиметром и попробуем измерить остальные изученные величины. Возьму несколько разных источников постоянного тока. Пусть это будет блок питания на 12 вольт, юсб порт и трансформатор, который в своей молодости сделал мой дед.
Напряжение на этих источниках мы можем измерить прямо сейчас, подключив вольтметр параллельно, то есть непосредственно к плюсу и к минусу источников. С напряжением всё понятно, его можно взять и измерить. А вот чтобы измерить силу тока, нужно создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток. В электрической цепи обязательно должен быть потребитель, или нагрузка. Давайте подключим потребитель к каждому источнику. Кусочек светодиодной ленты, моторчик и резистор на (160 ом).
Давайте измерим ток, протекающий в цепях. Для этого переключаю мультиметр в режим измерения силы тока и переключаю щуп во вход для тока. Амперметр подключается в цепь последовательно измеряемому объекту. Вот схема, её тоже следует помнить и не путать с подключением вольтметра. Кстати существует такая штуковина как токовые клещи. Они позволяют измерять силу тока в цепи без подключения непосредственно к цепи. То есть не нужно отсоединять провода, просто накидываешь их на провод и они измеряют. Ну ладно, вернёмся к нашему обычному амперметру.

Итак, я измерил все токи. Теперь мы знаем, какой ток потребляется в каждой цепи. Здесь у нас светятся светодиоды, здесь крутится моторчик а здесь…. Так стоять, а че делает резистор? Он не поёт нам песни, не освещает комнату и не вращает никакой механизм. Так на что он тратит целых 90 миллиампер? Так не пойдёт, давайте разбираться. Слышь ты! Ау, он горячий! Так вот куда расходуется энергия! А можно ли как-то посчитать, что здесь за энергия? Оказывается – можно. Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в 19 веке двумя учеными, джеймсом джоулем и эмилием ленцем.
Закон назвали закон джоуля ленца. Он выражается вот такой формулой, и численно показывает, сколько джоулей энергии выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени. Из этого закона можно найти мощность, которая выделяется на этом проводнике, мощность обозначается английской буквой Р и измеряется в ваттах. Я нашёл вот такую очень крутую табличку, которая связывает все изученные нами на этот момент величины.
Таким образом у меня на столе электрическая мощность идёт на освещение, на совершение механической работы и на нагрев окружающего воздуха. Кстати именно на этом принципе работают различные нагреватели, электрочайники, фены, паяльники и прочее. Там везде стоит тоненькая спираль, которая нагревается под действием тока.

Этот момент стоит учитывать при подведении проводов к нагрузке, то есть прокладка проводки к розеткам по квартире тоже входит в это понятие. Если вы возьмете для подведения к розетке слишком тонкий провод и подключите в эту розетку компьютер, чайник и микроволновку, то провод может нагреться вплоть до возникновения пожара. Поэтому есть вот такая табличка, которая связывает площадь поперечного сечения проводов с максимальной мощностью, которая по этим проводам будет идти. Если вздумаете тянуть провода – не забудьте об этом.

Также в рамках этого выпуска хотелось бы напомнить особенности параллельного и последовательного соединения потребителей тока. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление потребителей представляет собой сумму всех сопротивлений. При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, сила тока разделилась, а общее сопротивление вычисляется вот по такой формуле.
Из этого вытекает один очень интересный момент, который можно использовать для измерения силы тока. Допустим нужно измерить силу тока в цепи около 2 ампер. Амперметр с этой задачей не справляется, поэтому можно использовать закон ома в чистом виде. Знаем, что сила тока одинакова при последовательном соединении. Возьмём резистор с очень маленьким сопротивлением и вставим его последовательно нагрузке. Измерим на нём напряжение. Теперь, пользуясь законом ома, найдём силу тока. Как видите, она совпадает с расчётом ленты. Здесь главное помнить, что этот добавочный резистор должен быть как можно меньшего сопротивления, чтобы оказывать минимальное влияние на измерения.

Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае ещё и загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если вы помните начало выпуска, то можете провести аналогию с водой. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно. Этот закон называется закон ома для полной цепи. Таким образом ток короткого замыкания зависит от величины внутреннего сопротивления источника.
Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник. Как я уже говорил, силу тока в цепи определяет нагрузка. Многие писали мне вк и задавали примерно вот такой вопрос, я его слегка утрирую: саня, у меня есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Ток в цепи будет равен 100 миллиампер, и никто никуда не будет гореть. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Запомните, именно потребитель определяет величину тока в цепи. Этот блок может выдать максимум 2 ампера, и когда я закорачиваю его на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не нравится, он работает в экстремальных условиях. А вот если взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.

Давайте для примера произведём расчёт блока питания, который потребуется для питания известного отрезка светодиодной ленты. Итак, закупили мы у китайцев катушку светодиодной ленты и хотим запитать три метра этой самой ленты. Для начала идём на страницу товара и пытаемся найти, сколько ватт потребляет один метр ленты. Эту информацию я найти не смог, поэтому есть вот такая табличка. Смотрим, что у нас за лента. Диоды 5050, 60 штук на метр. И видим, что мощность составляет 14 ватт на метр. Я хочу 3 метра, значит мощность будет 42 ватта. Блок питания желательно брать с запасом на 30% по мощности, чтобы он не работал в критическом режиме. В итоге получаем 55 ватт. Ближайший подходящий блок питания будет на 60 ватт. Из формулы мощности выражаем силу тока и находим её, зная, что светодиоды работают при напряжении 12 вольт. Выходит, нам нужен блок с током 5 ампер. Заходим, например, на али, находим, покупаем.
Очень важно знать потребляемый ток при изготовлении всяких USB самоделок. Максимальный ток, который можно взять от USB, составляет 500 миллиампер, и его лучше не превышать.
И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.

Сейчас без электричества невозможно представить жизнь. Это не только свет и обогреватели, но и вся электронная аппаратура начиная с самых первых электронных ламп и заканчивая мобильными телефонами и компьютерами. Их работа описывается самыми разными, иногда очень сложными формулами. Но даже самые сложные законы электротехники и электроники в основе своей имеют законы электротехники, которые в институтах, техникумах и училищах изучает предмет «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ).

Основные законы электротехники

  • Закон Ома
  • Закон Джоуля - Ленца
  • Первый закон Кирхгофа

Закон Ома - с этого закона начинается изучение ТОЭ и без него не может обойтись ни один электрик. Он гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению Это значит, что чем выше напряжение, поданное на сопротивление, электродвигатель, конденсатор или катушку (при соблюдении других условий неизменными), тем выше ток, протекающий по цепи. И наоборот, чем выше сопротивление, тем ниже ток.

Закон Джоуля - Ленца . С помощью этого закона можно определить количество тепла, выделившегося на нагревателе, кабеле, мощность электродвигателя или другие виды работ, выполненных электрическим током. Этот закон гласит, что количество тепла, выделяемого при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению этого проводника и времени протекания тока. С помощью этого закона определяется фактическая мощность электродвигателей, а также на основе этого закона работает электросчётчик, по которому мы платим за потреблённую электроэнергию.

Первый закон Кирхгофа . С его помощью рассчитываются кабеля и автоматы защиты при расчёте схем электроснабжения. Он гласит, что сумма токов, приходящих в любой узел равна сумме токов, уходящих из этого узла. На практике приходит один кабель из источника питания, а уходит один или несколько.

Второй закон Кирхгофа . Применяется при подключении нескольких нагрузок последовательно или нагрузки и длинного кобеля. Он также применим при подключении не от стационарного источника питания, а от аккумулятора. Он гласит, что в замкнутой цепи сумма всех падений напряжений и всех ЭДС равна 0.

С чего начать изучение электротехники

Лучше всего изучать электротехнику на специальных курсах или в учебных заведениях. Кроме возможности общаться с преподавателями, вы можете воспользоваться материальной базой учебного заведения для практических занятий. Учебное заведение также выдаёт документ, который будет необходим при устройстве на работу.

Если вы решили изучать электротехнику самостоятельно или вам необходим дополнительный материал для занятий, то есть много сайтов, на которых можно изучить и скачать на компьютер или телефон необходимые материалы.

Видеоуроки

В интернете есть много видеоматериалов, помогающих овладеть основами электротехники. Все видеоролики можно как смотреть онлайн, так и скачать с помощью специальных программ.

Видеоуроки электрика - очень много материалов, рассказывающих о разных практических вопросах, с которыми может столкнуться начинающий электрик, о программах, с которыми приходится работать и об аппаратуре, устанавливаемой в жилых помещениях.

Основы теории электротехники - здесь находятся видеоуроки, наглядно объясняющие основные законы электротехники Общая длительность всех уроков около 3 часов.

    ноль и фаза , схемы подключения лампочек, выключателей, розеток. Виды инструмента для электромонтажа;
  1. Виды материалов для электромонтажа, сборка электрической цепи;
  2. Подключение выключателя и параллельное соединение;
  3. Монтаж электрической цепи с двухклавишным выключателем. Модель электроснабжения помещения;
  4. Модель электроснабжения помещения с выключателем. Основы техники безопасности.

Книги

Самым лучшим советчиком всегда являлась книга . Раньше необходимо было брать книгу в библиотеке, у знакомых или покупать. Сейчас в интернете можно найти и скачать самые разные книги, необходимые начинающему или опытному электромонтёру. В отличие от видеоуроков, где можно посмотреть, как выполняется то или иное действие, в книге можно держать рядом во время выполнения работы. В книге могут быть справочные материалы, которые не поместятся в видеоурок (как в школе - учитель рассказывает урок, описанный в учебнике, и эти формы обучения дополняют друг друга).

Есть сайты с большим количеством электротехнической литературы по самым разным вопросам - от теории до справочных материалов. На всех этих сайтах нужную книгу можно скачать на компьютер, а позже читать с любого устройства.

Например ,

mexalib - разного рода литература, в том числе и по электротехнике

книги для электрика - на этом сайте много советов для начинающего электротехника

электроспец - сайт для начинающих электриков и профессионалов

Библиотека электрика - много разных книг в основном для профессионалов

Онлайн-учебники

Кроме этого, в интернете ест онлайн-учебники по электротехнике и электронике с интерактивным оглавлением.

Это такие, как:

Начальный курс электрика - учебное пособие по электротехнике

Базовые понятия

Электроника для начинающих - начальный курс и основы электроники

Техника безопасности

Главное при выполнении электротехнических работ, это соблюдение техники безопасности. Если неправильная работа может привести к выходу из строя оборудования, то несоблюдение техники безопасности - к травмам, инвалидности или летальному исходу.

Главные правила - это не прикасаться к проводам, находящимся под напряжением, голыми руками, работать инструментом с изолированными ручками и при отключении питания вывешивать плакат «не включать, работают люди». Для более подробного изучения этого вопроса нужно взять книгу «Правила техники безопасности при электромонтажных и наладочных работах».