Электроника все в одном для чайников

Tags: электротехника электроника

ISBN: 978-5-04-201425-3

Similar

Arduino для начинающих. Самый простой пошаговый самоучитель

Изучаем программирование на C

Энциклопедия электронных компонентов. Том 3.

Курс английского языка от преподавателей РГГУ. Step by Step. Часть 1. Beginner (A0-A2)

Text

УЧ И Т Ь С Я С ТА Л О П Р О Щ Е !

3-е издание

Электроника
все в одном

КНИГ
D
Дуг Лоу

Electronics
All-in-One

3rd Edition

Doug Lowe

Электроника
все в одном

3-е издание

Дуг Лоу

УДК 621.38
ББК 32.85
Л81

Doug Lowe
ELECTRONICS ALL-IN-ONE FOR DUMMIES, 3RD EDITION
© For Dummies® trademark is the exclusive property of Wiley and is used under license.
© Original English language edition Copyright © 2023 by John Wiley & Sons, Inc., Doug Lowe.
All rights reserved including the right of reproduction in whole in part in any form.
This translation published by arrangement with John Wiley & Sons, Inc.
© Торговая марка Для чайников® является исключительной собственностью Wiley
и используется по лицензии. Оригинальное издание на английском языке защищено авторским правом
© 2023 компанией John Wiley & Sons, Inc. Все права защищены, включая право на полное
или частичное воспроизведение в любой форме.
Этот перевод опубликован по договоренности с компанией John Wiley & Sons, Inc.
© Wiley, the Wiley Publishing Logo, For Dummies, Dummies Man and related trade dress
are trademarks or registered trademarks of John Wiley and Sons, Inc.
and/or its affiliates in the United States and/or other countries.
© Used by permission.
© Wiley, логотип издательства Wiley, Для чайников, Dummies Man
и соответствующий фирменный стиль являются товарными знаками
или зарегистрированными товарными знаками компании
John Wiley and Sons, Inc. и/или ее филиалов в США и/или других странах.
Используется с разрешения автора.

Л81

Лоу, Дуг.
Электроника все в одном для чайников / Дуг Лоу ; перевод с английского
Л. А. Левина]. — 3-е издание. — Москва : Эксмо, 2026. — 976 с. : ил. — (Для чайников).
ISBN 978-5-04-201425-3
Откройте для себя мир электроники с этим простым руководством.
«Электроника все в одном для чайников» — идеальное стартовое пособие для новичков
и настольная энциклопедия для продвинутых любителей электроники. Книга объясняет работу
базовых компонентов, схем и микроконтроллеров Arduino и Raspberry Pi. Вы узнаете о безопасной работе с электричеством, создании собственных простых проектов и поймете принципы
функционирования современной техники. Подходит как отправная точка для погружения в увлекательный мир технологий.
8 книг внутри:
• Введение в электронику
• Базовые электронные компоненты
• Работа с интегральными схемами
• За пределами постоянного тока
• Цифровая электроника
• Микропроцессоры Arduino
• Raspberry Pi
• Специальные эффекты
УДК 621.38
ББК 32.85

ISBN 978-5-04-201425-3

Краткое оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Часть 1. Начало работы с электроникой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
ГЛАВА 1
ГЛАВА 2
ГЛАВА 3
ГЛАВА 4
ГЛАВА 5
ГЛАВА 6
ГЛАВА 7
ГЛАВА 8
ГЛАВА 9

Добро пожаловать в электронику . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Основы электричества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Создайте свою лабораторию сумасшедшего
ученого . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Правила безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Чтение электрических схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Работа над проектом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Секреты успешной пайки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Измерение цепей с помощью мультиметра . . . . . . 155
Ловим волны с помощью осциллографа . . . . . . . . . . .171

Часть 2. Работа с основными электронными
компонентами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
ГЛАВА 1
ГЛАВА 2
ГЛАВА 3
ГЛАВА 4
ГЛАВА 5
ГЛАВА 6

Работа с базовыми схемами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Работа с резисторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Работа с конденсаторами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Работа с индукторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Работа с диодами и светодиодами . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Работа с транзисторами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

Часть 3. Использование интегральных схем . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
ГЛАВА 1
ГЛАВА 2
ГЛАВА 3

Знакомство с интегральными схемами . . . . . . . . . . . . 359
Потрясающий чип таймера 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Работа с операционными усилителями . . . . . . . . . . .409

Часть 4. Не только постоянный ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433
ГЛАВА 1
ГЛАВА 2
ГЛАВА 3
ГЛАВА 4

Первое знакомство с переменным током . . . . . . . . . 435
Изготовление работы источников питания . . . . . .460
Основные сведения о радио . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
Использование инфракрасного излучения . . . . . . 499

Часть 5. Осваиваем цифровую электронику . . . . . . . . . . . . . . . . 517
ГЛАВА 1
ГЛАВА 2
ГЛАВА 3
ГЛАВА 4
ГЛАВА 5

Основные сведения о цифровой электронике . . 519
Будем рассуждать логически. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
Работа с логическими схемами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
Работа с триггерами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
Знакомство с микроконтроллерами . . . . . . . . . . . . . . . . 621

Часть 6. Использование Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
ГЛАВА 1
ГЛАВА 2
ГЛАВА 3
ГЛАВА 4
ГЛАВА 5
ГЛАВА 6

Знакомство с Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
Создание эскизов Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
Другие приемы программирования Arduino . . . . . 678
Датчик приближения на Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695
Добавление звука и движения в проекты
Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710
Клавиатуры и клавиатуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741

Часть 7. Использование Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765
ГЛАВА 1
ГЛАВА 2
ГЛАВА 3

Знакомство с Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767
Программирование на Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789
Считывание цифровых и аналоговых
входных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822

Часть 8. Специальные эффекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .843
ГЛАВА 1
ГЛАВА 2
ГЛАВА 3
ГЛАВА 4

Создание светового органа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845
Анимация праздничных огней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857
Создание контроллера для аниматроники . . . . . . . 881
Как сделать голову научно-фантастического
робота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913

Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .925

Расширенное оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Об этой книге . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Некоторые предположения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Значки, используемые в этой книге . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Дополнительные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Куда идти дальше? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Часть 1. Начало работы с электроникой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
ГЛАВА 1

Добро пожаловать в электронику . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Что такое электричество? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Но что такое электричество на самом деле? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Что такое электроника? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Что можно сделать с помощью электроники?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Создание шума. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Создание света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Передача по всему миру . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Компьютеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Заглянем внутрь электронных устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

ГЛАВА 2

Основы электричества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Размышляя о чудесах электричества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Где есть электричество? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Заглядывая внутрь атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Изучение элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Следите за своими зарядами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Проводники и изоляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Разбираемся с током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Разбираемся с напряжением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Сравнение постоянного и переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Разбираемся с мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

ГЛАВА 3

Создайте свою лабораторию сумасшедшего
ученого . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Как обустроить лабораторию безумного ученого . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Оборудование лаборатории безумного ученого . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Основные ручные инструменты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Лупы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Третьи руки и тиски для хобби . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Паяльник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Мультиметр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Беспаечная макетная плата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Провода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Батарейки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Чем еще стоит запастись . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Запаситесь основными электронными компонентами . . . . . . . . . . . . . 75
Резисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Конденсаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Светоизлучающие диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Интегральные схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
И еще одна вещь напоследок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
ГЛАВА 4

Правила безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Столкнитесь с реальностью электрических опасностей . . . . . . . . . . 82
Бытовой электрический ток может убить вас! . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Даже относительно небольшое напряжение может
причинить вам вред . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Иногда напряжение прячется в неожиданных местах . . . . . . . . . . 86
Другие способы обеспечения безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Держите под рукой средства безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Защита ваших вещей от статических разрядов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

ГЛАВА 5

Чтение электрических схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Начнем с простых электросхем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Как нарисовать схему . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Соединение или только пересечение? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Знакомство с часто используемыми условными обозначениями . . 96
Упрощение соединений заземления и питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Маркировка компонентов на принципиальной схеме . . . . . . . . . . . . . 102
Обозначение на схемах интегральных микросхем . . . . . . . . . . . . . . . . 103

ГЛАВА 6

Работа над проектом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Взгляд на процесс создания электронного проекта . . . . . . . . . . . . . . 106
Представление о проекте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Проектирование схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Создание прототипа схемы на беспаечной плате . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
Понимание того, как работают беспаечные макетные платы . .114
Разметка схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
Сборка схемы монетного жетона на беспаечной макетной
плате . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
Что делать, если это не работает? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Сборка схемы на печатной плате (Printed Circuit Board, PCB) . . . . 124
Понимание принципов работы печатных плат . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Использование готовой печатной платы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Создание схемы Подбрасывателя монет на печатной плате . . 128
Поиск корпуса для микросхемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Работа с коробкой для проектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Монтаж схемы Подбрасывателя монет в коробку. . . . . . . . . . . . . 136

ГЛАВА 7

Секреты успешной пайки

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
143
144
144
145
146
147
149
152
153

Понимание принципов работы припоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приобретение необходимого для пайки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Покупка паяльника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Запаситесь припоем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Другие необходимые вещи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Подготовка к пайке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пайка твердым припоем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольная проверка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Распайка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ГЛАВА 8

Измерение цепей с помощью мультиметра

. . . . . . 155

Мультиметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Что измеряет мультиметр. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Амперметр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Вольтметр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Омметр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
Другие измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
Условные обозначения функций измерительных приборов. . . .161
Использование мультиметра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Измерение тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Измерение напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Измерение сопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
ГЛАВА 9

Ловим волны с помощью осциллографа . . . . . . . . . . .171
Осциллографы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Изучение форм волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Калибровка осциллографа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177
Отображение сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

Часть 2. Работа с основными электронными
компонентами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
ГЛАВА 1

Работа с базовыми схемами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Что такое цепь? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Использование батареек. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Построение схемы лампы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
Проект 1. Простая схема лампы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Последовательность действий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Работа с переключателями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Разные классификации выключателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Соединение с помощью полюсов и бросков . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Построение схемы выключателя лампы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Проект 2. Лампа, управляемая переключателем . . . . . . . . . . . . . . . . . .200
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200
Последовательность действий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Последовательные и параллельные цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Построение последовательной цепи лампы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Проект 3. Схема последовательного соединения ламп . . . . . . . . . . . 204
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Последовательность действий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Построение схемы параллельного подключения ламп . . . . . . . . . . . 206
Проект 4. Параллельная цепь ламп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Последовательное и параллельное подключение
переключателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Создание последовательного соединения переключателя . . . . . . . 210
Проект 5. Схема последовательного соединения
переключателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211
Построение схемы параллельно подключенных переключателей 212
Проект 6. Схема параллельного выключателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Порядок выполнения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Переключение между двумя лампами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

Проект 7. Управление двумя лампами с помощью одного
выключателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Создание трехпозиционного переключателя для ламп . . . . . . . . . . . 218
Проект 8. Трехходовой выключатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Порядок выполнения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Изменение полярности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Проект 9. Цепь, меняющая полярность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Порядок выполнения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
ГЛАВА 2

Работа с резисторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Что такое сопротивление? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Измерение сопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Закон Ома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Знакомство с резисторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Цветовая кодировка резисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Чтение значения резистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Что такое допуски резисторов? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Что такое номинальная мощность резисторов? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Ограничение тока с помощью резистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Проект 10. Использование токоограничивающего резистора . . . . 238
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Комбинирование резисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Последовательное комбинирование резисторов . . . . . . . . . . . . . 240
Параллельное комбинирование резисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Комбинирование последовательных и параллельных
резисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Комбинирование резисторов, соединенных
последовательно и параллельно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Проект 11. Последовательно и параллельно соединенные
резисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Деление напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Деление напряжения с помощью резисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Проект 12. Схема делителя напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Изменение сопротивления с помощью потенциометра . . . . . . . . . . . 254

ГЛАВА 3

Работа с конденсаторами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Что такое конденсатор? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
Расчет емкости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Чтение значений конденсаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Многообразие размеров и форм конденсаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Вычисление постоянных времени для сетей резистор/
конденсатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Комбинирование конденсаторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Параллельное подключение конденсаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Последовательное подключение конденсаторов . . . . . . . . . . . . . 271
Использование конденсаторов на практике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Зарядка и разрядка конденсатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

Проект 13. Зарядка и разрядка конденсатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Блокирование постоянного тока при прохождении переменного 278
Проект 14. Блокировка постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Шаги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
ГЛАВА 4

Работа с индукторами

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

Что такое магнетизм? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Север и юг магнетизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Что такое постоянные магниты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Изучаем электромагниты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Индукционный ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Индуктивность и искусство сопротивления изменениям . . . . . 289
Что касается Генри . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Вычисление постоянной времени RL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Расчет индуктивной реактивности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Комбинирование индукторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Применение индукторов на практике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
ГЛАВА 5

Работа с диодами и светодиодами . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Что такое полупроводник? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Допинг. Не только для спортсменов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Принципы p-n-переходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Знакомство с диодами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Разнообразные типы диодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Выпрямительные диоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Сигнальные диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Диоды Зенера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .308
Использование диода для блокировки обратной полярности . . . . 310
Проект 15. Блокировка обратной полярности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
Порядок выполнения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
Применение выпрямителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Сборка схемы выпрямителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Проект 16. Схемы выпрямителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Знакомство со светодиодами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Использование светодиодов для определения полярности . . . . . . 321
Проект 17. Светодиодный детектор полярности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Порядок выполнения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

ГЛАВА 6

Работа с транзисторами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Что такого особенного в транзисторах? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Почему были изобретены транзисторы? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Заглянем внутрь транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Технические характеристики транзисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Усиление с помощью транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Использование транзистора в качестве переключателя . . . . . . . . . . 337
Схема управления светодиодом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Проект 18. Управление светодиодом с помощью транзистора . . . . 340
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

Рассмотрим простую схему инвертора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
Сборка инвертора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Проект 19. Инвертор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Осцилляция с помощью транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
Создание светодиодной мигалки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Проект 20. Светодиодная мигалка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Подведем итоги изучения дискретных компонентов . . . . . . . . . . . . . . 356

Часть 3. Использование интегральных схем . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
ГЛАВА 1

Знакомство с интегральными схемами

. . . . . . . . . . . . 359

Что такое интегральная микросхема? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Взгляд на то, как делают интегральные микросхемы. . . . . . . . . . . . . . 362
Корпуса интегральных микросхем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Обозначение интегральных схем на принципиальных схемах. . . . . 365
Питание интегральных схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Как избежать повреждений из-за статического разряда
и выделения тепла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Чтение спецификаций интегральных схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
Популярные интегральные схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
Таймер 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
Операционный усилитель 741 и LM324 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
Регулятор напряжения 78xx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
Семейство логики 74xx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
ГЛАВА 2

Потрясающий чип таймера 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Рассмотрим принцип работы микросхемы 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
Режимы работы 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Использование 555 в режиме одновибратора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Типичная схема одновибратора 555. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Резисторно-конденсаторная цепь с одновибраторным
таймером . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
Расчет временного интервала для одновибраторной схемы . . 378
Использование 555-го таймера в режиме мультивибратора
(осциллятора) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
Типичная схема мультивибратора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .380
Управление временными интервалами в схеме
мультивибратора 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Вычисление рабочего цикла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Использование 555 в режиме триггера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
Использование выхода таймера 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
Удвоение с помощью двойного таймера 556 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
Сборка однотактного таймера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
Проект 21. Однотактная схема таймера 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
Создание светодиодной мигалки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
Проект 22. Светодиодная мигалка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

Использование переключателя установки/сброса . . . . . . . . . . . . . . .400
Проект 23: Светодиодная мигалка с переключателем установки/
сброса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
Порядок выполнения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
Создание зуммера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Проект 24. Зуммер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
ГЛАВА 3

Работа с операционными усилителями . . . . . . . . . . .409
Операционные усилители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
Основные сведения об усилителях с разомкнутым контуром. . . . . 415
Взгляд на усилители с замкнутым контуром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
Использование операционного усилителя в качестве усилителя
с единичным коэффициентом усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
Настройка повторительного усилителя с единичным
коэффициентом усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
Конфигурирование инвертирующего усилителя
с единичным коэффициентом усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
Использование операционного усилителя в качестве
компаратора напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
Сложение напряжений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Работа с интегральными схемами операционных усилителей . . . . 430

Часть 4. Не только постоянный ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433
ГЛАВА 1

Первое знакомство с переменным током . . . . . . . . . 435
Что такое переменный ток? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
Измерение переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
Принцип работы генераторов переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
Принцип работы электрических двигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
Трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
Работа с линейным напряжением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Использование линейного напряжения в ваших проектах . . . . . . . . 448
Безопасность при работе с линейным напряжением. . . . . . . . . . . . . . 449
Понятия: горячий, нейтральный и заземление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
Провода и разъемы для работы с линейным напряжением . . . . . . . 453
Использование предохранителей для защиты цепей линейного
напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
Использование реле для управления цепями линейного
напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

ГЛАВА 2

Изготовление работы источников питания

. . . . . .460

Использование адаптера питания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
Принцип работы источника питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
Преобразование напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
Превращение переменного тока в постоянный . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
Полуволновой выпрямитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
Полноволновый выпрямитель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
Мостовой выпрямитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Фильтрация выпрямленного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Регулирование напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470

ГЛАВА 3

Основные сведения о радио . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
Что такое радиоволны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
Передача и прием радиоволн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
Понимание работы радиопередатчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
Как работают радиоприемники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
Принцип работы радио AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
Основные сведения о FM-радио . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
Сборка детекторного радиоприемника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
Простая схема детекторного радиоприемника . . . . . . . . . . . . . . . 488
Собираем детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
Создание катушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
Сборка схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
Подключение антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
Заземление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
Использование детекторного радиоприемника. . . . . . . . . . . . . . . 498

ГЛАВА 4

Использование инфракрасного излучения . . . . . . 499
Знакомство с инфракрасным светом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
Обнаружение инфракрасного света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
Проект 25. Простой инфракрасный детектор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
Создание инфракрасного света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
Создание детектора приближения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
Построение датчика приближения с общим эмиттером. . . . . . . . . . .508
Проект 26. Датчик приближения с общим эмиттером . . . . . . . . . . . . . 509
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .511
Построение детектора приближения с общим коллектором. . . . . . 512
Проект 27. Детектор приближения с общим коллектором . . . . . . . . 513
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515

Часть 5. Осваиваем цифровую электронику . . . . . . . . . . . . . . . . 517
ГЛАВА 1

Основные сведения о цифровой электронике . . 519
Отличие цифровой электроники от аналоговой . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
Основные сведения о двоичной системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
О системах счисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
Когда счет идет на единицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
Займемся логикой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
Использование переключателей для создания вентилей . . . . . . . . . 528
Проект 28. Простая схема AND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
Проект 29. Простая схема OR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
Проект 30. Простая схема XOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535

ГЛАВА 2

Будем рассуждать логически. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
Знакомство с булевой логикой и логическими вентилями . . . . . . . . 537
Вентили NOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

Вентили AND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
Вентили OR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
Рассматриваем вентили NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
Вентили NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
Вентили XOR и XNOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
Замечательная теорема де Моргана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
Все, что вам нужно, — это NAND (или NOR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
Универсальные вентили NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
Универсальные вентили NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
Использование программного обеспечения для моделирования
логических вентилей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
ГЛАВА 3

Работа с логическими схемами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
Создание логических вентилей с помощью транзисторов . . . . . . . . 556
Схема транзисторного вентиля NOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
Проект 31. Транзисторный вентиль NOT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
Схема транзисторного вентиля AND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
Схема транзисторного вентиля NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
Проект 32. Транзисторный вентиль NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
Схема транзисторного вентиля OR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
Схема транзисторного NOR-вентиля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
Проект 33. Транзисторный вентиль NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
Знакомство с логическими вентилями интегральных микросхем . 571
Универсальные логические вентили серии 4000 . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
Создание проектов с использованием четырехканального
вентиля с двумя входами NAND 4011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
Проект 34. КМОП-вентиль NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .580
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .580
Проект 35. КМОП вентиль AND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
Проект 36. КМОП-вентиль OR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
Проект 37. КМОП-вентиль NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589

ГЛАВА 4

Работа с триггерами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
Одноступенчатые триггеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
Проект 38. Активный высокий одноступенчатый триггер . . . . . . . . . 597
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
Проект 39. Активный низкий одноступенчатый триггер . . . . . . . . . . .600
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
Рассмотрим триггерные защелки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
Проект 40. Одноступенчатый триггер D с вентилем . . . . . . . . . . . . . . 606
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607

Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
Двухступенчатые триггеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609
Проект 41. Триггер D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615
Проект 42. Двухступенчатый счетный T-триггер . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
Дребезг тактового входа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
ГЛАВА 5

Знакомство с микроконтроллерами . . . . . . . . . . . . . . . . 621
Знакомство с микроконтроллерами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622
Программирование микроконтроллера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
Использование контактов ввода/вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625

Часть 6. Использование Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
ГЛАВА 1

Знакомство с Arduino

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629

Представляем Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
Покупка стартового набора UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
Инсталляция Arduino IDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
Подключение к UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634
Рассмотрим простой эскиз Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635
Запуск программы Blink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
Использование цифрового вывода ввода/вывода для
управления светодиодом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639
Проект 43. Мигающий с помощью Arduino UNO светодиод . . . . . . . 643
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
ГЛАВА 2

Создание эскизов Arduino

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645

Знакомство с языком программирования C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
Работа с шилдом для прототипов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649
Создание тестовой схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
Проект 44. Тестовая схема для светодиодов Arduino . . . . . . . . . . . . . 652
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
Мигание светодиодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
Использование комментариев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657
Создание идентификаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659
Использование переменных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660
Математические расчеты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
Программа, использующая переменные и математические
вычисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663
Использование операторов If. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664
Использование циклов While. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669
Использование циклов For . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671
Создание собственных функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674
ГЛАВА 3

Другие приемы программирования Arduino . . . . . 678
Использование кнопки с Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678
Проверка состояния переключателя в Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . .680
Проект 45. Кнопочный переключатель Arduino LED Flasher . . . . . . 683
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685

Рандомизация программ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686
Считывание значения с потенциометра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689
Проект 46. Светодиодная мигалка с переменной частотой
мигания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693
ГЛАВА 4

Датчик приближения на Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695
Использование ультразвукового дальномера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695
Обзор дальномера HC-SR04. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696
Генерирование триггерного импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697
Чтение импульса на входе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
Расчеты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699
Использование ЖК-дисплея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700
Подключение ЖК-дисплея к Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700
Программирование ЖК-дисплея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702
Создание датчика приближения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704
Проект 47. Датчик приближения Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706

ГЛАВА 5

Добавление звука и движения в проекты
Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710
Использование динамика с Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710
Использование функции tone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .711
Подключение динамика к Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713
Проект 48. Создание звука с помощью динамика . . . . . . . . . . . . . . . . . 715
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
Подача сигнала тревоги с помощью азбуки Морзе . . . . . . . . . . . .717
Воспроизведение сирены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720
Воспроизведение песни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721
Использование MP3-шилда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723
Сборка шилда Music Maker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725
Подготовка карты micro-SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725
Программирование шилда Music Maker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726
Создание музыкального проигрывателя Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . 729
Проект 49. Использование шилда Music Maker для
воспроизведения звуков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730
Использование сервопривода с Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732
Подключение сервопривода к Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733
Программирование сервопривода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734
Проект сервопривода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737
Проект 50. Использование сервопривода с Arduino . . . . . . . . . . . . . . 738
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738

ГЛАВА 6

Клавиатуры и клавиатуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741
Использование цифровой клавиатуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741
Как работает цифровая клавиатура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743
Подключение цифровой клавиатуры к Arduino . . . . . . . . . . . . . . . 743
Программирование цифровой клавиатуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744
Настройка цифровой клавиатуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747
Определение количества строк и столбцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747

Определение контактов строк и столбцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748
Определение карты клавиш . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748
Использование переменной Keypad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749
Обнаружение нажатия клавиши . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749
Создание схемы цифровой клавиатуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750
Проект 51. Использование клавиатуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752
Использование Arduino для ввода с компьютерной клавиатуры. . 754
Использование библиотеки Keyboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755
Отправка строки через клавиатуру . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757
Использование оператора switch для упрощения выбора . . . . 757
Нажатие и удержание клавиш. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759
Создание гаджета клавиатуры Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760
Проект 52. Гаджет с клавиатурой для Windows. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762

Часть 7. Использование Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765
ГЛАВА 1

Знакомство с Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767
Введение в Raspberry Pi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768
Версии Raspberry Pi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 770
Настройка Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .771
Инсталляция операционной системы Raspberry Pi. . . . . . . . . . . . . . . . 772
Запуск Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775
Общие сведения о файловой системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777
Ваша первая программа для Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 779
Изучение портов GPIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782
Подключение светодиода к порту GPIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783
Мигание светодиода в Python. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784
Светодиодная мигалка на базе Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786
Проект 51. Светодиодная мигалка на базе Raspberry Pi . . . . . . . . . . . 786
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788

ГЛАВА 2

Программирование на Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789
Взгляд на Python поближе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 790
Построение тестовой схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 792
Проект 52. Плата для тестирования светодиодов Raspberry Pi . . . 793
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794
Мигание светодиодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795
Использование комментариев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798
Создание идентификаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .800
Использование констант . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801
Использование переменных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .803
Создание собственных функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .806
Использование операторов if . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .809
Использование циклов While. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812
Использование циклов For . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814
Списки List в Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818

ГЛАВА 3

Считывание цифровых и аналоговых
входных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822
Использование порта GPIO для цифрового ввода . . . . . . . . . . . . . . . . 822
Проверка состояния переключателя с помощью Python . . . . . . . . . 825
Проект 53. Кнопочный переключатель светодиодной мигалки
на базе Raspberry Pi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 828
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829
Считывание аналогового входа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .830
Включение SPI на вашем Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834
Использование MCP3008 в Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836
Использование пакета mcp3008. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837
Проект 54. Светодиодная мигалка с переменной частотой
мигания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .840
Детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841
Порядок действий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841

Часть 8. Специальные эффекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .843
ГЛАВА 1

Создание светового органа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845

Изучение проекта Световой орган . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846
Принципы работы светового органа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848
Что нужно для создания светового органа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848
Сборка светового органа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 849
Использование светового органа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855

ГЛАВА 2

Анимация праздничных огней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857
Представляем контроллер ShowTime PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 858
Базовая конфигурация Light-O-Rama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861
Каналы и последовательности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862
Выбор света для вашего дисплея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863
Проектирование светового шоу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865
Сборка контроллера ShowTime PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866
Подключение контроллера к компьютеру . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867
Тестирование контроллера ShowTime PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 868
Использование редактора Sequence Editor
последовательностей Light-O-Rama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871
Последовательности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872
Создание музыкальной последовательности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875
Визуализация шоу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 878

ГЛАВА 3

Создание контроллера для аниматроники . . . . . . . 881
Требования к управлению аниматрониками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883
Типичный аниматронный попрыгунчик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884
Сборка контроллера попрыгунчика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889
Программирование контроллера Prop-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894
Отправка команд на модули RC-4 или AP-16+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896
Программирование модуля управления реле RC-4 . . . . . . . . . . . . . . . 897
Выключение всех реле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 899
Включение или выключение отдельного реле . . . . . . . . . . . . . . . . 899
Настройка всех четырех реле одновременно . . . . . . . . . . . . . . . . . 899
Использование символов для повышения читаемости
команд RC-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .900
Пример программы для управления всеми четырьмя реле
RC-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 901

Программирование модуля аудиоплеера AP-16+. . . . . . . . . . . . . . 903
Сброс AP-16+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905
Изменение громкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905
Воспроизведение определенного файла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 906
Ожидание окончания воспроизведения файла . . . . . . . . . . . . . . . 907
Пример программы для AP-16+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .908
Программирование детектора движения PIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 909
Просмотр полной программы «Черт из коробки» . . . . . . . . . . . . . . . . . 910
ГЛАВА 4

Как сделать голову научно-фантастического
робота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913
Робби и B-9 как источник вдохновения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914
Замысел VIN-e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 916
Представляем VIN-e 1.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 917
Колпак . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 918
Основание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 918
Центральная опора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 918
Глаза и нос . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919
Рот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920
Вакуумные трубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920
Антенна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921
Электроника VIN-e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921
Заключительное замечание о безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924

Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .925

Введение
Добро пожаловать в удивительный мир электроники!
С самого детства я увлекался электроникой. Когда мне было 10 лет,
папа купил в местном магазине RadioShack набор для экспериментов
с электроникой. Вот фото этого набора, который я храню до сих пор.

У меня остались невероятные воспоминания о вечерах, проведенных
с папой. Я собирал схемы полицейских сирен, мигалок, радиоприемника и даже телеграфного аппарата.
Тогда у меня была заветная мечта — работать в области электроники,
разобраться, как именно работают резисторы, конденсаторы, индукторы, транзисторы и интегральные схемы, и использовать эти знания
для проектирования телевизоров, компьютеров или... Хотя эта мечта
не сбылась, но я, став взрослым, занялся компьютерным программированием, которое тесно связано с электроникой, и моя любовь к электронике никогда не умирала, поэтому на протяжении уже примерно
40 лет я экспериментировал с электроникой как любитель.

ВВЕДЕНИЕ

Эта книга — введение в электронику для тех, кто всегда был ею увлечен, но не стал профессиональным электронщиком. Здесь найдете
четкие сжатые объяснения самых важных понятий, лежащих в основе
всех электронных устройств — таких, как природа электричества (если
вы думаете, что действительно знаете, что это такое, вы обманываете
себя); разница между напряжением, силой тока и мощностью; принцип работы основных компонентов (резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы).
Вы не только получите представление об электронных устройствах, которые давно стали нашей повседневной жизнью, но и научитесь собирать простые схемы. Они не только впечатлят ваших друзей, но и могут оказаться полезными!

Об этой книге
Книга «Электроника все в одном для чайников» (3-е издание) знакомит читателя с наиболее важными темами, которые необходимо знать
при создании собственных электронных схем. Это большой том, состоящий из восьми небольших книг, их мы в своем домашнем офисе
называем мини-книгами. В каждой — основы одной ключевой темы
для работы с электроникой: техника построения схем, работа электронных компонентов (например, диоды и транзисторы) или использование интегральных схем.
Эта книга — не энциклопедия. Но она объяснит, как быстро освоить
азы электроники, чтобы у вас оставалось больше времени на то, чем
вы действительно хотите заниматься. Написанная легко, в формате для
чайников, книга поможет получить нужную информацию, не затрачивая усилий на поиск.
Когда одна большая вещь состоит из нескольких маленьких, всегда есть
риск запутаться. Мы предусмотрели несколько опорных точек, которые помогут вам найти, что нужно. В начале — подробное оглавление
для всей книги. А каждая мини-книга начинается с мини-оглавления,
вы быстро поймете, какие главы в нее включены. Внизу каждой страницы есть полезные бегущие колонтитулы, указывающие на обсуждаемую тему, а по бокам страниц — удобные вкладки для быстрого поиска. Наконец, есть обширный указатель, он поможет вам быстро найти
нужную информацию.
Эта книга не читается как дешевый роман. Если я увижу, что вы читаете ее на пляже, брошу в вас горсть песка. На пляжах надо читать любовные романы или триллеры, а не книги по электронике. Конечно, можно

ВВЕДЕНИЕ

прочитать эту книгу от начала и до конца, но она написана как справочник, который можно взять в руки и начать читать с любой страницы.
Вам не нужно ничего запоминать. Эту книгу стоит держать под рукой
и открывать, когда нужно что-то узнать. Нужно вспомнить, как правильно рассчитать нагрузочный резистор для схемы светодиода? Откройте
эту книгу. Не можете вспомнить распиновку микросхемы универсального таймера NE555? Откройте эту книгу. Найдете, что вам нужно узнать — закройте книгу и возвращайтесь к своим делам.
В разных главах даются описания 54 проектов. Вы найдете множество простых проектов, которые можно выполнить, чтобы продемонстрировать работу типичных схем. Например, в главе, посвященной
транзисторам, описаны несколько простых проектов, которые демонстрируют распространенные способы использования транзисторов:
управление светодиодом, создание осциллятора или инвертирование
входного сигнала.
Я предлагаю выполнять каждый из проектов по мере прочтения глав.
Читать об электронных схемах — это одно, но, чтобы понять, как работает
схема, нужно собрать ее и увидеть, как она работает. Большинство проектов достаточно просты, чтобы вы могли собрать их схему за 20–30 минут при условии, что под рукой есть детали.
Если поблизости есть магазин, где продаются электронные компоненты — вам повезло! Хотите собрать один из проектов в субботу — загляните в магазин электроники, купите необходимые детали и дома соберите из них схему.
Можно купить детали и через Интернет.
Наконец, большинство электронных схем, описанных в этой книге, совершенно безопасны: они работают от обычных батареек AA или 9 В,
поэтому их напряжение слишком низкое, чтобы причинить вам вред.
Однако некоторые схемы используют более высокое напряжение —
это может быть опасно! Любой проект, где используется напряжение
от электросети (вы подключаете схему к стенной розетке), потенциально опасный, его надо выполнять с максимальной осторожностью.
Кроме того, даже в схемах с питанием от батареек, где есть большие
конденсаторы, могут накапливаться заряды, способные нанести болезненный удар током.
При работе с электроникой — помимо электричества — есть и другие
риски. Паяльники горячие, ими можно обжечься. Можно порезаться
острыми кусачками. Есть множество мелких деталей, которые можно

ВВЕДЕНИЕ

случайно уронить на пол — и они могут оказаться во рту у детей или
домашних животных.
Безопасность — настолько важная тема, что я посвятил ей целую главу
в первой части. Настоятельно рекомендую прочитать главу 4 части 1,
прежде чем собирать какую-то схему.
Пожалуйста, будьте осторожны! Все проекты, представленные в части 8,
работают непосредственно с напряжением электросети и считаются опасными. Если вы хотите выполнить какой-то из этих проектов,
проявите большую осторожность: одна ошибка может убить вас или
другого человека. Эти проекты предлагаются в качестве учебных прототипов, предназначенных для работы только в безопасных пределах
вашего рабочего стола, где вы можете контролировать подключение
к электросети, чтобы никто не получил удар током.

Некоторые предположения
Что читатель этой книги может знать об электронике? Я не думаю, что
вы когда-то закончили курсы по электронике, собрали электрическую
схему или хорошо разбираетесь в сложных науках или математике.
На самом деле я предполагаю очень немногое:

»
»

Вам интересен увлекательный мир электроники. Например,
если вы когда-нибудь интересовались, как работает радио
или как устроен компьютер, эта книга для вас.
Вы любите что-то делать своими руками. Лучший способ узнать об электронике — попробовать сделать какое-то электронное устройство. Здесь вы найдете много простых проектов, которые помогут вам собрать устройство и подкрепить
свои знания практикой.
У вас есть место для работы и некоторые основные инструменты. Вам понадобится небольшое рабочее пространство
и основные инструменты — отвертка и кусачки.
Вы можете потратить немного денег, чтобы приобрести
необходимые детали. Хотя для некоторых проектов придется
приобрести предметы, стоимость которых может достигать
ста долларов и более, большинство необходимых компонентов можно купить всего за несколько долларов.

ВВЕДЕНИЕ

Значки, используемые в этой книге
Как и в любой другой книге из серии для чайников, здесь много полезных значков, которые привлекают ваше внимание к особенно важным
элементам. Вы встретите такие значки:
Обратите особое внимание на этот значок. Он дает вам понять, что перед вами полезная информация.
СОВЕТ

ПРИМЕЧАНИЯ

Не за горами у нас много технической информации. Очевидно: поскольку книга по электронике, таким значком может быть отмечен
почти любой ее абзац, поэтому я оставляю его только для параграфов,
где есть технические детали, которые необязательно знать, чтобы использовать описываемую функцию, но часто они будут вам интересны. Иногда этим значком иллюстрирую использование электронного
гаджета, который пока не рассматривался, но будет рассмотрен позже.
В таких случаях значок напоминает, что не стоит зацикливаться на деталях, а лучше сосредоточиться на главном.
Опасность, Уилл Робинсон! Этот значок выделяет информацию, которая
помогает избежать беды. Обязательно обращайте внимание на предупреждающие значки: с их помощью вы узнаете о потенциальных угрозах.

ОСТОРОЖНО!

Я уже рассказывал вам, что прошел курс тренировки памяти?

ЗАПОМНИТЕ

Дополнительные материалы
В дополнение к бумажной или электронной книге, которую вы читаете
сейчас, прилагаются некоторые полезные материалы, которые можно
найти в Интернете, включая бесплатную памятку Cheat Sheet по правилам безопасности, список цветовой кодировки электронных резисторов и многое другое. Чтобы получить ее, просто зайдите на сайт
www.dummies.com и введите в поле поиска Electronics All-in-One For
Dummies.

ВВЕДЕНИЕ

Куда идти дальше?
Да, можно двигаться дальше. С этой книгой в руках вы сможете погрузиться в увлекательное мир электроники и сделать ее своим хобби. Просмотрите оглавление и решите, с чего хотите начать. Смелее!
Не бойтесь и будьте готовы к приключениям! И прежде всего — получайте удовольствие!

ВВЕДЕНИЕ

НАЧАЛО
РАБОТЫ
С ЭЛЕКТРОНИКОЙ

Краткое оглавление
ГЛАВА 1

Добро пожаловать в электронику

ГЛАВА 2

Основы электричества

ГЛАВА 3

Создайте свою лабораторию сумасшедшего
ученого. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

ГЛАВА 4

Правила безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

ГЛАВА 5

Чтение электрических схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

ГЛАВА 6

Работа над проектом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85

ГЛАВА 7

Секреты успешной пайки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

ГЛАВА 8

Измерение цепей с помощью мультиметра . . . . . . . . . 135

ГЛАВА 9

Ловим волны с помощью осциллографа . . . . . . . . . . . . 151

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Разберетесь в электричестве
» Поймете разницу между электрическими и электронными цепями

» Узнаете о наиболее распространенном применении электроники

» Познакомитесь с устройством типич-

Гл а в а 1

ной электронной платы

Добро пожаловать
в электронику
подумал, что будет забавно начать эту книгу с истории, так что,
пожалуйста, наберитесь терпения. В январе 1880 года Томас
Эдисон подал заявку на патент на устройство нового типа. Оно
пропускало электрический ток через нить накаливания с углеродным
покрытием, находящуюся в герметичной стеклянной трубке — и создавало свет. Другими словами, Эдисон изобрел лампочку. (Студенты
исторического факультета возразят, что на самом деле Эдисон не изобрел лампочку, а лишь усовершенствовал предыдущие идеи, но суть
истории не в этом.)

Патент на лампочку Эдисона был одобрен, но предстояло еще много
работы, прежде чем началось производство коммерчески успешной
лампочки. Самой большой проблемой было то, что лампы тускнели
по мере использования: нить накаливания с углеродным покрытием
нагревалась, отбрасывала маленькие частицы углерода, они прилипали
к внутренней поверхности стекла. В результате на внутренней стороне
лампы образовывался черный налет — он и задерживал свет.
Эдисон и команда инженеров отчаянно пытались найти, как предотвратить осыпание углерода. Однажды кто-то заметил, что черный углерод осыпается только с одного конца нити, а не с обоих. Подумали, что,
возможно, с нити сходит какой-то электрический заряд. Чтобы проверить эту теорию, подключили к лампе третий провод: сможет он уловить часть этого электрического заряда или нет?

ГЛАВА 1.Добро пожаловать в электронику

Это предположение удалось подтвердить. Вскоре обнаружилось, что
электрический ток течет от нагретой нити накаливания к этому третьему проводу, и чем сильнее нагревалась нить, тем сильнее по нему
протекал электрический ток. Открытие получило название эффект
Эдисона и положило начало технологии, известной как электроника.
Устройство, которое Эдисон запатентовал 15 ноября 1883 года, стало
первым в мире электронным прибором.
Эдисон даже не представлял, каково значение этого изобретения.
Сейчас, спустя почти 140 лет, трудно представить себе мир без электроники. Электронные устройства повсюду. В США больше телевизоров, чем людей. Уже никто не пользуется пленкой для фотоаппаратов, потому что фотоаппараты превратились в электронные устройства.
Сегодня редко встретишь подростка, у которого в ушах нет наушников.
Без электроники наша жизнь была бы совсем другой.
Задумывались ли вы когда-нибудь, что заставляет электронные устройства работать? В этой главе я дам важную основу, которая поможет понять остальные части этой книги. Рассмотрим детали, из которых состоят наиболее распространенные типы электронных устройств, основную
концепцию, лежащую в основе всей электроники: электричество.
Обещаю, что не буду утомлять вас сложными физическими понятиями,
но должен предупредить: чтобы изучить работу электроники на уровне,
который позволит вам начать проектировать и собирать собственные
электронные устройства, необходимо иметь хотя бы базовое представление о том, что такое электричество.

Что такое электричество?
Прежде чем разобраться даже в самых простых понятиях электроники, нужно понять, что такое электричество. Цель электроники заключается в том, чтобы заставить электричество делать полезные и интересные вещи.
Понятие электричества одновременно знакомо и загадочно. Мы знаем, что такое электричество, или хотя бы примерно представляем это
себе, основываясь на практическом опыте.
Рассмотрим следующие моменты:

Мы хорошо знакомы с электричеством, которое течет
по проводам, как вода по трубе. Оно вырабатывается
на электростанциях, которые сжигают уголь, ловят ветер,

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

поглощают солнечный свет или используют ядерные реакции. От электростанций электричество попадает в наши
дома по проводам, подвешенным высоко в воздухе или
закопанным в землю. Оно идет по проводам через стены,
пока не доходит до электрических розеток. Мы подключаем
шнуры питания, чтобы дать электричество электроприборам,
от которых мы зависим каждый день, например, духовкам,
тостерам и пылесосам.

»
»
»

»
»

Мы знаем, что электричество не бывает бесплатным, каждый
месяц мы должны за него платить. Если не оплатить счет,
электричество отключат. Таким образом, мы знаем: электричество — это ценность.
Мы знаем, что электричество можно хранить в батареях. Они
содержат ограниченное количество электричества. Когда батарейки умирают, хранящееся в них электричество исчезает.
Некоторые виды батареек, например, в мобильных телефонах, можно . Это значит, что после того,
как из них вытечет вся электроэнергия, туда можно снова
влить электричество, подключив к зарядному устройству,
которое передает электричество из розетки в аккумулятор.
Аккумуляторные батареи можно заряжать и разряжать снова
и снова, но в конце концов они теряют способность к перезарядке — и тогда их надо заменить на новые (если у вас
iPhone, придется заменить не только аккумулятор, а весь
телефон).
Мы также знаем, что электричество вызывает молнию
во время грозы. В школе нас учили, что Бенджамин Франклин
открыл это, проведя эксперимент с воздушным змеем и ключом. Этот эксперимент мы не должны пытаться повторить
дома.
Мы знаем, что электричество измеряется в
.
Бытовое электричество — это 120 вольт1 (сокращенно 120 В).
Батарейки фонарика — 1,5 вольта. Автомобильные аккумуляторы — 12 вольт.
Мы также знаем, что электричество измеряется в .
У традиционных ламп накаливания обычно мощность 60, 75
или 100 ватт (сокращенно 100 Вт). Мощность микроволновых
печей и фенов составляет 1000 или 1200 Вт. Чем больше
ватт, тем ярче свет, быстрее разогревается пицца и высыхают
волосы.

Напряжение в 120 вольт — это стандарт стран Северной и Южной Америки, но в России, как
и в европейских странах, стандартом является 220 вольт. — Прим. науч. ред.

ГЛАВА 1.Добро пожаловать в электронику

»
»
»

»
ЗАПОМНИТЕ

Кроме того, мы знаем, что некоторые устройства, изготовленные по новым технологиям, выполняют больше полезной
работы (у них выше КПД, коэффициент полезного действия),
чем устройства, выполненные по старым технологиям. Так,
20-ваттная компактная люминесцентная лампа CFL и 12-ваттная светодиодная лампа дают столько же света, сколько
обычная 75-ваттная лампа накаливания.
Мы также можем знать, что существует третий способ измерения электричества — амперы. Обычная бытовая электрическая розетка рассчитана на 15 1 (сокращенно 15 А).
Большинство людей не понимают разницы между вольтами,
ваттами и амперами. (Не волнуйтесь, к тому времени, как вы
дочитаете вторую главу этой части, вы будете их различать!)
Мы знаем, что существует особый вид электричества, называемый статическим. Оно как бы висит в воздухе, но может
передаться нам, если волочить ноги по ковру, тереть воздушный шарик о шерсть или не положить антистатическую
простыню в сушилку.
Мы знаем, что электричество может быть очень опасным.
Настолько опасным, что почти 100 лет электричество использовалось для вынесения смертных приговоров. Каждый
год в США сотни людей умирают от случайного удара током.

Но что такое электричество на самом деле?
В предыдущем разделе я перечислил несколько представлений об электричестве, основанных на повседневном опыте. Но на самом деле
электричество — это нечто совершенно иное. Глава 2 посвящена более глубокому рассмотрению природы электричества, но эту главу
я хочу начать с того, что познакомлю вас с тремя основными понятиями электричества: электрическим зарядом, электрическим током
и электрической цепью.

Электрический заряд — это фундаментальное свойство
материи, которое до конца не понимают даже такие умные
физики, как Нил Деграсс Тайсон2. Достаточно сказать: две
крошечные частицы, из которых состоят атомы, — протоны

В странах Северной и Южной Америки стандартом силы тока в сети является 15 ампер, а в России
и странах Азии сила тока может колебаться от 10 до 16 ампер. — Прим. науч. ред.

Нил Деграсс Тайсон — американский астрофизик, писатель и популяризатор науки. Доктор
философии, член Американского философского общества. — Прим. науч. ред.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

и электроны — несут электрический заряд. Существуют два
типа заряда:
У протонов
положительный заряд, у электронов — отрицательный.
Электрический заряд — одна из основных сил природы, удерживающих Вселенную вместе. Положительные и отрицательные заряды непреодолимо притягиваются друг к другу. Так притяжение отрицательно заряженных электронов к положительно заряженным протонам
удерживает атомы вместе.
Если в атоме столько же протонов, сколько и электронов, положительный заряд протонов уравновешивает отрицательный заряд электронов,
и атом не имеет общего заряда3.
Однако если атом теряет один из своих электронов, у него появляется
дополнительный протон, который придает атому чистый положительный заряд. Когда атом имеет чистый положительный заряд, он отправляется на поиски электрона, чтобы восстановить свой сбалансированный заряд.
Аналогично, если атом каким-то образом получает дополнительный
электрон, он приобретает чистый отрицательный заряд. Когда это происходит, атом ищет способ избавиться от лишнего электрона, чтобы
снова восстановить баланс.

ПРИМЕЧАНИЯ

Ладно, технически атомы ничего У них нет глаз, нет разума,
который бы беспокоился, когда не хватает электронов или их слишком много. Однако естественное притяжение отрицательных и положительных зарядов приводит к тому, что атомы, которым не хватает электрона, притягиваются к атомам, у которых лишний электрон. Когда
они находят друг друга, происходит нечто почти волшебное... Атом
с лишним электроном отдает свой электрон атому, которому не хватает электрона. Таким образом, заряд, представленный электроном, перемещается от одного атома к другому, что подводит нас ко второму
важному понятию.

Электрический ток — это поток электрического заряда, переносимого электронами при их переходе от атома
к атому. Электрический ток — очень знакомое понятие: когда
вы включаете светильник, электрический ток течет от выключателя по проводу к лампочке, и комната мгновенно
освещается.

Т.е. нейтрален. — Прим. науч. ред.

ГЛАВА 1.Добро пожаловать в электронику

В некоторых типах атомов электрический ток течет легче, чем в других. Атомы, которые легко пропускают ток, называются проводниками, а атомы, которые не пропускают ток, называются изоляторами.
Электрические провода состоят как из проводников, так и из изоляторов, как показано на рис. 1.1. Внутри провода находится проводник,
например, медный или алюминиевый. Проводник обеспечивает канал,
по которому течет электрический ток. Вокруг проводника находится
внешний слой изолятора, например, пластик или резина.

Рис. 1.1.
Изолированный провод
состоит из проводника,
окруженного изолятором

Изолятор

Проводник

Изолятор служит двум целям. Во-первых, он не дает вам прикоснуться к проводу, когда по нему течет ток, тем самым предотвращая поражение электрическим током. Но не менее важно и другое: изолятор
не позволяет проводнику внутри провода коснуться проводника в соседнем проводе. Если бы проводники могли соприкоснуться, произошло бы короткое замыкание — и это подводит нас к третьему важному понятию.

Электрическая цепь — это замкнутый контур из проводников и других электрических элементов, по которому может
протекать электрический ток. Например, на рис. 1.2 показана
очень простая электрическая цепь, состоящая из трех элементов: батареи, лампы и электрического провода, соединяющего их.

Схема, показанная на рис. 1.2, как я уже сказал, очень проста. Цепи
могут быть гораздо сложнее, состоять из десятков, сотен, а то и тысяч
или миллионов отдельных компонентов, точно соединенных проводниками так, чтобы каждый компонент вносил свой вклад в достижение общей цели схемы. Но все схемы должны подчиняться основному
принципу замкнутого контура.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 1.2.
Простая электрическая
цепь, состоящая из батареи, лампы и провода

ЗАПОМНИТЕ

Все электрические цепи должны создавать замкнутый контур, который
обеспечивает весь путь от источника напряжения (в данном случае —
батареи) через различные компоненты, составляющие цепь (в данном
случае — лампу), и обратно к источнику (опять же — батарее).

Что такое электроника?
Я начал эту главу с истории о Томасе Эдисоне, чтобы подчеркнуть, что
в 1883 году электроника уже была изобретена. Электрические устройства существовали как минимум 100 лет. Например:

»
»

Бенджамин Франклин запускал воздушных змеев в грозу
более чем за 100 лет до изобретения Эдисона.
Первые электрические батареи Алессандро Вольта изобрел
в 1800 году. Вклад Вольты настолько важен, что в его честь
назван общепринятый термин
. (Существуют археологические свидетельства, что древние парфяне могли изобрести электрическую батарею во II веке до нашей эры, но если
это так, мы не знаем, для чего они использовали батареи
и почему их изобретение было забыто на 2 тысячи лет.)
Электрический телеграф изобрел в 1830-х годах в Америке
Сэмюэль Морзе. Он придумал знаменитый код Морзе, использовавшийся для кодирования алфавита и цифр в виде
коротких и длинных щелчков, которые можно было передавать по телеграфу. В 1866 году через Атлантический океан
был проложен телеграфный кабель, обеспечивший мгновенную связь между Америкой и Европой.
Вопреки распространенному мнению, Бенджамин Франклин
не был первым, кто запустил воздушного змея в грозу.
В 1752 году он опубликовал статью, в которой изложил свою

ГЛАВА 1.Добро пожаловать в электронику

идею. Затем он разрешил нескольким экспериментаторам
попробовать реализовать его идею. Потом и сам провел
эксперимент — и все заслуги достались ему. Бенджамин
Франклин был не только очень изобретательным, но и очень
мудрым.
Эти и многие другие устройства — лампочки, пылесосы, тостеры —
называются электрическими приборами. Так в чем же разница между
электрическими и электронными устройствами?
Ответ в том, как устройства манипулируют электричеством для выполнения своей работы. Электрические устройства берут энергию
электрического тока и преобразуют ее простыми способами в другую
форму энергии — чаще всего в свет, тепло или движение. Например,
лампочки превращают электрическую энергию в свет, чтобы вы могли до поздней ночи читать эту книгу. Нагревательные элементы в тостере превращают электрическую энергию в тепло, чтобы тосты могли
поджариться. А мотор пылесоса превращает электрическую энергию
в движение, которое приводит в действие насос, всасывающий с ковра крошки от подгоревших тостов.
Электронные устройства делают гораздо больше: они манипулируют
электрическим током, чтобы заставить его делать интересные и полезные вещи.
Самое первое электронное устройство, изобретенное в 1883 году Томасом
Эдисоном, манипулировало электрическим током, проходящим через
лампочку. Эдисон создал прибор, который контролировал напряжение в электрической цепи, автоматически увеличивал или уменьшал
его, если оно становилось слишком низким или слишком высоким.
Не расстраивайтесь, если не знаете, что означает термин напряжение.
Вы узнаете о напряжении в главе 2 этой части.
СОВЕТ

Одна из самых распространенных задач электронных устройств — манипулировать электрическим током так, чтобы добавить к нему значимую информацию. Например, аудиоустройства добавляют в электрический ток звуковую информацию, чтобы вы могли слушать музыку
или разговаривать по телефону. Видеоустройства добавляют в электрический ток изображение, чтобы вы могли смотреть такие замечательные фильмы, как «Офисное пространство», «Выходной день Ферриса
Бьюллера» или «Принцесса-невеста» снова и снова, пока не будете
помнить каждый эпизод.
Имейте в виду, что различие между электрическими и электронными устройствами несколько размыто. То, что раньше было простыми
электрическими приборами, теперь часто включает в себя электронные

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

компоненты. Например, тостер может содержать электронный термостат, который поддерживает нужный уровень температуры, чтобы
получились идеальные тосты (скорее всего, тосты все равно подгорят,
но, по крайней мере, термостат старается этого не допустить). И даже
самые сложные электронные устройства содержат простые электрические компоненты. Например, хотя пульт телевизора — довольно сложное электронное устройство, в нем есть батарейки, простые электрические устройства.

Что можно сделать с помощью электроники?
Самое удивительное в электронике то, что сегодня с ее помощью можно
делать вещи, которые еще несколько лет назад невозможно было даже
представить. Это означает, что через несколько лет появятся электронные устройства, которые сегодня еще никем не придуманы.
В следующих разделах мы дадим краткий обзор того, что можно делать
с помощью электроники.

Создание шума
Одно из самых распространенных применений электроники — создание шума. Чаще всего это музыка, хотя различие между шумом и музыкой часто бывает спорным. Электронные устройства, которые производят шум, часто называют аудиоустройствами. Они преобразуют
звуковые волны в электрический ток, затем его сохраняют, усиливают
и иным образом им манипулируют, а в итоге преобразуют ток обратно
в звуковые волны, которые можно услышать.
Большинство аудиоустройств состоит из трех частей:

— вход в систему. Это может быть микрофон,
он преобразует звуковые волны в электрический сигнал.
Тонкие колебания звуковых волн преобразуются в тонкие колебания электрического сигнала. Электрический сигнал, поступающий от источника, содержит звуковую информацию.
Источником может быть и записанный звук, например, записанный на CD или в формате MP3.

преобразует небольшой электрический сигнал,
поступающий от источника, в более мощный электрический сигнал, который можно услышать, когда он передается
на динамик или наушники.

ГЛАВА 1.Добро пожаловать в электронику

Некоторые усилители небольшие по размерам, поскольку
им нужно усилить сигнал настолько, чтобы его мог услышать
один слушатель в наушниках. Другие усилители огромны, им
нужно усилить сигнал настолько, чтобы 80 тысяч человек
могли услышать, как, например, знаменитый певец забывает
слова песни «Знамя, усыпанное звездами»1.

преобразуют электрический ток в звук, который
можно услышать. Динамики могут быть огромными, а могут
быть достаточно маленькими, чтобы поместиться в ухе.

Создание света
Еще одно распространенное применение электроники — производство
света. Простейшие электронные схемы освещения — это светодиоды
LED, которые представляют собой электронный эквивалент лампочки накаливания.
LED означает light-emitting diode 2, но этого слова не будет в тексте этой
главы, однако вы его встретите в главе 5 части 2 — там объясняется, как
работать со светодиодами.
ПРИМЕЧАНИЯ

Видеоэлектронные устройства предназначены для создания не просто
точек света, а полноценных изображений, на которые вы можете смотреть. Самый яркий пример — телевизоры, которые могут часами развлекать вас, прося взамен всего несколько клеток вашего мозга.
Некоторые типы электронных устройств работают со светом, который
вы не видите. Самые распространенные из них — пульты дистанционного управления телевизорами. Они посылают инфракрасный свет на телевизор, когда вы нажимаете на кнопку (при условии, что вы знаете,
где лежит пульт). Электроника внутри пульта дистанционного управления манипулирует инфракрасным светом, передавая информацию
от пульта к телевизору, сообщая ему, что нужно увеличить громкость,
переключить канал или выключить питание. (Как работать с инфракрасными устройствами, вы узнаете в главе 4 части 4.)

Передача по всему миру
Радио — это передача информации без проводов. Первоначально оно
использовалось как беспроводная разновидность телеграфа, передавая
лишь звуковые щелчки. Затем радио стали использовать для передачи

Государственный гимн США. — Прим. науч. ред.

Светоизлучающий диод (англ.). — Прим. пер.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

звука. И по сей день термин радио обычно ассоциируется с передачей
только звука — либо в виде музыки, либо в виде популярного разговорного радио. Однако передача видеоинформации — другими словами,
телевидение — также является разновидностью радио, как и беспроводные сети, беспроводные и сотовые телефоны.
Более подробно о радиоэлектронике вы узнаете в главе 3 части 4.

Компьютеры
Одним из самых важных применений электроники за последние 50 лет
стало развитие компьютерных технологий. Всего за несколько десятилетий компьютеры прошли путь от простых вычислительных машин
до машин, способных обыграть человека в таких играх, в которых, как
мы когда-то думали, человек был мастером: шахматы, Jeopardy!3 и го.
Компьютеры — самая продвинутая форма целой области электроники, известной как цифровая электроника, которая занимается манипулированием данными на двоичном языке нулей и единиц. Вы узнаете много нового о цифровой электронике в книгах с 5 по 8.

Заглянем внутрь электронных устройств
Вы когда-нибудь разбирали сломанное электронное устройство, например старые часы-радио или видеомагнитофон, просто чтобы посмотреть, как оно выглядит внутри?
Я только что отнес несколько тяжелых компьютеров в пункт приема
электронных отходов. Можете не сомневаться, перед этим я вскрыл их,
чтобы посмотреть, что там внутри. И вынул пару наиболее интересных
деталей, чтобы оставить себе на память. (Называйте меня странным,
если хотите. Кто-то коллекционирует чайные чашки, кто-то — ложки
со всего мира, а кто-то — рюмки. Я же коллекционирую старые компьютерные процессоры.)
Внутри большинства электронных устройств вы найдете печатную плату — плоскую тонкую пластину, на которой закреплены электронные
штуковины. В большинстве случаев одна сторона печатной платы заполнена крошечными устройствами, похожими на маленькие здания.
Из этих компонентов состоит электрическая цепь: резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и интегральные схемы. Они выполняют
3

Jeopardy! — аналог игры «Своя игра».

ГЛАВА 1.Добро пожаловать в электронику

определенную функцию, предназначенную для этой цепи. На другой
стороне нарисованы маленькие линии из серебра или меди, похожие
на улицы. Это проводники, которые соединяют все компоненты, чтобы они могли работать вместе.
Электронная печатная плата похожа на маленький город! Для примера посмотрите на типичную печатную плату, изображенную на рис. 1.3.
Сверху показана верхняя часть платы, на ней расположено множество
обычных электронных компонентов. Внизу — нижняя часть платы;

Рис. 1.3.
Типичная
электронная
печатная
плата

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

на ней расположены типичные серебристые полоски проводников,
которые соединяют компоненты сверху, чтобы они могли выполнять
полезную работу.
Вот суть того, как устроены эти две стороны печатной платы:

На компонентной стороне платы (стороне с маленькими домиками) расположена коллекция электронных компонентов,
единственная цель жизни которых — изгибать, поворачивать
и крутить электрический ток, чтобы заставить его делать интересные и полезные вещи. Некоторые из этих компонентов
ограничивают поток тока, подобно ограничителям скорости
на дороге. Другие делают ток сильнее. Некоторые работают
как знак (позволяют
току течь только в одном направлении). Другие пытаются
сгладить пульсации или колебания тока, что приводит к более плавному движению.
На стороне схемы (стороне с дорогами) находятся проводящие пути, по которым электрический ток течет от одного
компонента к другому в определенном порядке. Вся хитрость
проектирования и создания электронных схем заключается в том, чтобы правильно соединить компоненты: ток,
вытекающий из одного компонента, передается следующему. Эта сторона схемы позволяет компонентам работать
согласованно.

Я не смог обойтись в главе 1 без первого из моих предупреждений
об опасностях работы с электроникой: ни в коем случае не увлекайтесь
разборкой старых электронных схем, если вы не понимаете, что делаете.
ОСТОРОЖНО!

Маленькие компоненты на печатной плате, как на рис. 1.3, могут быть
опасны, даже когда они не подключены. На самом деле два высоких
цилиндра у заднего края этой платы называются конденсаторами.
Они могут содержать накопленную электрическую энергию, способную
вызвать мощный и даже смертельный удар током спустя долгое время
после того, как вы выдернете вилку из розетки. Прежде чем приступать
к разборке чего-либо, прочтите главу 4 этой части!

ГЛАВА 1.Добро пожаловать в электронику

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Чуть-чуть раскроете глубокие тайны
материи и энергии

» Узнаете о трех важных аспектах электрических цепей: токе, напряжении
и мощности

» Поймете разницу между постоянным
и переменным током

» Составите свое первое электрическое
уравнение (не волнуйтесь, оно совсем

Гл а в а 2

простое)

Основы электричества
естно говоря, название этой главы несколько амбициозно. Прежде
чем вы сможете сделать много интересного с помощью электроники, необходимо получить базовое представление о том, что
такое электричество и как оно работает. Понимание электричества —
сложная задача. Пусть это вас не тревожит: ведь даже самые умные физики не понимают до конца его природу.

В начале этой главы мы рассмотрим саму природу электричества: что
это такое и что его вызывает. Эта часть главы напомнит вам уроки физики в школе, когда вы погружались во внутренний мир атомов и узнавали о протонах, нейтронах и электронах.
Вторая часть главы познакомит вас с тремя основными вещами, которые необходимо знать об электричестве, если вы хотите проектировать
и строить электрические цепи: ток, напряжение и мощность.

Размышляя о чудесах электричества
Точная природа электричества — одна из основных загадок Вселенной.
Хотя мы не знаем точно, что такое электричество, знаем многое о том,
что оно делает и как себя ведет.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Как бы странно это ни звучало, но ваше понимание улучшится, если
не использовать термин электричество для его описания: термин
не очень точен. Мы используем слово электричество для обозначения
нескольких разных, но связанных между собой вещей. У каждой есть
более точное название, например, электрический заряд, электрический ток, электрическая энергия, электрическое поле и т. д. Все это
принято называть электричеством.
Электричество не столько конкретная вещь, сколько явление, у которого много различных аспектов. Во избежание путаницы я стараюсь
избегать слова электричество в остальных частях этой книги. Вместо
него буду использовать более точные термины — заряд или ток.
Мне не хочется употреблять здесь слово феномен, оно звучит слишком академически. Так и кажется, что нужно надеть галстук-бабочку
всякий раз, когда произношу феномен. Я обратился к своему тезаурусу, чтобы узнать, есть ли слово попроще. Самым близким было чудо.

ОТКУДА ВЗЯЛОСЬ СЛОВО ЭЛЕКТРИЧЕСТВО?
Помните фильм « ! " », где ученые обнаружили
ДНК динозавров, законсервированную в кусочках янтаря? Янтарь —
это окаменевшая древесная смола, и он сыграл ключевую роль
в истории наших знаний об электричестве.
Еще со времен древних греков люди знали: если натереть палочку
янтаря шерстью, от ее прикосновения к голове встают волосы, к ней
прилипают легкие предметы, например перья. Древние греки понятия
не имели, почему так происходит, но знали, что это действительно так.
Греческое слово, обозначающее янтарь, — electron, а латинская версия этого слова — #$#%&'(%)*
В начале XVII века английский ученый Уильям Гилберт начал изучать
электричество. Он использовал эти древние слова для описания
исследуемых им явлений, в том числе и латинский термин #$#%&'(%)*
Под влиянием книги Гилберта, которая была написана на латыни, слово electricity вошло в английский язык.

Чудо — неплохая замена слову феномен. Феномен, который мы называем электричеством, удивителен, он действительно может считаться
одним из великих чудес Вселенной.

ГЛАВА 2.Основы электричества

Помните семь чудес света, в число которых входили Великая пирамида Гизы, Висячие сады Вавилона, храм Артемиды в Эфесе, статуя Зевса в Олимпии, Галикарнасский мавзолей, Колосс Родосский
и Александрийский маяк? Если бы мы составляли список под названием
Семь чудес Вселенной, полагаю, в него должны были войти Материя,
Гравитация, Время, Свет, Жизнь, Пицца и Электричество.

Где есть электричество?
Одна из самых удивительных вещей, связанных с электричеством, заключается в том, что оно есть буквально везде. Я не имею в виду, что электричество — обычная вещь, его всегда много или во Вселенной оно в избытке.
Я имею в виду, что электричество — фундаментальная часть всего сущего.
Рассмотрим распространенное заблуждение об электрическом токе.
Многие думают, что электричество передается по проводам с места
на место. Когда включаем пылесос в розетку и включаем выключатель,
мы считаем, что электричество поступает в шнур питания пылесоса
из розетки, проходит по проводам к пылесосу, а затем вращает мотор, заставляя пылесос всасывать грязь, копоть и собачью шерсть. Но это не так.
Дело в том, что электричество уже было в проводе пылесоса: оно всегда
есть в проводе, даже когда пылесос выключен или шнур питания не подключен к розетке. Это потому, что электричество — фундаментальная
часть атомов меди, из которых состоит провод внутри сетевого шнура.
Электричество входит в состав атомов, составляющих резиновую изоляцию, которая защищает вас от удара током, когда вы прикасаетесь к шнуру питания. И оно же входит в состав атомов, составляющих кончики
ваших пальцев, которые резина уберегает от прикосновения к проводам.
Одним словом, электричество — это фундаментальная часть атомов,
из которых состоит вся материя. Чтобы понять, что такое электричество, нужно сначала рассмотреть атомы.

Заглядывая внутрь атомов
В школе вы узнали, что вся материя состоит из невероятно крошечных
кусочков — атомов. Они настолько малы, что точка в конце этого предложения содержит несколько триллионов таких атомов.
Нам трудно постичь такие большие числа, как триллионы. Для сравнения предположим, что вы можете увеличить точку в конце этого предложения до размеров Техаса. Тогда каждый атом будет размером с…
(вы угадали) точку в конце этого предложения.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Слово атом ввел в употребление древнегреческий философ Демокрит.
Оно означает неделимый. Атомы — это наименьшая часть материи, которую нельзя разделить, не превратив ее в другой вид материи.
Другими словами, если вы разделите атом определенного элемента, получившиеся кусочки уже не будут одним и тем же.
Предположим, у вас есть горсть какого-то элемента, например меди,
и вы разрезаете ее пополам. Теперь у вас два кусочка меди. Отбросьте
один в сторону, а другой разрежьте пополам. И снова у вас два кусочка
меди. Вы можете продолжать, разделяя кусок меди на все более мелкие половинки. Но в конце концов вы дойдете до того, что ваш кусок
меди будет состоять всего из одного атома меди.
Если попытаетесь разрезать этот атом меди пополам, полученные кусочки
уже не будут медью. Вместо этого получится набор основных частиц, из которых состоят атомы. Таких частиц три: нейтроны, протоны и электроны.

Нейтроны и протоны в каждом атоме сгруппированы в центре атома,
в так называемом ядре. Электроны вращаются вокруг внешней стороны атома.
В детстве мне объяснили, что электроны вращаются вокруг ядра так же,
как планеты вращаются вокруг Солнца в Солнечной системе. Даже сегодня детей учат этому. Школьников до сих пор учат создавать модели атомов
с помощью шариков из пенопласта и проволоки, как показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1.
Типичная
модель
атома

ГЛАВА 2.Основы электричества

Оказывается, это очень неудачная аналогия. На самом деле электроны кружатся вокруг ядра в облаке, которое правильно называется
электронным облаком. Электронные облака имеют странные формы
и свойства. Как ни странно, практически невозможно определить, где
именно в облаке находится электрон в определенный момент времени.

Изучение элементов
Несколько раз в этой главе я использую термин элемент, но пока
не объяснял, что это такое. Элемент — особый тип атома, определяемый числом протонов в его ядре. Например, у атомов водорода в ядре
всего один протон, атом с двумя протонами в ядре — гелий, атомы
с тремя протонами называются литием и т.д.
Число протонов в ядре атома называется атомным номером. Так, атомный номер водорода равен 1, атомный номер гелия — 2, лития — 3 и т.д.
У меди — элемента, играющего важную роль в электронике, — атомный номер 29. Таким образом, в ее ядре 29 протонов.
А как насчет нейтронов, другой частицы, находящейся в ядре атома?
Нейтроны чрезвычайно важны для химиков и физиков. Но они не играют
такой уж большой роли в том, как работает электрический ток, и в этой
главе мы можем смело их игнорировать. Достаточно сказать, что, помимо протонов, в ядре каждого атома (кроме водорода) содержатся
нейтроны. В большинстве случаев нейтронов больше, чем протонов.
Третья частица, из которой состоят атомы, — электрон. Электроны
нас больше всего интересуют при работе с электричеством, потому что
они — источник электрического тока. Электроны невероятно малы: один
электрон примерно в 200 тысяч раз меньше протона. Если бы электрон
был размером с точку в конце этого предложения, протон был бы размером с футбольное поле.

ЗАПОМНИТЕ

В атомах обычно столько же электронов, сколько и протонов, поэтому
в атоме элемента медь 29 протонов в ядре, вокруг которого вращаются
29 электронов. Когда атом получает лишний электрон или ему не хватает электрона, ситуация становится интересной из-за особого свойства протонов и электронов, называемого зарядом. Об этом я расскажу в следующем разделе.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Следите за своими зарядами
Две из трех частиц, из которых состоят атомы, — электроны и протоны — обладают очень интересной характеристикой, она называется
электрическим зарядом. Заряд может быть одной из двух полярностей:
отрицательной или положительной. У электронов отрицательная полярность, у протонов — положительная.
Самое важное, что нужно знать о заряде: противоположные заряды
притягиваются, а одинаковые — отталкиваются. Отрицательный заряд притягивается к положительному, а положительный — к отрицательному, но отрицательный заряд отталкивается от отрицательного,
а положительный — от положительного.
В результате электроны и протоны притягиваются друг к другу, но электроны отталкивают другие электроны, а протоны отталкивают другие протоны.

Притяжение между протонами и электронами удерживает электроны
и протоны атома вместе. Это притяжение заставляет электроны оставаться на своих орбитах вокруг протонов в ядре.
Вот несколько познавательных сведений о заряде:

»
»

»
ПРИМЕЧАНИЯ

Заряд — свойство одной из фундаментальных сил природы,
известной как + " . Три другие силы — " . и / .
В атоме обычно столько же электронов, сколько и протонов.
Это происходит потому, что электромагнитная сила заставляет
каждый протон притягивать ровно один электрон. Когда число
протонов и электронов одинаково, атом сам по себе не имеет
чистого заряда. В этом случае он считается нейтральным.

Однако возможно, что атом может получить дополнительный электрон. В этом случае у него будет отрицательный
заряд из-за лишнего электрона. Атом также может потерять
электрон, в результате чего получает положительный заряд,
поскольку в нем больше протонов, чем электронов.
Если вы внимательно читали этот текст, возможно, у вас возник вопрос: почему ядро атома не распадается, если оно состоит из двух или более протонов, имеющих положительный заряд?
В конце концов, разве положительные заряды не отталкиваются?
Да, отталкиваются, но электрическая сила отталкивания преодолевается гораздо более мощной силой, называемой (лучшего
термина нет) . Таким образом, сильное
взаимодействие удерживает протоны (и нейтроны) вместе, несмотря на естественное стремление протонов избегать друг друга.

ГЛАВА 2.Основы электричества

»
»

Сильное взаимодействие не влияет на электроны, поэтому
вы никогда не увидите электронов, сгрудившихся вместе, как
это делают протоны в ядре атома. Электроны в атоме держатся далеко друг от друга.
При желании это взаимодействие можно сравнить с патриотической силой, которая связывает граждан страны воедино,
несмотря на их разногласия. Именно эта сила удерживает
страну вместе, несмотря на то, что ее политические партии,
казалось бы, ненавидят друг друга. Будем надеяться, что
сильное взаимодействие останется сильным.

Проводники и изоляторы
Некоторые элементы не очень крепко держат свои дальние электроны.
Такие элементы часто теряют электроны или набирают лишние, поэтому
они не могут удержаться на нейтральной позиции и становятся либо отрицательно, либо положительно заряженными. Такие элементы называются
проводниками. Лучшие проводники — металлы: серебро, медь и алюминий.
Другие элементы крепко держат свои электроны, у них трудно оторвать
электрон или притянуть к нему другой электрон. Эти элементы почти
всегда остаются нейтральными. Их называют изоляторами.
В проводнике электроны постоянно курсируют между соседними атомами. Электрон выпрыгивает из одного атома (назовем его атомом А)
в соседний атом, который назовем атомом В. Это создает чистый положительный заряд в атоме А и чистый отрицательный заряд в атоме В.
Но почти сразу же электрон выпрыгивает из другого соседнего атома —
назовем его атомом С — в атом А. Таким образом, атом А снова становится нейтральным, а атом С теперь отрицательным.
Это перемещение электронов в проводнике происходит постоянно.
Атомы находятся в вечной суматохе, отдавая и принимая электроны
и постоянно меняя свой чистый заряд с положительного на нейтральный, отрицательный и обратно на положительный.
Как правило, это движение электронов совершенно беспорядочно.
Один электрон может прыгнуть влево, а другой — вправо. Один поднимается вверх, другой опускается вниз. Один идет на восток, другой —
на запад. В итоге, хотя все электроны движутся, в совокупности они
никуда не движутся. Они, как полицейские из Кистоуна1, бесцельно бегают во всех направлениях, натыкаясь друг на друга, падая, поднимаясь
1

Персонажи из одноименной фарсовой комедии и фильмов с Чаплиным 1912-1930 годов.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

и снова бегая. Когда этот беспорядочный бег прекращается и полицейские из Кистоуна наводят порядок в своих рядах, в результате возникает электрический ток, о котором мы расскажем в следующем разделе.

Разбираемся с током
Электрический ток возникает, когда беспорядочный обмен электронами в проводнике становится организованным и начинает двигаться
в одном направлении.
Когда по проводнику, например, медному проводу, течет ток, все электроны, которые до этого беспорядочно перемещались, собираются вместе
и начинают двигаться в одном направлении. При этом происходит очень
интересный эффект: электроны передают свою электромагнитную силу
через провод почти мгновенно. Сами электроны движутся относительно
медленно, несколько миллиметров в секунду. Но когда каждый электрон
покидает атом и присоединяется к другому атому, этот второй атом немедленно теряет электрон для третьего атома, который немедленно теряет электрон для четвертого атома — и т.д., триллионы и триллионы раз.

В результате отдельные электроны движутся медленно, но сам ток движется почти со скоростью света. Таким образом, когда вы щелкаете
выключателем, свет включается практически мгновенно, независимо
от того, какое расстояние отделяет выключатель от света.
Вот несколько дополнительных моментов, которые могут помочь вам
понять природу тока:

Рис. 2.2.
Электроны передают ток по проводу
подобно тому, как ряд
бильярдных шаров
передает движение

Один из способов проиллюстрировать этот принцип — выстроить 15 шаров на бильярдном столе в идеально прямую
линию, как показано на рис. 2.2. Если вы ударите по шару

ГЛАВА 2.Основы электричества

кием на одном конце линии, шар на противоположном конце
линии почти сразу же сдвинется с места. Остальные шары
немного сдвинутся, но не сильно (при условии, что вы выстроите их в одну линию и ударите по шару кием прямо).
Это похоже на то, что происходит с электрическим током.
Хотя каждый электрон движется медленно, эффект пульсации, когда каждый атом теряет и приобретает электрон,
происходит молниеносно (буквально!).

»
ПРИМЕЧАНИЯ

Неслучайно движущуюся воду также называют .
Многие из ученых, первыми исследовавшими природу электричества, считали электричество разновидностью жидкости, что оно течет в проводах примерно так же, как вода
течет в реке.
Сила электрического тока измеряется единицей, называемой (в краткой форме — amp или сокращенно 0).
Ампер — это показатель того, сколько носителей заряда (в большинстве случаев электронов) протекает мимо
определенной точки за одну секунду. Один ампер равен
6 240 000 000 000 000 000 электронов в секунду. Это
6 240 квадриллионов электронов в секунду. (Это огромное
число, но помните, что электроны невероятно малы. Чтобы
придать этому некоторую перспективу, представьте, что каждый электрон весит столько же, сколько средняя песчинка.
Если бы это было так, один ампер тока был бы эквивалентен
перемещению почти 350 тонн песка в секунду.)

» Через большинство электрических ламп накаливания при

включении проходит около одного ампера тока. Фен потребляет около 12 ампер.

» Ток в электронных цепях обычно намного меньше, чем ток

в лампочках и фенах. Ток в электронной цепи часто измеряется в тысячных долях ампера, или (сокращенно 0).

В электрических уравнениях ток часто обозначается буквой I. Буква I означает (1&#1*(&23 4.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Разбираемся с напряжением
В естественном состоянии электроны в проводнике, таком как медь,
свободно перемещаются от атома к атому, но совершенно беспорядочно. Чтобы заставить их двигаться в одном направлении, достаточно дать им толчок. Технический термин для этого толчка — электродвижущая сила, сокращенно ЭДС, или иногда просто Е 1. Но вам она
более известна как напряжение.
Напряжение — это разница в заряде между двумя точками. Предположим,
у вас есть небольшой кусочек металла, атомы которого в избытке содержат отрицательно заряженные атомы, и другой кусочек металла, атомы
которого в избытке содержат положительно заряженные атомы. Другими
словами, в первом кусочке слишком много электронов, а во втором —
слишком мало. Между этими двумя кусочками существует напряжение. Если соединить эти две глыбы проводником, например, медной
проволокой, получится цепь, по которой потечет электрический ток.
Ток продолжает течь до тех пор, пока все лишние отрицательные заряды с отрицательной стороны цепи не перейдут на положительную
сторону. Когда это произойдет, обе стороны цепи станут электрически нейтральными, и ток перестанет течь.
Вот несколько важных дополнительных моментов:

»
»

При наличии разности зарядов между двумя точками существует вероятность того, что между ними потечет ток, если
эти точки соединены проводником. Из-за этой возможности
для обозначения напряжения часто используется термин . Без напряжения не может быть тока. Таким образом,
напряжение создает потенциал для протекания тока.
Если ток можно сравнить с потоком воды по шлангу, то напряжение можно сравнить с давлением воды в кране. Именно
давление воды заставляет ее течь по шлангу.
Напряжение измеряется с помощью единицы, называемой,
естественно, вольт, обычно сокращенно В. Напряжение,
доступное в стандартной электрической розетке в США,
составляет около 117 В. Напряжение, доступное в батарее
фонарика, составляет около 1,5 В. Автомобильный аккумулятор обеспечивает напряжение около 12 В.

Автор под этим понятием будет понимать и напряжение (U) и ЭДС (ε), которые имеют разное
обозначение в физике.

ГЛАВА 2.Основы электричества

Узнать, какое напряжение существует между двумя точками,
можно с помощью прибора, известного как вольтметр, оборудованного двумя проволочными измерительными проводами, которые можно поднести к различным точкам цепи.
На рис. 2.3 показан типичный вольтметр. (На самом деле,
прибор, изображенный на рисунке, технически называется
мультиметром, потому что он может измерять не только напряжение. Более подробную информацию об использовании
вольтметра вы найдете в главе 8 этой части.)
Напряжение можно считать положительным или отрицательным, но только в сравнении с некоторой точкой отсчета.
Например, в батарее фонарика напряжение на положительном полюсе составляет +1,5 В по отношению к отрицательному полюсу. Напряжение на отрицательной клемме
равно –1,5 В относительно положительной клеммы.

Рис. 2.3.
Для измерения
напряжения можно
использовать
мультиметр

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

ВЫ УВЕРЕНЫ В ЭТОМ?
Первые 150 лет серьезных исследований природы электричества
ученые считали, что электрический ток — это текущий назад поток положительных зарядов: они думали, что электрический ток — это поток
положительных зарядов и что электрический ток течет от положительной стороны цепи к отрицательной.
Лишь около 1900 года ученые приступили к разгадке структуры
атомов. Вскоре они выяснили, что электроны имеют отрицательный
заряд, а ток — это на самом деле поток этих отрицательно заряженных
электронов. Другими словами, они обнаружили, что ток течет в противоположном направлении от того, о чем они долгое время думали.
Старые идеи не умирают сразу, и по сей день большинство людей
считают, что электрический ток течет от положительного заряда
к отрицательному. Эту концепцию протекания тока иногда называют обычным током. Современные электронные схемы почти всегда
описываются в терминах обычного тока, поэтому предполагается, что
ток течет от положительного к отрицательному, хотя на самом деле
электроны в цепи текут в противоположном направлении.

»
ПРИМЕЧАНИЯ

»
ЗАПОМНИТЕ

Я хотел бы дать вам точное определение вольта, но не могу —
по крайней мере, пока. Определение вольта не будет иметь
никакого смысла, пока вы не познакомитесь с понятием
мощности, которое описано далее в этой главе в разделе
5/ 6.
Хотя ток перестает течь, когда две стороны цепи нейтрализуются, электроны в цепи не перестают двигаться. Вместо
этого они просто возвращаются к своему естественному
беспорядочному движению. Электроны всегда движутся
в проводнике. Когда они получают толчок от напряжения,
они движутся в одном направлении. Когда напряжения нет,
они движутся беспорядочно.
В электрических уравнениях напряжение обычно обозначается буквой E, которая означает + 6 .

ГЛАВА 2.Основы электричества

Сравнение постоянного и переменного тока
Электрический ток, который течет непрерывно в одном направлении,
называется постоянным током (direct current) или сокращенно DC.
Электроны в проводе, по которому течет постоянный ток, движутся
медленно, но, в конце концов, они добираются от одного конца провода до другого, потому что продолжают двигаться в одном направлении.
Напряжение в цепи постоянного тока должно быть постоянным или,
по крайней мере, относительно постоянным, чтобы ток тек в одном
направлении. Так, напряжение, обеспечиваемое батареей фонарика,
остается постоянным и составляет около 1,5 В. Положительный конец батареи всегда положителен по отношению к отрицательному концу, а отрицательный конец батареи всегда отрицателен по отношению
к положительному концу. Это постоянство и заставляет электроны перемещаться в одном направлении.
Другой распространенный тип тока называется переменным, сокращенно АС (alternating current, дословный перевод — периодический двунаправленный ток). В цепи переменного тока напряжение периодически

Рис. 2.4.
«Колыбель
Ньютона»
работает
так же,
как переменный
ток

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

меняется на противоположное. Когда напряжение меняется на противоположное, меняется и направление тока. В наиболее распространенной форме переменного тока, используемой в большинстве систем
распределения электроэнергии, напряжение изменяется в зависимости от страны либо 50, либо 60 раз в секунду. В США напряжение меняется на противоположное 60 раз в секунду.
Переменный ток используется почти во всех системах распределения
электроэнергии в мире по той простой причине, что переменный ток
гораздо эффективнее при передаче по проводам на большие расстояния.
Все электрические токи теряют энергию при прохождении на большие
расстояния, но цепи переменного тока теряют гораздо меньше энергии, чем цепи постоянного тока.
Электроны в цепи переменного тока на самом деле не движутся вместе с током. Вместо этого они как бы остаются на месте и как бы покачиваются взад-вперед. Они двигаются в одном направлении в течение
1/60 секунды, а затем разворачиваются и идут в другом направлении
в течение 1/60 секунды. В итоге они никуда не перемещаются.
Вот несколько интересных и полезных фактов, касающихся переменного тока:

Популярная игрушка «Колыбель Ньютона» поможет понять,
как работает переменный ток. Игрушка состоит из ряда
металлических шариков, подвешенных на ниточках к каркасу
так, что шарики касаются друг друга по прямой линии, как
показано на рис. 2.4. Если потянуть шарик на одном конце
линии в сторону от других шариков, а затем отпустить его,
этот шарик качнется назад к линии шариков, ударит по тому,
который на конце, и мгновенно приведет в движение шарик на другом конце линии в сторону от группы. Этот шар
немного взмывает вверх, а затем разворачивается и снова
опускается вниз, чтобы ударить по группе с другого конца,
что в свою очередь отталкивает первый шар от группы. Это
попеременное движение вперед-назад продолжается удивительно долго при условии, что игрушка точно собрана.
Переменный ток работает примерно так же. Электроны
сначала движутся в одном направлении, но затем меняют
направление и движутся в другую сторону. Движение электронов в цепи вперед и назад продолжается до тех пор, пока
напряжение продолжает меняться на противоположное.

Если вы хотите увидеть «Колыбель Ньютона» в действии, зайдите на YouTube и наберите в строке поиска 7#8&91:*;'<=$#.

СОВЕТ

ГЛАВА 2.Основы электричества

Обратное изменение напряжения в типичной цепи переменного тока не происходит мгновенно. Напряжение плавно
переходит от одной полярности к другой. Таким образом,
напряжение в цепи переменного тока постоянно меняется. Вначале оно равно нулю, затем немного увеличивается
в положительном направлении, пока не достигнет максимального положительного значения, а затем уменьшается,
пока не вернется к нулю. В этот момент оно увеличивается
в отрицательном направлении, пока не достигнет своего максимального отрицательного значения — и снова уменьшается,
пока не вернется к нулю. Затем весь цикл повторяется.

» Тот факт, что величина напряжения в цепи переменного тока
постоянно меняется, оказывается невероятно полезным. Вы
узнаете, почему это так, в главе 1 части 4, когда я подробнее
расскажу вам о переменном токе.

Разбираемся с мощностью
В начале этой главы я упомянул три ключевых понятия, которые вам
необходимо знать об электричестве, прежде чем строить электрическую цепь. Первые два (ток и напряжение) описаны ранее в этой главе. Напомню, ток — это организованный поток электрических зарядов через проводник, а напряжение — движущая сила, которая толкает
электрические заряды, создавая ток.
Третья часть головоломки называется мощностью (power, в уравнениях сокращенно P). Проще говоря, мощность — это работа, совершаемая электрической цепью. Сам по себе электрический ток не так уж
и полезен. Он становится полезным, когда энергия, переносимая электрическим током, преобразуется в какую-либо другую форму энергии:
в тепло, свет, звук или радиоволны. Например, в лампе накаливания
напряжение заставляет ток течь через нить накаливания, которая преобразует энергию тока в тепло и свет.
Мощность измеряется в ваттах (watts, сокращенно W, Вт). Определение одного ватта очень простое: один ватт — это количество работы,
совершаемой цепью, в которой один ампер тока приводится в движение одним вольтом.
Эта зависимость поддается простому уравнению. Начиная работу над
этой книгой, я дал слово использовать как можно меньше уравнений,
но знал, что придется включить в нее хотя бы несколько основных математических выражений.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

К счастью, это уравнение довольно простое:
P=E ×I
Другими словами, мощность (P) равна напряжению (E), умноженному на ток (I).

СОВЕТ

Чтобы правильно использовать уравнение, необходимо убедиться, что
вы измеряете мощность, напряжение и силу тока в стандартных единицах: ваттах, вольтах и амперах. Например, предположим, что лампочка
подключена к 10-вольтовому источнику питания и через нее протекает одна десятая ампера. Чтобы рассчитать мощность лампочки, вы используете формулу P = E × I следующим образом:
P = 10 В × 0,1 А = 1 Вт
Таким образом, лампочка совершает работу в 1 Ватт.
Часто бывает так, что вы знаете напряжение и мощность цепи и хотите
использовать эти значения для определения силы тока, протекающего
по цепи. Это можно сделать, перевернув уравнение следующим образом:

Например, если вы хотите определить, какой ток протекает через светильник с лампочкой мощностью 100 ватт, когда она включена в розетку с напряжением 117 вольт, используйте следующую формулу:

Таким образом, сила тока через цепь равна 0,855 ампера.
Вот несколько замечаний о понятии мощности:

» Термин

часто используется в связи с мощностью.
Когда энергия, переносимая электрическим током, преобразуется в другую форму, например в тепло или свет, говорят,
что цепь рассеивает мощность.

Вы, наверное, удивились, что ток и напряжение обозначаются буквами I и E, а не буквами ; или V, а мощность обозначается буквой P? Иногда кажется, что люди, устанавливающие
правила, пытаются всех запутать.

ГЛАВА 2.Основы электричества

Возможно, следующая таблица поможет вам разобраться
во всем:

»
ОСТОРОЖНО!

Концепция

Сокращение

Единица

Ток

Ампер (А)

Напряжение

E или EMF

Вольт (В)

Мощность

Ватт (Вт)

Ранее в этой главе в разделе 5/
я предупреждал, что не могу дать определение один вольт,
пока вы не узнаете, что такое мощность. Теперь, когда знаете,
вы можете увидеть, что определение вольта очень простое:
один вольт — это электродвижущая сила (ЭДС), необходимая
для совершения работы в один ватт при силе тока
в один ампер.
Расчет мощности, рассеиваемой цепью, часто является очень
важной частью проектирования схемы. Это связано с тем,
что электрические компоненты, такие как резисторы, транзисторы, конденсаторы и интегральные схемы, имеют максимальную мощность. Например, самый распространенный
тип резистора может рассеивать не более ¼ ватта. Если вы
используете ¼-ваттный резистор в цепи, которая рассеивает
более ¼ ватта мощности, вы рискуете сжечь резистор.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Найдете место, где можно устроить
лабораторию сумасшедшего ученого

» Инвестируете в хорошие
инструменты

» Подберете хороший ассортимент
компонентов для начала работы

Гл а в а 3

Создайте свою лабораторию
сумасшедшего ученого
детстве я любил смотреть фильмы про Франкенштейна. Больше
всего мне нравились сцены, когда доктор Франкенштейн заходил в свою лабораторию. Эти лаборатория была наполнена самыми удивительными и экзотическими электрическими устройствами.
Ассистент сумасшедшего доктора Игорь в нужный момент нажимал
на гигантский рубильник, сыпались искры, музыка взлетала до крещендо, существо оживало, и тогда сумасшедший доктор кричал: «Оно
ЖИВОЕ!»

Лучшим фильмом о Франкенштейне по-прежнему остается оригинальный «Франкенштейн» 1931 года, снятый Джеймсом Уэйлом с Борисом
Карлоффом в главной роли. Второй по популярности фильм о Франкенштейне — «Молодой Франкенштейн» 1974 года режиссера Мела
Брукса с Джином Уайлдером в главной роли. В обоих фильмах есть замечательные сцены в лаборатории.
Знаете ли вы, что в лаборатории в «Молодом Франкенштейне» используется тот же реквизит, что и в классическом фильме 1931 года? Гением,
создавшим этот реквизит, был Кеннет Стрикфаден, один из пионеров голливудских спецэффектов. Стрикфаден десятилетиями хранил
оригинальный реквизит «Франкенштейна» в своем гараже. Когда Мел
Брукс попросил его одолжить реквизит для «Молодого Франкенштейна»,
Стрикфаден с радостью согласился.
Для создания простых электронных схем не нужна сложная лаборатория безумного ученого, как в фильмах о Франкенштейне. Однако вам

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

придется оборудовать себе более скромное рабочее место, снабдив его
набором основных инструментов, а также основными электронными
компонентами для работы.
Впрочем, каким бы скромным ни было рабочее место, вы все равно можете называть его своей лабораторией безумного ученого. Ведь
большинство друзей будут считать вас немного сумасшедшим и гением, когда начнете собирать свои собственные электронные гаджеты.
В этой главе я познакомлю вас с тем, что нужно приобрести, прежде
чем приступить к созданию электронных схем. Конечно, не обязательно покупать все сразу. Можно начать с простого набора инструментов
и небольшого помещения для работы. Совершенствуя навыки работы
с электроникой, вы сможете приобретать дополнительные инструменты и оборудование — по мере изменения потребностей.

Как обустроить лабораторию безумного ученого
Прежде всего, нужно создать хорошее место для работы. Вы можете
обустроить шикарный рабочий стол в гараже или в свободной комнате, но если у вас нет столько места, временную лабораторию безумного
ученого можно сделать практически в любом месте. Все, что вам нужно, — место, где можно установить небольшой стол и стул.
Большую часть работы с электроникой я провожу в свободной комнате
своего дома, которая также служит местом для демонстрации реквизита

Рис. 3.1.
Моя лаборатория
сумасшедшего
ученого — это
действительно
лаборатория
сумасшедшего
ученого

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

для Хэллоуина, который я создавал в течение многих лет для своего
дома с привидениями. Как видно из рис. 3.1, у меня дома действительно есть лаборатория безумного ученого!
Вот основные составляющие для создания рабочего места для занятий электроникой:

Достаточное пространство. Вам понадобится достаточно
места для работы. Когда вы только начинаете, ваше рабочее
место может быть небольшим — может быть, всего 2–3 фута
в углу гаража. Но по мере освоения электроники вам понадобится больше места.
Очень важно, чтобы место, выбранное для рабочей зоны,
было безопасным, особенно если рядом есть маленькие дети.
Рабочая зона будет полна опасностей: в ней много предметов,
которые могут привести к ударам, ожогам и порезам, а также вещей, которые ни в коем случае нельзя проглатывать.
Маленькие ручки невероятно любопытны, и дети склонны
класть в рот все, что им незнакомо. Поэтому храните все в недоступном для детей месте, в идеале — за закрытой дверью.

ОСТОРОЖНО!

Хорошее освещение. Идеальное освещение должно быть
верхним, а не сбоку или сзади. Если есть возможность, купите недорогой флуоресцентный светильник и повесьте его
прямо над рабочей зоной. Если выбранное место не позволяет повесить светильник сверху, лучшим вариантом будет
настольная лампа, которую можно повернуть так, чтобы
она была у вас над головой, и тогда свет будет падать прямо
на вашу работу.
Крепкий рабочий стол. На первых порах вы можете обойтись
чем-то простым, например столиком для игры в карты или
небольшим столиком-книжкой, однако со временем захочется чего-то более постоянного и основательного. Вы можете
сделать себе отличный рабочий стал из старой двери, поставив ее на пару старых ящиков для картотеки, или отправиться субботним утром на распродажи старья в поисках недорогого, но прочного офисного стола.
Если единственным вариантом верстака остается кухонный стол, купите в хозяйственном магазине 24-дюймовую
квадратную панель из 5/8-дюймовой фанеры. Эта панель
с прочной поверхностью заменит рабочий стол и защитит
кухонный, пока вы не приобретете настоящий рабочий.

СОВЕТ

Удобное сиденье. Если ваше рабочее место — складной
или письменный стол, лучшим местом для сидения будет
хороший офисный стул. Однако многие рабочие столы

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

на 4,6 дюйма выше, чем письменные, это позволяет комфортно работать стоя. Если рабочий стол высокий, нужно приобрести стул или кресло соответствующей высоты. Можно
купить табурет-скамейку в хозяйственном магазине или
походить по распродажам старой мебели в поисках дешевого барного стула.

Много электричества. Для связанных с электроникой проектов
понадобится источник электричества. Стандартная 15-амперная электрическая розетка обеспечит достаточную мощность
тока, но, скорее всего, вам не хватит одной розетки. Самый
простой способ решить проблему — приобрести несколько
многорозеточных удлинителей и разместить их в удобных местах позади или по обе стороны от рабочего места.
Много места для хранения. Понадобится место для хранения инструментов, расходных материалов и комплектующих.
Идеальное место для хранения ручных инструментов — небольшой лист доски с прищепками, закрепленный на стене прямо
за рабочим столом. На крючки можно повесить инструменты
в пределах досягаемости. Для более крупных инструментов
(дрель или пила) лучше всего подойдут встроенные шкафы.

Для мелких деталей лучше всего подойдут многосекционные
ящики для хранения, показанные на рис. 3.2. Советую вам
приобрести одну или две такие коробки для хранения мелких
компонентов (резисторы, диоды, конденсаторы, транзисторы
и т.д.). Если купите две коробки, возьмите одну с несколькими большими отделениями, а другую — с большим количеством маленьких.

Рис. 3.2.
Многосекционные коробки
идеально
подходят для
хранения мелких
деталей

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Полезно держать под рукой несколько небольших неглубоких контейнеров для хранения. Они особенно полезны для
хранения деталей для проекта, над которым вы работаете.
Это поможет хранить детали вместе в неглубокой корзине,
а не разбрасывать их по всей рабочей зоне.

СОВЕТ

Оборудование лаборатории безумного ученого
Как и у любого другого хобби, у электроники свои особые инструменты и принадлежности. Вам не нужно бежать в магазин и покупать все
сразу, но чем больше вы будете увлекаться, тем больше захочется инвестировать в большой набор качественных инструментов и принадлежностей. В следующих разделах описаны некоторые из необходимых
вещей, которые должны быть в вашем распоряжении.

Основные ручные инструменты
Для начала понадобится базовый набор ручных инструментов, подобный тому, что показан на рис. 3.3. В частности, будут нужны такие
инструменты:

Рис. 3.3.
Основные ручные
инструменты,
которые вам
понадобятся

Отвертки. Большинство электронных устройств относительно невелики, поэтому не нужны большие, очень мощные
отвертки. Но следует обзавестись хорошим набором отверток малого и среднего размера — как с плоским лезвием, так
и с крестообразной головкой.

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

Набор ювелирных отверток иногда бывает очень полезен.
Поворотная ручка на верхней части каждой отвертки позволяет легко удерживать отвертку в нужном положении при
повороте лезвия.

Плоскогубцы. Иногда вы будете использовать стандартные
плоскогубцы, но для большинства работ с электроникой
понадобятся игольчатые, они особенно хорошо подходят для
работы с проводами: сгибание и скручивание, проталкивание
через отверстия и т. д. У большинства игольчатых плоскогубцев есть режущая кромка, которая позволяет использовать
их в качестве кусачек.
Приобретите небольшой набор игольчатых плоскогубцев
с тонкими губками для работы с мелкими деталями и набор
побольше — для работы с другими деталями.

»
»

Кусачки. Хотя для резки проволоки можно использовать
игольчатые плоскогубцы, понадобятся кусачки разных типов:
мощные — для резки толстой проволоки, кусачки поменьше —
для резки мелких проводов или выводов компонентов.
Кусачки для зачистки проводов. На рис. 3.4 показаны два
куска провода, которые я зачистил (снял изоляцию). Тот, что
сверху, я зачистил кусачками, а тот, что снизу, — щипцами для
зачистки проводов. Обратите внимание на обжим в верхней
части, в том месте, где заканчивается изоляция. Это произошло из-за слишком сильного давления на кусачки. Этот
обжим создал слабое место в проводе, со временем провод
может здесь сломаться.

Рис. 3.4.
Провод сверху
был зачищен
кусачками,
а провод
снизу —
с помощью
специальных
кусачек для
зачистки
проводов

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

ВЫ ПОЛУЧАЕТЕ ТО, ЗА ЧТО ПЛАТИТЕ
Когда речь идет об инструментах, старая мантра
. в целом верна. Хорошие инструменты, изготовленные из лучших материалов и с лучшим качеством, стоят дорого.
Дешевые инструменты — это просто дешевые инструменты. Разброс
цен может быть значительным. Вы можете потратить 20 или 25 долларов1 на приличные кусачки, а можете купить дешевые всего
за 3–4 доллара.
У дешевых инструментов два основных недостатка. Во-первых, они
недолговечны. Рабочая часть дешевого инструмента очень быстро
изнашивается. Каждый раз, когда режете проволоку кусачками
за 4 доллара, вы немного стачиваете режущее лезвие. Скоро такие
кусачки уже едва смогут перерезать проволоку. Второй недостаток
дешевых инструментов — следствие первого: когда инструменты
изнашиваются, они, как правило, повреждают рабочие материалы.
Например, если закручивать винт изношенной отверткой, его можно
сорвать. Если попытаетесь ослабить затянутую гайку изношенным
гаечным ключом, можете сорвать гайку.
Есть несколько ситуаций, когда имеет смысл потратить деньги на дешевые инструменты. Первая — это если вы хотите начать заниматься
этим увлекательным хобби, но тратить на него как можно меньше.
Всегда можно начать с дешевых инструментов, а по мере накопления опыта, уверенности, увлеченности хобби и увеличения бюджета
заменять их на более дорогие. Еще одна веская причина покупать
дешевые инструменты — если вы рассеянны (как я) и часто теряете
вещи. Нет особого смысла покупать дорогие инструменты, если вам
придется менять их каждые несколько месяцев, потому что они постоянно теряются!

Чтобы не повредить провода при зачистке, советую приобрести недорогой (не дороже 10 долларов) инструмент для зачистки проводов. Позже
вы скажете спасибо за этот совет.
СОВЕТ

Здесь и далее автор приводит примерные стоимости материалов в долларах на американском
рынке. На момент издания книги на российский рынок курс 1 доллара был равен 84 рублям.

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

Лупы
Один из самых полезных предметов в вашем арсенале — это хорошая
лупа. Электронные детали маленькие, а резисторы, диоды и транзисторы совсем крошечные.
Вообще-то рекомендую иметь под рукой как минимум три вида луп:

»
»
»

Ручная лупа для проверки паяных соединений, чтения этикеток на мелких компонентах и т. д.
Настольная лупа, чтобы держать свою работу за линзой.
Лучше, чтобы у нее была встроенная подсветка, тогда объект
будет ярко освещен.
Налобная лупа, которая обеспечивает увеличение, когда
руки заняты тонкой работой. В идеале на налобной лупе
должен быть встроенный фонарик (см. рис. 3.5).

Рис. 3.5.
Автор
демонстрирует
любимую налобную лупу

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Третьи руки и тиски для хобби
Третья рука — популярный у любителей электроники инструмент.
Это небольшая подставка с парой держателей-крокодилов, которые
держат деталь, освобождая руки для тонкой работы. Большинство инструментов третьей руки также включают в себя увеличительное стекло. На рис. 3.6 показан недорогой инструмент третьей руки, удерживающий печатную плату.

Рис. 3.6.
Третья рука
может держать
деталь, тогда
обе ваши руки
свободны для
работы

Наиболее распространенное применение третьей руки в электронике — пайка. С помощью держателей-крокодилов вы удерживаете детали, которые нужно припаять, расположив их за лупой, чтобы можно
было хорошо рассмотреть.

СОВЕТ

Хотя лупа в третьей руке полезна, она все же мешает работе. Манипулировать паяльником и припоем за лупой может быть неудобно, по этой
причине я часто снимаю лупу с третьей руки и использую вместо нее
свою любимую налобную.

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

Рис. 3.7.
Тиски для
хобби

Третья рука часто помогает при сборке небольших проектов, но ей
не хватает прочности, необходимой для больших проектов. В конце
концов вы захотите приобрести небольшие тиски, такие как на рис. 3.7.
Эти тиски изготовлены компанией PanaVise.
Вот несколько вещей, на которые следует обратить внимание при выборе тисков:

Крепление. Приобретите тиски с основанием, имеющим
крепление к рабочему столу. Существуют три распространенных типа креплений:

•
•
•
»

»
68

Крепление на болтах. В основании есть отверстия, через которые можно пропустить болты или винты, чтобы прикрепить
тиски к рабочему столу. Это самый устойчивый тип крепления,
но должны быть отверстия в рабочем столе.
Крепление с помощью зажима. На основании есть зажим, который можно затянуть, чтобы прикрепить основание к верхней
и нижней части рабочего стола. Зажимные крепления довольно устойчивы, но их можно размещать только у края рабочего
стола.
Вакуумное крепление. На основании есть резиновый уплотнитель и рычаг, потянув за который, вы создаете вакуум между
уплотнителем и поверхностью рабочего стола. Вакуумные крепления наиболее мобильны, но хорошо работают только в том
случае, если у рабочего стола гладкая верхняя поверхность.

Поворотный механизм. Выбирайте тиски с поворотным
механизмом, он позволяет при работе поворачивать деталь
в различные положения. Убедитесь, что при фиксации поворотный механизм остается на месте. Вы же не хотите, чтобы
деталь ерзала, когда будете паять!
Защита. Убедитесь, что губки тисков с резиновым покрытием,
оно защитит деталь от повреждения.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Паяльник
Пайка — один из основных приемов сборки электронных схем. С ее
помощью соединяют два проводника (два провода или провод и проводящую поверхность на печатной плате).
Две детали соединяют, нагревают паяльником, они становятся горячими и расплавляют припой (специальный сплав из свинца и олова
с низкой температурой плавления), припой наносят на нагретые детали, он расплавляется и растекается по ним.
Затем паяльник убирают. Припой остывает, затвердевает и соединяет
два проводника вместе.
Все о пайке вы узнаете в главе 7 этой части.
Для успешной пайки понадобятся три основные вещи:

»
»

Паяльник. Маленький ручной инструмент, который нагревается достаточно, чтобы расплавить припой. Для начала вполне подойдет недорогой паяльник из магазина инструментов.
По мере того, как вы будете все больше увлекаться электроникой, захочется купить паяльник подороже с более точным
контролем температуры и внутренним заземлением.
Припой. Мягкий металл, который плавится, образуя соединение между проводниками.
Подставка для паяльника. Вы будете ставить на нее паяльник, когда не паяете. Некоторые паяльники продаются
вместе с подставками, но самые дешевые — обычно без подставки. На рис. 3.8 показан паяльник, в комплект которого
входит подставка. Такой паяльник можно купить в магазине
примерно за 25 долларов.

Рис. 3.8.
Паяльник
с подставкой

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

Мультиметр
В главе 2 этой части я объяснил, что можно измерять напряжение с помощью вольтметра. С помощью мультиметров можно измерять и многие другие параметры, важные в электронике. Помимо напряжения,
часто требуется измерять ток и сопротивление.
Вместо того чтобы использовать для этого три разных прибора, обычно применяют один, называемый мультиметром. На рис. 3.9 показан
обычный мультиметр, купленный примерно за 20 долларов.

Рис. 3.9.
Недорогой мультиметр

Беспаечная макетная плата
Беспаечная макетная плата (обычно ее называют просто макетной платой) необходима для экспериментов с электронными схемами. Это плата с отверстиями, в которые можно вставить провода или
электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, транзисторы
и т.д.), чтобы создать полную электронную схему без пайки. Когда закончите работу над схемой, вы можете разобрать ее, а затем использовать ту же макетную плату, провода и компоненты для создания совершенно другой схемы.
На рис. 3.10 показана типичная макетная плата, купленная в магазине
примерно за 20 долларов. Вы можете приобрести более дешевые макетные платы, но эта (размером чуть больше 7×4 дюймов1) достаточно
большая для создания всех схем, представленных в этой книге.
1

1 дюйм равен 2,54 см. Размер 7×4 дюймов соответствует примерно 17,8×10,2 см. — Прим. ред.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 3.10.
Беспаечная
макетная
плата

Макетная плата очень удобна, потому что ее отверстия — это фактически разъемы без припоя, которые внутри соединены друг с другом
по определенной, хорошо понятной схеме. Как только вы освоите работу с макетной платой, не составит труда понять, как она работает.
В книге я покажу, как создавать десятки различных схем на макетной
плате. В результате вы захотите приобрести хотя бы одну. Я советую
приобрести такую же макетную плату, как на рис. 3.10, а также одну
или две меньшего размера, и вам не придется постоянно разбирать одну
схему, чтобы собрать другую.
Подробнее о работе с беспаечными макетными платами я расскажу
в главе 6 этой части.

Провода
Один из самых важных предметов, который необходимо иметь под рукой в лаборатории, — провод. Это отрезок проводника, обычно из меди,
но иногда из алюминия или другого металла. Проводник обычно покрыт внешним слоем изоляции. В большинстве проводов изоляция
сделана из полиэтилена, который используется для изготовления пластиковых пакетов.
Провода бывают двух основных типов:

»
»

Одножильный провод изготовлен из одного куска металла.
Многожильный (витой) провод состоит из множества тонких
проволочек, сплетенных вместе.

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

Рис. 3.11.
Одножильный
и многожильный
провод

На рис. 3.11 показаны оба типа проводов. На обоих снята изоляция,
чтобы можно было увидеть разницу.
Для большинства проектов этой книги удобнее работать с одножильным проводом, его легче вставлять в отверстия макетной платы и другие типы клеммных соединений. Одножильный провод легче паять.
Когда вы пытаетесь припаять многожильный провод, неизбежно одна
очень тонкая проволока отделяется от остальных, это может привести
к короткому замыканию.
С другой стороны, многожильный провод более гибкий, чем одножильный. Если согнуть одножильный провод несколько раз, он в конце концов сломается. По этой причине обычно используют многожильный
провод, если его надо часто перемещать.
Провода бывают разных размеров (калибров1), обычно сматываются в упаковке либо наматываются на нее. Как ни странно, чем больше калибр, тем тоньше провод. Для большинства электронных проектов вам понадобится провод 20 или 22 калибра (равносильно диаметру
0,6–0,8 мм). При работе с бытовым электричеством необходимо использовать более толстый провод (обычно 14 или 16 калибров, что равносильно 1,2–1,6 мм).
Вы, наверное, замечали, что изоляция провода бывает разных цветов.
Цвет не влияет на работу провода, но принято использовать разные цвета для обозначения его назначения. Например, в цепях постоянного
1

Калибр - американская система размера диаметра жил проводов.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

тока принято использовать красный провод для подключения положительного напряжения, а черный — для отрицательного.
Для начала советую приобрести различные провода — как минимум,
четыре катушки: одножильные 20 калибра (0,8 мм), многожильные
20 калибра (0,8 мм), одножильные 22 калибра (0,6 мм) и многожильные 22 калибра (0,6 мм). Лучше, если это будут провода разных цветов.
Помимо проводов в рулонах, вы также можете приобрести провода-перемычки, которые предварительно отрезаны, зачищены и согнуты для
использования с беспаечными макетными платами. На рис. 3.12 показан ассортимент, который я купил примерно за 6 долларов.

Рис. 3.12.
Проводаперемычки
для беспаечной
макетной
платы

Батарейки
Не забудьте про батарейки! В большинстве схем, описанных в этой книге,
используются батарейки AA или 9-вольтовые, так что запаситесь ими.
Если хотите, можете использовать перезаряжаемые батарейки (аккумуляторы.) Они дороже, но вам не придется их менять, когда разрядятся.
Если используете аккумуляторы, вам понадобится зарядное устройство.

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

Зажим для батарейки 9 В

Рис. 3.13.
Держатели батареек помогут
обеспечить
питание ваших
схем

Держатель для батареек AA

Чтобы подключить батарейки к схемам, нужны держатели для батареек
AA. Возьмите один, который вмещает две батарейки, и другой, который вмещает четыре. Также следует приобрести несколько зажимов для
9-вольтовых батареек. Эти держатели и зажимы показаны на рис. 3.13.

Чем еще стоит запастись
Помимо всего, что я уже перечислил, вот еще несколько предметов,
которые могут понадобиться время от времени:

Не экономьте на качестве, покупая дешевую изоляционную
ленту! Я считаю, что самая лучшая изоляционная лента — это
Scotch Super 33+ Vinyl Electrical Tape. Она примерно в два
раза дороже, чем лента из дешевого магазина, но вы не пожалеете, потратив несколько лишних долларов.

СОВЕТ

Изоляционная лента. Купите рулон или два обычной черной
ленты электрика. Вы будете использовать ее в основном
для обматывания временных соединений, чтобы удержать их
вместе и не допустить замыкания.

Пневматический очиститель. Небольшой баллончик со сжатым воздухом может пригодиться, чтобы сдуть пыль со старой печатной платы или компонента.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

»
»

Кабельные стяжки. Эти маленькие пластиковые стяжки,
которые также называют хомутами-стяжками, удобны для
временного (или постоянного) соединения проводов и других
предметов.
Зажимы Эти короткие (обычно 12 или 18 дюймов1)
провода с зажимами типа на обоих концах, показаны на рис. 3.14. С их помощью можно быстро соединять
компоненты для тестирования.

Рис. 3.14.
Зажимыкрокодилы отлично подходят
для быстрого
соединения
компонентов

Запаситесь основными
электронными компонентами
Помимо инструментов и расходных материалов, о которых я рассказал
в этой главе, вам потребуется подобрать коллекцию недорогих электронных компонентов, чтобы начать работу над схемами. Не обязательно покупать все и сразу, но вам захочется собрать хотя бы основные детали, прежде чем продвинетесь дальше в этой книге.
К сожалению, далеко не везде есть магазины, где продаются эти компоненты. (Если повезло и недалеко от вас можно найти специализированный магазин электроники, покупайте детали в нем, чтобы помочь
1

Примерно 30,5 см или 45,7 см. — Прим. ред.

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

местному бизнесу.) Если в округе нет такого магазина, закажите детали онлайн через Интернет на специализированных сайтах или в любом другом онлайновом магазине электронных деталей.

Резисторы
Резистор — это компонент, который сопротивляется протеканию тока.
Это один из самых основных компонентов, используемых в электронных схемах; на самом деле, в этой книге вы не найдете ни одной схемы,
в которой не будет хотя бы одного резистора. На рис. 3.15 показаны три
резистора рядом с одноцентовой монетой, чтобы понять, насколько
они малы. Вы узнаете все о резисторах в главе 2 части 2.

Рис. 3.15.
Резисторы —
один из
наиболее часто
используемых
компонентов
схемы

Резисторы различаются по величине сопротивления (сопротивление
току измеряется в единицах, называемых омами, символ Ω) и мощности (мощность, которую они могут выдержать, не сгорая, измеряется в ваттах).
Во всех схемах, описанных в этой книге, можно использовать резисторы мощностью в полватта. Понадобятся резисторы самых разных номиналов. Я рекомендую купить по крайней мере по 10 штук каждого
из следующих 12 сопротивлений:

470 Ω

4,7 kΩ

47 kΩ

470 kΩ

1 kΩ

10 kΩ

100 kΩ

1 MΩ

2,2 kΩ

22 kΩ

33 kΩ

220 kΩ

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

СОВЕТ

Вы можете сэкономить, купив большой набор резисторов. Например,
большинство поставщиков продают упаковку, содержащую примерно
500 резисторов (по крайней мере 10 всех перечисленных здесь значений плюс несколько других) по цене около 15 долларов.

Конденсаторы
После резисторов конденсаторы, вероятно, второй, наиболее часто
используемый компонент в электронных схемах. Конденсатор — это
устройство, способное временно накапливать электрический заряд.
О конденсаторах вы узнаете из главы 3 части 2. На рис. 3.16 показаны
некоторые конденсаторы.

Рис. 3.16.
Конденсаторы
бывают разных форм и
размеров

Конденсаторы бывают разных типов. Два самых распространенных —
керамические дисковые и электролитические. Величина емкости конденсатора обычно измеряется в микрофарадах, сокращенно μF или мкФ.
В качестве начального набора конденсаторов предлагаю приобрести
по пять штук каждого из следующих двух типов:

»
»

Керамические дисковые: 0,01 мкФ и 0,1 мкФ.
Электролитические: 1 мкФ, 10 мкФ, 100 мкФ, 220 мкФ
и 470 мкФ.

Как и в случае с резисторами, вы можете приобрести большой набор
конденсаторов разной величины (примерно за 15 долларов 500 или более конденсаторов разной емкости).
СОВЕТ

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

Диоды
Диод — это устройство, которое пропускает ток только в одном направлении. На рис. 3.17 показаны разные типы диодов.

Рис. 3.17.
Ассортимент
диодов

У диода два вывода — анод и катод. Ток будет протекать через диод
только тогда, когда к аноду приложено положительное напряжение,
а к катоду — отрицательное. Если эти напряжения поменять местами,
ток не потечет.
О диодах вы узнаете в главе 5 части 2. Пока же я предлагаю приобрести
пять основных диодов, известных как 1N4001 (средний на рис. 3.17). Их
можно найти в любом магазине, торгующем деталями для электроники.

Светоизлучающие диоды
Светоизлучающий диод (или светодиод, LED) — особый тип диода,
который излучает свет при прохождении через него тока. О светодиодах я расскажу в главе 5 части 2. Хотя существует множество типов светодиодов, советую для начала приобрести хотя бы пять красных диодов. На рис. 3.18 показан типичный красный светодиод.

Транзисторы
Транзистор — трехконтактное устройство, в котором напряжение, приложенное к одному из выводов (называемому базой), может управлять
током, протекающим через два других вывода (коллектор и эмиттер).
Транзистор — одно из самых важных устройств в электронике, и я подробно рассказываю о транзисторах в главе 6 части 2. Пока вы можете
просто иметь под рукой несколько простых NPN-транзисторов 2N3904,
показанных на рис. 3.19.
Не волнуйтесь, к тому времени, когда дочитаете главу 6 части 2, будете знать, что означают символы 2N3904 NPN.
ПРИМЕЧАНИЯ

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 3.18.
Светоизлучающие
диоды

Рис. 3.19.
NPNтранзистор
2N3904

ГЛАВА 3.Создайте свою лабораторию сумасшедшего ученого

Интегральные схемы
Интегральная схема — специальный компонент, содержащий целую
электронную схему с транзисторами, диодами и другими элементами,
вытравленными фотографическим способом на крошечном кусочке
кремния. Интегральные схемы — это строительные блоки современных
электронных устройств, таких как компьютеры и сотовые телефоны.
В части 3 вы узнаете, как работать с некоторыми базовыми интегральными схемами. Чтобы начать работу, нужно приобрести несколько интегральных микросхем, по крайней мере, двух разных типов:
таймер 555 и операционный усилитель LM741. Эти микросхемы показаны на рис. 3.20.

Рис. 3.20.
Две популярные
интегральные
микросхемы:
таймер 555 и
операционный
усилитель LM741

И еще одна вещь напоследок
Конечно, для завершения работы вашей лаборатории безумного ученого
потребуется еще одна вещь — знак, который предупредит ваших друзей
и семью о том, что вы действительно сумасшедший ученый. Я разрешаю вам сделать фотокопию знака, изображенного на рис. 3.21, и повесить его на видном месте рядом с вашим рабочим столом.

Рис. 3.21.
Убедитесь, что
ваши друзья и близкие
предупреждены
об опасности

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Узнаете о рисках при работе
с электричеством

» Научитесь защищать себя от опасностей блуждающего электричества

» Сможете защитить инструменты
от статического электричества

Гл а в а 4

Правила безопасности
огда я был ребенком, помогал хорошему другу по имени Барри,
который делал катушку Тесла. Говоря помогал, имею в виду, что
торчал у него в гараже и наблюдал, как он тщательно наматывает тысячи витков медной проволоки на огромную стеклянную бутылку
из-под молока, покрывает ее десятками слоев лака и полирует латунный шарик, который крепится на самом верху катушки. Я уверен, без
меня он бы не справился.

Когда все было готово, мы включили катушку в сеть и изумились тому,
что она может делать. Из шарика на вершине катушки беспорядочно
вылетали искры на один-два фута. Если держать в одной руке лом, можно было прочертить искру на расстоянии нескольких футов от шара
до лома. Ток, выходящий из шара, пролетал по воздуху и попадал в лом,
а затем проходил через наши тела и уходил в землю. Также можно было
зажечь флуоресцентную лампу, просто держа ее в руке на расстоянии
нескольких футов от катушки.
До сих пор не могу поверить, что родители Барри разрешили ему сделать это. Я знаю, что мои родители никогда не позволили бы мне сделать такую вещь. Моя мама была похожа на маму из «Рождественской
истории», которая не разрешала своему сыну Ральфи иметь пистолет
Red Ryder BB (тот, что с компасом в корпусе и штукой, которая показывает время), потому что вдруг ты попадешь себе в глаз.
Такой была моя мама. Никаких катушек Тесла у меня не могло быть,
потому что это слишком опасно.

ГЛАВА 4.Правила безопасности

Любой из электронных проектов, описанных в этой книге, намного
безопаснее катушки Тесла. Более того, большинство вообще не представляют никакой опасности. Но важно всегда помнить, что работа
с электричеством потенциально очень опасна.
Возможность поражения электрическим током всегда есть при работе
с электричеством, но есть и другие потенциальные опасности. Возможно,
вы не выколете себе глаз, но если не будете осторожны, можете устроить пожар или нанести себе или кому-то другому травму.
Цель этой главы — сделать безопасными эксперименты с электроникой. Пожалуйста, прочитайте ее внимательно и прислушайтесь к каждому моему совету.

Столкнитесь с реальностью
электрических опасностей
Невозможно уйти от того простого факта, что сильный удар током может убить. Поэтому при работе с электричеством необходимо принимать все возможные меры предосторожности, чтобы этого избежать.
В США ежегодно от 500 до 1000 человек погибают от случайного поражения электрическим током. Люди гибнут из-за аварии на производстве или когда натыкаются на разрушенные штормом линии электропередач. Но многие из этих инцидентов — несчастные случаи, которые
происходят у людей дома и которые можно было легко предотвратить.
В последующих разделах я дам вам конкретные рекомендации по предотвращению случайного поражения электрическим током.

Бытовой электрический ток может убить вас!
Слишком многие люди ошибочно полагают, что 120 вольт переменного тока, проходящего по бытовым электрическим проводам, недостаточно, чтобы убить. Поэтому для начала давайте проясним один факт:
Электричество в проводке у вас дома вполне сильное,
чтобы вас убить.
ОСТОРОЖНО!

Вы подвергаетесь воздействию бытового электрического тока в основном в двух местах: в электрических розетках и в патронах для ламп в светильниках. Поэтому вам следует быть очень осторожными, когда вставляете или вынимаете вилку из розетки, а также при замене лампочки.
В частности, следует соблюдать следующие меры предосторожности:

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

»
»
»

Никогда не меняйте лампочку, не выключив свет. Если у светильника есть выключатель, выключите его, а если выключателя нет, выньте вилку светильника из розетки.
Если удлинитель перетерся или поврежден, выбросьте его.
Когда изоляция удлинителя начинает стираться, опасность
поражения током становится вполне реальной.
Никогда не выполняйте электромонтажные работы, если
цепь находится под напряжением. Если вы собираетесь самостоятельно заменить выключатель или розетку, перед началом работ всегда отключайте электричество в вашем доме.
Многие люди ежегодно погибают из-за того, что думают, что
могут безопасно работать под напряжением.

ПРАВДА ЛИ, ЧТО УБИВАЕТ ТОК,
А НЕ НАПРЯЖЕНИЕ?
Есть старая пословица: убивает ток, а не напряжение. Хотя это утверждение может быть технически верным, оно опасно тем, что вводит
в заблуждение. На самом деле, оно проистекает из фундаментального
непонимания, что такое ток и напряжение. Не понимая взаимосвязи
между током и напряжением, вы можете пойти на опасный риск.
Опасность поражения электрическим током возникает при прохождении тока через жизненно важные части тела — в частности, через
сердце. Чтобы остановить сердце, достаточно всего нескольких миллиампер тока. При токе около 10 мА мышцы сводит судорогой, поэтому вы не сможете отпустить руку, если держите провод под напряжением. При токе около 15 мА мышцы в груди могут застыть, что сделает
невозможным дыхание. А при токе около 60 мА может остановиться
сердце. Эти эффекты возникают всего за несколько мгновений.
Так что да, именно ток, проходящий через ваше тело, может убить вас.
Но ток неотделим от напряжения. Ток не может возникнуть без напряжения, а при прочих равных условиях чем больше напряжение,
тем больше ток. В результате получить смертельный удар током в три
вольта очень сложно, даже если вы мокрый и стоите на голом бетоне.
Но в таких условиях 30 вольт может быть достаточно, чтобы вызвать
болезненный и разрушительный шок.
Сказать: убивает ток, а не напряжение, — это все равно что сказать:
утопленника убила не вода, а недостаток кислорода. Хотя технически это может быть верно, но разве не вода вызывает недостаток
кислорода?

ГЛАВА 4.Правила безопасности

Никогда не работайте с устройствами, работающими от сети
переменного тока, когда они под напряжением. Просто выключить устройство недостаточно для обеспечения безопасности. Если у прибора есть шнур питания, выньте его вилку
из розетки, прежде чем работать с ним. Если шнура питания
нет, выключите автоматический выключатель на распределительном щитке вашего дома или квартиры.
Соблюдайте дополнительные меры предосторожности при
работе с сетью переменного тока в вашем доме. В части 4,
где рассказывается подробнее о работе с цепями переменного тока, я объясню правила безопасности при работе
с переменным током.

Даже относительно небольшое
напряжение может причинить вам вред
Большинство проектов в этой книге работают с батарейками AA, обычно установленными по две или четыре, которые в общей сложности
дают напряжение три или шесть вольт. Этого напряжения недостаточно, чтобы причинить серьезный вред. Даже если вы получите удар током в три или шесть вольт, скорее всего, почти не почувствуете.
Однако даже при напряжении в 3–6 вольт можно получить травму. Если
случайно создадите короткое замыкание между двумя полюсами батарейки, по ней очень быстро потечет ток. В результате провод, соединяющий два конца батарейки, может сильно нагреться, как и сама
батарейка. Этого тепла может быть достаточно, чтобы получить ожог.

ОСТОРОЖНО!

Если не ограничивать быстрое увеличение силы тока, есть опасность,
что батарейка взорвется. Поверьте, вы не захотите оказаться поблизости,
если это произойдет. И уж тем более вам не захочется оказаться в травмпункте из-за того, что в глаза попали осколки взорвавшейся батарейки.
В связи с этой опасностью при работе со схемами с питанием от батареек следует соблюдать следующие меры предосторожности:

»
»

Не подключайте питание к схеме, пока она не будет полностью готова и вы не проверите свою работу, чтобы убедиться, что все подключено правильно.
Не оставляйте схемы без присмотра, если они подключены
к питанию. Всегда вынимайте батареи, прежде чем отойти
от рабочего стола.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

»
»

Периодически трогайте батарейки пальцем, чтобы убедиться, что они не горячие. Если они нагреваются, выньте батареи и проверьте схему — убедитесь, что не допустили ошибку
в подключении.
Если почувствовали запах гари, сразу выньте батарейки
и снова проверьте цепь.

КОГДА ВОДА ОЧЕНЬ ОПАСНА
Мы все видели, как в криминальных сериалах по телевизору совершаются убийства, когда жертва, принимая ванну, бросает в нее включенный в розетку электроприбор, например, фен. Мне всегда было
интересно, как часто это происходит на самом деле и насколько вероятен летальный исход. Например, как быстро сработает предохранитель
и отключит питание фена? Сработает ли как положено специальное
устройство защитного отключения (УЗО), которое должно быть во всех
современных ванных комнатах, и вовремя отключит питание фена?
Мне никогда не хотелось проводить эксперимент, чтобы выяснить это,
да и вам не стоит этого делать ни при каких обстоятельствах. Вода
и электричество — очень плохое сочетание, потому что вода — отличный проводник электричества, и оно течет повсюду.
Строго говоря, чистая незагрязненная вода на самом деле является
изолятором. Но чистая вода встречается очень редко. В большинстве
случаев там есть загрязнения, которые превращают воду в отличный
проводник. Таким образом, при работе с электрическим током следует избегать воды. Вот несколько советов, как поддерживать низкую
влажность для безопасной работы с электричеством:

•
•
•

Убедитесь, что пол сухой. Не работайте с электронными или
электрическими устройствами в помещении, где влажный пол.
Остерегайтесь высокой влажности, особенно если на поверхностях образуется конденсат.
Высушите руки перед работой с электрическим током. Даже
небольшое количество пота на руках может снизить естественную сопротивляемость организма и усилить опасность поражения электрическим током при пониженном напряжении.

Всегда надевайте защитные очки, чтобы защитить глаза
от взрывающихся батареек. (В некоторых случаях могут
взорваться и другие компоненты!)

ГЛАВА 4.Правила безопасности

Иногда напряжение прячется
в неожиданных местах
Один из самых больших рисков поражения током в электронике возникает из-за напряжения, которого вы не ожидали. Легко следить за напряжением, о котором знаете, — например, в блоке питания или батареях. Но некоторые электронные схемы предназначены для усиления напряжения.
Поэтому, даже если ваша схема работает от шестивольтовых батареек,
в определенных точках схемы может быть гораздо большее напряжение.
Некоторые электрические устройства могут долго сохранять электрический заряд — даже после отключения питания от цепи. Самое известное такое устройство — конденсатор. Он попеременно накапливает и затем отдает электрический заряд. Поэтому следует опасаться
любых схем, содержащих конденсаторы, особенно если они большие.
Обычные керамические дисковые конденсаторы, как правило, меньше крошечной монетки и не хранят много заряда. Однако если в вашей схеме есть конденсаторы размером с батарею, следует быть очень
осторожным при работе с ними. Такие конденсаторы могут сохранять
большой заряд долгое время после отключения питания.
Вот некоторые правила безопасности, касающиеся конденсаторов:

Одно из самых распространенных мест, где можно встретить
большие конденсаторы, — это цепи питания. Любое электронное устройство, подключаемое к электрической розетке,
имеет цепь питания, в которой может находиться большой
конденсатор. Будьте очень осторожны рядом с этими конденсаторами. Если цепь питания находится в отдельной
закрытой коробке, не открывайте ее. Вместо этого замените
весь блок питания, если подозреваете, что он неисправен.
Еще одно распространенное место, где можно найти высоковольтные конденсаторы, — фотовспышка. Даже если
напряжение батареи составляет всего 1,5 В, конденсатор,
управляющий вспышкой, вполне может удерживать заряд
300 В и более.
Перед работой с цепью, содержащей конденсатор, всегда
сначала разрядите его. Небольшие конденсаторы можно разрядить, закоротив их выводы стержнем отвертки.
Убедитесь, что при замыкании выводов вы касаетесь только
изолированной рукоятки отвертки, и не прикасайтесь свободной рукой к другим частям схемы.
Большие конденсаторы следует разряжать, подключив их
выводы к лампе или большому резистору. Самый простой

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

способ сделать это — подсоединить патрон лампы к паре
зажимов типа , вкрутить лампу в патрон, а затем
аккуратно подсоединить зажимы к выводам конденсатора.
Если конденсатор держит заряд, лампа на мгновение засветится, когда конденсатор разрядится через лампу.

Если нет полной уверенности в том, что делаете, когда речь
идет о больших конденсаторах, — откажитесь от такого
проекта.

Другие способы
обеспечения безопасности
Поражение электрическим током — не единственная опасность, с которой вы можете столкнуться при работе с электроникой. В следующих
параграфах описаны другие риски и меры предосторожности, которые
следует предпринять, чтобы свести эти риски к минимуму:

Очевидно, что пайка связана с риском пожара. Если ваш
паяльник достаточно горячий, чтобы расплавить припой,
он также достаточно горячий, чтобы воспламенить горючие
материалы — бумагу, изоляцию проводов и т.д.
Поэтому:

•
•

>" . " 6 Не включайте
его в розетку, пока он не понадобится, отключайте от сети сразу
после того, как закончите пайку.
? " " /

Купите держатель для паяльника, чтобы надежно удерживать
паяльник, пока он горячий. На рис. 4.1 показан паяльник на простой подставке. Как видите, подставка надежно удерживает
конец паяльника поднятым над рабочей поверхностью.

Рис. 4.1.
Паяльник на
подставке

ГЛАВА 4.Правила безопасности

•
•

. ./
@
Нельзя чтобы провода касался сам паяльник, иначе изоляция шнура расплавится. Однажды
я по рассеянности положил паяльник прямо на его шнур питания.
К счастью, успел заметить это до того, как паяльник расплавил
основную часть изоляции шнура.
Убедитесь, что провод паяльника расположен на безопасном
расстоянии от ваших вещей, чтобы вы случайно не задели его
во время работы, падая, паяльник может задеть вас, и вы получите ожог.

•
ОСТОРОЖНО!

Электроника — и особенно пайка — может представлять
химическую опасность. При пайке в воздух выделяется небольшое количество свинца. Поэтому:

•
•
•
•
»

>"/

B / 6/"
+ . .
. " Небольшое количество свинца и других
токсичных веществ обязательно попадет на ваши руки. Лучше
всего часто мыть их, чтобы не допустить попадания в организм
всякой гадости.
A Маленькие
дети и домашние животные любят засовывать предметы в рот.
Если вы оставите припой или мелкие электронные детали (резисторы или диоды) свободно лежащими на верстаке, дети или
домашние животные могут захотеть полакомиться ими. Храните
такие вещи в коробках или шкафах и, если возможно, устройте
всю рабочую зону за запирающимися дверями.
?/ / Как бы безумно это ни звучало, но я видел людей, которые
держали во рту десяток резисторов, впаивая каждый из них в печатную плату. Это определенно плохая идея.

Работа с острыми инструментами, такими как ножи, кусачки
и электродрели, создает риск резаных травм. Поэтому:

•
•
88

/ Когда
припой плавится, он иногда закипает и разбрызгивает в воздухе маленькие шарики горячего припоя. Расплавленный металл
не должен находиться рядом с вашими глазами.

. Убедитесь, что точно знаете, где
хотите сделать разрез. Убедитесь, что точно знаете, где находятся все ваши пальцы, прежде чем начать разрезать.
6/ Не прилагайте чрезмерных усилий, чтобы заставить инструмент сделать больший, глубокий или широкий разрез, если он не предназначен для этого.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

•
•
•

Работа с тупыми инструментами заставляет прилагать дополнительные усилия — инструмент
соскальзывает и задевает палец.
/ AC
.
. 6 3 / / + 4
? . " . Маленькие кусочки заготовки или лезвия могут легко отколоться и ударить по лицу. Добавьте кусочки изоляции, медной
проволоки и сломанные сверла к растущему списку того, что
не должно попасть вам в глаза.

Держите под рукой средства
безопасности
Несмотря на все меры предосторожности, при работе с электроникой
несчастные случаи неизбежны. Лучшая стратегия защиты от несчастного случая — быть готовым к нему. Я рекомендую держать поблизости:

»
»
»
»

Огнетушитель. Чтобы быстро потушить любой пожар,
прежде чем он выйдет из-под контроля.
Аптечка. Для лечения мелких порезов и ссадин, а также
небольших ожогов. В аптечке должны быть бинты, антибактериальные кремы или спреи, а также мази от ожогов.
Телефон. Чтобы можно было вызвать помощь, если что-то
пойдет не так.
Друг. Если для вашего проекта нужно работать с напряжением электросети (220 вольт), друг может помочь, если вас
ударит током.

Защита ваших вещей
от статических разрядов
Статическое электричество (это более правильное название электростатического заряда) возникает, когда электрические заряды (то есть
напряжение) накапливаются в отсутствие цепи, по которой течет ток.
Ваше собственное тело часто является носителем статического заряда,
который может возникать по разным причинам. Самая распространенная — трение, возникающее в результате таких простых вещей, как

ГЛАВА 4.Правила безопасности

ходьба по ковру. Одежда также может накапливать статический заряд,
и обычно это происходит, когда вы бросаете ее в сушилку для белья.
Статический заряд, накопленный в вашем теле, обычно со временем
разряжается сам по себе. Однако если вы прикоснетесь к проводнику,
например, к латунной дверной ручке, когда вы заряжены, заряд быстро
рассеется, вызвав раздражающий удар током.
Если проводником окажется не латунная дверная ручка, а чувствительный электронный компонент, например транзистор или интегральная
схема, разряд может не просто раздражать, он может сжечь внутренности компонента, и вы не сможете использовать его. По этой причине
при работе над электронными проектами следует защищать свои вещи
от статического разряда. Самый простой способ — убедиться, что вы
правильно разряжены перед началом работы. Если у вас металлический
рабочий стол или большой металлический инструмент, например сверлильный станок или шлифовальная машина, просто протяните руку
и дотроньтесь до него после того, как сядете на стул у рабочего стола.
Более надежным способом защиты оборудования от статического разряда является ношение специального антистатического браслета на одном запястье, как показано на рис. 4.2. Наденьте браслет плотно, чтобы он плотно прилегал к коже по всему запястью. Затем подключите
зажим крокодил к металлической поверхности, например, к раме рабочего стола или расположенному неподалеку сверлильному станку.

Рис. 4.2.
Антистатический
браслет на
запястье

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

СОВЕТ

ОСТОРОЖНО!

Для большей надежности подключите зажим крокодил на вашем антистатическом браслете к нужному заземлению. Чтобы создать подходящее заземление, прикрепите длинный провод к металлической водопроводной трубе. Провод должен быть достаточно длинным, чтобы
дотянуться от трубы до верстака. Осторожно проложите провод от трубы до верстака, снимите около дюйма изоляции и прикрепите провод
к верстаку степлером или зажимом, оставив зачищенный конец свободным, чтобы к нему можно было прикрепить зажим крокодил от антистатического браслета. (Обратите внимание, этот совет предполагает, что в вашем доме металлические водопроводные трубы. Если же
в доме используются пластиковые водопроводные трубы, они не обеспечат должного заземления.)
Некоторые люди рекомендуют для заземления подключить браслет
к правильно заземленной электрической розетке. Я не одобряю такой
способ заземления, поскольку правильно заземленная электрическая
розетка может оказаться неправильно заземленной. Достаточно допустить одну глупую ошибку в проводке или выдернуть один провод,
испугавшись резкого звука или легкого землетрясения — и провод заземления может перестать быть проводом заземления: он окажется
под напряжением. Назовите меня параноиком, если хотите, но я никому не советую пристегивать проводник к запястью, а затем включать его в розетку.

ГЛАВА 4.Правила безопасности

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Узнаете, что схемы соединений —
»

это дорожные карты при работе
с электроникой
Познакомитесь с наиболее часто используемыми символами компонентов

» Научитесь рисовать цепи питания
и общего заземления

» Узнаете, как обычно маркируются

Гл а в а 5

компоненты

Чтение электрических схем
люблю карты. Мне кажется, я сохранил все карты, которые использовал в путешествиях: большие карты целых стран и штатов, карты городов, карты для прогулок, карты парков и музеев,
и даже карты метро. Мои любимые карты — это топографические карты
мест, куда я ездил на неделю в походы. Там показаны не только маршруты, по которым я ходил с рюкзаком, но и высоты — можно вспомнить
каждый трудный подъем в гору с моим 50-килограммовым рюкзаком…

Без карт мы бы заблудились. Мы никогда не добрались бы до места назначения, потому что не знали бы, где находятся дороги. Подумайте,
сколько достопримечательностей могли пропустить!
В электронике есть свой формат карт. Они называются электрическими схемами и показывают, как соединены все детали, составляющие
электронную цепь.
Как на картах используются символы для обозначения городов, мостов
и железных дорог, так и на электросхемах используются специальные
символы для обозначения различных частей цепи, таких как батареи,
резисторы и диоды. Как и на картах, на электросхемах есть условные
обозначения. Например, положительные напряжения почти всегда
показываются в верхней части электросхемы, так же как север почти
всегда показывается в верхней части карты.
В этой главе вы узнаете о символах, используемых в электрических
схемах, об условных обозначениях, применяемых для их рисования.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Начнем с простых электросхем
В свое время я прочитал много книг по компьютерному программированию, да и сам написал несколько таких книг. В них обычно сначала
описывается программа под названием Hello, World, которая просто
выводит на экран текст Hello, World!, а затем завершает работу1. Это
практически самая простая компьютерная программа, которую только можно написать. Она не делает ничего полезного, но это отличная
отправная точка, чтобы научиться писать компьютерные программы.
На рис. 5.1 показана схема — электронный эквивалент программы
Hello, World. Эта схема — самая простая из всех возможных схем, которая действительно что-то делает: она зажигает лампу, тем самым сообщая миру, что схема действительно работает.

Рис. 5.1.
Простая схема цепи,
которая зажигает
лампу

Эта схема содержит два символа, они обозначают два компонента
в цепи: батарейку 1,5 В и лампу накаливания. Линии, соединяющие
эти два компонента, — проводники, которые могут быть реальными
проводами или медными дорожками на печатной плате.
В цепи, изображенной на этой схеме, положительная сторона батареи
подключена к одному проводу лампы, а другой провод лампы подключен к отрицательной стороне батарейки. После подключения ток потечет от батареи к лампе, пройдет через нить лампы, лампа начнет светиться, а затем ток вернется к батарее.

«Hello, World!» — это традиционная первая программа, которую пишут начинающие разработчики при изучении нового языка программирования. Ее задача проста: вывести на экран фразу Hello, World! («Привет, мир!»). Такая программа используется как минимальный пример для
демонстрации синтаксиса языка и проверки, что среда разработки или компилятор настроены правильно. — Прим. ред.

ГЛАВА 5.Чтение электрических схем

На схемах всегда изображается обычное направление тока, которое,
как вы узнали из главы 2 этой части, означает, что ток течет от положительного полюса к отрицательному. Таким образом, ток течет от положительного полюса батарейки через лампу, а затем обратно к отрицательному полюсу батарейки.

ЗАПОМНИТЕ

В действительности направление тока противоположно реальному потоку электронов в цепи. Отрицательная сторона батареи имеет избыток
отрицательно заряженных частиц (лишних электронов), в то время как
ее положительная сторона имеет избыток положительно заряженных
частиц (недостающих электронов). Таким образом, электрический заряд течет по проводнику от отрицательной стороны батареи, через лампу и обратно к положительной стороне. (Подробнее о разнице между
реальным и обычным протеканием тока читайте в главе 2 этой части.)
При прохождении через лампу сопротивление нити лампы приводит
к нагреванию нити, что, в свою очередь, заставляет ее излучать видимый свет.

Как нарисовать схему

ЗАПОМНИТЕ

Одна из самых важных вещей, которую нужно понимать при работе
со схемой, заключается в том, что расположение компонентов на схеме не обязательно соответствует физическому расположению деталей
в схеме при ее реальном построении.
Например, на схеме, показанной на рис. 5.1, батарея находится в левой
части схемы, а лампа — в правой. Кроме того, батарея ориентирована
так, что положительный полюс находится вверху, а отрицательный —
внизу. Однако это не означает, что схема должна быть построена именно таким образом. При желании вы можете расположить лампу слева,
а батарейку справа, или же расположить батарейку сверху, а лампу снизу.
Физическое расположение схемы не имеет значения, пока соединения
компонентов соответствуют схеме. Так, в данном примере, независимо от физического расположения компонентов, положительный вывод батарейки должен быть подключен к одному выводу лампы, а отрицательный — к другому.
Поскольку в схеме, показанной на рис. 5.1, всего два компонента и два
проводника, трудно перепутать соединения. Однако в более сложной
схеме с десятками компонентов и десятками соединений создание

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

цепочки и проверка, что все соединения точно соответствуют указанному на схеме, может оказаться непростой задачей. Необходимо тщательно проверить каждое соединение, чтобы убедиться в его правильности.

Соединение или только пересечение?
Одна из целей при составлении принципиальной электрической схемы — максимально упростить схему. На всех схемах, кроме самых простых, линии пересекаются друг с другом. Важно определить: это реальные соединения между проводниками или линии только пересекаются,
но не соединяются.
Нет четкого и общепринятого стандарта, который предписывал бы, как
указывать, пересечение это или соединение. На рис. 5.2 показаны некоторые способы.
Три примера в левой части рис. 5.2 показывают, как обозначаются соединения. Пример в левом верхнем углу показывает самый распространенный способ обозначения соединения: поставить заметную точку в месте пересечения проводов. Каждый раз, когда вы видите точку

Соединение

Только пересечение

Рис. 5.2.
Пересекающиеся
провода:
слева —
соединение,
справа —
пересечение

ГЛАВА 5.Чтение электрических схем

в месте пересечения двух линий, вы знаете, что эти две линии соединены между собой.
В двух типах соединений, показанных в левом нижнем и левом среднем примерах на рис. 5.2, вертикальные линии расположены под углом,
чтобы не сходиться в одном месте на горизонтальной линии. В обоих
примерах соединения четко обозначены как с точкой, так и без нее.
Три примера в правой части рис. 5.2 показывают, как чаще всего изображаются линии, которые пересекаются, но не соединяются. В двух
верхних примерах одна линия перепрыгивает через другую, а одна из линий прерывается в том месте, где она пересекает другую.
Пример в правом нижнем углу рис. 5.2 немного неоднозначен. Здесь
линии пересекаются друг с другом. Однако нет ни скачка, ни разрыва, указывающих на отсутствие соединения, ни точки, указывающей,
что есть соединение. Так есть здесь соединение или нет? В большинстве случаев ответ — его нет. Обычно можно считать, что соединения
нет, если линии пересекаются, но нет точки. Однако, чтобы убедиться
в этом, следует изучить остальную часть диаграммы. Если вы найдете
на диаграмме другие места, где непересекающиеся линии обозначены
прыжком или разрывом, то пересекающиеся линии без прыжка или
разрыва могут действительно обозначать соединение.

СОВЕТ

Чтобы не возникало путаницы на схемах, в этой книге всегда используется точка для обозначения соединения и прыжок для обозначения
отсутствия соединения — нет простого пересечения линий без точки
или прыжка.

Знакомство с часто используемыми
условными обозначениями
В схеме, показанной на рис. 5.1, всего два компонента: батарея и лампа.
В большинстве электронных схем есть и другие компоненты. Существуют сотни различных типов электронных компонентов, и каждый
из них имеет свое уникальное обозначение на схеме. Чтобы начать работу, нужно знать всего несколько основных условных обозначений,
которые приведены в табл. 5.1. (Обратите внимание, что при использовании на реальной принципиальной схеме уникальные обозначения
часто поворачиваются.)

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

ТАБЛ. 5.1

Стандартные условные обозначения
принципиальных схем
Условное обозначение

Описание
Батарея
Конденсатор
Диод
Земля
Индуктор (катушка)
Лампа
Светоизлучающий диод
Резистор
Подключение источника напряжения
Динамик

Выключатель
Трансформатор
Транзистор (NPN)

Транзистор (PNP)

Переменный резистор (потенциометр)

ГЛАВА 5.Чтение электрических схем

Рис. 5.3.
Типичная
принципиальная
схема

На рис. 5.3 показана принципиальная схема, включающая несколько
таких компонентов. Не волнуйтесь, вам не нужно понимать эту схему прямо сейчас. Я поместил ее только для того, чтобы вы получили
представление о том, как выглядят реальные принципиальные схемы
и как их читать.
Как видите, схема, показанная на рис. 5.3, содержит шесть компонентов. Они расположены слева направо:

»
»
»
»
»
»

Батарея 6 В.
NPN-транзистор.
Резистор.
Конденсатор.
PNP-транзистор (вверху справа).
Светодиод (внизу справа).

В этой книге я использую эти и другие условные обозначения в схемах,
описывающих электрические цепи. Всякий раз, когда я использую условное обозначение впервые, объясняю, что это такое и как работает.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Упрощение соединений
заземления и питания
Во многих электронных схемах распределение соединений по напряжению — один из самых сложных аспектов схемы. Например, около
половины соединений в схеме, показанной на рис. 5.3, используются
для подключения резистора, транзисторов и светодиода к положительному или отрицательному полюсу батареи.
В более сложной схеме могут быть десятки или даже сотни силовых
соединений. Если бы все линии, обозначающие эти соединения, нужно было провести к положительной или отрицательной стороне символа батареи, на схеме было бы слишком много силовых соединений
и в ней было бы трудно разобраться.
Большинство схем имеют общий путь, по которому ток возвращается
к источнику. В случае с рис. 5.3 это проводник (в самом низу схемы),
который собирает ток от светодиода и резистора и возвращает его в батарею. Этот проводник необходим для завершения цепи, чтобы ток мог
течь по полному кругу от батареи через различные компоненты и затем обратно к батарее.
Этот общий проводник часто называют землей, и его можно заменить
символом земля из табл. 5.1. На рис. 5.4 показана схема, в которой используются три символа заземления для обозначения пути, по которому ток возвращается к батарее. Схема, показанная на рис. 5.4, идентична по функциям схеме, показанной на рис. 5.3.

Рис. 5.4.
Принципиальная
схема, в которой для
завершения цепи
используется общее
заземление

ГЛАВА 5.Чтение электрических схем

Кроме общего заземления в большинстве схем есть и общий путь напряжения. В случае схем, показанных на рис. 5.3 и 5.4, общий проводник
напряжения идет от батареи к резистору и далее ко второму транзистору. Этот проводник можно заменить условным обозначением источников напряжения, которые есть везде, где в схеме требуется напряжение.
Символ источника напряжения — это либо открытый круг, либо стрелка. Рядом с кругом или стрелкой всегда указывается величина напряжения. Когда на схеме используется символ источника напряжения,
символ батареи (или другого источника питания, если схема не питается от батареи) опускается. Вместо этого наличие символов источника напряжения подразумевает, что напряжение подается каким-то
способом — либо от батареи, либо от какого-то другого устройства,
например солнечной батареи или источника питания, подключенного к электрической розетке.
На рис. 5.5 показана схема той же цепи, что и на рис. 5.3 и 5.4, но с символами источника напряжения вместо символа батареи. Как видите,
напряжение +6 В требуется в двух местах схемы: на резисторе и на втором транзисторе. Эта схема функционально идентична схемам, показанным на рис. 5.3 и 5.4.

СОВЕТ

Хотя в схеме, показанной на рис. 5.5, источник напряжения положительный, а земля отрицательная, так бывает не всегда. Символ источника напряжения можно использовать и для обозначения отрицательного
напряжения. В этом случае земля на самом деле передает положительное напряжение обратно источнику.
В некоторых случаях в цепи может потребоваться как положительное,
так и отрицательное напряжение в разных точках цепи. Вы узнаете
из главы 2 этой части, что напряжение всегда измеряется относительно
двух точек в цепи. Таким образом, напряжения всегда относительны.
Например, положительный полюс батарейки AAA находится под напряжением +1,5 В относительно отрицательного полюса. В то же время отрицательный полюс батарейки составляет ‒1,5 В относительно
положительного полюса.
Теперь предположим, что вы соединили концы двух батареек AAA.
Тогда напряжение на положительном полюсе первой батарейки будет равно +3 В относительно напряжения на отрицательном полюсе
второй батарейки. Но напряжение на положительном полюсе первой
батарейки будет +1,5 В относительно точки между батарейками, а напряжение на отрицательном полюсе второй батарейки будет ‒1,5 В относительно точки между батарейками.

100

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

На рис. 5.6 показано, как такое расположение можно изобразить в виде
схемы с парой резисторов, подключенных через каждую батарею к средней точке. На схеме слева показаны батареи и соединения с ними.
Справа показана та же схема с использованием символов заземления
и источника напряжения.

Рис. 5.5.
Схема, в которой
для завершения
цепи используется общая
земля, с символами источников
напряжения

Рис. 5.6.
Две эквивалентные
схемы, показывающие положительные и отрицательные источники
напряжения

ГЛАВА 5.Чтение электрических схем

101

Маркировка компонентов
на принципиальной схеме
Одного символа обычно недостаточно для полной идентификации
электронного компонента на принципиальной схеме. Дополнительная
информация обычно включается в текст, который размещается рядом
с символом, как показано на рис. 5.7. Эта дополнительная информация обычно включает следующие сведения:

Идентификатор. Каждый компонент обычно маркируется
буквой, обозначающей тип компонента, за которой следует
номер, помогающий идентифицировать каждый компонент
того же типа. Например, если в схеме есть четыре резистора,
резисторы обозначаются как R1, R2, R3 и R4. Наиболее часто
используемые буквы приведены в табл. 5.2.
Значение или номер детали. Для таких компонентов, как
резисторы и конденсаторы, значение указывается в омах
(для резисторов) и микрофарадах (для конденсаторов). Так,
резистор 470 Ом будет иметь номер 470, а конденсатор
100 мкФ — номер 100.
Буквы k и M используются для обозначения тысяч и миллионов. Например, резистор сопротивлением 10 000 Ом обозначается на схеме как 10k.
Диоды, транзисторы и интегральные схемы не имеют значений, вместо этого у них используются номера деталей

Рис. 5.7.
Принципиальная
схема с обозначением деталей

102

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

производителя. Таким образом, рядом с одним из этих компонентов вы можете найти номер детали, например 1N4001 (для
диода), 2N2222 (для транзистора) или 555 (для интегральной
схемы, ИС).
В некоторых случаях значение или номер детали не указываются на схеме, а включаются в отдельный список деталей,
где есть значение или номер каждой детали, упомянутой
в схеме. Чтобы найти значение или номер детали конкретного компонента, вы ищете компонент по его идентификатору
в списке деталей.

ТАБЛ. 5.2

Часто используемые идентификаторы
Буква

Значение

Резистор (Resistor)

Конденсатор (Capacitor)

Индуктор (Inductor)

Диод (Diode)

LED

Светодиод (Light-emitting diode)

Транзистор (Transistor)

Выключатель (Switch)

Интегральная схема (Integrated circuit)

Обозначение на схемах
интегральных микросхем
Один из важных символов, который не показан в табл. 5.1, — символ
IC (integrated circuit — интегральная микросхема, ИС). ИС — это небольшие сборки с несколькими выводами (штырьками), они подключаются к различным частям схемы, содержащейся в сборке. У некоторых ИС шесть или восемь выводов, у других — десятки или даже сотни.
Эти выводы пронумерованы, начиная с вывода 1. У каждого вывода
свое назначение, поэтому подключение к правильным выводам в схеме жизненно важно для ее правильной работы. Если подключение сделано к неправильным выводам, схема не сможет работать, и возникнет
риск повреждения ИС.
Чаще всего интегральную схему изображают в виде простого прямоугольника с выходящими из него выводами для обозначения различных
контактов. Расположение выводов на схеме не обязательно соответствует

ГЛАВА 5.Чтение электрических схем

103

Рис. 5.8.
Цепь,
в которой
используется интегральная
микросхема

физическому расположению выводов на самой ИС. Вместо этого контакты располагаются так, чтобы обеспечить простейшие пути схемы
на диаграмме. Штырьки на схеме пронумерованы, чтобы указать, какой именно штырек следует использовать.
Например, на рис. 5.8 показана схема, в которой используется популярная ИС под названием таймер 555, она заставляет светодиод мигать.
У микросхемы таймер 555 восемь выводов, схема требует подключения
всех восьми. Однако выводы расположены таким образом, что упрощают подключение к ним. В реальной ИС 555 контакты расположены
в порядке возрастания номеров по обе стороны микросхемы: с одной
стороны контакты с 1 по 4, а с другой — с 5 по 8.

СОВЕТ

104

Не беспокойтесь о деталях работы этой цепи. В части 3, глава 2, узнаете, как она работает. Я привожу ее здесь только для того, чтобы вы
могли увидеть, как интегральные схемы изображаются на принципиальной схеме.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Узнаете, как превратить свою идею
в проект

» Спроектировать работоспособную
схему

» Построить макет на беспаечной
макетной плате

» Создать постоянную цепь
на печатной плате

» Довести проект до конца, поместив
все компоненты в подходящий

Гл а в а 6

корпус

Работа над проектом

наменитый американский бейсболист Йоги Берра якобы сказал:
«В теории нет разницы между теорией и практикой. Но на практике она есть».

Многое в этой книге относится к теории: как работает электрический
ток, как работают отдельные электронные компоненты (резисторы,
конденсаторы и транзисторы), как работает цифровая логика и т.д.
Но сердце электроники — это создание электронных устройств. Изучение теории необходимо, чтобы вы могли практиковаться в этом искусстве, собирая схемы и используя их на практике.
На протяжении всей этой книги я подкрепляю теоретические объяснения работы различных типов электронных компонентов простыми
проектами, которые вы можете построить, чтобы применить теорию
на практике. В этой главе вы познакомитесь с основными методами
конструирования, необходимыми для создания таких проектов.
В частности, узнаете, как создать прототип схемы с помощью удобного устройства, называемого беспаечной макетной платой. Затем изучите методы изготовления более постоянной версии схемы, где компоненты и все соединения схемы спаяны вместе на печатной плате.
Наконец, узнаете, как заключить печатную плату в коробку для проекта или другой корпус.

ГЛАВА 6.Работа над проектом

105

В этой главе вы узнаете обо всех этапах процесса создания достаточно
сложного электронного проекта. Если есть желание, можете сделать
проект по ходу чтения этой главы, но я прежде всего хочу, чтобы вы
получили представление о процессе создания нетривиального проекта от начала и до конца.

Взгляд на процесс создания
электронного проекта
Электронные проекты, подобные тем, о которых вы узнаете в этой книге, обычно следуют предсказуемой последовательности общих шагов
от начала до конца:

Решите для себя, что вы хотите построить.
Прежде чем приступить к проектированию или выполнению
электронного проекта, вы должны иметь четкое представление о том, что он должен делать, как выглядеть и как с ним
будут взаимодействовать люди.

Разработайте схему.
Теперь вам нужно разработать электронную схему, которая
будет выполнять эту работу. Конечный результат этого шага —
принципиальная схема.

Создайте прототип.
Однако для начала есть смысл построить прототип, который
позволит быстро протестировать схему и убедиться, что она
работает. Обычно прототип создается на макетной плате без
припоя.

Постройте постоянную схему.
Когда прототип заработает, можно собрать постоянную версию схемы. Обычно ее собирают, припаивая компоненты
к печатной плате.

Завершите проект.
Чтобы завершить проект, смонтируйте печатную плату вместе с другими необходимыми компонентами (батарейками, переключателями, светодиодам и т. д.) в подходящем
корпусе.

В остальных разделах этой главы подробно описан каждый из этих
этапов.

106

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Представление о проекте
Прежде чем погрузиться в детали проектирования и создания проекта,
следует посмотреть на общую картину. Во-первых, убедитесь, что у вас
есть четкая идея проекта. Почему хотите его построить? Что он будет
делать, кто будет его использовать и зачем?
Например, каждый год я люблю строить что-нибудь, чтобы пугать людей на Хэллоуин. Несколько лет назад я построил гигантского чертика из табакерки, который выпрыгивает из ящика и страшно кричит,
когда люди подходят к нему. Ящик был сделан из фанеры, а механизм,
который открывал дверцу и заставлял страшного клоуна выпрыгивать,
приводился в движение сжатым воздухом. На рис. 6.1 показана готовая конструкция. Поверьте, этот игрушечный чертик напугал многих
детей и не одного взрослого.
Я сразу понял, что мне понадобится какая-то электронная схема для
управления чертиком. Сначала я не был уверен, какая именно схема
мне понадобится, но знал, что какая-то схема мне нужна.

Рис. 6.1.
Один из самых
страшных моих
электронных
проектов

ГЛАВА 6.Работа над проектом

107

Когда есть общая идея проекта, вы можете уточнить детали. Нужно будет ответить на следующие вопросы:

»
»
»
»

Каким будет пользовательский интерфейс? То есть как
человек будет работать с устройством, чтобы заставить его
делать то, что оно должно делать?
Будет ли это устройство автономным или будет взаимодействовать с другими устройствами?
Будет оно питаться от батарей или от сети? Или от солнечных батарей?
Какого размера будет электронное устройство? Должно ли
оно быть достаточно маленьким, чтобы держать его в руке,
или будет помещаться в кармане? Или стоять на полке?

Выскакивающий из ящика чертик для Хэллоуина — довольно сложный
проект, слишком сложный, чтобы использовать его в качестве иллюстрации в начале книги, поэтому я предлагаю вам выполнить более простой
проект: электронное устройство для принятия решений. Вы когда-нибудь
подбрасывали монетку, чтобы принять сложное решение? В этом проекте
вы создадите электронную версию подбрасывания монеты. Вместо того
чтобы подбрасывать монету и смотреть, выпадет орел или решка, создадите электронное устройство, которое будет подбрасывать монету. Таким
образом, сможете принимать решения, даже когда у вас нет ни гроша.
У Подбрасывателя монет такая спецификация:

»
»

»
»
»

108

Устройству понадобятся два светодиодных индикатора — для
обозначения орла и решки.
На нем будут два небольших металлических контакта, к которым пользователь может прикоснуться пальцами. Если пользователь касается обоих контактов, светодиоды по очереди
мигают, подобно тому, как монета переворачивается, когда
вы подбрасываете ее.
Если убрать палец с двух металлических контактов, один
из двух индикаторов продолжает гореть, показывая результат броска монеты — орел или решка. Выбор индикатора,
который продолжит гореть, будет случайным.
Для экономии заряда батареи устройство оснащено кнопкой включения/выключения. Пользователь должен нажать
на кнопку, чтобы устройство заработало, а когда кнопка
отпускается, устройство выключается.
Устройство будет питаться от батареи и находиться в корпусе, достаточно маленьком, чтобы держать его в руке.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 6.2.
Нарисованный
от руки эскиз
электронного
Подбрасывателя монет

По мере уточнения деталей проекта вам, возможно, захочется начать
рисовать схемы, чтобы показать, как он будет выглядеть. На рис. 6.2
показан эскиз электронного устройства для бросания монет, который
я нарисовал от руки.

Проектирование схемы
У вас появилась идея проекта, и следующим шагом будет разработка
схемы, отвечающей его требованиям. Поначалу будет трудно разрабатывать собственные схемы, поэтому возьмите популярную книгу по электронике или поищите в Интернете схемы других людей. Немного поискав в Google, вы, вероятно, сможете найти схему, очень близкую к той,
что нужна вашему проекту.
Во многих случаях вам не удастся найти именно ту схему, которую ищете. Вы можете найти схему, которая похожа на нужную вам, но, возможно, придется внести небольшие изменения, чтобы эта схема соответствовала требованиям вашего проекта. Поначалу это может показаться
вам не по силам, но с опытом вы будете постоянно вносить изменения
в схемы — под конкретные задачи.

ГЛАВА 6.Работа над проектом

109

Одна из полезных стратегий при проектировании схем — разбивать
сложные требования на более простые. Например, вспомните о моем
выскакивающем чертике для Хэллоуина. Полная схема для этого проекта требует нескольких различных элементов, в том числе:

»
»
»
»
»

Цепь для обнаружения того, что кто-то вошел в комнату, чтобы включить устройство.
Цепь для открытия и закрытия ящика с чертиком.
Схема, определяющая время, в течение которого ящик должен оставаться открытым.
Схема, воспроизводящая звук крика.
Схема, обеспечивающая 30-секундную задержку перед повторным выскакиванием чертика.

Проект с Подбрасывателем монет намного проще, чем проект выпрыгивающего чертика. Быстрый поиск в Google позволит найти несколько подходящих схем, которые делают почти то же самое, что требуется
для проекта Подбрасыватель монет. Например, на рис. 6.3 показана принципиальная схема Подбрасывателя, которую вы можете найти в Интернете. В этой схеме используются интегральная микросхема таймер 555, четыре резистора, два светодиода, один конденсатор,
переключатель и источник питания 9 В (скорее всего, батарейка 9 В).
Схема, показанная на рис. 6.3, отличается от требований нашего проекта
всего двумя моментами. Во-первых, в ней нет переключателя включения/выключения. А во-вторых, для запуска и остановки мигания светодиодов используется кнопка, а не пальцы пользователя.
На рис. 6.4 показана схема, в которую я внес эти изменения. Как видите, я добавил кнопочный переключатель, который нужно нажать, чтобы обеспечить напряжение +9 В, необходимое для работы схемы, и заменил кнопку, которая была в оригинальной схеме, двумя открытыми
клеммами. Когда пользователь прикасается к этим двум клеммам, сопротивление его пальца замыкает цепь.

ЗАПОМНИТЕ

110

Пожалуйста, не волнуйтесь, если вы не понимаете, как работает схема, изображенная на рис. 6.4. Я не требую от вас, чтобы вы сразу поняли это! Понимание работы схемы и ее построение — две совершенно
разные вещи; вы можете (и, вероятно, будете) строить множество схем,
принцип работы которых вам непонятен. Единственное, на чем следует сосредоточиться в этот момент, — как на схеме указаны различные
соединения между деталями в цепи. О том, как работает эта схема, вы
узнаете в главе 2 части 3.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 6.3.
Принципиальная
схема для простой
схемы Подбрасывателя монет

Рис. 6.4.
Принципиальная
схема для схемы
Подбрасывателя
монет после того,
как она была
немного изменена для нашего
проекта

ГЛАВА 6.Работа над проектом

111

Последний шаг, который вы можете рассмотреть при проектировании
схемы, — создание окончательной версии принципиальной схемы, которая показывает, какие компоненты будут установлены на вашей конечной печатной плате и какие компоненты не будут на ней находиться. Эта схема пригодится вам позже, когда вы будете готовы к созданию
печатной платы, которая станет постоянным домом для вашей схемы.

Контакты для пальцев

Например, на рис. 6.5 показана версия схемы Подбрасывателя монет,
в которой пунктирной линией обозначены элементы, которые не будут
установлены на плате: источник питания от батареи (то есть источник
напряжения +9 В и земля), кнопочный выключатель питания, два металлических контакта для пальцев и два светодиода. Вместо этого они
будут установлены отдельно внутри корпуса Подбрасывателя. Таким
образом, на плате нужно будет разместить всего шесть компонентов:
интегральную схему таймера 555, четыре резистора и конденсатор.

Рис. 6.5.
Принципиальная
схема, показывающая, какие
именно компоненты расположены на главной
печатной плате,
а какие вне ее

112

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Когда закончите разработку схемы, нужно будет составить список всех
деталей для сборки. Поищите в своей коробке с деталями, чтобы понять, что уже есть в вашем распоряжении, а что придется докупить.
Вот список компонентов, которые понадобятся для создания схемы
Подбрасыватель монет:
ID детали

Описание

резистор 1 кОм, ¼ Вт

резистор 10 кОм, ¼ Вт

резистор 470 :, ¼ Вт

конденсатор 0,1 мкФ

LED1

красный светодиод 5 мм

LED2

зеленый светодиод 5 мм

IC1

555 Таймер ИС

SW1

Кнопка с мгновенным контактом, в нормальном
положении контакт разомкнут

Создание прототипа схемы
на беспаечной плате
Прежде чем переносить схему на постоянную печатную плату, нужно
убедиться, что она работает. Самый простой способ сделать это — собрать схему на беспаечной макетной плате. Она позволяет быстро собрать компоненты схемы, ничего не припаивая. Вместо этого вы просто
вставляете оголенные провода различных необходимых компонентов
в отверстия на макетной плате, а затем с помощью проводов-перемычек
соединяете компоненты вместе.
Прелесть работы с макетной платой без припоя заключается в том, что
если схема работает не так, ее можно изменить, просто вытащив компоненты или провода-перемычки и вставив на их место новые. Если
обнаружите, что на схеме не хватает важного соединения, можете добавить еще один провод-перемычку, чтобы создать недостающее соединение. Если хотите посмотреть, как схема может работать с другим

ГЛАВА 6.Работа над проектом

113

Рис. 6.6.
Типичная беспаечная макетная
плата

резистором или конденсатором, просто вытащите резистор или конденсатор и вставьте на его место другой. На рис. 6.6 показана типичная беспаечная макетная плата.

Понимание того, как работают
беспаечные макетные платы
Несмотря на то что беспаечные макетные платы выпускают разные производители, все они работают практически одинаково. Плата состоит
из нескольких сотен маленьких отверстий, называемых контактными,
которые расположены на расстоянии 0,1 дюйма друг от друга. Это
удобное расстояние, потому что оно также соответствует стандартному расстоянию между контактами, которые выходят из нижней или боковой части большинства интегральных схем. Таким образом, вы можете вставить все контакты даже большой интегральной схемы прямо
в беспаечную макетную плату.
Под пластиковой поверхностью беспаечной макетной платы находятся контактные отверстия, соединенные друг с другом внутри макетной
платы. Эти соединения выполнены по определенной схеме, облегчающей создание даже самых сложных схем. На рис. 6.7 показано, как
устроены эти соединения.
Отверстия в средней части беспаечной макетной платы соединены
в группы по пять штук, которые называются клеммными колодками.
Клеммные колодки расположены двумя группами, между которыми имеется длинная открытая щель, похожая на небольшую канавку.
Именно в эти отверстия вы будете подключать такие компоненты, как
резисторы, конденсаторы, диоды и интегральные схемы.

114

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 6.7.
Отверстия для
контактов в типичных
беспаечных макетных
платах соединены
внутри по этой схеме

Важно отметить, что ряды отверстий не соединены между собой в канавке. Таким образом, каждый ряд состоит из двух электрически отдельных клеммных колодок: одна соединяет отверстия с маркировкой
A по E, другая — отверстия с маркировкой F по J.
Макетная плата сконструирована так, чтобы интегральные схемы можно было разместить поверх канавки, а выводы с каждой стороны интегральной схемы вставить в отверстия по обеим сторонам канавки.
СОВЕТ

Отверстия на внешних краях макетной платы называются шинами.
На каждой стороне макетной платы есть по две шины. Для большинства схем вы будете использовать шины на одной стороне макетной
платы для источника напряжения, а шины на другой стороне платы —
для цепи заземления.
На большинстве беспаечных макетных плат используются цифры и буквы для обозначения отдельных соединительных отверстий в клеммных
колодках. На рис. 6.7 строки обозначены цифрами от 1 до 30, а столбцы — буквами от A до J. Таким образом, отверстие для подключения
в левом верхнем углу области клеммных колодок — это A1, а отверстие
в правом нижнем углу — J30. Отверстия в шине обычно не нумеруются.
Макетные платы без припоя бывают разных размеров. Небольшие макетные платы обычно имеют около 30 рядов клеммных колодок и около
400 отверстий. Но можно приобрести и более крупные макетные платы —
с 60 или более рядами и 800 или более отверстиями.

ГЛАВА 6.Работа над проектом

115

Разметка схемы
Самая сложная задача при создании схемы на беспаечной макетной
плате — перевести принципиальную схему в макет, который можно
собрать на макетной плате. Только в редких случаях схема, собранная
на макетной плате, похожа на ее принципиальную схему. В большинстве случаев компоненты расположены по-другому, и для их соединения требуются провода-перемычки.

ЗАПОМНИТЕ

Главное при сборке схемы на беспаечной макетной плате — убедиться,
что каждое соединение, представленное на схеме, точно воспроизведено на макетной плате. Например, схема на рис. 6.4 показывает, что вывод 1 микросхемы таймера 555 должен быть соединен с землей. Таким
образом, собирая схему на макетной плате, вы должны убедиться, что
это соединение выполнено правильно.
Одна из первых проблем, с которой вы столкнетесь при создании схемы на макетной плате, — соединение выводов интегральной схемы.
На принципиальных схемах соединения выводов интегральной схемы
редко рисуются в числовом порядке. Например, на схеме, показанной
на рис. 6.4, выводы микросхемы таймера 555 перечислены в таком порядке, начиная с левого верхнего угла против часовой стрелки: 7, 6, 2,
1, 3, 8 и 4 (вывод 5 не используется).
Но выводы на реальной микросхеме таймера 555 расположены в цифровом порядке, начиная с левого верхнего угла микросхемы, как показано на рис. 6.8. Обратите внимание, что на левой и правой сторонах
микросхемы есть выводы, но нет ни одного сверху или снизу. (Точка,
напечатанная на верхней части микросхемы, используется для обозначения вывода 1.)

Рис. 6.8.
Нумерация выводов
на интегральной
схеме таймера 555

Чтобы собрать схему, изображенную на макетной плате без припоя,
нужно использовать вашу смекалку. Вот несколько советов, которые
помогут вам собрать эту схему:

116

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

»
СОВЕТ

Начните с того, что обозначьте верхний ряд полосок шины
как положительный источник питания, а нижний — как землю.
Подключите разъем батареи к отверстиям на одном из концов этих шин, но пока не подключайте батарею; никогда
не стоит подавать питание на схему до того, как вы закончите
ее сборку.
Затем вставьте все микросхемы, необходимые для работы
схемы. Вставьте их так, чтобы они располагались в канавке
посередине рядов выводов, и, если в вашей схеме несколько ИС, сориентируйте их все одинаково. Вы только запутаетесь, если на одних микросхемах вывод 1 будет находиться
в левом нижнем углу, а на других — в правом верхнем.
Каждый вывод каждой микросхемы подключен к клеммной колодке, имеющей четыре дополнительных отверстия
для подключения. Таким образом, к каждому выводу можно
подключить до четырех дополнительных компонентов или
проводов-перемычек. Если ваша схема требует подключения
более четырех компонентов к одному выводу, используйте провод-перемычку, чтобы продлить клеммную колодку
вывода до неиспользуемого ряда в любом месте макетной
платы.
С помощью проводов-перемычек подключите выводы
источника напряжения и заземления для каждой микросхемы
к ближайшему доступному отверстию в шинах напряжения
и заземления.

» Теперь пройдитесь по остальным выводам каждой микросхемы, подключая каждый компонент по мере необходимости.
Если один конец компонента подключается к выводу ИС,
а другой — к источнику напряжения или земле, подключите
один конец компонента к доступному отверстию на клеммной колодке для вывода ИС, а другой — к ближайшему доступному отверстию на шинах напряжения или земли.

При желании вы можете обрезать выводы различных компонентов, чтобы они плотнее прилегали к макетной плате.
В результате схема на макетной плате будет выглядеть аккуратнее, а благодаря уменьшению числа оголенных выводов,
торчащих высоко над макетной платой, вероятность случайного соприкосновения выводов друг с другом и возникновения короткого замыкания будет меньше. Однако я обычно
не обрезаю выводы, если только схема не настолько сложна,
что я не могу держать выводы компонентов подальше друг
от друга, не обрезая их по размеру.

ГЛАВА 6.Работа над проектом

117

Сборка схемы монетного жетона
на беспаечной макетной плате
В этом разделе представлена полная процедура сборки схемы Подбрасывателя монет на небольшой макетной плате без припоя. Если вы соберете все материалы, сможете выполнить этот проект примерно за час.
Все детали для создания этого прототипа схемы можно заказать через
Интернет у любого поставщика электронных деталей. Для вашего удобства здесь приведен полный список деталей, которые понадобятся для
создания этого прототипа схемы, а также номера деталей:
Количество Описание
1

Небольшая беспаечная макетная плата

Набор проволочных перемычек для беспаечной
макетной платы

ИС таймера LM555

Резистор 1 кОм, ¼ Вт

Резистор 10 кОм, ¼ Вт

Резистор 470 :, ¼ Вт

Пленочный полиэфирный конденсатор 0,1 мкФ

Красный светодиод 5 мм

Зеленый светодиод 5 мм

Защелкивающийся разъем для батареи 9 В

Батарея 9 В

Для этого проекта вам не понадобится много инструментов. Скорее
всего, вы сможете собрать его вообще без каких-либо инструментов,
но, возможно, захочется держать под рукой кусачки, приспособления
для зачистки проводов и пинцет.
В последующих шагах цифрами и буквами обозначены конкретные
отверстия в области клеммной колодки макетной платы. Если вы используете другую макетную плату, чем та, что указана в списке деталей,
на ней может использоваться другая система нумерации. В этом случае
посмотрите рис. 6.7, чтобы преобразовать номера, указанные в шагах,
для используемой вами макетной платы.

118

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Если у вас есть все необходимое, выполните следующие шаги для сборки схемы:

Вставьте микросхему таймера 555.
Внимательно рассмотрите микросхему таймера 555. В верхней части обратите внимание на маленькую точку в одном
из углов — эта точка обозначает расположение вывода 1.
Осторожно вставьте выводы микросхемы таймера 555 в макетную плату примерно в середине платы, вставив вывод 1
в отверстие E14, а вывод 8 — в отверстие F14. Микросхема будет находиться в пазу, проходящем по центру платы.

Подключите вывод 1 микросхемы таймера 555 к шине
заземления.
Вставьте один конец маленького провода-перемычки в отверстие A14, а другой конец — в ближайшее свободное отверстие в самой нижней шине.

Подключите вывод 8 микросхемы таймера 555 к шине +9 В.
Вставьте один конец маленького провода-перемычки в отверстие J14, а другой конец — в ближайшее доступное отверстие в самой верхней шине.

Соедините выводы 2 и 6 таймера 555 вместе.
Вставьте один конец небольшого провода-перемычки в отверстие C15, а другой — в отверстие H16. Провод перемычки будет проходить над верхней частью микросхемы таймера 555.

На рис. 6.9 показано, как выглядит макетная плата после выполнения
этих четырех шагов.

Рис. 6.9.
Макетная плата после
установки микросхемы
и подключения к шинам
питания

ГЛАВА 6.Работа над проектом

119

Следующие пять шагов — подключение светодиодов и резисторов R3
и R4. Для светодиодов будут использоваться клеммные колодки в рядах 19 и 21.

Подключите контакт 3 микросхемы к ряду 19.
Вставьте один конец короткого провода-перемычки в отверстие C16, а другой — в отверстие C19.

Соедините два сегмента ряда 19.
Вставьте один конец короткого провода-перемычки в отверстие E19, а другой — в отверстие F19. Этот провод-перемычка
перекроет разрыв между двумя клеммными колодками в ряду
19, фактически превратив их в одну клеммную колодку.

Вставьте красный светодиод.
Если вы внимательно посмотрите на красный светодиод, увидите, что один провод немного короче другого. Этот короткий вывод называется катодом. Более длинный вывод называется анодом. Вставьте катод (короткий вывод) в отверстие
D21. Затем вставьте анод (длинный провод) в отверстие D19.

Вставьте зеленый светодиод.
У зеленого светодиода также короткий катодный вывод
и длинный анодный. Вставьте анодный (длинный) вывод в отверстие G21, а катодный (короткий) вывод — в отверстие G19.
Обратите внимание, что выводы двух светодиодов установлены в обратном порядке: анод красного и катод зеленого светодиода вставлены в 19-й ряд, а катод красного и анод зеленого — в 21-й. Для этого есть очень веская причина, но вы вряд
ли ее поймете, даже если бы я попытался объяснить. Поэтому
пока примите на веру, что для работы схемы необходимо установить два светодиода в обратном порядке. (Подробнее о светодиодах, катодах и анодах вы узнаете в главе 5 части 2.)

Вставьте резисторы R3 и R4.
У обоих резисторов сопротивление 470 Ом. Вы можете определить эти резисторы, посмотрев на три цветные полоски, нарисованные на резисторах — они желтые, фиолетовые и коричневые. Вставьте один конец первого резистора в отверстие
B21, а другой — в ближайшее свободное отверстие в самой
нижней полосе шины (шина заземления). Затем вставьте один
конец другого резистора в отверстие I21, а другой — в ближайшее доступное отверстие на самой верхней шине (шина +9 В).

На рис. 6.10 показано, как выглядит макетная плата после выполнения этих действий.

120

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 6.10.
Макетная плата после
подключения светодиодов

Следующие пять шагов подключают схему прикосновения пальцем, которая позволяет пользователю активировать бросок монеты, прикоснувшись к двум металлическим контактам. Для работы этого прототипа
вы подключаете один конец пары проводов-перемычек к схеме, а другие концы оставляете торчать с торца макетной платы. Прикосновение
пальцами к оголенным концам этих проводов имитирует прикосновение к металлическим контактам, которые вы будете использовать
в окончательной версии схемы. Два провода-перемычки будут вставлены в отверстия в ряду 9.

Подключите резистор R1 от вывода 7 микросхемы к шине +9 В.
Резистор R1 — это резистор 1 кОм, который нужно подключить между выводом 7 микросхемы и шиной +9 В. У этого резистора полоски в такой последовательности: коричневая,
черная и красная. Вставьте один конец этого резистора в отверстие J15, а другой — в ближайшее доступное отверстие
в самой верхней полосе шины.

Подключите конденсатор C1 от вывода 2 микросхемы
к шине заземления.
Вставьте любой вывод конденсатора в отверстие B15, а другой — в ближайшее свободное гнездо на самой нижней шине.

Подключите резистор R2 от вывода 7 микросхемы к одному
из металлических контактов.
Этот резистор 10 кОм. Он должен быть подключен между выводом 7 микросхемы и одним из металлических контактов, к которому пользователь будет прикасаться пальцем, чтобы запустить бросание монет. У резистора такая последовательность
цветовых полос: коричневая, черная и оранжевая. Вставьте
один его конец в отверстие H15, а другой — в отверстие H9.

ГЛАВА 6.Работа над проектом

121

Подключите провод-перемычку от вывода 2 микросхемы
к другому металлическому контакту.
Вставьте один конец короткого провода-перемычки в отверстие B15, а другой — в отверстие B9.

Вставьте два провода-перемычки, имитирующие металлические контакты.
Подберите пару проводов-перемычек достаточной длины,
чтобы они тянулись от ряда 9 и свисали на дюйм или около того над краем макетной платы. Вставьте один конец этих
проводов в отверстия E9 и F9, а другие концы оставьте свободными. Разделите концы двух проводов-перемычек, чтобы
убедиться, что они не соприкасаются; они должны находиться на расстоянии около ½ дюйма друг от друга.

На рис. 6.11 показано, как выглядит макетная плата после выполнения этих действий.

Рис. 6.11.
Макетная плата после
подключения перемычек
с контактами для пальцев

Оставшиеся два шага завершают создание схемы подключением источника питания.

Подключите защелкивающийся разъем батареи.
В проводах защелкивающегося разъема батареи используется многожильный, а не одножильный провод, поэтому его
нужно подготовить, прежде чем вставлять в макетную плату.
a. С помощью щипцов для зачистки проводов снимите около ½
дюйма изоляции с концов обоих проводов.

122

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

b. Пальцами скрутите провода как можно плотнее, чтобы ни одна
жила не выступала из самого кончика провода.
c. Вставьте красный провод в последнее отверстие самого верхнего ряда и вставьте черный провод в последнее отверстие самого
нижнего ряда.

Подключите батарею 9 В к защелкивающемуся разъему.
Красный светодиод должен сразу же загореться. (Если это
не так, см. советы по устранению неполадок в следующем
разделе.)

Теперь вы можете проверить схему, прикоснувшись к двум свободным
проводам перемычки. Зажмите их между большим и указательным пальцами, но не позволяйте проводам касаться друг друга. Сопротивление
вашей кожи проведет достаточно тока, чтобы завершить цепь, и светодиоды начнут попеременно мигать красным, зеленым, красным, зеленым и т.д. Они будут мигать до тех пор, пока вы не отпустите провода-перемычки. Тогда один или другой светодиод останется гореть.
Когда вы снова прикоснетесь к проводам, мигание возобновится.
На рис. 6.12 показана готовая схема в рабочем состоянии.
Обратите внимание: если сильно сжать провода, скорость мигания
светодиодов увеличится. Если вы сожмете провода достаточно сильно,
светодиоды будут мигать так быстро, что оба будут казаться постоянно
включенными. Светодиоды все еще мигают попеременно, но они мигают быстрее, чем ваш глаз способен различить разницу, поэтому вам
покажется, что они включены постоянно.

Рис. 6.12.
Рабочий прототип
Подбрасывателя
монет

ГЛАВА 6.Работа над проектом

123

Что делать, если это не работает?
Если ваша схема не работает, надо выяснить причину и устранить ее.
Вот несколько полезных советов по устранению неполадок:

»
»

»
»
»

Осмотрите все выводы компонентов и убедитесь, что они
не соприкасаются. Если какие-то выводы соприкасаются,
аккуратно поправьте их так, чтобы не было соприкосновения.
Убедитесь, что схема получает питание. С помощью мультиметра проверьте напряжение батареи (о том, как это сделать, читайте в главе 8 этой части) и убедитесь, что провода
от защелкивающегося разъема батареи правильно вставлены
в беспаечную макетную плату.
Тщательно перепроверьте свои провода, убедитесь, что каждая перемычка и каждый компонент вставлены в нужное
место.
Проверьте ориентацию микросхемы таймера 555, убедившись, что вывод 1 находится в отверстии E14, а вывод 8 —
в отверстии F14.
Убедитесь, что светодиоды вставлены в правильном
направлении. Для красного светодиода короткий вывод
(катод) вставляется в D21, а длинный вывод (анод) — в D19.
Для зеленого светодиода короткий провод (катод) вставляется в G19, а длинный провод (анод) — в G21.

Сборка схемы на печатной плате
(Printed Circuit Board, PCB)
Когда вы убедитесь, что схема работает, переходите к созданию ее постоянной версии. Есть несколько способов сделать это, наиболее распространенный — создание схемы на печатной плате, также называемой PCB. В следующих разделах узнаете, как работают печатные платы
и как собрать на PCB схему Подбрасывателя монет.
Обратите внимание, что для сборки схемы на печатной плате нужно уметь паять. Как научиться этому важному навыку, объясняется
в главе 7 этой части.
СОВЕТ

124

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Понимание принципов работы печатных плат
Печатная плата изготавливается из слоя изоляционного материала, например пластика. К одной стороне платы приклеены медные дорожки. Дорожки состоят из трасс — проводов, соединяющих компоненты,
и площадок — небольших медных кружков, к которым припаиваются
выводы компонентов. На рис. 6.13 показана типичная печатная плата.
Существуют два основных типа печатных плат:

Сквозное отверстие. Печатная плата, в которой медные цепи
расположены на одной стороне платы, а компоненты установлены на противоположной стороне. В печатной плате
со сквозными отверстиями небольшие отверстия (обычно
диаметром в один дюйм) просверливаются в плате по центру
медных площадок. Компоненты устанавливаются на пустую
сторону платы, пропуская их выводы через отверстия и припаивая их к медным площадкам на другой стороне платы.
После завершения пайки излишки проводов обрезаются.
Поверхностный монтаж. Печатная плата, в которой компоненты устанавливаются на той же стороне платы, что и медные цепи. Отверстия не сверлятся.

Печатные платы с поверхностным монтажом удобнее для крупномасштабной автоматизированной сборки схем. Однако с ними гораздо
сложнее работать любителю, поскольку компоненты обычно меньше,
а выводы расположены ближе друг к другу. Поэтому все печатные платы, используемые в этой книге, имеют сквозные отверстия.

Рис. 6.13.
Печатная плата

ГЛАВА 6.Работа над проектом

125

Использование готовой печатной платы
Самый простой способ работы с печатными платами — покупка готовой платы у поставщика электронных компонентов.
Как видите, печатные платы бывают самых разных форм и размеров.
Наиболее полезные с точки зрения любителя — те, которые имитируют
расположение клемм и шин на беспаечной макетной плате. Например,
на рис. 6.14 показана печатная плата, на которой 550 отверстий расположены по стандартной схеме макетной платы. Печатная плата с макетной схемой позволяет перенести на нее прототип схемы без необходимости придумывать совершенно новую схему.
У некоторых печатных плат разводка похожа на стандартную разводку
макетной платы, но не идентична ей. Поэтому внимательно проверьте все перед сборкой; возможно, придется внести небольшие изменения в схему, чтобы приспособить ее к используемой печатной плате.
При необходимости вы можете обрезать большую печатную плату
до меньшего размера. Один из способов разрезать печатную плату —
прорезать ее с обеих сторон мощным хозяйственным ножом, а затем
защелкнуть ее в месте разреза. Другой способ — разрезать с помощью
вращающегося инструмента1, например, Dremel.

СОВЕТ

Рис. 6.14.
Печатная плата
со стандартной
схемой макетной
платы

126

Многофункциональный электроинструмент или гравер. — Прим. науч. ред.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

СОЗДАНИЕ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ
ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
По мере совершенствования навыков работы с электроникой вы
захотите создавать собственные печатные платы, а не подгонять свои
схемы под выбор доступных печатных плат. Это непросто и недешево,
но сделать собственные печатные платы, адаптированные под вашу
схему, вполне возможно.
Вот основные шаги по созданию собственных печатных плат:
1.

Приобретите пустую печатную плату. Вся поверхность одной
стороны этой платы будет полностью покрыта медью.

Сделайте на медной поверхности маску, обозначающую расположение схемы.
Есть несколько способов. Для простых схем можно просто нарисовать схему на меди от руки, используя специальную ручку.
Для более сложных схем можно купить специальные наклейки
в форме контактных площадок и обычных трасс и поместить их
прямо на медь. Либо можно спроектировать схему на компьютере с помощью любой графической программы, распечатать ее
на специальной бумаге и перенести на медь с помощью горячего
утюга.

Протравите плату, окунув ее в специальный химикат, который
разъедает всю медь, не покрытую маской.
Это неприятный процесс, его нужно проводить на улице в хорошо проветриваемом помещении в перчатках, маске и защитных очках. Когда травление будет закончено, вся медь, которая
не была закрыта маской, исчезнет.

Вымойте плату, чтобы удалить весь этот неприятный раствор
для травления меди.

Сотрите маску, и вы увидите красивый медный рисунок схемы.

Просверлите отверстия в центре каждой площадки, а затем
соберите схему.

Обратите внимание, что через Интернет можно найти несколько
компаний, которые делают на заказ небольшие печатные платы. Это
не дешево, но цена за плату значительно снижается, если заказать
сразу несколько плат.

ГЛАВА 6.Работа над проектом

127

Создание схемы Подбрасывателя
монет на печатной плате
В этом разделе представлена полная процедура сборки схемы Подбрасывателя монет на небольшой печатной плате. Когда вы соберете все
материалы, сможете выполнить этот проект примерно за час.
Все детали, необходимые для создания прототипа схемы, можно приобрести в магазине или заказать их онлайн у любого поставщика электронных деталей. Вот полный список деталей, которые понадобятся
для создания этого прототипа.
Количество Описание
1

Обычная двусторонняя печатная плата

ИС таймера LM555

Резистор 1 кОм, ¼ Вт (5 штук в упаковке)

Резистор 10 кОм, ¼ Вт (5 в упаковке)

Резистор 470 :, ¼ Вт (5 в упаковке)

Пленочный полиэфирный конденсатор 0,1 мкФ

Красный светодиод 5 мм

Зеленый светодиод 5 мм

Нормально разомкнутая кнопка с кратковременным контактом

Защелкивающийся разъем для батареи 9 В

Батарея 9 В

Вам также понадобится одножильный изолированный провод 22 калибра (0,6 мм) и многожильный изолированный провод 22 калибра
любого цвета.
Примечание. Этот список похож на список, который я привел ранее
в этой главе для создания схемы Подбрасывателя монет на макетной
плате без припоя. Если у вас есть детали из того проекта, можете использовать их здесь.
На рис. 6.15 показана схема печатной платы. Прежде чем мы начнем ее
собирать, изучите макет этой платы. Как видите, нет шин, как на макетной плате. Однако общая схема платы похожа на расположение
клеммных колодок на макетной плате. Центральная часть платы содержит 20 клеммных колодок (по 10 с каждой стороны канавки). У каждой колодки три отверстия, она также соединена с расположенными

128

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 6.15.
Разметка печатной
платы, используемой в схеме для
Подбрасывателя
монет

вдоль края платы колодками, у которых по два отверстия. Таким образом, колодка фактически имеет пять отверстий.
Полоски не пронумерованы на плате, но я пронумеровал их на рис. 6.15.
Я использую числа от 1 до 10 для нумерации полос на левой стороне платы и числа от 11 до 20 для нумерации полос на правой стороне.
В последующих инструкциях я использую эти номера, чтобы указать,
к каким отверстиям нужно присоединить компоненты или перемычки.
Примечание. Чтобы не усложнять работу, я просто указываю номер
клеммной колодки и оставляю за вами право решать, какое из пяти
отверстий на колодке использовать.

ЗАПОМНИТЕ

Номера, используемые в разводке печатной платы, относятся к нижней части платы, то есть к поверхности платы с медными дорожками
и площадками. Таким образом, номера с 1 по 10 находятся слева, а номера с 11 по 20 — справа. Когда вы перевернете плату, чтобы вставить
компоненты с верхней части платы, вам придется мысленно поменять
местами номера: 1‒10 — справа, а 11‒20 — слева.

ГЛАВА 6.Работа над проектом

129

При установке компонентов на печатную плату временно используйте
зажим крокодил, чтобы удерживать компоненты заподлицо с платой.
Это позволит вам перевернуть плату, чтобы припаять выводы к площадкам. Если вы не закрепите компонент на плате, он выпадет при
переворачивании платы, или вам придется придерживать компонент
пальцем, пока будете припаивать выводы. Плохая идея: резисторы при
пайке сильно нагреваются.

СОВЕТ

Вот шаги по созданию схемы Подбрасывателя монет на предварительно распечатанной печатной плате.

Разломайте печатную плату пополам.
Готовая печатная плата состоит из двух одинаковых секций1.
Для этого проекта вам нужна только одна из этих секций, поэтому вы можете сломать плату пополам, а вторую половину
сохранить для другого проекта. (Чтобы сломать плату, просто
возьмите ее в руки и сломайте пополам.)

Вставьте микросхему таймера 555.
Помните: точка или выемка на микросхеме 555 обозначает вывод 1. Установите микросхему так, чтобы вывод 1 находился на полосе 4, а вывод 8 — на полосе 14. Затем аккуратно припаяйте микросхему на место. (Советы по пайке
см. в главе 7 этой части.)

Установите провода-перемычки.
Всего для этой схемы нужно девять проводов-перемычек. Отрежьте провода-перемычки от одножильного провода 22 калибра и аккуратно снимите изоляцию с каждого конца. С помощью игольчатых плоскогубцев загните оголенный
конец каждого провода перемычки вниз, вставьте оба конца
в соответствующие отверстия, припаяйте провода к колодкам, а затем с помощью кусачек обрежьте лишнее с концов
каждого провода.
В следующей таблице указаны места расположения колодок печатной платы для каждого провода-перемычки.
Определите, в какое отверстие на указанной планке поместить провод перемычки, руководствуясь собственными соображениями. По возможности используйте кратчайший путь
для каждого провода перемычки.

130

Если вы используете плату как на рисунке 6.14, но это не обязательно. Подойдет почти любая
из доступных вариантов.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Номер перемычки От колодки

К колодке

Установите резисторы.
Необходимо установить четыре резистора. Используйте следующую таблицу для установки каждого резистора в нужное
место. Отогните выводы вниз и вставьте каждый резистор
в нужные отверстия, припаяйте резистор на место, а затем
обрежьте лишнюю проволоку с концов выводов.

Номер ре- Сопрозистора
тивление

Цвета

От колодки

К колодке

1 k:

Коричневый,
черный,
красный

10 k:

Коричневый,
черный,
оранжевый

470 :

Желтый,
фиолетовый,
коричневый

470 :

Желтый,
фиолетовый,
коричневый

Установите конденсатор.
Установите конденсатор в колодки 5 и 10. Вставьте конденсатор до упора, пока он не станет заподлицо с платой.
Затем припаяйте выводы к площадке и обрежьте лишнюю
проволоку.

ГЛАВА 6.Работа над проектом

131

Установите светодиоды.
Помните, что светодиоды имеют направленный свет и должны быть установлены в правильном направлении, иначе они
не будут работать. Один провод короче другого — это чтобы
помочь определить, какой из них какой. Короткий провод —
катод, а более длинный — анод.
В следующей таблице показаны места установки
светодиодов:
Цвет
светодиода

Катод (короткий
провод)

Анод (длинный
провод)

Красный

Зеленый

При установке светодиодов не вставляйте их до тех пор, пока
они не окажутся заподлицо с печатной платой. Вместо этого
вставьте немного проводов в отверстия так, чтобы светодиод
выступал примерно на дюйм от верхней части платы.

Установите провода-перемычки для металлических
контактов.
Отрежьте два двухдюймовых отрезка многожильного провода и снимите около 3/8 дюйма изоляции с каждого конца.
Припаяйте один конец каждого провода к отверстиям в колодках 1 и 11, а другие концы оставьте свободными. Когда
схема будет установлена в корпус, концы этих проводов подсоедините к металлическим стойкам, к которым будет прикасаться пользователь, чтобы привести в действие схему
/ .
Проложить многожильный провод через отверстия в печатной плате не совсем просто. Сначала аккуратно скрутите
свободные витки, чтобы не осталось торчащих концов провода, а затем осторожно просуньте провод в отверстие. Если
какая-либо из жил зацепится и не пройдет в отверстие, вытащите провод и попробуйте снова.

СОВЕТ

Подключите кнопку.
Отрежьте 2-дюймовый отрезок многожильного провода и снимите около 3/8 дюйма изоляции с каждого конца. Припаяйте один конец к любой клемме на кнопке
(неважно, какой). Проденьте другой конец через отверстие
в полоске 10 и припаяйте его на место.

132

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Подключите защелкивающийся разъем аккумулятора.
Снимите около 3/8 дюйма изоляции с концов обоих проводов. Затем припаяйте черный провод к свободной клемме
на кнопке (клемма, которую вы не использовали на шаге 8)
и припаяйте красный провод к отверстию в полоске 20
на печатной плате.

10. Подключите батарею 9 В к защелкивающемуся разъему.
Красный светодиод должен сразу загореться, указывая
на то, что схема готова к выполнению своей работы по принятию решений.

11.

Выключите паяльник.
Сделано!

Проверьте схему, зажав оба свободных провода перемычки между пальцами. Светодиоды должны попеременно мигать, пока вы не отпустите
их, и тогда один или другой останется гореть.
На рис. 6.16 показана готовая схема в рабочем состоянии.

Рис. 6.16.
Готовая печатная
плата Подбрасывателя монет

ГЛАВА 6.Работа над проектом

133

Поиск корпуса для микросхемы
Когда печатная плата готова, последний шаг к завершению проекта —
установка ее в красивый корпус, например, в пластиковую, металлическую или деревянную коробку. Вы можете приобрести пластиковые
или металлические коробки, предназначенные для электронных проектов, у большинства поставщиков электронных деталей. На рис. 6.17
показаны коробки разных размеров.

Рис. 6.17.
Коробки для проектов
бывают самых разных
форм и размеров

Если вы не хотите тратить деньги на специальную коробку для электроники, вот несколько других способов найти идеальный корпус для
вашего проекта:

134

Пройдитесь по магазинам со скидками в поисках небольших коробок для хранения. Вы можете найти подходящую
по размеру и форме за гораздо меньшие деньги, чем стоит
специальная коробка для электроники этого же размера.
(Если у коробки для хранения некрасивый цвет, то ее можно
покрыть лаком.)
В электротехническом отделе любого хозяйственного магазина вы найдете недорогие пластиковые и металлические
коробки, предназначенные для бытовой проводки. Многие
из этих коробок можно приспособить для ваших электронных проектов.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Прежде чем выбросить неисправный электрический прибор, посмотрите, вдруг его корпус может пригодиться для
вашего проекта. Если да, разберите прибор и выбросьте всю
начинку, оставив только корпус.
Будьте осторожны при разборке любого электронного
устройства. Убедитесь, что вы полностью отключили источник питания, и следите за большими конденсаторами, которые могут держать заряд.

ОСТОРОЖНО!

Если вы бываете на блошином рынке, обратите внимание
на предметы, которые могут пригодиться в качестве корпусов для ваших проектов.

Работа с коробкой для проектов
Большинство коробок для проектов сделаны из пластика или металла,
у них съемная крышка, которая крепится четырьмя винтами, по одному на каждом углу крышки. Чтобы получить доступ к внутренностям
коробки, достаточно открутить винты и снять крышку.
Внутренняя поверхность коробки может быть абсолютно гладкой, а может содержать выступы или монтажные шпильки, предназначенные
для облегчения установки компонентов внутри коробки. Если таких
элементов внутри коробки нет, вам придется придумать свой способ
крепления. Вот несколько советов:

Понадобится хороший набор маленьких сверл, чтобы просверлить отверстия в коробке для установки компонентов.
Нужно будет просверлить отверстия для установки печатной
платы, держателей для батареек, переключателей, светодиодов, динамиков и всего остального.
Прежде чем приступить к сверлению, сделайте хороший
эскиз коробки и того, как будут располагаться детали. Когда
убедитесь, что все разложено так, как вы хотите, отметьте
маркером точное местоположение отверстий, которые нужно
просверлить.

» Чтобы установить печатную плату, используйте

, чтобы обеспечить пустое пространство между платой и корпусом. @ — это винт, который позволяет закрепить плату
так, чтобы она была приподнята над дном коробки.
Если у вас есть достаточный запас гаек и болтов, вы можете
сами изготовить стойки, просто отрезав небольшой кусок
трубки (я обычно использую ¼-дюймовый шланг для капельного полива) и пропустив через него длинный болт.

ГЛАВА 6.Работа над проектом

135

»
»

Иногда можно установить печатную плату на задней стороне крышки, а не внутри корпуса коробки. Так освободится
место внутри коробки для более крупных предметов, таких
как батарейки или динамик.
Большинство выключателей можно установить в коробку,
просверлив отверстие, достаточно большое, чтобы через
него проходила шейка выключателя. В комплекте с выключателем поставляется гайка, которую можно затянуть
на шейке винта, чтобы закрепить винт на коробке.
У некоторых компонентов нет крепежных гаек для фиксации на коробке. Их можно закрепить эпоксидной смолой или
другим клеем.
Используйте многожильный провод для соединений внутри
проектной коробки. Он лучше выдерживает манипуляции —
когда вы открываете коробку, например, чтобы заменить
батарейки.

Монтаж схемы Подбрасывателя
монет в коробку
В этом разделе вы закончите работу над проектом Подбрасывателя монет, установив его печатную плату в пластиковую коробку вместе с батарейкой 9 В, кнопкой питания и двумя металлическими контактами,
к которым пользователь может прикоснуться, чтобы бросить монетку.
В дополнение к печатной плате, собранной ранее в этой главе, понадобятся следующие материалы:
Количество Описание
1

Коробка 5 × 2½ × 2 дюйма

Держатель для батареи 9 В

½-дюймовые стойки 6-32 с наружной и внутренней стороны

Гайки 6-32 (для стоек)

6-32¼-дюймовые болты (для стоек)

Вот порядок действий по сборке проекта:

136

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Просверлите необходимые монтажные отверстия в крышке.
Всего в крышке нужно просверлить восемь отверстий.
Четыре — для монтажа печатной платы, два — для светодиодов и два — для металлических контактов для пальцев.
На рис. 6.18 показан шаблон, который можно использовать.
У меньших отверстий размер 3/16 дюйма, два больших отверстия — ¼ дюйма.
Примечание. Расстояние между четырьмя отверстиями
в верхней части крышки должно составлять ровно 13/8 дюйма,
чтобы они совпадали с монтажными отверстиями в печатной
плате. Для других отверстий не требуется такой точности.

Рис. 6.18.
Место для сверления
отверстий в крышке
проектной коробки

ГЛАВА 6.Работа над проектом

137

Просверлите отверстие размером в 5/16 дюйма для кнопки
в верхней части левой стороны коробки.
Точное местоположение не так важно. Я предлагаю держать
коробку на ладони левой руки, чтобы определить лучшее место для сверления, где ваш большой палец сможет легко достать до кнопки.

Установите кнопку в коробку.
Снимите гайку с шейки кнопки, пропустите шейку через отверстие, просверленное в предыдущем шаге, с внутренней
стороны коробки, а затем накрутите гайку на шейку с внешней стороны коробки и затяните ее плоскогубцами.

С помощью эпоксидной смолы или горячего клея приклейте держатель 9-вольтовой батарейки к основанию коробки.
Расположите держатель в верхней части коробки, рядом
с отверстием, которое вы просверлили для выключателя.

Установите стойки печатной платы.
Установите четыре ½-дюймовых стойки на нижней стороне крышки, вставив резьбовой конец стойки в соответствующее отверстие и закрепив гайкой 6-32 с другой стороны.
См. левую часть рис. 6.19, где показано, как прикрепить эти
четыре стойки.

Установите на крышке сенсорные контакты для пальцев.
Чтобы сделать металлические контакты, к которым пользователь может прикоснуться, чтобы подбросить монету, сначала вставьте резьбовой конец одной из распорок в отверстие с верхней стороны крышки, а затем вкрутите в него
вторую стойку с нижней стороны крышки. Затем прикрепите гайку 6-32 к резьбовому концу стойки, находящейся под
крышкой. Указания по установке этих стоек см. в правой
части рис. 6.19.
На рис. 6.20 показано, как должна выглядеть коробка
на этом этапе. На этом рисунке вы видите держатель батареи
и кнопку, уже установленные в коробке, а также видны выступы на нижней стороне крышки.

Закрепите печатную плату на стойках.
Чтобы выполнить этот шаг, сначала нужно согнуть светодиоды так, чтобы они заходили за край печатной платы
и были направлены прямо вниз. Будьте очень осторожны при
сгибании светодиодов, чтобы не сломать выводы и не повредить паяные соединения. На рис. 6.21 показано, как выглядит
печатная плата, когда светодиоды правильно развернуты.

138

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 6.19.
Установка
стоек

Крепление
печатной
платы

Сенсорные
контакты
для пальцев

Рис. 6.20.
Коробка
с установленными
кнопкой,
держателем
батареи и
стойками

Рис. 6.21.
Печатная плата
с развернутыми светодиодами

ГЛАВА 6.Работа над проектом

139

Когда светодиоды будут готовы, установите печатную плату
на четыре стойки. Светодиоды должны встать прямо в двухдюймовые отверстия, которые вы просверлили для них
в шаге 1. Если это не так, просто слегка подтолкните их, чтобы они встали на место. Когда все будет на месте, закрепите
плату на стойках с помощью болтов 6-32.

Подключите пальчиковые контакты.
Подсоедините свободные концы двух проводов-перемычек,
подключенных к плате, к двум пальчиковым контактам. Чтобы
подсоединить каждый провод, плотно оберните зачищенный
конец провода вокруг резьбовой части стойки. Затем прикрепите к стойке гайку 6-32 и затяните ее плоскогубцами.
На рис. 6.22 показано, как выглядит проект с печатной платой, установленной в крышку, и перемычками, подключенными к контактам пальцев.

Установите батарею.
Вставьте батарею в держатель, а затем подключите к ней защелкивающийся адаптер.

10. Прикрепите крышку к коробке.
Осторожно переверните крышку и закрепите ее на коробке с помощью винтов, которые прилагаются к коробке
с проектом.

11.

Включите и бросьте монетку!
Наконец-то вы готовы использовать проект
/
, чтобы принимать решения. Возьмите коробку с проектом в левую руку и нажмите большим пальцем на кнопку. Затем прикоснитесь указательным пальцем правой руки
к двум пальцевым контактам и наблюдайте за чередованием
светодиодов. Когда вы будете готовы, отпустите кнопку и посмотрите, какой светодиод горит — красный или зеленый.
На рис. 6.23 показан готовый проект.

140

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 6.22.
Печатная плата,
прикрепленная
к крышке, и
подключенные
контакты для
пальцев

Рис. 6.23.
Законченный проект
Подбрасывателя
монет

ГЛАВА 6.Работа над проектом

141

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ОБЪЯСНЯЮТСЯ:
» Набор инструментов для пайки
» Пайка
» Как отличить хорошее паяное соединение от плохого

» Исправление плохого паяного
соединения

Гл а в а 7

Секреты успешной пайки
айка — один из основных навыков при создании электронных
проектов. Хотя можно использовать беспаечные макетные платы
для создания тестовых версий схем, рано или поздно вы захотите создать постоянные версии. Для этого нужно уметь паять.

В этой главе вы узнаете об основах пайки: как происходит пайка, какие инструменты и оборудование нужны и как создать идеальное паяное соединение. Вы также узнаете, как исправить свои ошибки (которые у вас наверняка будут).
Пайка — это навык, который требует некоторой практики. Это не так
сложно, как играть на валторне, но пайка имеет свою кривую обучения. Когда вы только начинаете, будет казаться, что ничего не получается, а ваши паяные соединения никуда не годятся. Но не останавливайтесь на достигнутом — немного практики, и вы освоите пайку
достаточно быстро.

142

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Понимание принципов работы припоя
Прежде чем мы перейдем к деталям создания паяного соединения,
потратьте несколько минут, чтобы понять, что такое пайка и чем она
не является.
Пайка — процесс соединения двух или более металлических предметов путем их нагрева и последующего нанесения припоя на соединение. Припой — мягкий металл, изготовленный из комбинации олова
и свинца. Когда припой плавится (при температуре около 370 градусов), он растекается по соединяемым металлам, когда остывает, скрепляет металлы в соединении.

СОВЕТ

ОСТОРОЖНО!

СОВЕТ

Вы можете приобрести бессвинцовый припой, чтобы избежать опасности отравления свинцом. Однако работать с бессвинцовым припоем
гораздо сложнее, чем с обычным свинцово-оловянным, поэтому я советую вам использовать бессвинцовый припой только когда вы овладеете искусством пайки.
370 градусов Цельсия — достаточно высокая температура, чтобы обжечься при контакте, поэтому пайка — опасный процесс. При пайке
используется небольшое количество припоя и небольшие инструменты,
любые ожоги, которые вы получите при пайке, скорее всего, будут маленькими, но они могут быть болезненными. Будьте очень осторожны.
Пайка особенно полезна для электроники. Она не только создает прочное физическое соединение между металлами, но и отличный проводящий путь для прохождения электрического тока от одного проводника
к другому: припой сам по себе — отличный проводник. Например, вы
можете создать достаточно хорошее соединение между двумя проводами, просто сняв изоляцию с концов каждого провода и скрутив их
вместе. Однако ток может протекать только через те участки, которые
действительно физически соприкасаются. Даже при плотном скручивании большая часть поверхности двух проводов не будет соприкасаться.
Но когда вы спаиваете их, припой течет по виткам и вокруг них, заполняя все зазоры и соединяя всю поверхность обоих проводов.
Пайка — это не то же самое, что твердая пайка или сварка. Твердая пайка
похожа на обычную пайку (мягкая пайка), но вместо припоя используются металлы с более высокой температурой плавления (обычно выше
450 °C). Данная пайка образует более прочное соединение, чем обычная. Сварка — это совершенно другой процесс. При сварке соединяемые металлы фактически расплавляются. В жидком состоянии металлы
смешиваются и остывают, образуя чрезвычайно прочное соединение.

ГЛАВА 7.Секреты успешной пайки

143

Приобретение необходимого для пайки
Прежде чем приступить к пайке, нужно купить некоторые вещи, как
описано в следующих разделах.

Покупка паяльника
Паяльник — основной инструментм для пайки. На рис. 7.1 показан типичный паяльник.

Рис. 7.1.
Паяльник

Вот на что следует обратить внимание при покупке паяльника:

»
»

144

Мощность паяльника должна быть от 20 до 50 Вт. Обратите
внимание: мощность не определяет, насколько горячим становится паяльник. Она контролирует, как быстро он нагревается и как быстро восстанавливает нормальную рабочую
температуру после завершения каждого паяного соединения.
(При каждой пайке наконечник паяльника немного остывает,
поскольку передает тепло соединяемым проводам и самому припою. Более мощный паяльник может поддерживать
стабильную температуру дольше, пока вы паяете соединение,
и быстрее нагреваться в промежутках.)
Наконечник должен быть сменным. Вместе с паяльником купите несколько дополнительных наконечников, чтобы иметь
под рукой запасные.
Хотя паяльник сам по себе можно купить менее чем
за 10 долларов, я советую потратить на несколько долларов больше и приобрести 6 6, в которую

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

встроена подставка. Хорошее, надежное место для хранения
паяльника, когда он не используется, очень важно. Я гарантирую, что без хорошей подставки верстак вскоре будет
покрыт неприглядными следами от ожогов. (Паяльник, показанный на рис. 7.1, включает в себя паяльную станцию.)

Трехштырьковая вилка с заземлением не обязательна,
но желательна.
Заземление помогает предотвратить статические разряды,
которые могут повредить некоторые чувствительные электронные компоненты при пайке.

Более дорогие модели имеют встроенный контроль температуры. Хотя это и не обязательно, контроль температуры —
хорошая функция, если вы будете много паять.

Запаситесь припоем
Припой — мягкий металл, который используется для создания паяных соединений, — это сплав олова и свинца. Большинство припоев
на 60 % состоят из олова и на 40 % — из свинца, но это соотношение
может немного варьироваться.
Хотя припой наматывается на катушки и выглядит как проволока,
на самом деле это тонкая полая трубка, в центре которой находится
тонкий стержень из канифоли. Канифоль (флюс) играет важнейшую
роль в процессе пайки. Температура ее плавления немного ниже, чем
у сплава олова и свинца, поэтому она плавится за несколько мгновений
до того, как расплавится смесь олова и свинца. Флюс подготавливает
соединяемые металлы, очищая и смазывая соединяемые поверхности.
Припой бывает разной толщины, и для разных видов работ вам понадобится иметь под рукой несколько припоев разной толщины. Я советую начать с трех катушек: 0,062 дюйма1, 0,0322 дюйма и 0,020 дюйма3.
Вы будете использовать 0,032 дюйма для большинства работ, но толстый припой (0,062 дюйма) пригодится для пайки больших многожильных проводов, а тонкий (0,020 дюйма) — для тонкой пайки мелких компонентов.

ОСТОРОЖНО!

Припой примерно на 40 процентов состоит из свинца. Вы, вероятно, знаете, отравление свинцом — вполне реальная угроза здоровью. К счастью,
фактическое воздействие свинца при пайке довольно незначительно.

1,57 мм. — Прим. ред.

0,812 мм. — Прим. ред.

0,020 мм. — Прим. ред.

ГЛАВА 7.Секреты успешной пайки

145

Дым, который часто поднимается при пайке, образуется от канифольного флюса, а не от плавления свинца или олова. Тем не менее рекомендуется всегда работать в хорошо проветриваемом помещении и мыть
руки после пайки, чтобы удалить остатки свинца.
Вы можете приобрести бессвинцовый припой, хотя он значительно
дороже обычного. Работать с бессвинцовым припоем сложнее, чем
с обычным, и он менее надежен. Если вас беспокоят долгосрочные
последствия работы со свинцовым припоем, советую перейти на бессвинцовый, но только после того, как научитесь работать со свинцовым припоем.

ОСТОРОЖНО!

Мой адвокат посоветовал добавить в предыдущий абзац предупреждение о том, что ни при каких обстоятельствах не следует использовать
припой, содержащий свинец. Он также настоял, чтобы я предупредил
вас: нельзя включать паяльник в розетку, чтобы он не нагрелся и не вызвал ожогов, нельзя подключать электронные схемы к электричеству,
потому что это может привести к поражению током. На самом деле,
вам даже не стоит читать эту книгу, потому что она может повредить
ваши глаза или вызвать порез пальца бумагой. Или вы можете случайно уронить ее себе на ногу.
Не покупайте кислотно-флюсовый припой, которым сантехники паяют трубы. Кислота, содержащаяся в этом типе припоя, разрушит ваши
электронные проекты.

Другие необходимые вещи
Помимо паяльника и припоя, есть несколько дополнительных вещей,
которые нужны для успешной пайки. А именно:

»
»

146

Инструмент для третьей руки или тиски. Для пайки нужно как минимум три руки: одна держит предметы, которые
вы паяете, другая — паяльник, третья — припой. Если у вас
на самом деле нет трех рук, придется использовать третий
инструмент, тиски или какое-нибудь другое приспособление,
чтобы удерживать паяемые предметы и держать паяльник
и припой. (Фотографии инструмента и тисков
для хобби см. в главе 3 этой части.)
Губка. Используется для очистки наконечника паяльника.
Зажимы . При пайке они служат двум целям. Вопервых, можно использовать зажим как фиксатор, чтобы удерживать компонент на месте во время пайки,
а во-вторых, как радиатор, чтобы не повредить чувствительный компонент при пайке его выводов. (Радиатор — это

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

просто кусок металла, прикрепленный к чувствительному
к нагреву компоненту, который помогает рассеивать тепло,
выделяемое компонентом.)

»
»
»

Защита глаз. Всегда надевайте защиту для глаз. Иногда горячий припой вырывается и летит по воздуху. Глаза и расплавленный припой — не лучшее сочетание.
Лупа. Паять гораздо легче, если использовать лупу, чтобы
лучше видеть свою работу. Вы можете использовать настольную лупу, или лупу, прикрепленную к третьей руке, или
специальные увеличительные очки.
Паяльная оплетка и паяльная лампа. Эти инструменты используются для распайки паяных соединений, когда необходимо исправить ошибки. Более подробную информацию см.
в разделе далее в этой главе.

Подготовка к пайке
Прежде чем приступить к пайке, необходимо подготовить паяльник,
очистив и лудя его. Выполните следующие действия:

Включите паяльник.
На разогрев паяльника уйдет около минуты.

Когда паяльник нагреется, очистите его наконечник.
Лучший способ очистить паяльник — протереть его наконечник влажной губкой. В процессе работы нужно часто протирать наконечник губкой, чтобы он оставался чистым.

Лудите паяльник.
D — это процесс нанесения легкого слоя припоя
на кончик паяльника. Лужение наконечника паяльника помогает припою течь свободнее, когда он нагревается. Чтобы лудить
паяльник, расплавьте небольшое количество припоя на конце
наконечника. Затем вытрите наконечник насухо губкой.

В процессе работы необходимо часто очищать наконечник1 паяльника
(в идеале сразу после каждого спаивания). Также необходимо периодически лудить паяльник. Обычно достаточно один раз лудить паяльник в начале каждого проекта. Но если припой исчезает с кончика паяльника, следует лудить его снова.

СОВЕТ

Предварительно читайте описание к жалу паяльника. Они могут быть сделаны из разного материала и требовательны к уходу. — Прим. науч. ред.

ГЛАВА 7.Секреты успешной пайки

147

ДЕСЯТЬ ЗАПОВЕДЕЙ ПАЙКИ
Слышали ли вы о десяти заповедях пайки? По правде говоря, они
больше похожи на рекомендации, чем на заповеди. Если вы будете
следовать этим правилам, ваши пайки будут надежными — и не только
у вас, но и у ваших учеников, и у тех, кто придет после них. Запомните
это и применяйте на практике.

148

При пайке надевайте защиту для глаз, чтобы расплавленный
припой не попал вам в глаз.

Не прикасайтесь к раскаленному концу паяльника, чтобы
не обжечься.

Не допускайте, чтобы расплавленный припой превращался
в шарики.

Вымойте руки после пайки, чтобы удалить опасное свинцовое
загрязнение с ваших рук перед едой.

Обеспечьте яркое освещение предметов, которые вы паяете,
чтобы вы могли ясно видеть, как можно наносить припой.

Не выливайте излишки припоя на соседнюю контактную площадку, чтобы не создавать нежелательных соединений, по которым может течь ток.

Не оставляйте горячий паяльник без присмотра.

Не завидуйте соседу, у которого есть профессиональная паяльная станция с регулируемой температурой.

Не наносите припой непосредственно на паяльник, а вместо
этого прикладывайте его к предметам, которые вы паяете, чтобы
их тепло расплавило ваш припой.

10.

Всегда помещайте горячий паяльник в подходящий держатель.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Пайка твердым припоем
Наиболее распространенной формой пайки при создании электронных проектов является припаивание выводов компонентов к медным
площадкам на обратной стороне печатной платы. Если вы умеете это
делать, у вас не возникнет проблем и с другими видами пайки, такими
как спаивание двух проводов вместе или припаивание провода к клемме переключателя.
Просто для развлечения попробуйте десять раз быстро произнести
фразу: «Пайка твердым припоем».
СОВЕТ

В следующих шагах описана процедура пайки выводов компонентов
к печатной плате:

Осмотрите выводы компонентов и убедитесь, что они чистые.
Если компонент очень старый, возможно, надо зачистить его
наждачной бумагой, чтобы удалить скопившуюся грязь.

Пропустите выводы компонентов через нужные отверстия.
Внимательно изучите схему, чтобы убедиться, что вы установили компонент в правильном месте. Если компонент поляризованный (например, диод или интегральная схема), убедитесь, что он ориентирован правильно. Вы же не хотите
припаять его задом наперед!

Закрепите компонент на печатной плате.
Если компонент находится у края платы, проще всего закрепить его с помощью зажима . Также можно закрепить компонент с помощью скотча.

Зажмите печатную плату на месте с помощью подручных
средств или тисков.
Ориентируйте плату так, чтобы ее покрытая медью сторона была вверху. Если вы используете увеличительное стекло,
поместите плату под стекло.

Убедитесь, что у вас достаточно света.
Поверните настольную лампу так, чтобы она светила прямо
на паяемое соединение.

ГЛАВА 7.Секреты успешной пайки

149

Рис. 7.2.
Правильное
расположение
паяльника

Прикоснитесь кончиком паяльника одновременно к площадке и выводу.
Важно, чтобы вы прикоснулись кончиком паяльника и к медной площадке, и к проволочному выводу: нужно нагреть их
оба, чтобы припой потек и прилип к ним.
Самый простой способ добиться правильного контакта —
использовать наконечник паяльника, чтобы прижать вывод
к краю отверстия, как показано на рис. 7.2.

Дайте выводу и контактной площадке нагреться в течение
некоторого времени.
Для достаточного нагрева вывода и контактной площадки
должно пройти всего несколько секунд.

Нанесите припой.
Нанесите припой на вывод с противоположной стороны от наконечника паяльника, чуть выше медной площадки.
Припой должен начать плавиться почти сразу.
На рис. 7.3 показан правильный способ нанесения припоя.

ОСТОРОЖНО!

150

? припоем непосредственно к паяльнику.
Если вы это сделаете, припой сразу же расплавится и вы можете получить нестабильное соединение, которое часто называют
A — это когда припой не прилипает должным образом к медной площадке или проволочному
выводу.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 7.3.
Нанесение
припоя

Когда припой начнет плавиться, подайте столько припоя,
чтобы покрыть площадку.
По мере расплавления припоя он будет стекать по проводнику, а затем растекаться по контактной площадке. Припоя
должно быть достаточно, чтобы полностью покрыть контактную площадку, но не настолько, чтобы образовалось большое пятно на ней.
Будьте экономны при нанесении припоя. Чаще бывает слишком много припоя, чем слишком мало, и гораздо проще добавить немного припоя позже, если вы не получили достаточного покрытия, чем удалять припой, если вы нанесли его
слишком много.

СОВЕТ

10. Уберите припой и паяльник и дайте припою остыть.
Будьте терпеливы — остывание припоя займет несколько секунд. Не двигайте ничего, пока соединение остывает. Если вы
случайно сдвинете провод, создадите нестабильное холодное соединение, которое придется перепаивать.

11.

Обрежьте лишний провод, отрезав его кусачками чуть
выше верхней части паяного соединения.
Используйте небольшие кусачки, чтобы можно было обрезать вплотную к соединению.

ГЛАВА 7.Секреты успешной пайки

151

Контрольная проверка
После завершения пайки необходимо осмотреть соединение, чтобы
убедиться в его надежности. Посмотрите на него под лупой и осторожно пошевелите компонент, чтобы убедиться в стабильности соединения. Хорошее паяное соединение должно быть блестящим, заполнять,
но не переливаться через площадку, как показано на рис. 7.4.

Рис. 7.4.
Хорошее
паяное
соединение

Почти все плохие паяные соединения вызваны одной из трех причин: недостаточный нагрев провода и площадки, нанесение слишком
большого количества припоя или расплавление припоя паяльником,
а не проволочным проводом. Вот некоторые признаки плохого паяного соединения:

»
»

152

Контактная площадка и проводник не полностью покрыты
припоем, что позволяет видеть одну сторону отверстия, через которое проходит проводник. Либо вы нанесли недостаточно припоя, либо контактная площадка была недостаточно
горячей, чтобы принять припой.
Вывод свободно лежит в отверстии, или припой не прилип
к площадке. Одна из возможных причин — вы переместили
вывод до того, как припой полностью остыл.
Припой не блестит. Блестящий припой означает, что припой
нагрелся, растекся, а затем остыл должным образом. Если
припой едва нагрелся, чтобы расплавиться, а затем потек
по недостаточно нагретой проволоке или площадке, после

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

остывания он будет тусклым. (К сожалению, новый бессвинцовый припой почти всегда остывает тусклым, поэтому
он выглядит как плохое паяное соединение, даже если соединение хорошее!)

Припой переливается через площадку и касается соседней
площадки. Это может произойти, если вы нанесли слишком
много припоя. Также это может произойти, если площадка
недостаточно нагрелась, чтобы принять припой, что может
привести к вытеканию припоя с площадки на соседнюю площадку. Если припой перетекает с одной площадки на соседнюю, ваша схема может работать неправильно.

Распайка
Распайка — это процесс удаления паяного соединения. Это может потребоваться, если обнаружите, что паяное соединение не совсем удовлетворительное, если компонент вышел из строя или вы неправильно
подключили схему.
Для демонтажа паяного соединения, понадобятся груша для отсасывания припоя и оплётка. На рис. 7.5 показаны эти инструменты.

Рис. 7.5.
Груша для распайки и оплетка
для удаления
припоя

ГЛАВА 7.Секреты успешной пайки

153

Вот шаги по удалению паяного соединения:

Приложите горячий паяльник к месту соединения, которое
нужно удалить.
Подождите секунду, чтобы припой расплавился.

Сожмите грушу для отпайки, чтобы выпустить из нее воздух, затем прикоснитесь кончиком паяльной лампы к расплавленному паяному соединению и отпустите колбу.
Груша расширится и втянет припой в колбу.

Если груша для отпайки не полностью освободила вывод,
снова приложите тепло и коснитесь оставшегося расплавленного припоя оплеткой для удаления припоя.
Оплетка для удаления припоя специально разработана для
втягивания припоя, подобно тому, как свечной фитиль втягивает воск.

ОСТОРОЖНО!

154

Для удаления вывода используйте плоскогубцы с иголками или пинцет.
? снять проводник пальцами после того, как отпаяли соединение. После отпайки вывод еще некоторое время будет оставаться горячим.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Узнаете, что такое мультиметр
» Как измерить ток, напряжение
и сопротивление

» Как составить ваше первое электронное уравнение: закон Ома

Гл а в а 8

Измерение цепей с помощью
мультиметра

ыло бы здорово, если бы каждая собранная вами схема работала
правильно с первого раза? Тогда б вы быстро завоевали репутацию электронного гения и сразу стали президентом Intel.

Но в реальном мире схема не всегда работает правильно с первого раза.
Когда она не работает, можете чесать голову, недоумевающе смотреть
на схему, положить дохлую курицу в мешок и прибегнуть к шаманским
ритуалам, а можете достать тестовое оборудование и проанализировать
схему, чтобы выяснить, что пошло не так.
В этой главе вы узнаете, как пользоваться одним из любимых инструментов электронных гуру — мультиметром. Научитесь использовать
его правильно. Он станет вашим надежным спутником в ваших электронных путешествиях.

Мультиметры
Знаете, как в рекламе вам пытаются продать удивительные кухонные
гаджеты, которые объединяют в себе блендер, соковыжималку, кухонный комбайн, миксер и прибор для приготовления ледяного десерта?
Мультиметр — это что-то вроде одного из тех сумасшедших кухонных
гаджетов, но его отличие от сумасшедших кухонных приборов в том, что
он действительно может делать все, что, как он утверждает, он может

ГЛАВА 8.Измерение цепей с помощью мультиметра

155

делать. И вещи, которые может делать мультиметр, оказываются действительно полезными.
Наряду с хорошим паяльником, хороший мультиметр — самый важный предмет в вашем наборе инструментов. Научитесь им пользоваться, и ваши электронные подвиги станут гораздо более плодотворными.
На рис. 8.1 показан простой и недорогой мультиметр. Его можно купить почти в любом хозяйственном магазине, потратив менее 20 долларов. Однако если поискать, часто можно найти мультиметр с основными функция дешевле 10 долларов, а иногда и вовсе за 5.
Конечно, можно потратить и гораздо больше, но если вы только начинаете, недорогой мультиметр вполне подойдет. Со временем можно
купить более качественный мультиметр.
Мультиметр, показанный на рис. 8.1, — цифровой. Он отображает значения на цифровом дисплее, показывая фактический результат измерений. Альтернатива цифрового мультиметра — аналоговый, он показывает результат, перемещая стрелку по шкале. Чтобы определить
значение измерения, достаточно посмотреть, где стоит стрелка.
На рис. 8.2 показан типичный аналоговый мультиметр. Этот прибор — один из моих любимых. Он достаточно старый и вполне сойдет

Рис. 8.1.
Вы можете купить
такой мультиметр
менее чем за $20

156

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Рис. 8.2.
Аналоговый
мультиметр

Рис. 8.3.
Мультиметр
профессионального
класса

за винтажный, но это по-прежнему отличный и точный прибор. Такое
качественное оборудование будет служить вам долгие годы, а иногда
и десятилетия.
Для самых точных измерений можно приобрести настольный мультиметр профессионального класса, например, такой, как на рис. 8.3. Такие
приборы обычно стоят от 100 долларов, но обладают дополнительными
функциями (запись данных, подключение по USB или к сети), а также
широким набором измерительных проводов для различных измерений.

ГЛАВА 8.Измерение цепей с помощью мультиметра

157

В следующих параграфах описаны различные части, из которых состоит типичный мультиметр:

Переключатель. Как цифровые, так и аналоговые мультиметры оборудованы переключателем режима измерений,
поворачивая который можно указать прибору, что именно вы хотите измерить. С помощью этого переключателя
можно выбрать не только тип измерения (напряжение, ток
или сопротивление), но и диапазон ожидаемых измерений.
Диапазон обозначается максимальным значением напряжения, тока или сопротивления, которое может быть измерено.
Более широкие диапазоны позволяют измерять большие
значения, но с меньшей точностью. Например, у аналогового
мультиметра (рис. 8.2) следующие диапазоны для измерения постоянного напряжения: 2,5 В, 10 В, 50 В, 250 В и 500 В.
Если вы используете диапазон 2,5 В, сможете легко определить разницу в десятые доли вольта, например, разницу
между 1,6 и 1,7 В. Но если диапазон установлен на 500 В, вам
повезет, если обнаружите разницу в 10 вольт.

СОВЕТ

158

Дисплей или шкала. Показывает результат измерения.
В цифровом мультиметре на дисплее отображается число,
показывающее силу тока, напряжение или сопротивление.
В аналоговом измерителе ток, напряжение или сопротивление отображаются стрелкой, которая перемещается по шкале. Чтобы прочитать значение, вы смотрите, напротив какой
цифры на шкале стоит стрелка.

Выключатель. У некоторых мультиметров нет выключателя.
Для выключения нужно поставить переключатель режима
на Off. Если прибор ничего не показывает, проверьте положение кнопки выключателя и состояние его батареи.
Измерительные провода.
— это
пара красных и черных проводов с металлическими щупами на концах. Один конец этих проводов подключается
к измерителю. Другой — к цепям, которые нужно измерить.
Красный провод — положительный, черный — отрицательный.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Что измеряет мультиметр
Мультиметр измеряет электрические величины. Таким образом, он
представляет собой комбинацию нескольких различных типов измерительных приборов в одном устройстве. Как минимум мультиметр
объединяет амперметр, вольтметр и омметр в одно устройство.

Амперметр
Как вы узнали из главы 2 этой части, ток — это поток электрического
заряда через проводник. Ток измеряется в амперах. Поэтому неудивительно, что прибор, измеряющий силу тока, называется амперметром.
Очень немногие электронные цепи имеют настолько сильные токи, что
их можно измерить в реальных амперах. Поэтому амперметры обычно
измеряют ток в миллиамперах (сокращенно мА). Один мА — это одна тысячная часть ампера; другими словами, в одном ампере 1000 миллиампер.

ПРИМЕЧАНИЯ

Первый в мире амперметр был изобретен датским физиком Хансом
Кристианом Эрстедом в 1821 году, когда он случайно оставил компас
рядом с проводом, по которому протекал электрический ток1. Эрстед
заметил, что при протекании тока игла компаса отклоняется от своей
обычной северной ориентации и направлена в сторону провода. Это
произошло потому, что ток, проходящий по проводу, создает вокруг
него магнитное поле, и оно было достаточно сильным, чтобы притянуть намагниченный конец стрелки компаса.
Немного повозившись, Эрстед обнаружил: чем сильнее ток в проводе,
тем дальше стрелка компаса отклоняется от севера. Ему не потребовалось много времени понять, что это открытие можно использовать для
измерения силы тока, протекающего через цепь. Аналоговые амперметры работают по этому же принципу и сегодня.
Ханс Кристиан Эрстед не был знаменитым писателем детских сказок,
им был Ханс Кристиан Андерсен. Однако, по странному стечению обстоятельств, Ганс Христиан Эрстед был близким другом Андерсена.
Вполне возможно, они были основателями тайного общества злых
безумцев-ученых, пишущих детские книги. Возможно, мы прочтем
о них в следующем романе Дэна Брауна.

В 1820 г. Ханс Эрстед экспериментально показал связь между электричеством и магнетизмом
(его опыт с проводником и стрелкой компаса). Сам прибор для измерения силы тока — амперметр — был разработан позднее, во второй половине XIX в. (в частности, усовершенствования
внес Ж.-М. Д’Арсонваль). Ампер внес фундаментальный вклад в теорию, но именно практические
конструкции амперметра появились значительно позже открытия Эрстеда. — Прим. науч. ред.

ГЛАВА 8.Измерение цепей с помощью мультиметра

159

Вольтметр
В главе 2 этой части рассказывается о второй фундаментальной величине электричества — напряжении, которое обозначает разность электрических зарядов между двумя точками. Если эти две точки соединить
с проводником, по проводнику потечет ток. Таким образом, напряжение является инициатором тока.
Единицей измерения напряжения, естественно, является вольт, а прибор, измеряющий напряжение, называется вольтметром.
Оказывается, при прочих равных условиях изменение величины напряжения между двумя точками приводит к изменению силы тока. Таким
образом, при прочих равных условиях можно измерить напряжение,
измеряя ток, а прибор, измеряющий ток, вам уже известен: амперметр.
Основное различие между амперметром и вольтметром в том, что в амперметре ток проходит непосредственно через прибор, и вы можете измерить его силу. В вольтметре ток сначала пропускается через очень
большой резистор, а затем через амперметр, и прибор производит необходимые расчеты.
Если будете внимательно читать главу 1 части 2, узнаете, что существует прямая зависимость между напряжением, сопротивлением и током
в электрической цепи. В частности, если вы знаете две любые из этих
величин, третью легко вычислить. В вольтметре используется большое фиксированное сопротивление, а амперметр измеряет силу тока.
Поскольку вы знаете величину фиксированного сопротивления и силу
тока, то можете легко рассчитать величину напряжения в цепи.
Не волнуйтесь, вам не придется заниматься математикой, чтобы рассчитать напряжение. Вольтметр сделает это за вас. В аналоговом вольтметре расчеты встроены в шкалу, нанесенную на измерительный прибор, просто посмотрите на положение стрелки на шкале, чтобы узнать
напряжение. В цифровом вольтметре напряжение рассчитывается автоматически и отображается в виде цифр.
Краткое объяснение взаимосвязи между током, напряжением и сопротивлением — во врезке «Кратко о законе Ома».
СОВЕТ

160

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Омметр
Как вы знаете, резистор — это материал, который сопротивляется
протеканию тока. Степень ограничения тока зависит от величины
сопротивления резистора, которое измеряется в омах. Символ ома —
греческая буква омега (Ω). Прибор, измеряющий сопротивление, называется омметром.
Как и напряжение, сопротивление можно измерить амперметром.
Помните, в предыдущем разделе я говорил, что между напряжением, сопротивлением и током в любой цепи существует прямая зависимость, и если
вы знаете любые две из этих величин, можете легко рассчитать третью?
Для измерения сопротивления цепи омметр обеспечивает постоянное напряжение на цепи, использует амперметр для измерения силы
тока, протекающего по цепи, а затем использует напряжение, выдаваемое амперметром, и силу тока, измеренную амперметром, для расчета сопротивления. Как и в случае с напряжением, вам не нужно делать
этот расчет: он автоматически выполняется цифровыми мультиметрами и встроен в шкалу аналоговых мультиметров. Таким образом, для
определения сопротивления достаточно прочитать показания дисплея
или посмотреть положение стрелки измерительного прибора.

Другие измерения
Все мультиметры могут измерять ток, напряжение и сопротивление.
Некоторые могут выполнять и другие виды измерений. Например, измерять емкость конденсаторов. А некоторые — тестировать диоды или
транзисторы. Эти функции удобны, но не обязательны.

Условные обозначения функций
измерительных приборов
Амперметр, вольтметр и омметр часто включаются в принципиальные
схемы. При их включении используются следующие символы:
Символ

Значение
Амперметр
Вольтметр
Омметр

ГЛАВА 8.Измерение цепей с помощью мультиметра

161

КРАТКО О ЗАКОНЕ ОМА
В главе 2 части 2 подробно рассматриваются резисторы, а также F. одна из самых важных математических зависимостей в электронике. Не вдаваясь в подробности, расскажу о законе Ома вкратце.
Закон Ома описывает фундаментальную взаимосвязь между током,
напряжением и сопротивлением в электрической цепи. Вы узнали
в главе 2, что напряжение — это разность электрических зарядов
между двумя точками, и если эти точки соединены проводником,
по нему будет течь ток.
За исключением экзотических сверхпроводников (которые существуют только в лабораторных экспериментах), ни один проводник
не идеален. Все проводники обладают определенным сопротивлением, которое препятствует протеканию тока. Чем больше сопротивление, тем меньше ток. Чем меньше сопротивление, тем больше ток.
Закон Ома — математическая формула, которая формализует связь
между током, напряжением и сопротивлением. Формула выглядит так:

Другими словами, сила тока в цепи равна напряжению в цепи, делённому на её сопротивление. Сила тока в амперах обозначается буквой I. V обозначает напряжение в вольтах, а R — сопротивление в омах.
Используя базовую математику, можно преобразовать это уравнение
для расчёта:

•

Напряжения (V), если известны ток и сопротивление:

То есть напряжение равно произведению силы тока
на сопротивление.

•

Сопротивления (R), если известны напряжение и ток:

То есть сопротивление равно напряжению, делённому
на силу тока.

162

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Использование мультиметра
В следующих разделах я покажу, как использовать мультиметр для измерения тока, напряжения и сопротивления в простой цепи. Измеряемая
цепь состоит всего из трех компонентов: батареи 9 В, светодиода и резистора. Схема этой цепи показана на рис. 8.4.

Рис. 8.4.
Простая
схема
с батареей,
резистором
и светодиодом

Если вы хотите следовать процедурам измерения, подробно описанным
в следующих разделах, можете собрать эту схему на макетной плате без
припоя. Вам понадобятся:

»
»
»
»
»
»

Небольшая беспаечная макетная плата.
Резистор 470 Ом, ¼ Вт.
Красный светодиод, 5 мм1.
Защелкивающийся разъем для батареи 9 В.
Батарейка 9 В.
Короткий отрезок провода-перемычки (1 дюйм или меньше).

Используйте светодиод, рассчитанный на напряжение 3-5 вольт. — Прим. науч. ред.

ГЛАВА 8.Измерение цепей с помощью мультиметра

163

Рис. 8.5.
Схема
светодиода,
собранная
на макетной
плате

На рис. 8.5 показана схема, установленная на макетной плате. Ниже
приведены шаги по созданию этой схемы:

Подключите защелкивающийся разъем батареи.
Вставьте черный провод в верхнюю шину, а красный — в нижнюю. Подойдет любое отверстие, но имеет смысл подключить батарею в самом конце макетной платы.

Подключите резистор.
Вставьте один конец резистора в любое отверстие на клеммной колодке на нижней стороне платы. Затем выберите ряд
в соседней клеммной колодке и вставьте другой конец.

Подключите светодиод.
Обратите внимание, что выводы светодиода не одинаковой
длины: один короче другого. Вставьте короткий провод в отверстие в верхней шине, затем длинный — в отверстие в соседней клеммной колодке.
Вставьте светодиод в тот же ряд, что и резистор. На рисунке
светодиод и резистор расположены в ряду 26.

164

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

С помощью короткого провода-перемычки соедините клеммные колодки, в которые вставлены светодиод
и резистор.
Провод-перемычка пройдет поверх зазора, проходящего
по центру макетной платы.

Подключите батарейку к защелкивающемуся разъему.
Светодиод должен загореться. Если он не загорится, еще раз
проверьте соединения, чтобы убедиться, что схема собрана
правильно. Если он по-прежнему не загорается, попробуйте поменять местами выводы светодиода (возможно, вы вставили его задом наперед). Если и это не поможет, попробуйте
поменять батарейку.

Не подключайте светодиод напрямую к батарее без резистора. Иначе
светодиод ярко вспыхнет, а затем навсегда погаснет.
ОСТОРОЖНО!

Измерение тока
Электрический ток измеряется в амперах, но в большинстве проектов вы будете измерять ток в миллиамперах (мА). Чтобы измерить ток,
необходимо соединить два провода амперметра в цепи так, чтобы ток
протекал через амперметр. Другими словами, амперметр должен стать
частью самой цепи.
Единственный способ измерить ток, протекающий через светодиодную цепь, показанную на рис. 8.4, — это вставить амперметр в цепь.
На рис. 8.6 показан один из способов сделать это. Здесь амперметр
вставлен в цепь между светодиодом и резистором.

Рис. 8.6.
Использование
амперметра для измерения тока в цепи
светодиода

ГЛАВА 8.Измерение цепей с помощью мультиметра

165

Обратите внимание: не имеет значения, где в этой цепи вставить амперметр. Вы получите одинаковые показания тока независимо от того,
будет ли амперметр между светодиодом и резистором, между резистором и батареей или между светодиодом и батареей.
Чтобы измерить ток в цепи светодиода, выполните следующие действия:

Установите переключатель диапазонов мультиметра
на значение постоянного тока не менее 20 мА.
В этой цепи используется постоянный ток (DC), поэтому необходимо убедиться, что мультиметр настроен на диапазон
постоянного тока1.

Снимите перемычку, соединяющую две клеммные колодки.
Светодиод должен потемнеть, так как удаление перемычки
разрывает цепь.

Подключите черный провод мультиметра к светодиоду,
подключенному к клеммной колодке (не к шине).

Прикоснитесь красным проводом мультиметра к выводу
резистора, который подключается к клеммной колодке (не
к шине).
Светодиод должен снова загореться, так как амперметр теперь является частью цепи, и ток может течь.

Посмотрите, какое число отображается на дисплее
мультиметра.
Дисплей должен показывать ток от 12 мА до 13 мА. (Точный
результат зависит от точного значения сопротивления резистора. Значения резисторов не являются точными, поэтому даже если в этой схеме используется резистор 470 Ом,
реальное сопротивление резистора может быть от 420 Ом
до 520 Ом. Подробнее об этом эффекте читайте в части 2.)

Поздравляю вас!
Вы сделали свое первое официальное измерение тока.

Установите на место проволочную перемычку, которую вы
удалили на шаге 2.
Если забудете заменить провод-перемычку, процедура, описанная в следующем разделе для измерения напряжения,
не сработает.

166

У большинства мультиметров есть шкала, разбитая на сектора для измерения значений постоянного тока
и переменного ~ .

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

ОСТОРОЖНО!

В этой схеме есть два места, куда не следует подключать амперметр.
Во-первых, не подключайте амперметр непосредственно к двум клеммам аккумулятора — вы фактически закоротите батарею, и она быстро нагреется. Во-вторых, не подключайте один провод амперметра
к положительной клемме аккумулятора, а другой — непосредственно
к проводу светодиода. Тогда ток будет обходить резистор и, вероятно,
светодиод перегорит.
Если вы хотите поэкспериментировать еще немного, попробуйте измерить ток в других местах цепи. Например, отсоедините защелкивающийся разъем от батареи, а затем снова подсоедините его так, чтобы
была подключена только отрицательная клемма батареи. Затем подсоедините красный провод измерителя к положительной клемме батареи,
а черный — к выводу резистора, подключенного к шине (не к выводу,
подключенному к клеммной колодке). Измерьте ток, вставив амперметр между резистором и батареей. Вы должны получить то же значение, что и при измерении между светодиодом и резистором.
Аналогичным способом можно измерить ток между светодиодом и отрицательной клеммой батареи. Результат должен быть таким же.

Измерение напряжения
Измерение напряжения немного проще, чем измерение тока, потому
что для измерения напряжения не нужно вставлять измерительный прибор в цепь. Вместо этого достаточно прикоснуться проводами мультиметра к двум любым точкам цепи. При этом мультиметр показывает
напряжение, существующее между этими двумя точками.
Например, на рис. 8.7 показано, как можно вставить вольтметр в цепь
светодиода, чтобы измерить напряжение. В этом случае напряжение

Рис. 8.7.
Использование вольтметра для измерения
напряжения в цепи
светодиодов

ГЛАВА 8.Измерение цепей с помощью мультиметра

167

измеряется на батарее. Показания должны быть в районе 9,3 В. (Батареи
на 9 В обычно выдают немного больше, чем полные 9 В, если только
вы не подключили к цепи нагрузку.)
Чтобы измерить напряжение в цепи светодиода, сначала снова соберите
цепь (если вы разобрали ее). Затем установите мультиметр на диапазон,
максимальное значение которого не менее 10 В. Теперь прикоснитесь
проводами к различным участкам цепи. Чтобы измерить напряжение
во всей цепи, как показано на рис. 8.7, прикоснитесь черным проводом
к выводу светодиода, вставленному в отрицательную шину, а красным
проводом — к выводу резистора, вставленному в положительную шину.
Если при измерении напряжения соединить провода в обратном направлении, вы получите отрицательное напряжение. На цифровом
вольтметре прибор покажет отрицательное число. На аналоговом вольтметре игла будет двигаться в неправильном направлении. (Если напряжение очень большое, прибор выйдет из строя.)

СОВЕТ

Вот интересное упражнение. Запишите следующие три измерения
напряжения:

» Через батарею. Подключите красный измерительный провод
к выводу резистора, вставленному в положительную шину,
а черный — к выводу светодиода, вставленному в отрицательную шину.

» Через резистор. Подключите красный измерительный провод
к выводу резистора, вставленному в положительную шину,
а черный — к другому выводу резистора.

» Через светодиод. Подключите черный измерительный про-

вод к выводу светодиода, подключенному к отрицательной
шине, а красный — к другому выводу светодиода.

Что вы заметили в этих трех измерениях? (Это небольшая загадка, поэтому пока не буду давать ответ. Но вы найдете его в главе 2 части 2.)

Измерение сопротивления
Измерение сопротивления похоже на измерение напряжения. Но есть
ключевое отличие:
Сначала необходимо отключить все источники напряжения от цепи,
сопротивление которой хотите измерить. Это необходимо потому, что
мультиметр подает в цепь известное напряжение, чтобы измерить ток
ЗАПОМНИТЕ

168

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

и затем рассчитать сопротивление. Если в цепи есть посторонние источники напряжения, оно не будет фиксированным, поэтому и рассчитанное сопротивление будет неверным.
Вот шаги для измерения сопротивления в цепи светодиода:

Извлеките батарею.
Просто отсоедините ее от разъема для защелкивания батареи и отложите в сторону.

Поверните переключатель мультиметра на одно из значений сопротивления.
Если вы приблизительно знаете величину сопротивления,
выберите наименьший диапазон, который больше ожидаемого значения, а если не знаете, то выберите самый большой
диапазон, доступный на вашем измерителе.

СОВЕТ

Если вы используете аналоговый мультиметр, откалибруйте его.
Аналоговый мультиметр необходимо сначала откалибровать,
прежде чем он сможет точно измерять сопротивление. Чтобы
откалибровать аналоговый мультиметр, прикоснитесь к двум
выводам мультиметра, затем отрегулируйте его ручку калибровки, пока он не покажет сопротивление 0.

Прикоснитесь выводами мультиметра к двум точкам в цепи,
для которых нужно измерить сопротивление.
Например, чтобы измерить сопротивление резистора, прикоснитесь выводами мультиметра к двум выводам резистора.
Результат должен быть в районе 470 Ом.

Более подробно об измерении сопротивлений вы можете узнать в главе 2
части 2. Но пока несколько дополнительных соображений, которые
помогут вам продержаться.

Когда измеряете сопротивление отдельного резистора или
цепи, состоящей из одних резисторов, не имеет значения,
в каком направлении течет ток через резистор. Таким образом, вы можете поменять местами выводы мультиметра —
и все равно получите тот же результат.
Некоторые компоненты, например диоды, лучше пропускают
ток в одном направлении, чем в другом. В этом случае направление тока имеет значение. Подробнее об этом эффекте
можно узнать в главе 5 части 2.

ГЛАВА 8.Измерение цепей с помощью мультиметра

169

170

Резисторы не идеальны. Так, резистор 470 Ом редко обеспечивает сопротивление ровно 470 Ом. Обычный допуск
для резисторов составляет 5 %, что означает: резистор
470 Ом должен иметь сопротивление где-то между 446,5 Ом
и 495,5 Ом. Для большинства схем такая неточность не имеет
значения. Но в схемах, где она имеет значение, можно использовать функцию омметра, чтобы определить точное
значение конкретного резистора. Затем вы можете соответствующим образом настроить остальную часть схемы.
(Подробнее об этом в главе 2 части 3.)

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Узнаете, что такое осциллограф
» Как пользоваться осциллографом
» Как откалибровать осциллограф
» Как изучать формы волн

Гл а в а 9

Ловим волны с помощью
осциллографа
лектроника может генерировать ужасные волны, чувак. В ваших
электронных схемах могут быть пилообразные волны. Встречаются синусоидальные волны, которые просто бегут легко
и непринужденно как по идеально гладкой поверхности. Пилообразные
волны драматично красивы: они медленно поднимаются, а затем быстро падают. И прямоугольные волны — они действительно состоят
из прямых углов.

Обычный мультиметр, о котором я рассказал в предыдущей главе, вам
просто необходим, потому что без него невозможно заниматься электроникой. В этой главе я расскажу о другом невероятно полезном инструменте, который называется осциллограф. Хотя вольтметр может
дать простое число, обозначающее напряжение, осциллограф может
нарисовать картину напряжения. Как говорится, картинка стоит тысячи слов (цифра тоже).
Почему картинка намного ценнее цифры, когда речь идет о напряжении? Потому что во всех схемах, кроме самых простых, напряжение
всегда постоянно меняется, а осциллограф — идеальный инструмент
для наблюдения за напряжением в динамике.
Как я уже говорил, осциллограф — невероятно полезный инструмент,
который необходимо иметь под рукой. Это достаточно дорогая вещь,
вы можете приобрести хороший цифровой прибор за несколько сотен долларов. Некоторое время можно обойтись и без осциллографа,
но, в конце концов, вы поймете, что его надо приобрести, несмотря
на высокую цену.

ГЛАВА 9.Ловим волны с помощью осциллографа

171

Рис. 9.1.
Типичный
осциллограф

Рис. 9.2.
График
осциллографа, показывающий
синусоиду

172

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Осциллографы
На рис. 9.1 показан типичный осциллограф среднего класса, который
можно купить примерно за 500 долларов. Такой осциллограф прослужит вам долгие годы.
Вы видите, что у осциллографа есть экран. В старых осциллографах
экран представляет собой электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), похожую на ЭЛТ старых телевизоров или компьютерных мониторов. В более новых осциллографах экран — такой же ЖК-дисплей, как дисплей
ноутбука.
Независимо от того, ЭЛТ это или ЖК-дисплей, назначение экрана одинаково: отображать простой график электрического сигнала.
График показывает, как изменяется напряжение с течением времени.
Горизонтальная ось графика — время, а вертикальная ось — величина напряжения.
На рис. 9.2 показан типичный дисплей осциллографа, на котором отображается очень распространенный тип графика — синусоида. Прежде
чем рассказать о синусоиде, необходимо обратить внимание на несколько моментов.
На дисплее нанесены линии сетки. На большинстве осциллографов
эти линии расположены на расстоянии 1 см друг от друга, там десять
горизонтальных и восемь вертикальных делений.
Вертикальная и горизонтальная линии посередине толще остальных
линий и содержат метки, обычно расположенные на расстоянии 2 мм
друг от друга. Эти метки помогают точно определить положение графика между основными интервалами.
Различные ручки и циферблаты на осциллографе позволяют задать
масштаб, в котором строится график-волна.
Вертикальные деления обозначают напряжение. В большинстве осциллографов можно установить шкалу напряжения от 0,5 мВ (половина одного милливольта) до 10 В и более. Обычно осциллограф обозначает 0 В горизонтальной линией посередине — таким образом, линии
в верхней половине дисплея обозначают положительное напряжение,
а линии в нижней половине — отрицательное напряжение. Поскольку
над центральной линией четыре, под ней — тоже четыре деления, дисплей может показывать напряжение от +4 В до -4 В, если шкала напряжения установлена на 1 В. Если установить шкалу на 2 В, дисплей
показывает напряжение от +8 В до -8 В.

ГЛАВА 9.Ловим волны с помощью осциллографа

173

Горизонтальные деления обозначают время. Диапазон времени, в котором настраивается осциллограф, зависит от его качества. Для моего
осциллографа максимальное значение составляет 100 секунд, а минимальное — 1 нс (1 наносекунда, то есть одна миллиардная доля секунды).
Чтобы нарисовать форму волны, осциллограф фактически показывает траекторию одной точки, которая движется по экрану слева направо. Каждый проход точки от левого края экрана до правого называется
разверткой. Вертикальное положение точки указывает на напряжение,
а скорость перемещения точки определяется временным интервалом,
который иногда называют временем развертки. Поскольку всего десять горизонтальных делений, точка проносится по дисплею раз в 2 секунды, если время развертки установлено на 0,2 сек.
Большинство осциллограмм в электронике повторяются с гораздо меньшими интервалами, чем 2 секунды, поэтому обычно нужен меньший
временной интервал. При работе с осциллографом обычно необходимо регулировать время развертки до тех пор, пока на экране не появится хотя бы один полный цикл исследуемой формы волны. (Обратите
внимание, что многие осциллографы оснащены кнопкой Auto, которая
автоматически регулирует развертку для стабилизации формы волны.)

Синусоидальная волна

Квадратная волна

Треугольная волна

Пилообразная волна
Рис. 9.3.
Четыре
обычные
формы
волны

174

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Изучение форм волн
Форма волны — это характерный паттерн, который отображается на графике осциллографа. Он показывает, как изменяется напряжение в сигнале с течением времени: медленно или быстро растет и падает, стабильно или нерегулярно изменяется, и т.д.
Существуют четыре основных типа форм волны, которые вы будете видеть каждый раз при работе с электронными схемами. Эти четыре формы сигналов показаны на рис. 9.3. К ним относятся:

Синусоидальная волна. Напряжение увеличивается и уменьшается по стабильной кривой. Из уроков тригонометрии
в средней школе вы, наверное, помните, что есть тригонометрическая функция , которая вычисляет как противолежащий углу катет прямоугольного треугольника, деленный
на гипотенузу.
Мало кто хочет возвращаться к школьной тригонометрии,
поэтому это все, что я собираюсь сказать о математике, лежащей в основе синусоиды. Однако достаточно сказать, что
синусоидальные волны встречаются в природе повсеместно.
Например, их можно обнаружить в звуковых, световых, океанских волнах. Даже подпрыгивание игрушки-пружины — это
синусоидальная волна!
Самое важное с точки зрения электроники: напряжение
переменного тока, которое подается в общественную электросеть, имеет форму синусоиды. В синусоиде переменного
тока напряжение неуклонно растет до пикового значения,
а затем уменьшается до нуля. В этот момент напряжение становится отрицательным (ток течет в обратном направлении).
Став отрицательным, напряжение продолжает меняться, пока
не достигнет пика отрицательного напряжения, а затем увеличивается, пока снова не достигнет нуля. Затем напряжение
становится положительным, ток меняется на противоположный, и цикл синусоиды повторяется.
Количество повторений синусоиды (или любой другой волны, если на то пошло) за определенную единицу времени
(обычно 1 секунда) называется ее
. Частота измеряется в единицах, называемых ", сокращенно G.
Переменный ток, поступающий из стандартной электрической розетки, повторяется 60 раз в секунду. Таким образом, частота переменного тока в электросети равна 60 Гц
(в большинстве европейских стран эта частота равна 50 Гц. —
4. Большинство форм волны, встречающихся

ГЛАВА 9.Ловим волны с помощью осциллографа

175

в электронных схемах, имеют гораздо более высокую частоту, чем переменный ток в электросети, обычно в диапазоне
нескольких тысяч герц (килогерц, или кГц) или миллионов
герц (мегагерц, или МГц).

Прямоугольная волна. Сигнал, в котором напряжение просто
включается, остается включенным на некоторое время, выключается, остается выключенным на некоторое время, а затем
повторяется. На графике такой волны видны резкие повороты
под прямым углом, поэтому она и называется прямоугольной.

На практике большинство схем, пытающихся создать прямоугольные волны, не справляются со своей задачей идеально. В результате напряжение редко появляется абсолютно
мгновенно и редко выключается абсолютно мгновенно.
Таким образом, вертикальные части прямоугольной волны
на рис. 9.3 в реальном мире не вертикальные. Кроме того,
иногда начальное напряжение немного превышает целевое
напряжение, так что начальный вертикальный подъем на короткое время становится слишком высоким, а затем оседает
до нужного напряжения.
Прямоугольные волны встречаются во многих электронных
схемах. Например, микросхема таймера 555, используемая
в проекте
/ в главе 6 этой части, создает прямоугольные волны, которые включают и выключают
светодиоды, а цифровые логические схемы (например, компьютерные) почти полностью полагаются на прямоугольные
волны для представления единиц и нулей в цифровой электронике. (Подробнее о микросхеме таймера 555 я рассказываю в главе 2 части 3, а о цифровой электронике — в части 5).

ПРИМЕЧАНИЯ

176

Треугольная волна. Напряжение растет по прямой, пока
не достигнет пикового значения, а затем уменьшается
по прямой. Если напряжение достигает нуля, а затем снова
начинает расти, то такая треугольная волна — это разновидность постоянного тока. Если напряжение пересекает нуль
и становится отрицательным, прежде чем снова начать расти,
то эта треугольная волна является формой переменного тока.
Пилообразная волна. Это гибрид треугольной и квадратной
волны. В большинстве пилообразных волн напряжение растет по прямой линии, пока не достигнет пика, затем мгновенно (или как можно ближе к мгновенному) падает до нуля и тут
же повторяется.
У пилообразных волн есть множество интересных применений. Одно из наиболее подходящих для этой главы — использование осциллографа с ЭЛТ-дисплеем. Вот очень упрощенное объяснение того, как работает ЭЛТ в осциллографе.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

Она пускает пучок электронов на стеклянную поверхность
со специальным покрытием, которая светится при попадании на нее электронов, и использует электромагниты для
направления пучка. Электромагниты над и под лучом направляют его по вертикали, электромагниты справа и слева —
по горизонтали.
Для создания развертки электронного луча слева направо
на электромагниты слева и справа от луча подается пилообразная волна. По мере увеличения напряжения электромагнит создает все более сильное магнитное поле, которое
тянет луч к правой стороне дисплея. Когда напряжение
достигает пика и мгновенно падает до нуля, магнитное поле
исчезает, и электронный луч возвращается в левую часть
дисплея.
Изменение скорости развертки осциллографа — это просто
изменение частоты пилообразной волны, подаваемой на горизонтальные электромагниты ЭЛТ-осциллографа.

Калибровка осциллографа
Вопрос: какие первые слова сказал астронавт, когда впервые вступил
на поверхность Луны?
Если вы ответите, что он сказал: «Это один маленький шаг для человека», вы сильно ошибетесь. К тому моменту, когда Нил Армстронг
и Базз Олдрин произнесли эти слова, они уже несколько часов находились на Луне.
Если ответите, что он сказал: «Хьюстон, модуль Транквилити на месте,
Орел приземлился», то вы ближе к истине.
Вопреки распространенному мнению, первые слова, произнесенные
с поверхности Луны, были сказаны Баззом Олдрином, а не Нилом
Армстронгом. Этими первыми словами были: «Двигатель остановлен.
ACA вышел из зацепления. Автоматический режим управления, оба
авто. Отмена команды двигателя спуска, выключено. Ручка управления двигателем выключена. 413-й на месте».
Прежде чем Нил Армстронг смог сделать свое историческое заявление
о том, что «Орел» высадился на Луну, Базз (пилот лунного модуля) должен был быстро проверить положение некоторых кнопок и ручек лунного модуля, чтобы убедиться, что все работает нормально.

ГЛАВА 9.Ловим волны с помощью осциллографа

177

Точно так же перед тем, как сделать свое историческое первое измерение формы волны, вы должны сначала проверить настройки некоторых ключевых элементов управления на вашем осциллографе, чтобы убедиться, что все работает нормально. Точные шаги по настройке
осциллографа зависят от конкретного типа и модели вашего прибора,
поэтому обязательно прочитайте инструкцию, прилагаемую к осциллографу. Но общие шаги должны быть следующими:

Проверьте все переключатели на вашем осциллографе
и установите их в нормальное положение.
В большинстве осциллографов все вращающиеся циферблаты должны быть расположены по центру, все кнопки
в положении 6 , а все ползунки и переключатели
подняты вверх.

Включите осциллограф.
Если это устаревший осциллограф с ЭЛТ, подождите минуту-две, пока он не прогреется.

Установите переключатель VOLTS/DIV в положение 1.
При этом осциллограф будет показывать один вольт на одно
вертикальное деление. В зависимости от сигнала, который вы хотите вывести на экран, потребуется увеличить или
уменьшить эту настройку, но один вольт — хорошая отправная точка.

Установите переключатель TIME/DIV на 1 мс.
Этот переключатель определяет временной интервал, представленный каждой горизонтальной разверткой дисплея.
Попробуйте поставить этот переключатель на медленную
настройку, например, 5 секунд. Затем поворачивайте переключатель на одно деление за раз и наблюдайте, как точка
ускоряется, пока не превратится в сплошную линию.

Установите переключатель Trigger в положение Auto.
Положение Auto позволяет осциллографу стабилизировать
график по общей точке запуска в форме волны. Если режим
триггера стоит не в Auto, форма волны может дрейфовать
по экрану, что затрудняет наблюдение.

Подключите щуп к входному разъему.
Если ваш прибор имеет несколько входных разъемов, подключите пробник к тому, который обозначен как A.
В осциллографе есть щуп, который подключается к входному сигналу, и отдельный провод заземления.
На заземляющем проводе обычно есть зажим .

178

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

При тестировании схемы этот зажим можно подключить
к любой общей точке заземления в цепи. В некоторых щупах заземляющий провод отсоединяется, чтобы можно было
снять его, когда он не нужен.

Подключите конец щупа к калибровочной клемме
осциллографа.
На этот вывод подается образец прямоугольной волны, который можно использовать для калибровки дисплея осциллографа. У некоторых осциллографов две калибровочные
клеммы, обозначенные как 0,2 В и 2 В. Если у вашего осциллографа две клеммы, подключите щуп к клемме 2 В.
Для калибровки лучше всего использовать тестовый щуп
с зажимом . Если у пробника заостренный кончик,
а не зажим , обычно его можно просунуть через
маленькое отверстие в конце калибровочной клеммы, чтобы
закрепить пробник на месте.

СОВЕТ

Для калибровки нет необходимости подключать заземляющий провод пробника.

При необходимости настройте TIME/DIV и VOLTS/DIV
так, чтобы прямоугольная волна хорошо вписывалась
в дисплей.
Например, см. рис. 9.4.

При необходимости отрегулируйте Y-POS, чтобы отцентрировать график по вертикали.

10. При необходимости отрегулируйте X-POS, чтобы отцентрировать график по горизонтали.

Рис. 9.4.
Прямоугольная волна
на экране осциллографа

ГЛАВА 9.Ловим волны с помощью осциллографа

179

11.

При необходимости отрегулируйте параметры интенсивности и фокусировки, чтобы получить четкую трассу.

12.

Поздравляю!
Теперь вы готовы приступить к просмотру осциллограмм реальных электронных сигналов.

Помните, что органы управления каждой марки и модели осциллографа уникальны. Обязательно прочитайте руководство пользователя, которое прилагается к осциллографу, чтобы узнать, есть или нет
какие-либо другие процедуры настройки или калибровки, которые необходимо выполнить, прежде чем подавать реальные сигналы на ваш
осциллограф.

СОВЕТ

Помните. Каждый измерительный прибор, которым вы пользуетесь,
должен быть откалиброван с помощью особой процедуры — компенсации. Нужно неметаллической отверткой повернуть небольшой винт
в зонде — до тех пор, пока сигнал прямоугольной волны, отображаемый на экране осциллографа, не станет идеально прямоугольным.
Если вы не отрегулируете компенсацию, получите неверные показания осциллографа.

Отображение сигналов
Основная процедура тестирования схемы с помощью осциллографа
заключается в том, чтобы присоединить заземляющий разъем тестового провода осциллографа к точке заземления в схеме, а затем прикоснуться кончиком измерительного щупа к точке схемы, которую вы
хотите проверить.
Например, если вы хотите убедиться, что на выходе одного из выводов
интегральной схемы излучается прямоугольная волна, прикоснитесь
щупом осциллографа к этому выводу и посмотрите на экран. Обратите
внимание, что для четкого отображения формы волны вам может потребоваться отрегулировать параметры VOLTS/DIV и TIME/DIV осциллографа. Как только вы настроите эти параметры правильно, сможете
увидеть прямоугольную волну. Если прямоугольная волна не отображается, скорее всего, проблема в схеме.

ОСТОРОЖНО!

180

Никогда не подключайте щуп осциллографа непосредственно к электрической розетке — это приведет к выходу из строя осциллографа
или вы получите удар электрическим током, который может вас убить.
(Если вам нужно измерить напряжение в розетке, просто используйте
обычный мультиметр.)

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

В следующих параграфах приведено несколько идей, как просматривать различные формы волн с помощью осциллографа.

» Чтобы просмотреть простую форму волны постоянного тока,
попробуйте подключить осциллограф к батарее 1,5 В, например, к батарейке AA или AAA. Установите ручку VOLTS/
DIV на 2 В, а затем прикоснитесь заземляющим коннектором
измерительного щупа к отрицательному полюсу батареи,
а кончиком щупа — к положительному полюсу. На дисплее
должна появиться простая прямая линия между вторым
и третьим вертикальным делением над центральной линией.
(Если батарея полностью или частично разрядилась, линия
может быть ниже.)

Если хотите увидеть синусоиду 60 Гц, получаемую от электрической розетки, возьмите адаптер питания (который
вставляется в розетку), генерирующий низковольтный
переменный ток. Вставьте его в электрическую розетку,
подсоедините щуп осциллографа к низковольтному выходу
адаптера. Настройте параметры VOLTS/DIV и TIME/DIV, пока
не увидите синусоиду.
Если хотите увидеть форму звуковой волны, найдите короткий 1/8-дюймовый аудиокабель со штекерами на обоих
концах. Подключите один конец кабеля к разъему для наушников любого аудиоустройства, например, радиоприемника или iPod, а затем подсоедините заземляющий провод
щупа осциллографа к стержню штекера на свободном конце
аудиокабеля и прикоснитесь кончиком щупа к кончику
аудиоштекера, как показано на рис. 9.5. После регулировки

Рис. 9.5.
Касание щупа
осциллографа
к аудиокабелю

ГЛАВА 9.Ловим волны с помощью осциллографа

181

параметров VOLTS/DIV и TIME/DIV вы должны увидеть
на экране асимметричную форму волны, характерную для
аудиосигналов.

»
СОВЕТ

182

Держите осциллограф под рукой, когда будет собирать схемы из этой книги. В любой момент берите щуп осциллографа
и проверяйте сигналы, которые генерируются в различных
точках схемы. Подключите зажим заземления щупа к любой
точке заземления в схеме, а затем прикоснитесь кончиком
щупа к любому свободному проводу или открытому контакту,
чтобы увидеть, что происходит внутри схемы.

ЧАСТЬ 1. Начало работы с электроникой

РАБОТА
С ОСНОВНЫМИ
ЭЛЕКТРОННЫМИ
КОМПОНЕНТАМИ

Краткое оглавление

184

ГЛАВА 1

Работа с базовыми схемами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

ГЛАВА 2

Работа с резисторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ГЛАВА 3

Работа с конденсаторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237

ГЛАВА 4

Работа с индукторами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .264

ГЛАВА 5

Работа с диодами и светодиодами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .278

ГЛАВА 6

Работа с транзисторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

205

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Основные элементы схем
» Как различные батареи можно
использовать для питания схем

» Классификация переключателей,
которые можно использовать для
управления схемами

» Разница между последовательными

Гл а в а 1

и параллельными схемами

» Сборка различных схем

Работа с базовыми схемами
асть 1 познакомила вас с основными понятиями электричества
и дала представление об инструментах и навыках, необходимых
для начала работы с электроникой. Теперь, когда вы знаете, что
такое электричество, и приобрели основные инструменты (беспаечную макетную плату, паяльник и мультиметр), пришло время узнать,
как работают электронные схемы.

В этой главе поговорим об основных понятиях схемы. Схемы, которые
рассмотрим здесь, очень просты и состоят только из батареек, подающих напряжение, проводов, по которым течет ток, и ламп, потребляющих энергию (потому что они при этом светятся!). Я также расскажу о нескольких переключателях для включения и выключения схемы.
Несмотря на простоту, представленные здесь схемы — это отличное
введение в более сложные схемы. В остальных главах вы найдете дополнительные базовые элементы: резисторы, конденсаторы, катушки,
диоды, транзисторы и интегральные микросхемы — и будете знать все
основные компоненты электронных схем.

Что такое цепь?
Цепь — это замкнутая система проводников, по которым может протекать ток. Цепи обеспечивают путь для его протекания. Чтобы быть
цепью, этот путь должен начинаться и заканчиваться в одной и той же
точке. Другими словами, цепь должна образовывать замкнутый контур.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

185

Лампа

Рис. 1.1.
Простая цепь

Например, на рис. 1.1 показана простая цепь, состоящая из двух компонентов: батареи и лампы. Цепь позволяет току течь от батареи к лампе —
через лампу — обратно к батарее. Таким образом, цепь образует петлю.
Конечно, схемы могут быть и более сложными. Однако все схемы можно свести к трем основным элементам:

»
»

Источник напряжения. Источник напряжения заставляет ток
течь. На рис. 1.1 источник напряжения — батарея.
Нагрузка. Нагрузка потребляет энергию; она представляет
собой фактическую работу, выполняемую цепью. Без нагрузки нет никакого смысла в использовании цепи.
На рис. 1.1 нагрузка — лампа. В сложных схемах нагрузка
представляет собой комбинацию компонентов (резисторы,
конденсаторы, транзисторы и т. д.).

Проводящий путь. Проводящий путь обеспечивает маршрут,
по которому течет ток. Путь начинается от источника напряжения, проходит через нагрузку, возвращается к источнику
напряжения. Он должен образовывать петлю от отрицательной стороны источника напряжения к его положительной
стороне.
На рис. 1.1 две линии, проходящие между батареей и лампой, представляют собой проводящий путь. В сложной
схеме проводящий путь может быть самым разнообразным,
но он все равно будет образовывать петлю от отрицательной
стороны источника напряжения к положительной.

В следующих параграфах есть интересные моменты, касающиеся природы основных цепей, их следует иметь в виду.

186

Цепь образует контур, по которому течет ток, — такая цепь
называется . Если контур не образуется, ток
не может течь, — такая цепь называется .

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Лампа

Рис. 1.2.
Короткое замыкание

5 — это оксюморон. В конце концов, чтобы
считаться цепью, компоненты должны образовывать полный
замкнутый контур. Если контур разомкнут, то это не контур.
Понятие чаще всего используется для
описания цепи, которая была разорвана либо намеренно
(с помощью переключателя, о котором я расскажу далее),
либо по какой-то ошибке — например, из-за ослабления соединения или повреждения компонента.

СОВЕТ

ОСТОРОЖНО!

СОВЕТ

H — это про цепь без нагрузки. Например,
на рис. 1.2 показано короткое замыкание; лампа подключена
к цепи, но между отрицательным и положительным полюсами
батареи также имеется прямое соединение.
Ток при коротком замыкании может достигать опасно высоких значений. Короткое замыкание может повредить электронные компоненты, привести к взрыву аккумулятора или
даже стать причиной пожара.
Короткое замыкание, показанное на рис. 1.2, иллюстрирует
важный момент, связанный с электрическими цепями: обычно
в цепи есть несколько путей для протекания тока. На рис. 1.2
ток может протекать как через лампу, так и по пути, соединяющему две клеммы батареи напрямую.
Ток течет везде, где можно. Если в цепи два пути, по которым
может течь ток, он не выбирает один из них, он выбирает оба.
Однако не все пути одинаковы, поэтому ток не течет одинаково по всем путям. В цепи, показанной на рис. 1.2, ток будет
протекать через короткое замыкание гораздо легче, чем через лампу. Таким образом, лампа не будет светиться, потому
что почти весь ток минует лампу, предпочитая более легкий
путь через короткое замыкание. Хотя через лампу все равно
будет протекать небольшой ток, но его будет недостаточно,
чтобы вызвать видимое свечение лампы.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

187

Чтобы определить, сколько тока протекает по тому или иному пути, вы используете математическую формулу, которая
описана в главе 2 этой части. Но если один из доступных
путей — короткое замыкание, не нужно возиться с формулой:
почти весь ток будет течь через короткое замыкание.

»
СОВЕТ

Представьте электрический ток, протекающий по цепи
от положительной стороны источника напряжения к отрицательной. Именно так обычно представляют цепь при ее
изучении. Например (рис. 1.1), ток течет по часовой стрелке
от положительного полюса батареи, протекает через путь
в левой части схемы к лампе в верхней части схемы, через
лампу, затем через путь в правой части схемы и возвращается к отрицательному полюсу батареи.
Как я уже объяснил в главе 2 части 1, такой способ представления о протекании тока называется / . В действительности электрический заряд — и электроны — в цепи
течет от отрицательной стороны источника напряжения
через цепь к положительной стороне источника напряжения.

Использование батареек
Самый простой способ обеспечить источник напряжения в цепи —
включить в нее батарейку. Есть много других способов, включая
адаптеры переменного тока (они подключаются к электрической
Катод

Анод

Раствор
электролита

Рис. 1.3.
Что происходит
внутри батареи

188

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рис. 1.4.
Стандартные
батарейки

розетке) и солнечные батареи (преобразуют солнечный свет в напряжение). Однако батарейки остаются наиболее практичным источником энергии для большинства схем, которые вы построите в этой книге.
Батарейка — устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую в виде напряжения, которое, в свою очередь, может вызвать
ток. Это обеспечивают две пластины из разных металлов, погруженных
в специальный химический раствор, — электролит. Металлы вступают в реакцию с электролитом и создают поток зарядов, которые накапливаются на отрицательной пластине (аноде), на положительной
пластине не остается зарядов. Между двумя пластинами образуется напряжение. Эти пластины соединены с внешними клеммами, к которым
можно подключить цепь, чтобы вызвать протекание тока.
На рис. 1.3 показана упрощенная схема работы батарейки. Для батареи нужна чаша, наполненная нужным химическим веществом, анод
и катод из нужного металла.
На самом деле на рис. 1.3 показан элемент, а не батарея. Батарея —
это комбинация двух или более элементов.
Батареи бывают разных форм и размеров, но в этой книге рассказывается только о нескольких стандартных типах батареек, которые можно купить в любом магазине, аптеке или супермаркете. На рис. 1.4 показаны наиболее распространенные размеры.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

189

Цилиндрические батарейки бывают четырех стандартных размеров:
AAA, AA, C и D. Независимо от размера, каждая из этих батареек обеспечивает напряжение 1,5 В, а единственное отличие — сила тока (чем
больше батарейка, тем больше сила тока). Технически элементы питания AAA, AA, C и D — это именно элементы, а не батарейки. Но если
бы называть их батарейками было преступлением, наши тюрьмы были
бы перегружены еще больше, чем сейчас.
Катод, или положительная клемма, в цилиндрической батарейке — это
конец с металлическим бугорком. Плоский металлический конец — это
анод или отрицательная клемма.
Прямоугольная батарейка на рис. 1.4 — батарейка на 9 В. Это действительно батарейка, потому что в маленькой прямоугольной коробочке
на самом деле содержится шесть маленьких элементов, каждый из которых примерно в два раза меньше элемента AAA. 1,5 вольта, вырабатываемые каждым из этих маленьких элементов, в сумме дают 9 вольт.
Вот еще несколько вещей, которые нужно знать о батарейках

»
»
ОСТОРОЖНО!

»
»
ПРИМЕЧАНИЯ

190

Помимо батареек AAA, AA, C, D и 9 В, существует множество
других размеров. Большинство предназначены для специальных устройств (цифровые камеры, слуховые аппараты,
ноутбуки и т. д.).
Все батарейки содержат химические вещества, которые
токсичны для вас и окружающей среды. Обращайтесь с ними
осторожно, утилизируйте правильно, в соответствии с местными законами — не просто выбрасывайте в мусорное ведро.
Вы можете (и должны) использовать мультиметр для измерения напряжения ваших батарей. Установите мультиметр
на соответствующий диапазон постоянного напряжения
(например, 20 В). Затем поднесите красный тестовый провод
к положительному полюсу батареи, а черный — к отрицательному. Мультиметр покажет разницу напряжения между отрицательным и положительным выводами. Для цилиндрических
батареек (AAA, AA, C или D) она должна составлять около
1,5 В. Для 9-вольтовых батареек — около 9 В.
0 батареи стоят дороже, чем одноразовые,
но служат дольше, поскольку их можно перезаряжать.
Технический термин для обозначения элемента, который нельзя перезарядить, — + .
Перезаряжаемые элементы правильно называть
.
Однако я удивлюсь, если в обычном магазине, где среди прочего продаются батарейки, спросят о вторичных элементах,
а продавец поймет, что покупателю нужно.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

»
СОВЕТ

Самый простой способ использовать батарейки в электронной схеме — использовать держатель для батареек. Это
небольшая пластиковая коробочка для хранения одной или
нескольких батареек.
Интересно, почему продаются элементы AAA, AA, C и D,
но нет A или B? Батарейки с элементами A и B существуют,
но не используются ни в каких потребительских устройствах,
поэтому их нельзя найти в розничных магазинах.

Построение схемы лампы
В Проекте 1 мы используем простую схему, в которой есть батарея для
освещения лампы. Это простая схема, но она помогает проиллюстрировать основные принципы, которые я объяснял до сих пор. На рис. 1.5
показана собранная схема.

Рис. 1.5.
Простая
схема
лампы

Проект 1. Простая схема лампы
В этом проекте вы построите простую цепь, которая соединяет лампу
с батареей. Вы также используете мультиметр для измерения напряжения и тока в цепи. Для сборки и тестирования схемы понадобятся маленькая крестовая отвертка и мультиметр.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

191

Детали
»
»
»
»

Две батарейки AA.
Один держатель для батареек 2 x AA.
Один патрон для лампы-фонарика.
Одна лампочка 2,33 В.
Лампа

Последовательность действий
1.

Подсоедините красный провод от держателя батареи к одной из винтовых клемм на патроне лампы.
Немного ослабьте винтовую клемму, чтобы под винтом был
небольшой зазор. Затем согните зачищенный конец красного провода в форме крючка (это легко сделать, намотав провод на кончик отвертки). Вставьте зачищенный конец провода под винт клеммы, а затем затяните винт, чтобы закрепить
провод.

Подсоедините черный провод к другой клемме на патроне
лампы.

3.
4.

Вставьте лампочку в патрон.
Вставьте батарейки в держатель.
Лампочка должна загореться.

192

Установите диапазон мультиметра на самое низкое значение постоянного напряжения, которое будет измерять
не менее 3 вольт.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

У моего мультиметра диапазон постоянного напряжения 5 В,
поэтому я использовал эту настройку.

Прикоснитесь красным проводом мультиметра к контакту
патрона лампы, к которой подключен красный провод держателя батареи, а затем прикоснитесь черным проводом
к другому контакту.
Измеритель должен показать около 3 вольт.

Отсоедините красный провод аккумулятора от патрона
лампочки.
Это разорвет цепь, и лампочка погаснет.

Поставьте переключатель мультиметра на максимальное
значение постоянного тока мА.
На моем мультиметре максимальное значение — 1000 мА постоянного тока.

Прикоснитесь зачищенным концом красного провода батареи к кончику красного провода мультиметра, а затем прикоснитесь кончиком черного провода мультиметра к неподключенному патрону на патроне лампочки.
Мультиметр должен показать приблизительно 250 мА.
Если максимальный диапазон измерения постоянного тока
(DC mA) на вашем мультиметре меньше 250 мА, то показания могут быть неточными. Однако вы всё равно должны увидеть, что ток превышает максимальное значение для данного диапазона.
Кроме того, когда вы проверяете силу тока, лампа снова загорается, потому что измерительный прибор замыкает цепь.

Работа с переключателями
Переключатели — важная часть большинства электронных схем. В простейшем случае большинство схем содержит этот элемент для включения и выключения цепи. Помимо выключателя, во многих схемах
используются дополнительные переключатели, которые управляют
работой схемы или активируют различные ее функции.
Переключатели — это механические устройства с двумя или более выводами (или клеммами), внутри соединены с металлическими контактами,
которые размыкаются или замыкаются в зависимости от положения переключателя. Когда переключатель находится в положении Вкл., контакты касаются друг друга, замыкая цепь, и по ней идет ток. Если между
контактами есть зазор, переключатель разомкнут, и ток не может течь.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

193

В следующих разделах описаны две классификации переключателей:
по типу управления выключателем и по типу соединений, обеспечиваемых переключателем.

Разные классификации выключателей
Переключатели можно классифицировать в зависимости от того, что
нужно сделать человеку для размыкания или замыкания контактов.
На рис. 1.6 показаны различные конструкции переключателей.

»
»
»
»

Ползунковый переключатель. Ползунковый переключатель
размыкает или замыкает контакты при перемещении ползунка по направляющей.
Тумблер. Есть рычажок, который нужно перевести в верхнее или нижнее положение, чтобы разомкнуть или замкнуть
контакты. Пример тумблеров — выключатели потолочного
освещения в комнате.
Поворотный переключатель. У поворотного переключателя
есть ручка, поворачивая которую вы размыкаете и замыкаете
контакты: выключатель в основании многих настольных ламп.
Клавишный переключатель. Клавишный переключатель работает по принципу качелей. Вы нажимаете на одну сторону
переключателя вниз, чтобы замкнуть контакты, и на другую
сторону вниз, чтобы их разомкнуть.

Рис. 1.6.
Наиболее часто
используемые
переключатели

194

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

»
»

Рубильник. Рубильник —это тот самый рубильник, который
Игорь использует в фильме «Франкенштейн», чтобы оживить
существо. Контакты рубильника видны всем.
Кнопочный выключатель. Он с кнопкой, на которую вы
нажимаете, чтобы разомкнуть или замкнуть контакты.
В некоторых — один раз, чтобы разомкнуть контакты, а затем
нажимаете еще раз, чтобы замкнуть их. Другими словами,
при каждом нажатии на переключатель контакты поочередно
размыкаются и замыкаются.
Другие кнопочные переключатели — это выключатели
с кратковременными контактами, в которых контакты переходят из состояния по умолчанию только при нажатии
и удержании кнопки. Существуют два типа переключателей
с кратковременными контактами: нормально разомкнутые
и нормально замкнутые.

•
•

В 6 37J4 по умолчанию
контакты разомкнуты. Нажимаете на кнопку — контакты замыкаются, отпускаете кнопку — контакты размыкаются. Ток течет
только при нажатии и удержании кнопки.
В 6 37;4 по умолчанию
контакты замкнуты. Ток протекает, пока вы не нажмете кнопку.
Тогда контакты размыкаются, и ток не течет. Отпускаете кнопку —
контакты снова замыкаются, и ток возобновляется.

Соединение с помощью полюсов и бросков
Еще один способ классифицировать выключатели — это соединения,
которые они создают. Два важных фактора, которые определяют, какие типы соединений выполняет выключатель, следующие:

Полюса. Полюс выключателя означает количество отдельных цепей, которыми он управляет. F 6 выключатель управляет только одной цепью. 6
переключатель управляет двумя отдельными цепями.
Двухполюсный выключатель можно рассматривать как два
отдельных однополюсных выключателя, которые механически управляются одним и тем же рычагом, ручкой или
кнопкой.

» Число направлений. Количество направлений указыва-

ет, сколько выходных соединений может быть подключено
к входу каждого полюса переключателя.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

195

На рис. 1.7 показаны два наиболее распространенных типа —
однонаправленный и двунаправленный1.

•
•

Переключатель с одним направлением — это простой выключатель, который соединяет или разъединяет два контакта. Когда
переключатель закрыт, контакты соединены, и между ними течет
ток. Выключатель открыт — контакты не соединены, поэтому ток
не течет.
Переключатель с двумя направлениями соединяет контакт
на входе с одним из двух контактов на выходе. Таким образом,
двухполюсный переключатель имеет три контакта, один из которых называется общим. Два другие контакта часто называют A и B. Когда переключатель находится в одном положении,
общий контакт соединен с контактом A, поэтому ток течет
от общего контакта к контакту A, но не течет к контакту B. Когда
переключатель переводится в другое положение, соединения
контактов меняются на противоположные: ток течет от общего
контакта к контакту B, но не течет через контакт A.

Однонаправленный
Открыт

Закрыт

Ток не идет

Ток идет

Двунаправленный

Общий

Ток идет
через контакт A

Общий

Ток идет
через контакт B

Рис. 1.7.
Переключатели
с одним и двумя
направлениями

Выключатели различаются как по количеству полюсов, так и по количеству направлений. Теоретически возможно любое число полюсов
и любое число направлений, но у большинства переключателей один
1

196

Такие переключатели имеют альтернативное название: однопозиционные и двухпозиционные. –
Прим. науч. ред.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

или два полюса и один или два направления, из которых получаются
четыре распространенные комбинации, описанные в следующих параграфах. Символы, используемые в схемах для каждого из этих переключателей, приведены на полях.

»
»

SPST (single pole, single throw — однополюсной однонаправленный). Базовый переключатель, который включает или
выключает одну цепь. У переключателя SPST два контакта:
один для входа и один для выхода.
SPDT (single pole, double throw — однополюсный двунаправленный). Переключатель SPDT соединяет одну входную цепь
на одну из двух выходных цепей. Этот тип переключателя
иногда называют переключателем A/B, поскольку он позволяет выбирать между двумя цепями, называемыми A и B.
У переключателя SPDT три контакта: один для входа и два
для выходов A и B.
DPST (double pole, single throw — двухполюсный однонаправленный). Переключатель DPST включает или выключает
две цепи. У переключателя DPST четыре контакта: два входные и два выходные.
DPDT (double pole, double throw — двухполюсный двунаправленный). Переключатель DPDT выполняет соединение
двух отдельных цепей, соединяя каждый из двух входов с одним из двух выходов. У переключателя DPDT шесть контактов: два для входов, два для выходов A и два для выходов B.

Вот еще несколько моментов, над которыми стоит задуматься, касающиеся расположения полюсов и поворотов.

Переключатели с более чем двумя полюсами или более чем
двумя направлениями встречаются нечасто, но всё же существуют. Поворотные переключатели особенно хорошо
подходят для многопозиционных переключателей. Например,
у поворотного переключателя в мультиметре обычно 16 или
более направлений, по одному на каждый диапазон измерений, которые может производить прибор.
Распространенный вариант переключателя с двумя направлениями — переключатель со средним положением, при
котором нет соединения ни с одним из выходов. Такой переключатель часто называют центрально открытым, у него три
положения, но только два направления. Например, переключатель SPDT с центральным размыканием может переключать один вход между любым из двух выходов, но в среднем
положении ни один из выходов не подключен.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

197

»
СОВЕТ

Если вы хотите заранее купить переключатели, чтобы были
под рукой, лучше покупать DPDT, а не однополюсные переключатели или переключатели с одним направлением,
потому что DPDT можно использовать, когда в схеме требуется более простой переключатель SPST, SPDT или DPST. Вы
можете использовать переключатель DPDT, когда требуется
более простой переключатель, потому что нет правила, согласно которому нужно подключить все контакты переключателя. Например, чтобы использовать переключатель DPDT
в качестве переключателя SPST, достаточно задействовать
один из полюсов и одно из направлений и не использовать
остальные соединения.

Построение схемы выключателя лампы
В Проекте 2 представлена простая конструкция, позволяющая получить
представление о работе простого выключателя для лампы. На рис. 1.8
показан собранный проект.
В этом проекте и остальных проектах этой главы используется рубильник DPDT, показанный на рис. 1.9. Вряд ли вы будете использовать рубильник в реальной электронной схеме. Однако такой рубильник — идеальный инструмент для изучения тонкостей работы с переключателями.

Рис. 1.8.
Проект переключаемой лампы

198

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рис. 1.9.
Рубильник
DPDT

Во-первых, он полностью открыт, поэтому можете увидеть, как он работает. Кроме того, поскольку он поставляется на собственном основании и имеет винтовые клеммы, подключать его во временные цепи
очень просто: не нужна пайка.
Как видно на рисунке, рубильник — это двухполюсный переключатель
с двумя направлениями (DPDT), то есть он работает как два переключателя SPDT, которые механически связаны между собой. Я пронумеровал
шесть контактов на переключателе 1X, 1A, 1B, 2X, 2A и 2B. Контакты
1 и 2 обозначают, какая из двух цепей переключается. Контакты X —
это входные контакты в центре переключателя (полюса), а контакты
A и B — это два выхода (направления). Таким образом, когда переключатель перевернут в одну сторону, то 1X подключен к 1A, а 2X — к 2A.
Если перевернуть переключатель в другую сторону, то 1X подключается к 1B, а 2X — к 2B.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

199

Проект 2. Лампа, управляемая
переключателем
В этом проекте вы построите простую схему, которая подключает лампу к батарейке и использует переключатель для включения и выключения лампы. Для сборки и тестирования схемы понадобятся маленькая
крестовая отвертка, обычные кусачки и кусачки для зачистки проводов.

Детали
»
»
»

Две батарейки AA.
Один держатель для батареек.
Один патрон для лампы.

200 ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

»
»
»

Одна лампочка для фонарика 2,33 В.
Один рубильник DPDT
Один 6-дюймовый многожильный провод 22 калибра (0,6 мм).

Последовательность действий
1.
2.

Снимите ½ дюйма изоляции с каждого конца провода.
Откройте рубильник.
Поднимите его рукоятку в вертикальное положение, чтобы
не было никаких соединений.

Подсоедините красный провод от держателя батареи
к контакту 1X рубильника.

Подсоедините черный провод к одной из клемм патрона
лампы.

С помощью 6-дюймового провода соедините контакт 1A
рубильника с другим контактом патрона лампы.

6.
7.

Вставьте батарейки в держатель.
Переведите рубильник в положение A.
Лампочка должна загореться.

Если хотите поэкспериментировать с различными вариантами этого
проекта, попробуйте:

Перевести рубильник с положительной стороны схемы
на отрицательную. Другими словами, подключите красный
провод от держателя батареек к лампочке, а черный провод —
к клемме 1X рубильника.
Схема будет работать так же. Это показывает, что расположение переключателя в цепи часто не имеет значения. Если
цепь разорвана в любом месте, ток не может течь. Не имеет
значения, где находится выключатель — до или после лампы.

Отрежьте второй 6-дюймовый кусок провода и снимите
изоляцию с обоих концов. Затем подключите цепь так, чтобы
красный провод от батареи шел к контакту 1X рубильника,
черный провод — к контакту 2X рубильника, один из проводов шел от контакта 1A рубильника к одному из контактов
лампы, а другой — от контакта 2A рубильника ко второму
контакту лампы.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

201

Теперь вы создали схему, показанную на рис. 1.10. В этой
схеме рубильник используется как переключатель DPST
(двухполюсный с одним броском) для прерывания цепи как
на отрицательной, так и на положительной стороне лампы.

Рис. 1.10.
Использование DPSTпереключателя для
управления лампой

Последовательные и параллельные цепи
Когда в цепи более одного компонента, они должны быть соединены вместе. Два способа соединения компонентов в цепи — последовательный и параллельный. На рис. 1.11 показано, как можно использовать последовательные и параллельные цепи для подключения двух
ламп в одну цепь.
При последовательном соединении компоненты подключаются друг
к другу так, что ток сначала проходит через один компонент, а затем
через другой. Как видно из первой схемы на рис. 1.11, ток проходит через одну лампу, а затем через другую. Лампы соединены в одну цепь.

Последовательное
соединение

Рис. 1.11.
Лампы, соединенные
последовательно
и параллельно

202

Параллельное
соединение

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Один из недостатков последовательного соединения: если один из компонентов выходит из строя, он размыкает цепь, цепь становится разорванной, ни один из компонентов не работает. Например, если одна
из ламп в последовательной цепи на рис. 1.11 перегорит, ни одна из ламп
не будет светить: для полного замыкания цепи ток должен протекать
через обе лампы.

Рис. 1.12.
Лампы, соединенные
последовательно

В параллельном соединении, показанном на рис. 1.12, каждая лампа
имеет собственное прямое подключение к батарее. Такая схема позволяет избежать ситуации, когда в последовательном соединении при
перегорании одной лампы не светятся и остальные. При параллельном соединении компоненты не зависят друг от друга при подключении к батарее. Таким образом, если одна лампа перегорит, другая все
равно будет светить.
Интересная вещь происходит с напряжением при последовательном
соединении компонентов: напряжение, присутствующее на каждом
компоненте, делится на части. Например, в цепи с батареей 3 В и двумя одинаковыми лампами, соединенными последовательно, каждая
лампа будет получать только полтора вольта. Если последовательно
соединить три одинаковые лампы, на каждой из них напряжение будет только один вольт.
Вы можете измерить напряжение на любом компоненте цепи, переключив мультиметр на соответствующий диапазон напряжения,
а затем прикоснувшись проводами к обеим сторонам компонента.
Измеренное таким способом напряжение называется падением напряжения компонента.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

203

Построение последовательной
цепи лампы
В Проекте 3 вы построите простую схему, которая соединяет две лампы
последовательно. Затем с помощью мультиметра измерьте напряжение
в различных точках цепи. Законченный проект показан на рис. 1.12.

Проект 3. Схема последовательного
соединения ламп

В этом проекте вы соедините две лампы в последовательную цепь.
Лампы питаются от пары батареек AA. Вам понадобятся: маленькая
крестовая отвертка, обычные кусачки, кусачки для зачистки проводов и мультиметр.

204

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Детали
»
»
»
»
»

Две батарейки AA.
Один держатель для батареек.
Два патрона для ламп.
Две лампочки для фонарика 2,33 В.
Один 6-дюймовый многожильный провод 22 калибра (0,6 мм).

Последовательность действий
1.
2.

Снимите ½ дюйма изоляции с каждого конца провода.

Подсоедините черный провод к одному из контактов другого патрона лампы.

С помощью 6-дюймового провода соедините неиспользуемый контакт патрона первой лампы с неиспользуемым контактом патрона второй лампы.

Вставьте батарейки в держатель.

Подсоедините красный провод от держателя батареек
к одному из контактов на одном из патронов лампы.

Обе лампы загорятся.
Обратите внимание: лампочки горят вполсилы. Дело в том,
что в последовательной цепи с двумя одинаковыми лампочками каждая из них получит только половину общего
напряжения.

СОВЕТ

Выкрутите одну из лампочек из патрона.
Другая погаснет. Это происходит потому, что в последовательной цепи неисправность одного компонента разрывает
цепь, и все остальные компоненты не могут работать.

7.
8.
9.

Вкрутите в патрон лампочку, которую вы сняли в Шаге 6.
Настройте мультиметр на диапазон напряжения постоянного тока не менее 3 вольт.
Прикоснитесь проводами к двум контактам на патроне первой лампочки.
Мультиметр должен показать примерно 1,5 В. (Если вы используете аналоговый прибор и его стрелка движется назад,
просто поменяйте местами выводы.)

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

205

10. Подключите выводы к двум контактам на патроне другой
лампочки.
Мультиметр снова должен показывать примерно 1,5 В.

11.

Прикоснитесь красным проводом мультиметра к контакту,
к которому подключен красный провод от батареи, а черным проводом мультиметра — к контакту, к которой подключен черный провод батареи.
При этом измеряется напряжение на обеих лампах, вместе
взятых. Мультиметр покажет 3 В.

Построение схемы параллельного
подключения ламп
В Проекте 4 вы построите цепь, соединяющую параллельно две лампы, и с помощью мультиметра измерите напряжение в различных точках цепи. Завершенный проект показан на рис. 1.13.

Рис. 1.13.
Лампы,
соединенные
параллельно

206

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Проект 4. Параллельная цепь ламп
В этом проекте вы соедините две лампы в последовательную цепь. Лампы
питаются от пары батареек AA. Вам понадобятся: маленькая крестовая
отвертка, обычные кусачки, кусачки для зачистки проводов и мультиметр.

Детали
»
»
»
»
»

Две батарейки AA.
Один держатель для батареек.
Два патрона для ламп .
Две лампы для фонарика 2,33 В.
Два 6-дюймовых многожильных провода 22 калибра (0,6 мм).

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

207

Порядок действий
1.

Снимите по ½ дюйма изоляции с каждого конца проводов.

Подсоедините красный провод от держателя батареек
к одному из контактов патрона первой лампочки.

Подсоедините черный провод к другому контакту патрона
первой лампочки.

С помощью двух проводов соедините каждый из контактов
патрона первой лампочки с соответствующим контактом
патрона второй лампочки.
Теперь соедините два патрона параллельно.

Вставьте батарейки.
Лампы загораются — причем ярче, чем при последовательном
соединении в K. Поскольку лампы соединены параллельно, извлечение одной из них не разрывает цепь.

Вывинтите из патрона одну из ламп.
Обратите внимание, что другая лампа продолжает гореть.

Обратно ввинтите в патрон лампу, которую вы удалили
на Шаге 6.

Установите мультиметр на диапазон напряжения постоянного тока не менее 3 вольт.

Прикоснитесь выводами мультиметра к двум контактам патрона первой лампы.
Убедитесь, что красный провод мультиметра подключен
к контакту, к которому подсоединен красный провод батареи, а черный провод мультиметра — к контакту, к которому
подсоединен черный провод батареи.

10. Прикоснитесь проводами мультиметра к контактам держателя второй лампы.
Обратите внимание: напряжение снова 3 В. Когда компоненты соединены параллельно, напряжение не делится между
ними и каждый компонент получает все напряжение. Вот почему в параллельной цепи лампы горят с полной силой.

208

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Последовательное и параллельное
подключение переключателей
Точно так же, как лампы можно подключать последовательно или параллельно, переключатели тоже можно подключать последовательно
или параллельно. Например, на рис. 1.14 показаны две схемы, в каждой
из которых используется пара переключателей SPST для включения
или выключения лампы. В первой схеме переключатели подключены
последовательно, во второй — параллельно.
Интересный момент в последовательном подключении переключателей: для замкнутой цепи оба переключателя должны быть закрыты.
Отличный пример последовательного подключения переключателей
в художественном фильме о ядерной войне, где два человека должны
щелкнуть переключателем, чтобы запустить ракеты. Последовательное
соединение выключателей означает, что и Дензел Вашингтон, и Джин
Хэкмен должны согласиться запустить ракеты.
Когда переключатели соединены параллельно, замыкание любого из них
замыкает цепь. Таким образом, параллельное соединение переключателей часто используются, когда необходимо управлять цепью из двух
разных мест. Если бы переключатели ядерных ракет были подключены параллельно, то ракеты мог бы запускать либо Дензел Вашингтон,
либо Джин Хэкмен.
Последовательное соединение
переключателей

Параллельное соединение
переключателей

Рис. 1.14.
Схемы последовательного и параллельного соединения
переключателей

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

209

Создание последовательного
соединения переключателя
Проект 5 — это простой проект, где используются два переключателя для размыкания или замыкания цепи, в которой горит лампа.
Переключатели соединены последовательно, чтобы зажечь лампу,
должны быть замкнуты оба переключателя. На рис. 1.15 показан готовый проект.

Рис. 1.15.
Собранная
схема последовательного соединения переключателей

Проект 5. Схема последовательного
соединения переключателей
В этом проекте вы построите простую схему, которая использует два рубильника для управления одной лампой. Вам понадобятся: маленькая
крестовая отвертка, обычные кусачки и кусачки для зачистки проводов.

210

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Детали
»
»
»
»
»
»

Две батарейки AA.
Один держатель для батареек.
Один патрон для лампы.
Одна лампочка для фонарика 2,33 В.
Два рубильника DPDT.
Два 6-дюймовых многожильных провода 22 калибра (0,6 мм).

Порядок действий
1.
2.

Снимите по ½ дюйма изоляции с каждого конца проводов.
Откройте оба рубильника.
Переведите рукоятки рубильников в вертикальное положение, чтобы контакты не были соединены.

Подсоедините красный провод от держателя батареек
к контакту 1X одного из рубильников.

Подсоедините черный провод к одному из контактов патрона лампы.

Подключите один из 6-дюймовых проводов от контакта 1A
первого рубильника к контакту 1X второго рубильника.

Подключите другой 6-дюймовый провод от контакта 1A второго рубильника к неиспользуемому контакту
рубильника.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

211

7.
8.

Вставьте батарейки в держатель.
Включите первый рубильник.
Обратите внимание, что лампа не горит.

Включите второй рубильник.
Лампа загорается. При последовательном соединении двух
рубильников оба рубильника должны быть включены, чтобы
цепь была замкнутой.

Построение схемы параллельно
подключенных переключателей
В Проекте 6 вы построите простую схему, где для включения лампы используются два параллельно подключенных переключателя. Поскольку
переключатели подключены параллельно, лампа будет гореть, если замкнуть любой из них. На рис. 1.16 показан готовый проект.

Рис. 1.16.
Собранная схема
параллельного
подключенных
переключателей

212

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Проект 6. Схема параллельного
выключателя
Этот проект — схема, где для включения лампы используются два параллельно подключенных переключателя. Вам понадобятся: маленькая
крестовая отвертка, обычные кусачки и кусачки для зачистки проводов.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

213

Детали
» Две батарейки AA.
» Один держатель батареек.
» Один патрон для лампы.
» Одна лампочка для фонарика 2,33 В.
» Два рубильника DPDT.
» Три 6-дюймовых многожильных провода 22 калибра (0,6 мм).
Порядок выполнения
1.
2.
3.

Снимите по ½ дюйма изоляции с каждого конца проводов.
Выключите оба рубильника.
Переведите ручки в вертикальное положение, чтобы разъединить контакты.

Присоедините черный провод к первому контакту патрона
лампы.

С помощью первого 6-дюймового провода соедините контакт 1X первого рубильника с контактом 1X второго
рубильника.
Не забудьте подсоединить красный провод батареи к контакту 1X первого рубильника. К контакту 1X первого рубильника должны быть подключены два провода: красный от батареи и провод, идущий к контакту 1X второго рубильника.

С помощью второго 6-дюймового провода соедините контакт 1A первого рубильника со вторым контактом патрона
лампы.

Третьим 6-дюймовым проводом соедините контакт 1А второго рубильника со вторым контактом патрона лампы.

Другими словами, второй контакт патрона лампы должен
быть подключен к контакту 1A обоих рубильников.

9. Вставьте батарейки.
10. Включите один из рубильников.
Лампа загорится.

214

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

11.

Выключите рубильник, который вы включили на шаге 9,
а затем включите другой рубильник.
Лампа снова загорится. Когда выключатели соединены параллельно, ток проходит через цепь, если любой из выключателей замкнут.

12.

Включите оба рубильника.
Лампа остается гореть, потому что ток продолжает течь, когда оба рубильника включены.

13.

Выключите оба рубильника.
Лампа гаснет. При параллельном подключении рубильников
для протекания тока необходимо, чтобы хотя бы один из них
был включен.

Переключение между двумя лампами
В Проекте 7 вы построите простую схему, в которой используется однополюсный переключатель с двумя бросками (SPDT) для переключения цепи между одной из двух ламп. Другими словами, в зависимости
от положения переключателя будет гореть одна из двух ламп. Такой
тип переключения часто требуется в электронных схемах. На рис. 1.17
показана готовая схема.

Рис. 1.17.
Переключатель
управляет двумя
лампами

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

215

Проект 7. Управление двумя лампами
с помощью одного выключателя
В этом проекте вы построите схему, которая использует один выключатель для управления двумя лампами. Когда переключатель находится
в первом положении, горит только первая лампа, а когда во втором положении — горит только вторая. Для создания проекта понадобятся: маленькая крестовая отвертка, кусачки и ножницы для зачистки проводов.

216

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Детали
» Две батарейка AA.
» Один держатель батареек.
» Два патрона для ламп.
» Две лампы для фонарика 2,33 В.
» Один рубильник DPDT.
» Три 6-дюймовых многожильных провода 22 калибра (0,6 мм).
Порядок действий
1.
2.

Снимите ½ дюйма изоляции с каждого конца проводов.
Выключите рубильник.
Переведите ручку в вертикальное положение, чтобы контакты не соприкасались.

Подсоедините красный провод от держателя батареи
к контакту 1X рубильника.

Подключите черный провод к одному из контактов патрона
первой лампы.

Подключите один из 6-дюймовых проводов от контакта 1A
рубильника к одному из контактов патрона второй лампы.

Подключите другой 6-дюймовый провод от контакта 1B рубильника к свободному контакту патрона первой лампы.

Третьим 6-дюймовым проводом соедините свободный контакт патрона второй лампы с контактом патрона первой
лампы, к которому подключен черный провод от батареи.

8. Ввинтите лампы в патроны.
9. Вставьте батарейки в держатель.
10. Переведите рубильник в положение A.
Загорится вторая лампа.

11.

Переведите рубильник в положение B.
Загорится первая лампа.

Интересный вариант схемы Проекта 7 использует оба полюса
рубильника DPDT для переключения цепи как на отрицательную, так
и на положительную сторону лампы. Для этой схемы вам понадобятся

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

217

четыре 6-дюймовых провода. Подключите шесть контактов рубильника DPDT следующим образом:
Контакт

Соединение

Красный провод от батареи

Клемма 1 второй лампы

Клемма 1 первой лампы

Черный провод от батареи

Клемма 2 второй лампы

Клемма 2 первой лампы

На рис. 1.18 показана эта схема в собранном виде.

Рис. 1.18.
Другой способ
управления
двумя лампами

Создание трехпозиционного
переключателя для ламп
Во многих домах и офисах есть длинные коридоры, в которых выключатель освещения есть в обоих концах коридора. Вы можете включить
или выключить свет, щелкнув любой из выключателей. Такое устройство называется трёхпозиционный переключатель.
Вы когда-нибудь задумывались, как работают эти трёхпозиционные
переключатели? Трудно сразу догадаться, как они устроены. Если свет
включен, нажатие любого из выключателей выключит его. Если свет
выключен, нажатие любого из выключателей включит его. Скажем, вы

218

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

переводите один выключатель в положение Вкл. — и свет загорается.
Теперь перейдите к другому выключателю, переведите его в Выкл., чтобы выключить свет, и вернитесь к первому выключателю. Он все еще
находится в положении Вкл., но свет выключен. Чтобы снова включить свет, надо снова включить первый выключатель.
Другими словами, иногда свет горит, когда выключатель находится
в положении Вкл., иногда — когда в положении Выкл. Как такое может быть?
Ответ: оба выключателя — однополюсные c двумя контактами, и они
соединены последовательно таким образом, что для замыкания цепи
оба выключателя должны быть либо в положении Вкл., либо в положении Выкл. Если один выключатель находится в положении Вкл., а другой — в Выкл., цепь разомкнута.

СОВЕТ

Иногда электрики по ошибке устанавливают один из выключателей
вверх ногами или подсоединяют трехходовой выключатель задом наперед. Тогда выключатели работают по совершенно другому правилу:
если оба выключателя в положении Вкл. или Выкл., цепь разомкнута,
и лампа горит только тогда, когда выключатели в разном положении.
Но это неправильный способ подсоединения трехходового выключателя.
В Проекте 8 вы построите простую схему, чтобы показать, как работает
трехходовой выключатель. На рис. 1.19 показан завершенный проект.

Рис. 1.19.
Схема трехходового
выключателя света

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

219

Проект 8. Трехходовой выключатель
В этом проекте вы соберете схему трехходового выключателя, в которой
одна лампа управляется любым из двух выключателей. Для выполнения этого проекта понадобятся: маленькая крестовая отвертка, обычные кусачки и кусачки для зачистки проводов.

Детали
» Две батарейки AA.
» Один держатель для батареек.
» Один патрон для лампы.
» Одна лампа для фонарика 2,33 В.
» Два рубильника DPDT.
» Три 6-дюймовых многожильных провода 22 калибра (0,6 мм).

220

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Порядок выполнения
1.

Снимите по ½ дюйма изоляции с каждого конца проводов.

Откройте оба выключателя.
Переведите рукоятки в вертикальное положение, чтобы контакты не были соединены.

Подсоедините красный провод от держателя батареи
к контакту 1X первого выключателя.

Подсоедините черный провод к одному из контактов патрона лампы.

Подключите один из 6-дюймовых проводов от клеммы 1A
первого выключателя к клемме 1A второго выключателя.

Подключите другой 6-дюймовый провод от контакта 1B
первого выключателя к контакту 1B второго выключателя.

Подключите последний 6-дюймовый провод от контакта 1X
второго выключателя к неиспользуемому контакту патрона лампы.

Вставьте лампу в патрон.

Вставьте батарейки в держатель.

10. Поверните переключатели, чтобы увидеть работу трехходового переключателя.
Лампа горит только тогда, когда оба переключателя находятся в положении A или когда оба переключателя находятся
в положении B.

Изменение полярности
В заключительном девятом проекте этой главы рассмотрим часто применяемый прием: использование DPDT-переключателя для изменения полярности цепи. Одно из распространенных применений этого
трюка — питание двигателя постоянного тока с помощью схемы. Когда
вы меняете полярность двигателя постоянного тока, он вращается

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

221

Рис. 1.20.
Собранная схема
изменения полярности

в противоположном направлении. Таким образом, вы можете использовать DPDT-переключатель для управления направлением вращения
двигателя постоянного тока. На рис. 1.20 показан собранный проект.

Проект 9. Цепь, меняющая полярность
В этом проекте вы соберете схему, в которой используется DPDTпереключатель для изменения полярности цепи. Другими словами, при
переводе переключателя из одного положения в другое меняется направление тока в цепи. Чтобы собрать эту схему, понадобятся: маленькая
крестовая отвертка, обычные кусачки и кусачки для зачистки проводов.

Детали
» Две батарейки AA.
» Один держатель для батареек.
» Один патрон для лампочки.
» Одна лампочка для фонарика 2,33 В.
» Один рубильник DPDT.
» Четыре 6-дюймовых многожильных провода 22 калибра
(0,6 мм).

222

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Порядок выполнения
1.
2.

Снимите ½ дюйма изоляции с каждого конца проводов.
Откройте рубильник.
Переведите ручки рубильника в вертикальное положение,
чтобы контакты не были соединены.

Подсоедините красный провод от держателя батареи
к контакту 1X выключателя.

Подсоедините черный провод от аккумулятора к контакту 2X рубильника.

Подключите первый 6-дюймовый провод от контакта 1B
рубильника к клемме 2A рубильника.

Подключите второй 6-дюймовый провод от контакта 2B рубильника к контакту 1A рубильника.

Подключите третий 6-дюймовый провод от контакта 1A рубильника к одному из контактов патрона лампы.

ГЛАВА 1.Работа с базовыми схемами

223

Подключите четвертый 6-дюймовый провод от контакта 2A
рубильника к другому контакту патрона лампы.

9. Ввинтите лампу в патрон.
10. Вставьте батареи в держатель батарей.
11. Переведите рубильник в положение A и измерьте напряжение на лампе.
Поднесите красный измерительный щуп мультиметра к контакту лампы, подключенной к контакту 1A рубильника,
а черный измерительный щуп — к другому контакту лампы.
Мультиметр должен показать примерно +3 В.

12.

Переведите рубильник в положение B и снова измерьте
напряжение.
Мультиметр должен показать примерно -3 В. (Если вы используете аналоговый измерительный прибор, вам придется поменять местами щупы, чтобы считать отрицательное
напряжение.)

224

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Понимание и измерение сопротивления
» Вычисление сопротивления
с помощью закона Ома

» Определение значений резисторов
и допусков

» Работа с последовательными,
параллельными и комбинированными
резисторами

» Создание схемы делителя
напряжения

Гл а в а 2

» Как потенциометр изменяет
сопротивление

Работа с резисторами

ои любимые злодеи из научно-фантастического кино — борги
из сериала «Звездный путь: Следующее поколение», которые
все время повторяют: «Сопротивление бесполезно».

В мире «Звездного пути» сопротивление боргам не было бесполезным.
Пикард и остальная команда «Энтерпрайза» сопротивлялись и одержали победу.
В мире электроники сопротивление может быть тоже очень полезным.
Без сопротивления электроника была бы невозможна. Электроника —
это манипуляция током, а один из основных способов манипуляции
током — его уменьшение с помощью сопротивления. Без сопротивления ток протекал бы свободно, и не было бы способа заставить его выполнять полезную работу.
В этой главе вы узнаете, что такое сопротивление, как работать с резисторами — маленькими устройствами, которые позволяют намеренно
вводить сопротивление в цепь. Вы также узнаете о фундаментальной
взаимосвязи в природе электричества: взаимосвязи между напряжением, током и сопротивлением. Эта зависимость выражается в простой
математической формуле, называемой законом Ома. (Не волнуйтесь,
эта математика не сложная. Если вы умеете умножать и делить, сможете понять закон Ома.) И наконец, вы узнаете о наиболее распространенных способах использования резисторов в схемах.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

225

Что такое сопротивление?
Как вы уже знаете, проводник — это материал, который пропускает ток,
а изолятор ток не пропускает. Хорошие проводники позволяют току течь
беспрепятственно. Примеры хороших проводников — медь и алюминий.
Углерод также отличный проводник. Хорошие изоляторы, напротив,
полностью блокируют ток: стекло, тефлон и пластик. Ключевой фактор,
определяющий, проводник перед нами или изолятор, — это насколько охотно атомы материала отдают электроны для перемещения заряда.
Большинство атомов очень бережно относятся к своим электронам и поэтому они хорошие изоляторы. Но некоторые не так сильно удерживают
дальние от своего ядра электроны. Такие атомы — хорошие проводники.
Если смешать проводник и изолятор, получится соединение, которое
проводит ток, но не очень хорошо. Такое соединение обладает сопротивлением, то есть сопротивляется протеканию тока. Степень сопротивления
зависит от точного сочетания элементов, входящих в состав соединения.
Например, проводящий материал углерод можно смешать с изолирующим — керамикой. Если смесь состоит в основном из углерода, ее общее сопротивление будет низким. Если она состоит в основном из керамики, общее сопротивление будет высоким.

ПРИМЕЧАНИЯ

На самом деле все материалы обладают некоторым сопротивлением.
Даже у самых лучших проводников есть небольшое, но измеримое сопротивление. Исключение составляют лишь некоторые материалы,
называемые сверхпроводниками: если их охладить до невероятно низких температур, они проводят ток со 100-процентной эффективностью.
К сожалению, вы не можете купить сверхпроводники в магазине, а если
бы и могли, все равно не сможете купить такой морозильник, который
охладит материал до абсолютного нуля.

Измерение сопротивления
Сопротивление измеряется в единицах, называемых омами, которые
обозначаются греческой буквой омега (Ω). Стандартное определение
одного ома очень простое: это сопротивление, необходимое для протекания одного ампера тока при подаче на цепь одного вольта потенциала. Другими словами, если подключить резистор сопротивлением
один Ом к клеммам батареи с напряжением один вольт, через резистор
потечет один ампер тока.
Один Ом (1Ω) — это очень маленькое сопротивление. В электронных схемах
обычно требуются сопротивления в сотни, тысячи и даже миллионы Ом.

226

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Из главы 8 части 1 вы знаете, что сопротивление цепи можно измерить
с помощью омметра, который входит в стандартную комплектацию
большинства мультиметров. Процедура проста: сначала отключаете все
источники напряжения от цепи; затем прикасаетесь двумя щупами омметра к концам цепи и считываете сопротивление (в омах) на приборе.
Вот еще несколько моментов, которые следует учитывать при изучении сопротивления и омов:

»
»
ПРИМЕЧАНИЯ

»
»

Сокращения H3 L4 и B3"L4 используются для обозначения тысяч и миллионов Ом. Так, сопротивление
в 1 000 Ом записывается как 1 коМ (k:), а сопротивление
в 1 000 000 Ом — как 1 МОм (M:).
Для большинства электронных схем можно считать, что сопротивление обычного провода равно нулю Ом (0 :). Однако
в реальности только у сверхпроводников сопротивление
0 Ом. Даже у медного провода есть некоторое сопротивление. Поэтому сопротивление провода обычно измеряется
в омах на километр или милю. Электронные схемы обычно
имеют дело с проводами длиной не более нескольких дюймов или футов, а не километров или миль.
Короткие замыкания также имеют практически нулевое
сопротивление.
Так же как обычные провода и короткие замыкания можно считать имеющими нулевое сопротивление, изоляторы
и разомкнутые цепи можно считать имеющими бесконечное сопротивление, но в реальности не существует такого
понятия, как абсолютно бесконечное сопротивление. Если
подключить два провода к клеммам батареи и держать их
на расстоянии друг от друга, между концами этих двух проводов возникнет разность напряжений, и между ними пойдет
очень маленький ток — даже через воздух, потому что воздух
не обладает бесконечным сопротивлением. Этот ток чрезвычайно мал, слишком мал, чтобы его можно было измерить,
но тем не менее он есть. Электрические токи есть буквально
везде.
Единица названа в честь знаменитого немецкого физика
Георга Ома, который первым объяснил взаимосвязь между
напряжением, током и сопротивлением.
На самом деле это открытие было впервые сделано британским ученым Генри Кавендишем 45 годами ранее,
но Кавендиш так и не опубликовал свою работу. Если бы
он это сделал, сопротивление измерялось бы в кавенах,
а не в омах.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

227

Закон Ома
Закон Ома обозначает одну из фундаментальных зависимостей в электрических цепях: при заданном сопротивлении ток прямо пропорционален напряжению. Другими словами, если увеличить напряжение
в цепи с фиксированным сопротивлением, ток будет расти. Если уменьшить напряжение, ток уменьшится.
Закон Ома выражает эту зависимость в виде простой математической
формулы:

В этой формуле V означает напряжение (в вольтах), I — ток (в амперах), а R — сопротивление (в омах). (Вам может быть интересно, почему здесь V обозначает напряжение, а в других уравнениях напряжение
иногда обозначается буквой E. Ученые иногда спорят о том, следует
ли использовать V или E в различных обстоятельствах, в большинстве случаев V и E взаимозаменяемы при обозначении напряжения.)
Вот пример того, как рассчитать напряжение в цепи с лампой, питающейся от двух батареек AA. Предположим, вы уже знаете, что сопротивление лампы составляет 12 Ом, а ток, протекающий через лампу, —
250 мА (или 0,25 А). Вы можете рассчитать напряжение, пользуясь
законом Ома.
Закон Ома невероятно полезен, потому что позволяет вычислить неизвестное напряжение, ток или сопротивление. Короче говоря, если вы
знаете две из этих трех величин, можете вычислить третью.
Из школьного курса алгебры вы знаете, что можно переставлять члены такого простого уравнения, как закон Ома, чтобы создать другие
эквивалентные формулы. В частности:

»
»

228

Если не знаете напряжения, можете вычислить его, умножив
ток на сопротивление:
Если не знаете силу тока, можете вычислить ее, разделив
напряжение на сопротивление:

Если не знаете сопротивление, можете вычислить его, разделив напряжение на ток:

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Чтобы убедиться, что эти формулы работают, снова посмотрите на схему с лампой: сопротивление 12 Ом, подключена к двум батарейкам AA
с общим напряжением 3 В. Ток, протекающий через лампу, составляет тогда 0,25 А (или 250 мА).

Если вы знаете напряжение батареи (3 В) и силу тока (250 мА или 0,25 А),
можете вычислить, что сопротивление лампы составляет 12 Ом, вот так:

Разве не весело вспомнить, что у вы узнали в школе на уроках алгебры?
Следующее, что вы вспомните, будет ваш выпускной.

СОВЕТ

Самое главное, что нужно помнить о законе Ома: вычисления всегда
нужно проводить в вольтах, амперах и омах. Например, если измеряете ток в миллиамперах (что обычно происходит в электронных схемах), вы должны преобразовать миллиамперы в амперы, разделив их
на 1000. Например, 250 мА — это 0,25 А.
Вот еще несколько моментов, которые следует помнить о законе Ома.

»
ПРИМЕЧАНИЯ

Помните, в предыдущем разделе я говорил, что определение
одного ома — это сопротивление, которое позволяет протекать одному амперу тока при приложении к нему потенциала
в один вольт? Это определение основано на законе Ома.
Если V равно 1, а I равно 1, то R также должно быть равно 1.

Почему символами напряжения и сопротивления являются V и R, что совершенно логично, а символом тока — I, что
бессмысленно? Это связано с историей. Единица измерения
тока — ампер — названа в честь французского физика АндреМари Ампера, одного из пионеров науки об электричестве.
Французское слово, которое он использовал для описания
силы электрического тока, было intensité 3 4.
Таким образом, ампер — это мера силы тока. Отсюда и буква I.
В интересах международного сотрудничества термин
назван в честь итальянского ученого Алессандро Вольта,
который в 1800 году изобрел первую электрическую батарею.
(На самом деле у этого ученого было длинное полное имя, его
звали граф Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта.)

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

229

Знакомство с резисторами
Резистор — это компонент, предназначенный для создания определенного сопротивления в цепи. Поскольку сопротивление является
важным элементом почти каждой электронной схемы, вы будете использовать резисторы практически в каждой схеме, которую построите.
Хотя резисторы бывают разных размеров и форм, наиболее распространенный тип резистора для любительской электроники — углеродный пленочный резистор, показанный на рис. 2.1. Эти маленькие
резисторы состоят из слоя углерода, уложенного на изоляционный
материал и заключенного в небольшой цилиндр, к обоим концам которого прикреплены проволочные выводы. Сам резистор имеет длину около ¼ дюйма, а выводы — около дюйма, так что длина конструкции — около 2¼ дюйма.

Рис. 2.1.
Углеродные
пленочные
резисторы

Резисторы не зависят от полярности в цепи. Поэтому можно не беспокоиться об их установке в обратном направлении. Ток может одинаково проходить через резистор в любом направлении.
СОВЕТ

На принципиальных схемах резистор изображается зазубренной линией, что показана на полях. Значение сопротивления обычно пишется
рядом с символом резистора. Кроме того, рядом с символом иногда
пишут идентификатор, например R1 или R2.
В некоторых схемах, особенно в Европе, вместо ломаной линии используется символ прямоугольника, показанный на полях.

230

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Резисторы используются в электронных схемах по многим причинам.
Вот три наиболее популярные:

Вводя сопротивление в цепь, резисторы могут ограничить
количество протекающего тока. В соответствии с законом
Ома, если напряжение в цепи остается неизменным, ток
уменьшается, если увеличить сопротивление.
Многим электронным компонентам нужен ток, сила которого
ограничена с помощью резисторов. Одни из самых известных — светодиоды (LED). Это особый тип диодов, излучающих
свет при прохождении через них тока. К сожалению, светодиод не знает, когда ему нужно перестать питаться током
и отойти, так сказать, от стола. У светодиодов очень малое
внутреннее сопротивление. Из-за слишком большого тока
они перегорают. Поэтому, чтобы светодиод не сгорел сам,
необходимо последовательно с ним установить резистор.
(Подробнее о светодиодах вы можете узнать в главе 5 этой
части.)

ЗАПОМНИТЕ

Закон Ома можно использовать в своих интересах для
токоограничивающих резисторов. Например, если знаете
напряжение и нужный вам ток, закон Ома поможет подобрать
подходящий резистор.

Деления напряжения. Можно использовать резисторы,
чтобы снизить напряжение до уровня, подходящего для
определенных частей схемы. Предположим, схема питается
от батарейки 3 В, но какой-то части схемы требуется 1,5 В.
Используйте два одинаковых резистора и разделите это
напряжение пополам — получите 1,5 В. Более подробную
информацию найдете в разделе далее
в этой главе.
Для резисторно-конденсаторных сетей. Резисторы можно
использовать в сочетании с конденсаторами (см. главу 3 этой
части).

Цветовая кодировка резисторов
Определить сопротивление резистора можно по его цветовой кодировке. Маленькие цветные полоски на резисторе обозначают сопротивление в омах и допуск, который показывает, насколько близко к указанному значению сопротивления резистор находится на самом деле.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

231

У большинства резисторов четыре цветные полоски. Первые три полоски обозначают величину сопротивления, а четвертая — допуск. На некоторых пять цветных полосок, четыре из которых — это значение сопротивления, а последняя — допуск.
Начните читать цвета резистора с той стороны, которая ближе к цветной полосе. Первая полоска обычно нарисована очень близко к краю
резистора, а последняя — дальше от края.
СОВЕТ

Чтение значения резистора
Чтобы прочитать цветовой код резистора, используйте табл. 2.1.
Определим сопротивление резистора с четырьмя полосками.

Сориентируйте резистор так, чтобы можно было правильно
прочитать полосы.
Полоски читаем слева направо. Поверните резистор так, чтобы первая полоска оказалась слева.

По цвету первой полоски определите значение первой
цифры.
Например, если первая полоска желтая, первая цифра — 4.

Цвет второй полоски поможет определить значение второй
цифры.
Например, если вторая полоска фиолетовая, вторая цифра — 7.

Цвет третьей полоски определяет множитель.
Например, если третья полоска коричневая, множитель равен 10.

Умножьте двузначное значение на множитель, чтобы определить номинал резистора.
Например, 47 умножить на 10 — это 470. Таким образом,
у желто-фиолетово-коричневого резистора сопротивление
равно 470 Ом.

Если у резистора пять полос, первые три полосы — это цифры значения, а четвертая — множитель. Пятая полоса —допуск, о котором рассказывается в следующем разделе.
СОВЕТ

Примеры, которые помогут понять, как читать коды резисторов:

232

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

ТАБЛ. 2.1

Цвет полоски

Число

Множитель
(в Ом)

Сопротивление
резистора

Коричневый-черныйкоричневый

100 Ом

Коричневый-черныйкрасный

100

1 кОм

Красный-красныйоранжевый

1к

22 кОм

Красный-желтый

10 к

220 кОм

Желтый-фиолетовыйчерный

47 Ом

Цветовые коды резисторов (значения сопротивления)
Цвет

Число

Множитель

Черный

Коричневый

Красный

100

Оранжевый

Желтый

10 k

Зеленый

100 k

Синий

Фиолетовый

10 M

Серый

100 M

Белый

1000 M

Золотой

0,1

Серебряный

0,01

Что такое допуски резисторов?
Значение, указанное полосками, нарисованными на резисторе, дает
приблизительное представление о фактическом сопротивлении. Точное
сопротивление отклоняется от этого значения на проценты в зависимости от коэффициента допуска резистора.
Например, резистор 22 кОм с допуском ±5% на самом деле имеет сопротивление в диапазоне от 5% выше до 5% ниже 22 кОм, то есть
от 20,9 кОм и до 23,1 кОм. Резистор 470Ω с 10-процентным допуском
имеет фактическое значение где-то между 423 Ом и 517 Ом.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

233

ОБОЗНАЧЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ
ЗНАЧЕНИЙ РЕЗИСТОРОВ
Теоретически существуют 100 различных комбинаций цветов для первых двух полос, охватывающих диапазон значений от 00 до 99, однако
на практике часто встречаются лишь несколько комбинаций цветов.
Эти комбинации — стандартизированные значения, они позволяют
выпускать резисторы для самых разных задач.
Возьмем значение 47 (цветовой код — желто-фиолетовый). 47 — один
из предпочтительных номеров резисторов, поэтому можете легко приобрести резисторы 4,7 Ом, 47 Ом, 470 Ом, 4,7 кОм, 47 кОм,
470 кОм и 4,7 МОм.
Но 45 не является одним из предпочтительных значений. Таким образом, вы не найдете резисторов 45 Ом или 450 Ом.
Хотя существует несколько различных систем стандартизации предпочтительных значений резисторов, наиболее распространенная
система использует 12 различных стандартных значений:

Первые два цвета

Стандартное значение

Коричневый, черный

Коричневый, красный

Коричневый, зеленый

Коричневый, серый

Красный, красный

Красный, фиолетовый

Оранжевый, оранжевый

Оранжевый, белый

Желтый, фиолетовый

Зеленый, синий

Синий, серый

Серый, красный

Эти значения стандартизированы и предназначены для широкого
диапазона значений сопротивления. Каждое следующее значение
примерно в 1,2 раза больше предыдущего.

234

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Почему примерно, а не точно? Производство резисторов с очень точными допусками обходится дороже, а для большинства электронных
схем погрешность в 5 или 10 % вполне приемлема. Например, если вы
создаете схему, ограничивающую ток, протекающий через компонент,
до 200 мА, вероятно, не имеет большого значения, если фактический
ток будет немного выше или ниже 200 мА. Таким образом, допустимо
использовать резистор с допуском 5 или 10 %.
Если требуется высокая точность, придется потратить больше денег
на покупку резисторов с более высоким допуском. Но резисторы с допуском ±5% или ±10% вполне подойдут для большинства работ, включая все схемы, представленные в этой книге (если не указано иное).
Допуск резистора указывается в его последней цветовой полоске, как
показано в табл. 2.2.

ТАБЛ. 2.2

Цветовые коды резисторов (значения допусков)
Цвет

Допуск

Коричневый

±1%

Красный

±2%

Оранжевый

±3%

Желтый

±4%

Золотой

±5%

Серебряный

±10%

Нет полоски

±20%

Что такое номинальная
мощность резисторов?
Резисторы работают как тормоза для электрического тока. Подобно
тормозам в вашем автомобиле, резисторы применяют электрический
эквивалент трения к протекающему току. Это трение препятствует протеканию тока, поглощая часть его энергии и рассеивая ее в виде тепла. При использовании резистора в цепи необходимо убедиться, что
он способен выдерживать тепло.
Номинальная мощность резистора показывает, какую мощность он может выдержать, прежде чем перегреется и сгорит. Возможно, помните из главы 2 части 1, что мощность измеряется в ваттах. Чем больше ватт может выдержать резистор, тем он больше размером и дороже.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

235

ЗАПОМНИТЕ

СОВЕТ

Большинство резисторов рассчитаны на мощность ⅛ Вт или ¼ Вт. Вы
можете найти резисторы мощностью ½ Вт или 1 Вт, но они редко нужны в электронных проектах из этой книги. Если не указано иное, все
резисторы, используемые здесь, номиналом ¼ Вт.
Нельзя определить номинальную мощность резистора на взгляд. В отличие от сопротивления и допуска, для мощности не существует цветовой кодировки. Однако по размеру резистора можно судить о его
мощности. Номинальная мощность указывается на упаковке, когда вы
покупаете новые резисторы. Поработав с ними некоторое время, вы быстро поймете разницу в размерах между резисторами разной мощности.
Если хотите перестраховаться, можно рассчитать мощность, требуемую
для конкретного резистора в ваших схемах. Сначала воспользуйтесь законом Ома, чтобы рассчитать напряжение на резисторе и ток, который
будет проходить через него. Например, если на резисторе сопротивлением 1000 Ом будет 3 В, рассчитаем, что через него будет протекать ток
30 мА, разделив напряжение на сопротивление (3 В ÷ 1000 Ом = 0,03 А,
что составляет 30 мА).
Узнав напряжение и силу тока, рассчитаем мощность, используя
формулу:
P = I ×V
Таким образом, мощность, рассеиваемая резистором, составит всего
0,09 Вт, что намного меньше максимума, который может выдержать
резистор мощностью ¼ Вт (0,25 Вт). (Резистор мощностью ⅛ Вт тоже
должен быть способен выдержать такую мощность, но при определении
номинальной мощности всегда лучше ориентироваться на большую.)

Ограничение тока с помощью резистора
Одно из самых распространенных применений резисторов — ограничение тока, проходящего через компонент. Светодиоды, к примеру,
очень чувствительны к току: нескольких миллиампер достаточно, чтобы заставить светодиод светиться, а нескольких сотен миллиампер —
чтобы он испортился.
Чтобы использовать резистор для ограничения тока, достаточно поместить резистор последовательно с компонентом. Например, на рис. 2.2
показаны два варианта последовательного подключения резистора к светодиоду. В варианте слева резистор размещается на стороне положительного напряжения светодиода (анод). В варианте справа — на отрицательной стороне светодиода (катод).

236

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рис. 2.2.
Два варианта размещения резистора
последовательно
со светодиодом

ПРИМЕЧАНИЯ

Можно считать, что слева токоограничивающий резистор расположен перед светодиодом, а справа — после светодиода. Это соответствует общепринятому представлению о том, что электрический ток
течет от положительного к отрицательному. Неважно, находится резистор до или после светодиода, главное, чтобы он был последовательно со светодиодом.
В Проекте 10 показано, как собрать простую схему, демонстрирующую,
как резистор может быть использован для ограничения тока на светодиоде, при этом резистор располагается после светодиода, между светодиодом и заземлением. На рис. 2.3 показана собранная схема.
Прежде чем перейдем к построению схемы, зададимся вопросом: почему именно резистор 120 Ом, а не больше или меньше? Другими словами,
как определить, какого размера резистор использовать в подобной схеме?

Рис. 2.3.
Собранная схема для
Проекта 10

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

237

Ответ прост: закон Ома подскажет, какой резистор использовать, но сначала нужно знать напряжение и ток. Напряжение определить несложно: две батарейки AA — это 3 В. А какая сила тока приемлема для вашей схемы? Техническая спецификация характеристики светодиода
подскажет, какой ток он может выдержать. В случае стандартного 5 мм
красного светодиода максимально допустимый ток — 28 мА. Чтобы
не повредить светодиод слишком большим током, округлите максимальный ток до 25 мА.
Теперь разделите напряжение (3 В) на силу тока (0,025 А). Результат —
120 Ом.
Не будьте придирчивым, подбирая резистор для ограничения тока светодиода. Если нужное вам сопротивление не соответствует ни одному
из стандартных значений резистора, просто округлите его до следующего стандартного значения. Например, нужен резистор 135 Ом — используйте резистор сопротивлением 150 Ом. Если под рукой не оказалось резистора 150 Ом, подойдет и резистор 220 Ом.

СОВЕТ

Не подключайте светодиод напрямую к батарее без резистора: иначе
светодиод ярко вспыхнет, а потом навсегда погаснет.
ОСТОРОЖНО!

Проект 10. Использование
токоограничивающего резистора
В этом проекте вы построите простую схему, в которой используется
резистор для ограничения тока, подаваемого на светодиод. Без токоограничивающего резистора через светодиод будет протекать слишком
большой ток, и в результате светодиод сгорит.
Вам понадобятся: маленькая крестовая отвертка, обычные кусачки
и кусачки для зачистки провода.

Детали
»
»
»
»
»
»
238

Две батарейки AA.
Один держатель для батареек.
Один красный светодиод, 5 мм.
Один резистор, 120 Ом (коричневый-красный-коричневый).
Одна беспаечная макетная плата.
Один 1-дюймовый провод с перемычкой.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Порядок действий
1.

Подключите держатель батареек.
Поверните макетную плату так, чтобы отверстие A1 находилось в левом нижнем углу, что соответствует ориентации
на схеме. Затем вставьте черный провод в отрицательную (-)
шину на нижней стороне макетной платы и красный провод в положительную (+) шину на верхней стороне макетной
платы.
Выводы можно вставлять в любое место на нужной шине,
но я рекомендую вставлять выводы в отверстия в самом конце макетной платы.

СОВЕТ

Выводы большинства держателей батареек многожильные,
а не одножильные. После того как вы снимете ¼ дюйма изоляции с конца каждого провода, нужно плотно скрутить многожильные провода вместе, чтобы их можно было вставить
в отверстия на макетной плате.

СОВЕТ

Подключите резистор.
Вставьте один конец резистора в макетную плату в отверстие A5, а другой провод — в любое близлежащее отверстие
в полосе на шине отрицательного напряжения на нижней
стороне (полоса, которая подключена к черному проводу
батареи).

Подключите светодиод.
Обратите внимание, что выводы светодиода не одинаковой длины: один короче другого. Вставьте короткий провод
(анод) в отверстие E5, длинный — катод — в отверстие F5.
Обратите внимание: схема не будет работать, если вставить
выводы светодиода наоборот.

Подключите короткий провод перемычки к светодиоду
на положительную шину.
Вставьте один конец перемычки в отверстие J5, другой —
в любое отверстие на положительной шине в верхней части
макетной платы.

Вставьте батарейки.
Светодиод загорится. Если не загорается, перепроверьте соединения, чтобы убедиться, что схема собрана правильно.
Если светодиод по-прежнему не загорается, попробуйте использовать другую батарейку.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

239

Комбинирование резисторов
Предположим, вы разработали идеальную схему, но в ней в самой важной точке требуется резистор 1100 Ом. Вы бежите в магазин и обнаруживаете, что там нет ни одного резистора на 1100 Ом. Тогда отправляетесь
в Интернет, ищете онлайн-поставщиков и еще больше расстраиваетесь: и у них нет резисторов 1100 Ом. Можно купить резисторы 1 кОм
и 100 Ом, но нет резисторов 1100 Ом.
Может, пора сдаться? Или придется довольствоваться резистором 1 кОм
и надеяться, что он заменит резистор на 1100 Ом?
Конечно же, нет!
Чтобы создать нужное сопротивление, достаточно использовать два
или более резисторов в комбинации. Ее иногда называют резисторной сетью.
Существуют два основных способа объединения резисторов: последовательное (соединенные друг с другом) и параллельное (рядом друг с другом). В следующих разделах объясняется, как рассчитать общее сопротивление сети резисторов, соединенных последовательно и параллельно.
При чтении следующих разделов вам придется немного напрячь свои
мыслительные способности. Сам по себе Закон Ома прост, но математические вычисления, необходимые для расчета параллельных резисторов, могут оказаться достаточно сложными. Математика не ужасно
сложная, но и не тривиальная.

Последовательное
комбинирование резисторов
Рассчитать общее сопротивление для двух или более резисторов, соединенных между собой — то есть последовательно, — очень просто:
нужно сложить сопротивления резисторов.
Например, если вам нужно сопротивление 1100 Ом, можно соединить
последовательно резистор сопротивлением 1 кОм и резистор сопротивлением 100 Ом. Сложив два сопротивления вместе, получите общее сопротивление 1100 Ом.
При желании можно соединить последовательно более двух резисторов. Просто складывайте все сопротивления, чтобы получить общее значение сопротивления. Например, нужно сопротивление

240

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

1800 Ом — используйте резистор 1 кОм и восемь резисторов 100 Ом,
соединенных последовательно.
На рис. 2.4 показано, как работают последовательные резисторы. Здесь
две цепи имеют одинаковые сопротивления. Схема слева выполняет
задачу с помощью одного резистора, схема справа — с помощью трех.
Таким образом, схемы эквивалентны.

Рис. 2.4.
Объединение последовательно соединенных резисторов

ЗАПОМНИТЕ

СОВЕТ

Каждый раз, когда видите в схеме два или более последовательно соединенных резистора, можете заменить их одним резистором, значение которого равно сумме сопротивлений. Аналогично, когда в цепи
стоит один резистор, можно заменить его двумя или более последовательно соединенными резисторами, если их значения складываются
в нужное значение.
Общее сопротивление последовательно соединенных резисторов всегда больше, чем сопротивление каждого в отдельности. Это происходит потому, что каждый резистор добавляет свое собственное сопротивление к общему.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

241

Параллельное комбинирование
резисторов
Вы можете параллельно соединить резисторы, чтобы получить эквивалентные сопротивления. Однако вычисление общего сопротивления для параллельно включенных резисторов немного сложнее, чем
для последовательно включенных.

Рис. 2.5.
Параллельно включенные резисторы

Как показано в схеме на рис. 2.5, при параллельном соединении двух резисторов ток может протекать через оба резистора одновременно. Хотя
каждый резистор ограничивает ток, общее сопротивление двух параллельно включенных резисторов всегда меньше, чем сопротивление любого из них, потому что у тока есть два пути, по которым он может идти.
Как рассчитать общее сопротивление параллельно включенных резисторов? Вот правила:

Самый простой случай: параллельно соединены резисторы
одинаковой величины. В этом случае общее сопротивление
можно вычислить, разделив значение одного из резисторов на количество параллельно включенных резисторов.
Например, общее сопротивление двух параллельно включенных резисторов 1 кОм равно 500 Ом, а общее сопротивление четырех резисторов 1 кОм равно 250 Ом.
К сожалению, это единственный простой случай. Расчеты,
когда у параллельно соединенных резисторов неравные
значения, сложнее.

242

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Если речь о двух резисторах с разным сопротивлением, расчеты не слишком сложны:

В этой формуле R1 и R2 — значения двух резисторов.
Вот пример, основанный на параллельном соединении резисторов 2 кОм и 3 кОм:

Для трех и более параллельно включенных резисторов уравнение похоже на бином Ньютона:

Точки в конце уравнения показывают, что вы продолжаете
складывать взаимные сопротивления для такого количества
резисторов, какое у вас есть.

На случай, если вы готовы заниматься подобными уравнениями, вот расчет для трех резисторов, чьи значения составляют 2 кОм, 4 кОм и 8 кОм:

Как видите, конечный результат — 1142,857 кОм. Это более
точное значение, чем вам требуется, поэтому смело округляйте его до 1142 кОм или даже 1150 кОм.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

243

ПРОКЛАДЫВАЯ ПУТЬ ЧЕРЕЗ
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
Формула параллельного сопротивления имеет больше смысла, если
рассматривать ее с точки зрения противоположности сопротивления — проводимости. Сопротивление — способность проводника задерживать ток; проводимость — способность проводника пропускать
ток. Проводимость обратно зависима от сопротивления: если увеличить сопротивление, уменьшится проводимость, и наоборот.
Единица измерения проводимости называется сименс (См). (Сначала
в теории электричества применялось название мо (англ. mho),
представляющее собой прочитанное назад слово ом, англ. ohm.)
Сименс = 1 Ом в −1 степени. Чтобы рассчитать проводимость любой
цепи или компонента (включая один резистор), нужно просто разделить сопротивление цепи или компонента (в омах) на 1. Таким образом,
резистор сопротивлением 100 Ом имеет проводимость в 0,01 См.
Когда цепи соединены параллельно, у тока есть несколько путей,
чтобы двигаться. Оказывается, общую проводимость параллельной
сети резисторов рассчитать очень просто: вы складываете проводимости каждого отдельного резистора. Предположим, есть три параллельно соединенных резистора, проводимость которых равна 0,1 См,
0,02 См и 0,005 См. (Это проводимости резисторов 10, 50 и 200 Ом
соответственно.) Общая проводимость этой цепи составляет 0,125 См
(0,1 + 0,02 + 0,005 = 0,125).
Одно из основных правил вычислений с обратными числами заключается в том, что если одно число является обратным второму, то второе
число также является обратным первому. Таким образом, поскольку
См — это число, обратное Ом, то Ом — обратное к См число. Чтобы
перевести проводимость в сопротивление, нужно просто разделить 1 на проводимость. Таким образом, сопротивление, эквивалентное 0,125 См, равно 8 Ом (1 ÷ 0,125 = 8).
Возможно, вы лучше поймете формулу параллельного сопротивления,
если задумаетесь: на самом деле вы преобразуете каждое отдельное
сопротивление в проводимость, складываете их, затем преобразуете
результат обратно в сопротивление. Другими словами, преобразуйте
омы в сименсы, сложите их, а затем снова преобразуйте в омы. Вот
как (и почему) на самом деле работает формула сопротивления!

244

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Комбинирование последовательных
и параллельных резисторов
Резисторы можно комбинировать, образуя сложные сети, в которых
одни резисторы соединены последовательно, а другие — параллельно.
Например, на рис. 2.6 показана сеть из трех резисторов 1 кОм и одного резистора 2 кОм. Они соединены и последовательно, и параллельно.

Рис. 2.6.
Последовательное и параллельное соединение
резисторов

Чтобы рассчитать общее сопротивление такой сети, найдите простые
последовательные или параллельные резисторы, рассчитайте их общее
сопротивление, а затем замените один резистор эквивалентным значением. Например, можете заменить два последовательно соединенных резистора 1 кОм одним резистором 2 кОм. Теперь у вас есть два
параллельных резистора по 2 кОм. Помня, что общее сопротивление
двух резисторов с одинаковым значением равно половине сопротивления, вы можете заменить эти два резистора 2 кОм одним резистором 1 кОм. Теперь у вас осталось два последовательно соединенных
резистора по 1 кОм. Таким образом, общее сопротивление этой цепи
составляет 2 кОм.
Вам кажется, что очень просто?

Комбинирование резисторов, соединенных
последовательно и параллельно
Проект 11 даст вам возможность использовать простые последовательные и параллельные соединения резисторов, чтобы вы могли убедиться:
расчеты, описанные в предыдущих трех разделах, действительно работают в реальном мире. Вы, вероятно, обнаружите, что из-за отклонений реальных резисторов (связанных с допусками на их изготовление)
рассчитанные сопротивления не всегда совпадают с сопротивлениями
реальных цепей. Но в большинстве случаев эти отклонения не настолько значительны, чтобы повлиять на работу схем.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

245

Проект 11. Последовательно
и параллельно соединенные резисторы
В этом проекте вы экспериментируете с последовательным и параллельным соединением резисторов. Для измерения сопротивлений вам
понадобится мультиметр с функцией омметра.

Последовательное
соединение

246

Параллельное
соединение

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Последовательное/параллельное
соединение

Детали
»
»
»

Одна беспаечная макетная плата.
Пять резисторов 1 кОм ¼ Вт (коричневый-черный-красный).
Один мультиметр с функцией омметра.

Порядок действий
1.

Установите мультиметр на функцию омметра с диапазоном,
достаточным для измерения сопротивления не менее 5 кОм.
На моем омметре ближайший диапазон составляет 20 кОм.

Последовательно подключите пять резисторов сопротивлением 1 кОм.
Используйте следующие отверстия на макетной плате:
Резистор

Первый вывод

Второй вывод

A10

B10

B15

C15

C20

D20

D25

E25

E30

Расположение этих резисторов см. на схеме

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

247

Используя мультиметр, измерьте сопротивление каждого резистора в отдельности, а затем измерьте общее сопротивление двух, трех, четырех и пяти последовательно соединенных резисторов.
Чтобы выполнить эти измерения, поместите щупы мультиметра
на выводы в отверстиях макетной платы, указанных в табл. 2.3.
Запишите результаты измерений в колонку справа.

Табл. 2.3.

Измерение последовательного сопротивления

Красный
вывод

Черный
вывод

Число резисторов

Рассчитанное
сопротивление

A10

1 Ом

B10

B15

1 Ом

C15

C20

1 Ом

D20

D25

1 Ом

E25

E30

1 Ом

B15

2 Ом

C20

3 Ом

D25

4 Ом

E30

5 Ом

Измеренное
сопротивление

Переставьте резисторы в параллельную цепь.
Снимите резисторы и вставьте их в следующие отверстия:
Резистор

Первый вывод

Второй вывод

A10

B10

C10

D10

E10

Расположение этих резисторов см. на схеме

С помощью омметра измерьте сопротивление параллельной цепи резисторов.
Поскольку здесь пять резисторов по 1 кОм, измеренное сопротивление должно составлять примерно 200 Ом.

248

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Переставьте резисторы в последовательно-параллельную
сеть.
Выньте резисторы 3, 4 и 5 и вставьте их следующим образом:
Резистор

Первый вывод

Второй вывод

A10

B10

C10

C15

D10

D15

E10

E15

Расположение этих резисторов см. на схеме
M .
В этой конфигурации первые два резистора включены в одну
параллельную цепь, а остальные три — во вторую параллельную цепь. Два параллельных контура соединяются, образуя
последовательный контур.

С помощью омметра измерьте сопротивление двух параллельных цепей и всей цепи.
Запишите результаты измерений в табл. 2.4.

Табл. 2.4

Измерение последовательного/
параллельного сопротивления

Красный
вывод

Черный
вывод

Число резисторов

Рассчитанное Измеренное
сопротивление сопротивление

A10

500 Ом

C10

C15

333 Ом

C15

833 Ом

Вы закончили! Если вам это показалось очень интересным, поэкспериментируйте с другими комбинациями последовательных и параллельных
цепей резисторов. Возьмите несколько резисторов с другими значениями и используйте их в разных комбинациях. Каждый раз делайте расчеты, чтобы определить, каким должно быть результирующее сопротивление. Потренировавшись, научитесь рассчитывать резисторные сети.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

249

Деление напряжения
Одно из интересных и полезных свойств резисторов заключается в том,
что если соединить два резистора последовательно, можно получить напряжение в точке между двумя резисторами, чтобы получить напряжение, составляющее долю от общего напряжения на обоих резисторах.
Такой тип схемы называется делителем напряжения, и это распространенный способ уменьшить напряжение в цепи. На рис. 2.7 показана
типичная схема делителя напряжения.

Рис. 2.7.
Схема делителя
напряжения

Когда два резистора в делителе напряжения имеют одинаковое значение, напряжение уменьшается вдвое. Например, предположим, что
ваша схема питается от батареи 9 В, но на самом деле ей нужно всего
4,5 В. Чтобы обеспечить необходимые 4,5 В, можно использовать пару
резисторов одинаковой величины через выводы батареи.
Если у резисторов разные значения, для расчета напряжения в центре
делителя необходимо выполнить небольшую математическую операцию. Формула выглядит следующим образом:

Предположим, вы используете батарею на 9 В, но схеме нужно 6 В. Вы
можете создать делитель напряжения, используя резистор 1 кОм для
R1 и резистор 2 кОм для R2. Вот формула:

250

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Как видите, эти значения резисторов снижают напряжение до 6 В.

СОВЕТ

Вот другой способ взглянуть на ту же проблему: 6 В — это 2/3 от 9 В.
Значит, нужен делитель напряжения, который даст 2/3 от 9 В. Для этого
можно использовать любые три резистора одинаковой величины, разделив напряжение с одним из резисторов на одной стороне делителя
и двумя другими резисторами на другой стороне.

Деление напряжения
с помощью резисторов
В Проекте 12 на беспаечной макетной плате вы построите простую схему делителя напряжения для получения напряжения 3 В или 6 В от батареи 9 В. Собранная схема показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8.
Собранная схема делителя напряжения

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

251

Проект 12. Схема делителя напряжения
В этом проекте вы построите простую схему делителя напряжения, используя три резистора 1 кОм, и с помощью функции омметра мультиметра измерите эффект делителя.

Детали
» Одна беспаечная макетная плата.
» Одна батарейка 9 В.
» Один защелкивающийся держатель для батареи 9 В.
» Три резистора 1 кОм ¼ Вт (коричневый-черный-красный).
» Один мультиметр с функцией вольтметра.

252

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Порядок действий
1.

Подключите держатель батареи.
Вставьте черный провод в первое отверстие шины заземления на стороне, ближайшей к колонке A. Затем вставьте
красный провод в первое отверстие шины положительного
напряжения на стороне, ближайшей к колонке J.

Вставьте резисторы.
Вставьте выводы резисторов в отверстия, указанные в следующей таблице:

3.
4.

Резистор

Первый вывод

Второй вывод

Шина заземления
около ряда 5

Положительная
шина возле ряда 5

Подключите батарею.
Следите по вольтметру за тем, как делится напряжение.
Установите вольтметр на диапазон, который позволит измерить не менее 10 В постоянного тока. Затем выполните измерения, указанные в табл. 2.5, прикоснувшись выводами измерительного прибора к выводам резистора, вставленным
в отверстия, указанные в табл. 2.5.
Готово!
Не забудьте отключить батарею от схемы. Если вы оставите
ее подключенной, ток продолжит течь через цепь последовательного резистора, и батарея быстро разрядится.

Табл. 2.5

Измерения последовательного сопротивления

Черный вывод

Красный вывод

Рассчитанное
напряжение

Шина заземления

Положительная шина

9В

Шина заземления

6В

Шина заземления

3В

Измеренное
напряжение

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

253

Изменение сопротивления
с помощью потенциометра
Во многих схемах требуется сопротивление, которое может измерить
пользователь. Например, в большинстве аудиоусилителей есть регулятор громкости, позволяющий увеличивать или уменьшать громкость,
а силу света лампы можно регулировать, изменяя сопротивление, подключенное последовательно к лампе.
Переменный резистор правильно называть потенциометром. Потенциометр — это просто резистор с тремя выводами. Два вывода зафиксированы на каждом конце резистора, а средний вывод может перемещаться по всей поверхности резистора. Таким образом, сопротивление

Рис. 2.9.
Потенциометр

Рис. 2.10.
Принцип работы
потенциометра

254

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

между средним выводом и двумя остальными меняется по мере перемещения среднего вывода.
На рис. 2.9 показан типичный потенциометр. Резистор вместе с ползунком среднего контакта заключены в металлический цилиндрик, а три
вывода находятся под этим цилиндриком. Стержень, выступающий
из верхней части цилиндрика, соединен с ползунком, поэтому, когда
пользователь поворачивает стержень, ползунок перемещается по резистору, изменяя сопротивление.
На рис. 2.10 показан принцип работы потенциометра. Видно, что резистор сделан из полукруглого куска резистивного материала, например,
углерода. Два вывода подключены к любому концу резистора. Ползунок,
к которому подключен третий вывод, установлен так, чтобы он мог вращаться поперек резистора. Когда ползунок перемещается, сопротивление между центральным выводом и двумя остальными изменяется.
Символ, используемый для обозначения потенциометра на принципиальных схемах, показан на полях. Как видите, центральный вывод резистора обозначен стрелкой, которая призвана показать, что значение
сопротивления на этом выводе изменяется при перемещении ползунка.
Потенциометры классифицируются по их общему сопротивлению.
Сопротивление между центральным выводом и двумя другими всегда
складывается с общим сопротивлением потенциометра. Например, два
сопротивления, разделенные потенциометром 100 Ом, всегда составляют 100 Ом. Когда стрелка находится точно в центре, оба сопротивления
равны 50 Ом. При перемещении ползунка в ту или иную сторону одно
сопротивление увеличивается, а другое уменьшается, но во всех случаях общее значение двух сопротивлений всегда равно 100 Ом.
Вот еще несколько замечаний о потенциометрах.

»
»
»

Потенциометры бывают самых разных форм и размеров.
Немного поискав в магазинах или в Интернете, вы сможете
найти идеальный потенциометр для любой задачи.
Некоторые потенциометры очень маленькие, и их можно
регулировать только с помощью крошечной отвертки. Такие
потенциометры называются подстроечными и предназначены для периодической тонкой настройки схем.
В некоторые потенциометры встроены переключатели, поэтому, когда вы поворачиваете ручку до упора в одну сторону
или вытягиваете ее, переключатель срабатывает, размыкая
или замыкая цепь.

ГЛАВА 2.Работа с резисторами

255

»
СОВЕТ

Когда ползунок достигает одного или другого конца резистора, сопротивление между центральной клеммой и клеммой на этом конце практически равно нулю. Помните об этом
при проектировании цепей. Чтобы избежать цепей с нулевым
сопротивлением, обычно с потенциометром последовательно соединяют небольшой резистор.
В некоторых потенциометрах сопротивление изменяется
равномерно по мере поворота ручки. Например, если общее
сопротивление 10 кОм, сопротивление на отметке 1/2 равно
5 кОм, а на отметке 1/4 — 2,5 кОм. Такой потенциометр называется , поскольку изменение сопротивления происходит линейно.
Однако есть и другие потенциометры помимо линейных.
Например, в аудиосистемах обычно используют "NL
, у которых сопротивление изменяется неравномерно при вращении ручки.

256

У некоторых резисторов с регулируемым сопротивлением только два контакта: один на конце резистора, другой
прикреплен к ползунку. Такой тип переменного резистора
правильно называть , но чаще используют термин
для обозначения как двух-, так и трехконтактных резисторов с регулируемым сопротивлением.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Попробуете раскрыть тайны
конденсаторов

» Узнаете об измерениях, связанных
с конденсаторами

» Научитесь рассчитывать важные
параметры конденсаторов

Гл а в а 3

» Построите несколько простых схем
с конденсаторами

Работа с конденсаторами
ой любимый научно-фантастический гаджет — устройство, изобретенное Доком Брауном в фильме «Назад в будущее», которое
позволило ему отправить своего друга Марти Макфлая в 1955 год:
флюкс-конденсатор. Знаменитый флюкс-конденсатор Дока Брауна
был способен преобразовать 1,21 гигаватта энергии в искажение пространственно-временного континуума, которое изменило ход истории.

В этой главе мы рассмотрим обычные конденсаторы, младших братьев вымышленного флюкс-конденсатора. Флюкс-конденсатор для путешествий во времени был бы очень полезен, но его не существует,
зато настоящие конденсаторы существуют, и они невероятно полезны.
На самом деле, конденсаторы — одни из самых полезных электронных
компонентов. Вы будете использовать один или несколько конденсаторов почти в каждой схеме, которую построите.

ОСТОРОЖНО!

В главе 4 части 1 я предупреждал вас об опасности работы с большими
конденсаторами. Прежде чем мы начнем наше Путешествие по емкостям, хочу напомнить об этом предупреждении: большие конденсаторы могут быть опасны, потому что они могут сохранять большой
заряд долгое время после отключения от питания. Если вы работаете
над схемой, в которой есть конденсаторы размером больше наперстка,
будьте осторожны! Перед работой с конденсаторами их следует разрядить. Очень большие конденсаторы следует разряжать через сильноточный резистор. Обратите внимание, что ни один из конденсаторов,
используемых в этой книге, не является достаточно большим, чтобы
быть опасным, за исключением конденсаторов в источниках питания,
как описано в главе 2 части 4.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

257

Что такое конденсатор?
Чтобы понять, что такое конденсатор, подумайте: что заставляет ток
течь в проводнике? Вы знаете, что противоположные заряды притягиваются, а одинаковые — отталкиваются. Притяжение или отталкивание вызывается электромагнитной силой. У всех заряженных частиц
есть электрическое поле, связанное с этой силой. Оно притягивает
электроны (отрицательные заряды) к протонам (положительным зарядам), и оно же отталкивает электроны друг от друга.
В проводнике, таком как медь, электрические поля отдельных электронов создают постоянное движение электронов внутри проводника.
Однако это движение совершенно беспорядочно. Когда напряжение
прикладывается к двум концам проводника, создается электрическое
поле, которое упорядочивает движение электронов. Электрическое
поле толкает электроны по проводнику от отрицательной стороны напряжения к положительной, и в результате течет ток.
У электрических полей есть своя магия. В отличие от тока, электрическому полю не нужен проводник для перемещения. Электрическое
поле может распространяться прямо через изолятор и отталкивать или
притягивать заряды на другой стороне изолятора.
Это может показаться магией, но вы уже неоднократно с ней сталкивались. Надуйте воздушный шарик, быстро потрите его о рубашку, а затем поднесите к волосам. Трение шарика создает статический заряд.
Когда заряд приближается к вашим волосам, его электрическое поле
притягивает заряды в ваших волосах, которые волшебным образом
притягиваются к шарику.

Пластина 1
(положительно заряженная)
Изолятор
Пластина 2
(отрицательно заряженная)

Рис. 3.1.
Конденсатор создает
электрическое поле между двумя заряженными
пластинами, разделенными изолятором

258

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Конденсатор — это электронный компонент, использующий магическую способность электрического поля проникать через изолятор.
Он состоит из двух плоских пластин из проводящего материала (серебро или алюминий), разделенных тонким изоляционным материалом
(майлар или керамика) — см. рис. 3.1. Две проводящие пластины соединены с контактами, чтобы к ним можно было приложить напряжение.
Обратите внимание: поскольку две пластины разделены изолятором,
замкнутая цепь не образуется, хотя ток течет (во всяком случае, некоторое время).
Как это происходит? При подключении напряжения от источника (батарея) отрицательная сторона напряжения батареи немедленно начинает толкать отрицательные заряды к одной из пластин. Одновременно
положительная сторона напряжения батареи начинает оттягивать электроны (отрицательные заряды) от второй пластины.
Протекание тока обеспечивается электрическим полем, которое возникает между двумя пластинами. По мере того как пластина на отрицательной стороне цепи заполняется электронами, электрическое
поле, создаваемое этими электронами, начинает отталкивать электроны от пластины на другой стороне изолятора, в сторону положительного напряжения батареи.
Отрицательная пластина конденсатора накапливает избыток электронов, положительная сторона испытывает их недостаток. Между двумя
пластинами конденсатора возникает напряжение (напряжение определяется как разность зарядов между двумя точками).
Но есть загвоздка: ток течет только в течение короткого времени. По мере
того как электроны накапливаются на отрицательной пластине и уходят
с положительной, напряжение между двумя пластинами увеличивается,
потому что разница в заряде между ними возрастает. Напряжение продолжает расти, пока напряжение конденсатора не сравняется с напряжением батареи. Как только напряжения сравняются, ток перестанет
течь через цепь, и конденсатор будет считаться заряженным.
В этот момент магия работает еще лучше. Конденсатор заряжен, и вы
можете отсоединить от него батарею — и напряжение на нем сохранится. Другими словами, хотя напряжение в конденсаторе создается батареей, оно не исчезает, если нет батареи. Отключите батарею — и напряжение останется на двух пластинах конденсатора.
Таким образом, конденсаторы обладают способностью накапливать
заряд. Эта способность известна как емкость.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

259

ПРИМЕЧАНИЯ

С точки зрения физики утверждение конденсатор способен накапливать
заряд не совсем точно. Конденсатор хранит энергию в виде электрического поля, которое создает напряжение на двух пластинах. Строго говоря, когда конденсатор полностью заряжен, в нем не больше заряда,
чем когда он не заряжен. Разница в том, что, когда конденсатор не заряжен, его общий отрицательный и положительный заряд равномерно
распределяется между пластинами, поэтому на них не возникает напряжения. Напротив, когда конденсатор заряжен, отрицательные заряды сосредоточены на одной пластине, а положительные — на другой.
Общее количество заряда в конденсаторе одинаково в обоих случаях.
А вот и еще одно волшебство: если заряженный конденсатор подключить к цепи, напряжение на пластинах будет гнать ток через цепь. Этот
процесс называется разрядкой конденсатора. Как ток, который заряжает конденсатор, длится лишь короткое время, так и ток, который
возникает при разрядке конденсатора, длится лишь короткое время.
По мере разрядки конденсатора разница зарядов между двумя пластинами уменьшается, и электрическое поле исчезает. Когда обе пластины достигают равновесия, напряжение на них становится равным
нулю, и ток не течет.
Вот несколько важных вещей, которые нужно знать о конденсаторах,
прежде чем двигаться дальше.

»
»
»

»
»
ПРИМЕЧАНИЯ

260

Наиболее распространенный символ для обозначения конденсаторов на схемах — две параллельные линии, разделенные промежутком.
Альтернативный символ использует прямую и изогнутую
линии для обозначения пластин. Изогнутая линия — обычно
на отрицательной стороне схемы.
Некоторые конденсаторы не чувствительны к полярности,
а другие чувствительны. Это связано с выбором материалов, из которых изготовлены конденсаторы. При использовании некоторых материалов напряжение, приложенное
в неправильном направлении, может повредить конденсатор.
Конденсаторы с отдельными положительными и отрицательными выводами называются . Для обозначения полярности на схеме ставят знак плюс.
Иногда конденсаторы называют

Изоляционный материал между двумя проводящими пластинами правильнее называть + . Этот термин
обозначает способность изолирующего слоя поляризоваться под действием электрического поля, возникающего между
двумя пластинами, когда они заряжаются.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Когда-то давно конденсаторы называли
3%91=#1*#'4, или / 1. Термин %<O<%(&9'
3 4 вошел в обиход в 1920-х годах. Мой дедушка,
родившийся в 1910 году, использовал слово %91=#1*#' (конденсор), когда рассказывал мне про электронику в 1970-х
годах. (Он также говорил Q(S#T($# (пять миль) вместо Q(S#
T($#* — так было принято в его молодости.)

Расчет емкости
Емкость — термин, обозначающий способность конденсатора накапливать заряд. Это также измерение, используемое для определения
того, сколько энергии может накопить конкретный конденсатор. Чем
больше емкость конденсатора, тем больше заряда он может накопить.
Емкость измеряется в единицах, называемых фарадами (сокращенно F ). Определение одного фарада обманчиво просто. Конденсатор
емкостью один фарад держит напряжение на пластинах ровно один
вольт, когда он заряжается током силой ровно один ампер в секунду.
Обратите внимание: в этом определении часть тока силой один ампер
в секунду на самом деле относится к количеству заряда, присутствующего в конденсаторе. Нет правила, которое бы гласило, что ток должен протекать в течение всей секунды. Это может быть один ампер
за одну секунду, или два ампера за полсекунды, или половина ампера за две секунды. Или это может быть 100 мА в течение 10 секунд или
10 мА в течение 100 секунд.
Один ампер в секунду соответствует стандартной единице измерения
электрического заряда, называемой кулоном. Поэтому еще один способ определить величину одного фарада — сказать, что это объем емкости, который может хранить один кулон при напряжении на пластинах в один вольт.
Получается, что один фарад — это огромная емкость, просто потому
что один кулон — это очень большой заряд. Для сравнения: общий заряд, содержащийся в средней молнии, составляет около пяти кулонов,
а для хранения заряда, содержащегося в ударе молнии, вам потребуется всего пять однофарадных конденсаторов. (Некоторые молнии гораздо мощнее — до 350 кулонов.)
1

Лейденская банка — это электрический компонент, который накапливает электрический заряд высокого напряжения (от внешнего источника) между электрическими проводниками внутри и снаружи стеклянной банки. Обычно он содержит стеклянную банку с металлической
фольгой, приклеенной к внутренней и внешней поверхностям, и металлический наконечник,
выступающий вертикально через крышку банки для соприкосновения с внутренней фольгой.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

261

У флюкс-конденсатора Дока Брауна емкость была в диапазоне нескольких фарад, потому что Док зарядил его ударом молнии. Но конденсаторы, используемые в электронике, заряжаются от гораздо более
слабых источников. У самых больших конденсаторов, которые вам доведется использовать, емкость измеряется в миллионных долях фарада
(микрофарады, сокращенно μF — мкФ). А у остальных коммутаторов
емкость измеряется в миллионных долях микрофарада, называемых
пикофарадами, сокращенно pF — пФ.
Вот что еще нужно знать об измерениях емкости конденсаторов:

»
»
»

СОВЕТ

»
ПРИМЕЧАНИЯ

Как и у резисторов, у конденсаторов есть "A
3 4. В некоторых случаях погрешность достигает 80 %.
К счастью, в большинстве схем можно пренебречь даже значительной погрешностью.
Буква μ в слове μF — это греческая буква 6, общепринятая
аббревиатура для слова микро.
Значения 1 000 пФ и более принято записывать в мкФ,
а не в пФ. Например, 1000 пФ часто записывают как
0,001 мкФ, а 22000 пФ — как 0,022 мкФ.
Историческая справка: как и многие другие единицы измерения в электронике, фарад был назван в честь одного из великих пионеров электричества англичанина Майкла Фарадея,
который исследовал магнетизм и его связи с электрическим
током.
В качестве примера того, насколько Фарадей и физик
Джеймс Максвелл уважаемы за свои работы, можно привести такой факт. Альберт Эйнштейн держал портреты трех
человек на стене своего кабинета в Принстоне. Это были сэр
Исаак Ньютон (которого многие считают величайшим физиком всех времен), Джеймс Максвелл, разработавший теорию электромагнетизма (которую многие считают таким же
великим достижением, как и работы Ньютона по гравитации),
и Майкл Фарадей.

Чтение значений конденсаторов
Если конденсатор достаточно большой по размерам, большинство
производителей печатают его емкость прямо на конденсаторе вместе с другой информацией, такой как рабочее напряжение и допуск.
Однако на маленьких конденсаторах не хватает места для всей этой
информации, поэтому производители используют сокращенное обозначение их емкости.

262

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Если на конденсаторе напечатано только трехзначное число, третья
цифра означает количество нулей, которые нужно добавить в конце
первых двух цифр. Полученное число — это емкость в пФ. Например,
101 означает 100 пФ: за цифрой 10 следует один дополнительный нуль.
Если в списке только две цифры, то число — это просто емкость в пФ.
Так, цифры 22 означают конденсатор емкостью 22 пФ.
В табл. 3.1 перечислены некоторые распространенные значения конденсаторов, представленные в этой системе обозначений.
ТАБЛ. 3.1

Маркировка емкости
Маркировка

Емкость

101

100 пФ

0,0001 мкФ

221

220 пФ

0,00022 мкФ

471

470 пФ

0,00047 мкФ

102

1,000 пФ

0,001 мкФ

222

2 200 пФ

0,0022 мкФ

472

4 700 пФ

0,0047 мкФ

103

10 000 пФ

0,01 мкФ

223

22 000 пФ

0,022 мкФ

473

47 000 пФ

0,047 мкФ

104

100 000 пФ

0,1 мкФ

224

220 000 пФ

0,22 мкФ

474

470 000 пФ

0,47 мкФ

105

1 000 000 пФ

1 мкФ

225

2 200 000 пФ

2,2 мкФ

475

4 700 000 пФ

4,7 мкФ

На конденсаторе также может быть напечатана буква, обозначающая допуск. Букву допуска можно интерпретировать в соответствии с табл. 3.2.
Обратите внимание, что допуски для кодов от P до Z немного странные.
Для кодов P и W производитель обещает, что емкость будет не меньше
указанного значения, но может превышать его на 100 или 200%. Для кодов S, X и Z фактическая емкость может быть на 20% ниже заявленной или на 50, 40 или 80% выше заявленной. Например, если маркировка 101P, фактическая емкость не менее 100 пФ, но может достигать
200 пФ. Если маркировка 101Z, емкость от 80 пФ до 180 пФ.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

263

ТАБЛ. 3.2

Маркировка допусков конденсаторов
Буква

Допуск

±0,05пФ

±0,1пФ

±0,25пФ

±0,5пФ

±0,5%

±1%

±2%

±3%

±5%

±10%

±15%

±20%

±30%

-0%, +100%

-20%, +50%

-0%, +200%

-20%, +40%

-20%, +80%

Многообразие размеров
и форм конденсаторов
Конденсаторы бывают самых разных форм и размеров, на которые в основном влияют три фактора: тип материала, из которого изготовлены
пластины, тип материала, из которого изготовлен диэлектрик, и ёмкость. На рис. 3.2 показаны некоторые из наиболее распространенных
форм и размеров конденсаторов.
Наиболее распространенные типы конденсаторов:

264

Керамический диск. Пластины изготавливаются нанесением
серебряного припоя на обе стороны небольшого керамического
или фарфорового диска. Керамический или фарфоровый диск —
диэлектрик, а серебряный припой образует пластины. К пластинам припаиваются выводы, и все это окунается в смолу.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рис. 3.2.
Конденсаторы
разных форм и
размеров

У керамических дисковых конденсаторов небольшие размеры
и, как правило, низкие значения емкости — от 1 пФ до нескольких микрофарад. Поскольку они маленькие, их емкость обычно обозначается трехзначным кодом нотации, описанной ранее в этой главе, в разделе U .
Керамические дисковые конденсаторы не поляризованы, поэтому при их использовании не нужно беспокоиться
о полярности.

Серебряная слюда. Диэлектрик изготовлен из слюды, поэтому такой конденсатор иногда называют 6. Пластины
в конденсаторе из серебряной слюды сделаны из серебра.
Электроды соединяются с пластинами, а затем конденсатор
погружается в эпоксидную смолу.
Конденсаторы из серебряной слюды имеют примерно такой
же диапазон емкости, как и керамические дисковые. Однако
они могут быть изготовлены с гораздо более маленькими
допусками (в некоторых случаях даже 1%). Конденсаторы
из серебряной слюды не поляризованы.
Хотя керамические дисковые и слюдяные конденсаторы устроены одинаково, их легко отличить друг от друга. Керамические дисковые представляют собой тонкие
плоские диски и почти всегда тускло светло-коричневые.
Серебряные слюдяные конденсаторы толще, выпуклые
на концах, где крепятся выводы, блестящие и иногда разноцветные (обычно красные, синие, желтые и зеленые).
Интересно, но мне никогда не попадались серебряные слюдяные конденсаторы.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

265

Пленка. Диэлектрик изготавливается из тонкого пленочного
листа изоляционного материала, а пластины — из пленочных
листов металлической фольги. В некоторых случаях пластины и диэлектрик плотно сворачиваются вместе и помещаются в металлическую или пластиковую баночку. В других
случаях слои укладываются друг на друга, а затем погружаются в эпоксидную смолу.
В зависимости от используемых материалов емкость пленочных конденсаторов может составлять как 1 000 пФ, так
и 100 мкФ. Пленочные конденсаторы не поляризованы.

Электролитические. Одна пластина изготавливается нанесением на фольгированную пленку хорошо проводящего
полужидкого раствора, называемого + . Другая
представляет собой пленку из фольги, на которую нанесен
очень тонкий слой оксида, он служит диэлектриком. Затем
оба слоя сворачиваются в рулон и помещаются в металлическую банку.
Электролитические конденсаторы поляризованы, поэтому
вы должны быть уверены, что напряжение на них подается
в правильном направлении. Если подать напряжение в неправильном направлении, конденсатор может перегореть и даже
взорваться.

ОСТОРОЖНО!

Существуют два распространенных типа электролитических
конденсаторов:

•
•

Алюминиевые могут быть довольно большими, до десятых долей
фарада и более (100 000 мкФ).
Танталовые меньше, примерно до 1 000 мкФ.

Переменный. Конденсатор, чью емкость можно регулировать
поворотом ручки. Одно из распространенных применений
переменного конденсатора — настройка схемы радиоприемника на определенную частоту.
В наиболее распространенном типе переменного конденсатора в качестве диэлектрика используется воздух,
а пластины изготовлены из жесткого металла. Как показано
на рис. 3.3, обычно используется несколько пар пластин,
расположенных в перекрестном порядке. Один набор пластин неподвижен (не перемещается), а другой прикреплен
к вращающейся ручке. Когда вы поворачиваете ручку, изменяется площадь поверхности перекрывающихся пластин,
и в результате изменяется емкость устройства.
Схематическое обозначение переменного конденсатора
показано на полях.

266

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рис. 3.3.
Переменный
конденсатор

Вычисление постоянных времени
для сетей резистор/конденсатор
Когда вы подаете напряжение на конденсатор, ему требуется некоторое время для полной зарядки. В течение этого времени через конденсатор протекает ток. Аналогично, когда разряжаете конденсатор, подав на него нагрузку, требуется некоторое время для полной разрядки.
Точное знание того, сколько времени требуется для зарядки конденсатора, — одно из ключевых моментов правильного использования конденсаторов в схемах, и вы можете получить эту информацию, рассчитав постоянную времени RC.
Вычисление точного количества времени, необходимого для заряда
или разряда конденсатора, требует использования сложных формул,
которые я не готов привести в этой книге. Не возражаю против того,
чтобы вы немного повозились с такими формулами, но предпочитаю
более простые расчеты. Если вы готовы использовать не точные значения, а приближенные, эти простые расчеты очень хорошо подойдут
вам. Учитывая, что большинство резисторов и конденсаторов имеют
допуск ±5...10 %, использование приблизительных расчетов не окажет
существенного влияния на ваши схемы.
Но важно, чтобы вы поняли концепции, лежащие в основе вычислений,
даже если вы не занимаетесь вычислениями. Так что немного потерпите!

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

267

Рис. 3.4.
Схема зарядки
конденсатора

Когда конденсатор заряжается, через него течет ток от источника напряжения. В большинстве схем последовательно с конденсатором подключен резистор (см. рис. 3.4).

ПРИМЕЧАНИЯ

У цепи всегда есть сопротивление, даже если вы не используете резистор: идеальных проводников не бывает, даже сплошной провод имеет некоторое сопротивление. Предположим, что в цепи есть резистор,
но его сопротивление может быть 0 Ом.
Скорость, с которой конденсатор заряжается через резистор, называется постоянной времени RC (RC означает resistor-capacitor — резисторконденсатор), которая может быть рассчитана простым умножением
сопротивления в омах на емкость в фарадах. Вот формула:
T = R×C
Предположим, что сопротивление составляет 10 кОм, а емкость —
100 мкФ. Прежде чем выполнять умножение, нужно сначала перевести
мкФ в фарады. Поскольку один мкФ — это одна миллионная часть фарада, вы можете перевести мкФ в фарады, разделив мкФ на миллион.
Таким образом, 100 мкФ эквивалентны 0,0001 Ф. Умножение 10 кОм
на 0,0001 Ф дает постоянную времени 1 секунду (10 000 × 0,0001 = 1).
Обратите внимание: если вы хотите увеличить постоянную времени RC,
можете увеличить либо сопротивление, либо емкость, либо и то и другое. Вы можете использовать бесконечное число комбинаций значений сопротивления и емкости для достижения желаемой постоянной
времени RC. Например, все следующие комбинации сопротивления
и емкости дают постоянную времени в одну секунду:

268

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Сопротивление

Емкость

Постоянная времени

1 кОм

1000 мкФ

1 сек

10 кОм

100 мкФ

1 сек

100 кОм

10 мкФ

1 сек

1 МОМ

1 мкФ

1 сек

Так какое значение имеет постоянная времени RC? Оказывается, в каждом интервале постоянной времени RC конденсатор на 63,2 % приближается к полному заряду. Например, после первого интервала напряжение на конденсаторе составляет 63,2 % от напряжения батареи.
Таким образом, если напряжение батареи 9 В, напряжение конденсатора после первого интервала будет чуть меньше 6 В, а до полного заряда останется чуть больше 3 В.
Во втором временном интервале конденсатор получает 63,2 %, но
не от всех 9 В напряжения батареи, а от 63,2 % разницы между начальным зарядом (чуть меньше 6 В) и напряжением батареи (9 В). Таким
образом, заряд конденсатора забирает чуть более двух дополнительных
вольт, доводя напряжение до 8 В.
Этот процесс повторяется: в каждом временном интервале конденсатор забирает 63,2 % разницы между начальным и общим напряжением.
Теоретически конденсатор никогда не будет полностью заряжен, потому что с каждой постоянной времени RC конденсатор получает только процент оставшегося заряда. Но уже через несколько постоянных
времени емкость становится очень близкой к полностью заряженной.
В следующей таблице приведены приблизительные данные о проценте заряда, которого достигает конденсатор после первых пяти постоянных времени. Для всех практических целей можно считать, что конденсатор полностью заряжен по истечении пяти постоянных времени.
Интервал константы
времени RC

Процент общей
зарядки

63,2%

86,5%

95,0%

98,2%

99,3%

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

269

ПРИМЕЧАНИЯ

Как я уже говорил, теоретически конденсатор никогда не будет полностью заряжен. Но в реальности конденсатор в конце концов полностью
заряжается. Разница между теорией и реальностью в том, что в математике мы можем использовать столько цифр за десятичной точкой,
сколько захотим. Другими словами, нет предела тому, насколько маленьким может быть число. Но есть предел тому, насколько мал может
быть заряд: он не может быть меньше одного электрона. Когда проходит
достаточно времени, разница между напряжением батареи и зарядом
конденсатора составляет один электрон. Как только этот электрон присоединяется к заряду, конденсатор становится полностью заряженным.

Комбинирование конденсаторов
В предыдущей главе вы узнали, что резисторы можно комбинировать
в последовательные или параллельные сети, чтобы получить любое
произвольное значение сопротивления, которое вам нужно. То же самое можно делать и с конденсаторами. Но формулы для расчета общей
емкости конденсаторной сети обратны правилам, которым вы следуете при расчете резисторных сетей. Другими словами, формула, которую вы используете для последовательно соединенных резисторов,
применяется к параллельно соединенным конденсаторам, а формула
для параллельно соединенных резисторов применяется к последовательно соединенным конденсаторам. Разве не забавно, что наука иногда такая запутанная?

Параллельное подключение конденсаторов
Рассчитать общую емкость двух или более параллельно подключенных
конденсаторов очень просто: сложите значения отдельных конденсаторов, чтобы получить общую емкость. Например, если вы параллельно
подключите три конденсатора по 100 мкФ (μF), общая емкость цепи
составит 300 мкФ (μF).
Соединяя конденсаторы параллельно, вы, по сути, соединяете пластины отдельных конденсаторов. Таким образом, при параллельном соединении двух одинаковых конденсаторов размер пластин увеличивается в два раза, что приводит к увеличению емкости в два раза.
На рис. 3.5 показано, как работают параллельные конденсаторы. Здесь
два контура имеют одинаковые емкости. Первая схема выполняет работу с помощью одного конденсатора, вторая — с помощью трех. Таким
образом, схемы эквивалентны.

270

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рис. 3.5.
Параллельное
объединение конденсаторов

ЗАПОМНИТЕ

Если в цепи параллельно включены два или более конденсаторов, вы
можете заменить их одним, значение которого равно сумме значений
отдельных конденсаторов. Когда в цепи есть один конденсатор, вместо него можно поставить два или более параллельно подключенных
конденсатора, если их значения равны исходному значению.
Общая емкость параллельно подключенных конденсаторов всегда больше, чем емкость каждого из них в отдельности. Это происходит потому,
что каждый конденсатор добавляет свою собственную емкость к общей.

СОВЕТ

Последовательное подключение
конденсаторов
Вы можете подключать конденсаторы последовательно, чтобы создать
эквивалентную емкость, как показано на рис. 3.6. Однако в этом случае
расчеты немного усложняются. Оказывается, что расчеты, необходимые для последовательного подключения конденсаторов, аналогичны
расчетам для параллельного подключения резисторов.

Рис. 3.6.
Последовательное подключение
конденсаторов

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

271

Вот правила расчета последовательно подключенных конденсаторов:

»
»

Если это конденсаторы одинаковой емкости, вам повезло:
разделите значение одного из отдельных конденсаторов
на их количество. Например, общая емкость двух конденсаторов по 100 мкФ равна 50 мкФ.
Если речь идет только о двух конденсаторах, используйте
эту формулу:

В этой формуле C1 и C2 — значения двух конденсаторов.

Вот пример с последовательным подключением конденсаторов 220 мкФ и 470 мкФ:

Для трех и более конденсаторов, подключенных последовательно, формула выглядит следующим образом:

Обратите внимание: многоточие в конце выражения означает,
что вы продолжаете складывать взаимно обратные емкости
для стольких конденсаторов, сколько у вас есть.

Вот пример для трех конденсаторов, чьи значения составляют 100 мкФ, 220 мкФ и 470 мкФ:

Как видите, итоговый результат — 59,9768 мкФ. Вам вряд ли
нужна такая точность, поэтому его можно смело округлить
до 60 мкФ.

272

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Использование конденсаторов на практике
Теперь, когда вы знаете, как работают конденсаторы, понимаете, что
такое зарядка, разрядка, постоянные времени, последовательные и параллельные конденсаторы, вам, вероятно, хочется узнать, для чего используются конденсаторы в реальных схемах. Оказывается, конденсаторы невероятно полезны. Вот наиболее распространенные варианты
применения конденсаторов:

Хранение энергии. После зарядки конденсатор способен
накапливать большое количество энергии и разряжаться
при необходимости. Один из наиболее известных примеров
использования этой способности — вспышка фотоаппарата.
Другой пример — электронные будильники, которые должны
сохранять настройки даже при кратковременном отключении
электричества.
Схемы синхронизации. Во многих схемах для обеспечения временных интервалов используются конденсаторы
и резисторы. Например, в главе 6 этой части вы узнаете, как
использовать резистор и конденсатор вместе с транзистором для создания схемы, которая включает и выключает
светодиод.
Стабилизация постоянного тока. Многие электронные
устройства работают на постоянном токе, но получают питание от электросети переменного тока. Эти устройства используют схему питания, которая преобразует переменный
ток в постоянный. Важная часть этой схемы — конденсатор,
который создает устойчивое постоянное напряжение из постоянно меняющегося напряжения в цепи переменного тока.
Блокировка постоянного тока при прохождении переменного. Иногда нужно предотвратить протекание постоянного тока, но при этом пропустить переменный. Это можно сделать с помощью конденсатора. Основная хитрость
заключается в том, чтобы выбрать конденсатор, который
будет полностью заряжаться и разряжаться в течение цикла
переменного тока. Помните, что во время зарядки и разрядки
конденсатор пропускает ток. Поэтому, пока вы можете поддерживать конденсатор в заряженном и разряженном состоянии, он будет пропускать ток.
Фильтрация определенных частот. Конденсаторы часто
используются в схемах аудио- и радиотехники для выбора
определенных частот. Например, переменный используется
во многих радиоприемниках для настройки схемы на определенную частоту.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

273

Зарядка и разрядка конденсатора
Одно из самых распространенных применений конденсаторов — это
хранение заряда, который можно разрядить, когда он понадобится.
В Проекте 13 представлен простой проект на беспаечной макетной
плате, который это демонстрирует. Вы подключаете светодиод к источнику питания 3 В и используете конденсатор, чтобы при отсоединении
батареи от схемы светодиод не погас сразу. Вместо этого он продолжает
светиться в течение некоторого времени, пока конденсатор разряжается.
Обратите внимание: в этом проекте используется небольшая кнопка,
которую можно закрепить прямо на макетной плате без пайки. Такие
кнопки можно недорого приобрести во многих онлайновых магазинах. Воспользуйтесь вашей любимой поисковой системой, чтобы найти в Интернете кнопку DIP Push Button.
На рис. 3.7 показана собранная схема этого проекта.

Рис. 3.7.
Схема разряда
конденсатора
(Проект 13)

Проект 13. Зарядка и разрядка
конденсатора
В этом проекте вы построите схему, в которой конденсатор подключен
параллельно светодиоду. Когда на светодиод подается питание, конденсатор заряжается. При отключении питания конденсатор разряжается, светодиод продолжает гореть некоторое время после отключения питания.

274

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Вам понадобятся обычные кусачки и кусачки для обрезания и зачистки проводов перемычек.

Детали
»
»
»
»
»
»
»

Одна беспаечная макетная плата.
Одна батарейка 9 В.
Один защелкивающийся держатель для батареи 9 В.
Один резистор 470 Ом ¼ Вт.
Один электролитический конденсатор емкостью 1 000 мкФ.
Один красный светодиод, 5 мм.
Одна нормально открытая кнопка DIP на макетной плате.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

275

» Три коротких (примерно 1-дюймовых) одножильных проводаперемычки 22 калибра (0,6 мм).

Один 1-дюймовый одножильный провод с перемычкой 22 калибра (0,6 мм).

Порядок действий
При выполнении всех шагов используйте отрицательную (‒) шину
на нижней стороне платы в качестве заземления, а положительную (+)
шину на верхней стороне платы в качестве положительного напряжения.

Подключите держатель батареи.
Вставьте красный провод в последнее отверстие положительной шины с левой стороны (расположенное рядом с отверстием A30) и вставьте черный провод в последнее отверстие отрицательной шины с левой стороны (расположенное
рядом с отверстием J30).

Установите кнопку на макетной плате.
Кнопка должна быть вставлена в отверстия E22, E20, F22
и F20.

Подключите резистор.
Вставьте резистор в макетную плату в отверстия B5 и B10.

Вставьте светодиод.
Вставьте длинный провод в отверстие E5, а короткий —
в отверстие F5.
Схема не будет работать, если вставить светодиод задом наперед, поэтому короткий вывод должен быть на отрицательной стороне схемы!

Вставьте конденсатор.
Отрицательный вывод конденсатора, отмеченный серией черточек на конденсаторе, должен входить в отверстие
на нижней стороне полосы отрицательного заземления близко с рядом 10. Другой вывод должен войти в отверстие E10.

Вставьте три провода-перемычки.
Первый провод перемычки должен идти от отверстия A10
к отверстию A20.
Второй провод перемычки должен идти от отверстия
A22 к соседнему отверстию на верхней боковой
положительной шине.

276

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Третий провод перемычки должен идти от отверстия H5
к близлежащему отверстию на отрицательной шине с нижней стороны.

7.
8.

Подключите батарею 9 В к защелкивающемуся разъему.
Нажмите на кнопку.
Светодиод загорится. Если он не загорается, убедитесь, что
вы правильно вставили светодиод.
Если светодиод по-прежнему не загорается, возможно, кнопка неправильно ориентирована на макетной плате. Снимите
кнопку, поверните ее на 90 градусов и вставьте на место.

Через несколько секунд отпустите кнопку.
Посмотрите, как гаснет светодиод. Вместо того чтобы погаснуть мгновенно, он тускнеет в течение нескольких секунд.
Это происходит потому, что, когда батарея отключается
от цепи, конденсатор разряжается через светодиод. По мере
разрядки конденсатора светодиод постепенно тускнеет,
а затем и вовсе гаснет.

Вот некоторые дополнительные моменты, над которыми вы, возможно, захотите поразмыслить, или вещи, которые вы, возможно, захотите попробовать после завершения Проекта 13:

»
СОВЕТ

Вытащите светодиод из макетной платы, а затем нажмите
на кнопку. Через несколько секунд отпустите кнопку. Затем
с помощью функции вольтметра мультиметра измерьте напряжение на двух выводах конденсатора. Обратите внимание, что даже если батарея отключена от схемы, напряжение
на конденсаторе составляет 9 В.
Попробуйте изменить размер конденсатора и посмотрите,
что произойдет. Если вы используете конденсатор меньшего
размера, светодиод будет гаснуть быстрее при отключении
питания. Если использовать конденсатор большего размера,
светодиод будет тухнуть медленнее.
Возможно, вам не удастся найти конденсатор емкостью
более 1000 мкФ, но вы можете увеличить емкость, добавив
больше конденсаторов параллельно конденсатору емкостью
1000 мкФ.
Попробуйте добавить резистор, подключив его последовательно с конденсатором. Для этого просто замените третий
провод перемычки (тот, что идет от H5 к отрицательной шине)
на резистор.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

277

Блокирование постоянного тока
при прохождении переменного
Одной из важных особенностей конденсаторов является их способность блокировать постоянный ток, но при этом пропускать переменный. Это происходит благодаря тому, что конденсатор позволяет току
течь, пока пластины заряжаются или разряжаются, но останавливает
ток, когда конденсатор полностью заряжен. Таким образом, пока напряжение источника постоянно меняется, конденсатор пропускает
ток. Когда напряжение источника стабильно, конденсатор блокирует протекание тока.
В Проекте 14 вы построите простую схему, демонстрирующую этот
принцип в действии. В схеме резистор и светодиод соединены последовательно с конденсатором. Затем используется двухполюсный двухбросковый рубильник, чтобы можно было переключать источник напряжения для тока между батареей 9 В (постоянный ток) и адаптером
переменного тока 9 В (переменный ток). Схема также включает кнопку, которая замыкает конденсатор, заставляя его разряжаться.
На рис. 3.8 показана собранная схема.

Рис. 3.8.
Собранная схема
переменного/постоянного тока
(Проект 14 )

278

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рис. 3.9.
Адаптер питания
9 В переменного
тока

Для построения этой схемы требуется адаптер питания 9 В переменного тока.
СОВЕТ

На рис. 3.9 показан адаптер, который я использовал для этого проекта. Обратите внимание на маркировку на задней панели этого адаптера питания:
Input: 120 V AC 60 Hz 15 W
(Вход: 120 В переменного тока 60 Гц 15 Вт)
Output: 9 V AC 1,000 mA
(Выход: 9 В переменного тока 1000 мА)
Именно на эти характеристики следует обратить внимание при поиске адаптера переменного тока для этого проекта. В частности, выходное напряжение должно быть 9 В переменного тока.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

279

Проект 14. Блокировка постоянного тока
В этом проекте вы построите схему, которая использует конденсатор для пропускания переменного тока, но блокирует постоянный
ток. Схема помещает конденсатор последовательно со светодиодом,
а затем использует DPDT-переключатель для подключения цепи
светодиод/конденсатор к постоянному или переменному току 9 В.

Источник питания
до 9 В переменного тока

280

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Детали
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»

Одна беспаечная макетная плата.
Одна батарейка 9 В.
Один защелкивающийся держатель для батареи 9 В.
Один адаптер переменного тока 9 В.
Один резистор 470 Ом ¼ Вт
(желтый-фиолетовый-коричневый).
Один электролитический конденсатор емкостью 1 000 мкФ.
Один красный светодиод, 5 мм.
Один ножевой переключатель DPDT.
Одна тактовая кнопка (например, Jameco 149948).
Два одножильных провода-перемычки длиной 1 дюйм 22 калибра (0,6 мм).
Два 3-дюймовых 22-канальных одножильных
провода-перемычки.

Шаги
При выполнении шагов используйте отрицательную (‒) шину на нижней стороне платы в качестве заземления, а положительную (+) шину
на верхней стороне платы в качестве положительного напряжения.

Подключите резистор.
Вставьте резистор в макетную плату так, чтобы один его вывод находился на шине отрицательного напряжения (на той,
что подключена к перемычке, ведущей к клемме 2X переключателя), а другой — в отверстии B5.

Подключите светодиод.
Вставьте длинный провод светодиода (анод) в отверстие F5,
короткий (катод) — в отверстие E5.
Обратите внимание, что схема не будет работать, если светодиод вставлен задом наперед. Короткий вывод должен быть на отрицательной стороне схемы, а длинный —
на положительной!

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

281

Вставьте конденсатор.
Отрицательный вывод конденсатора, отмеченный серией черточек на конденсаторе, должен войти в отверстие I5.
Другой вывод должен войти в отверстие на шине положительного напряжения около 5 ряда.
Как и в случае со светодиодом, схема не будет работать,
если конденсатор вставлен задом наперед. Положительный
вывод конденсатора должен находиться на шине положительного напряжения.

Вставьте кнопку в отверстия G11, I11, G13 и I13.
Кнопка должна быть ориентирована таким образом, чтобы
при ее нажатии ряд 11 соединялся с рядом 13. (Хотя используемая здесь кнопка — двухполюсный переключатель, это
не имеет значения: оба полюса подключены к одному ряду
макетной платы; отверстия F–J каждого ряда макетной платы
соединены внутри.)
Обычно можно определить, как ориентированы выводы
на кнопке, взглянув на ее заднюю часть: там канавка указывает путь, по которому пойдет ток при нажатии кнопки. Ориентируйте кнопку так, чтобы этот желобок проходил
по всей длине макетной платы (при нажатии кнопки ряд 11
соединится с рядом 13).
Вам может понадобиться пара маленьких плоскогубцев, чтобы отрегулировать выводы кнопки так, чтобы они хорошо
входили в отверстия макетной платы с шагом 0,1 дюйма.

Вставьте один из коротких проводов-перемычек, чтобы
соединить отверстие J13 с любым соседним отверстием
на положительной шине.

Вставьте другие короткие провода-перемычки, чтобы соединить отверстия G5 и F11.

Подключите защелкивающийся держатель батареи
к рубильнику.
Подключите красный провод к контакту 1A рубильника, а затем подключите черный провод к контакту 2A.

Подключите адаптер переменного тока 9 В к рубильнику.
Адаптер переменного тока 9 В должен быть подключен
к контактам 1B и 2B рубильника. Самый простой способ подключить адаптер питания — отрезать вилку от конца кабеля адаптера питания, а затем снять около 3/8 дюйма изоляции
с концов двух проводов, составляющих кабель.

282

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Подключите рубильник к макетной плате.
С помощью одного из 3-дюймовых одножильных проводов-перемычек соедините контакт 1X рубильника с первым отверстием в положительной шине на верхней части беспаечной макетной платы, затем с помощью другого
3-дюймового провода-перемычки соедините контакт 2X рубильника с первым отверстием на шине заземления в нижней
части макетной платы.

10. Переведите рубильник в вертикальное положение так, чтобы ни одна из сторон рубильника не была закрыта.

11.
12.

Вставьте батарейку 9 В.
Подключите адаптер переменного тока 9 В к розетке.
Теперь схема готова к тестированию.

13.

Замкните рубильник в направлении контактов A.
При этом к схеме подключается батарея 9 В. Сначала загорается светодиод, но через несколько мгновений он начинает
тускнеть. Когда он полностью погаснет, конденсатор полностью заряжен. Когда конденсатор заряжен, он не пропускает
постоянный ток, поэтому светодиод остается темным.

14.

Нажмите и сразу отпустите кнопку.
Это нажатие закоротит выводы конденсатора, заставляя его
разрядиться. Если отпустить кнопку, светодиод снова загорится, но начнет тускнеть по мере разрядки конденсатора.

15.

Переведите рубильник на контакты B.
Это действие отключает батарею от схемы и вместо нее подключает адаптер питания переменного тока. Теперь светодиод загорается и не гаснет. Пока переменный ток подается через цепь, конденсатор пропускает ток, и светодиод горит.

16.

Переключите рубильник обратно на контакты A.
Поскольку конденсатор теперь полностью заряжен, светодиод сразу же погаснет.
Вы закончили! Поздравляем! Теперь вы знаете, как конденсатор может блокировать постоянный ток, но пропускать
переменный.

ГЛАВА 3.Работа с конденсаторами

283

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Изучите тайны индукции
» Узнаете, что такое реактивное
сопротивление

» Узнаете, как соединять индукторы
последовательно и параллельно

» Узнаете, как индукторы используются в электронных схемах

Гл а в а 4

Работа с индукторами
моем книжной шкафу стоит множество книг по электронике, охватывающих широкий спектр тем. Некоторые новые, другим уже
несколько десятилетий. Моя любимая — «Курс электротехники» Честера Л. Доуса. Она была написана в 1920 году, когда электроника находилась в зачаточном состоянии, радио было совсем новым,
появились первые вакуумные лампы, а до изобретения транзистора
оставалось еще четверть века.

Можно подумать, что книга по электротехнике, написанная тогда, полностью устарела. Удивительно, но многое в этой книге до сих пор остается точным. Например, закон Ома не изменился с 1920 года, и объяснение закона Ома, данное Доусом, не хуже более новых.
Что меня больше всего восхищает в этой старой книге, так это ее начало. Глава 1 называется «Магнетизм и магниты», и начинается она так:
Магниты и магнетизм поля участвуют в работе практически
всех электрических приборов, поэтому понимание основополагающих принципов их природы необходимо для ясного
представления о работе всех таких приборов.
Это вполне логично, если принять во внимание уровень развития электротехники сто лет назад. Наша способность использовать удивительные свойства электричества давно вышла за пределы простого магнетизма, однако базовые взаимосвязи электрического тока и магнетизма
поля по-прежнему лежат в основе многих типов электрических цепей.

284

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Например, в адаптере питания, который преобразует 120 В переменного тока из розетки1 в более безопасный уровень, скажем, 9 В, используется трансформатор, понижающий напряжение за счет магнетизма.
Аналоговый мультиметр (со стрелкой, которая двигается в зависимости от напряжения, тока или сопротивления) использует магнетизм
для отклонения стрелки в ту или другую сторону, а электродвигатели
преобразуют электрический ток в магнетизм поля, которое затем преобразуется в движение.
В этой главе я обращу ваше внимание на особый класс компонентов,
называемых индукторами, которые используют природу магнетизма
и его взаимосвязь с электрическим током. Индукторы — это своего
рода двоюродные братья конденсаторов, поскольку их применяют для
схожих задач и они работают по схожим правилам. Например, важная
характеристика конденсатора — его способность противостоять изменениям напряжения. Индукторы обладают аналогичной способностью
противостоять изменениям, но не напряжения, а тока.
Эта глава немного отличается от других тем, что в ней нет ни одного
проекта. Индукторы находят практическое применение в схемах, которые вы, возможно, еще не готовы собирать, например, в радиоприемниках или источниках питания. Здесь вы изучите принцип работы
индукторов, чтобы потом, когда придет время использовать индуктор в реальной схеме, вы знали, что он делает. Всегда можно вернуться к этой главе, чтобы освежить в памяти принцип работы индукторов. Я не стану обижаться, если вы только пролистаете эту главу или
вообще пропустите ее. Вы всегда сможете вернуться к ней, когда возникнет необходимость.

СОВЕТ

Что такое магнетизм?
Когда Альберту Эйнштейну было 5 лет, он лежал в постели, и отец дал
ему компас — поиграть. Юный Альберт увидел, что, как ни крути компас, игла всегда поворачивалась обратно, указывая на север, и был поражен. Спустя годы он писал, что именно этот компас пробудил в нем
интерес к физике, которая стала делом его жизни. Тогда он понял, что
за вещами что-то стоит, там что-то глубоко спрятано.
Этим глубоко скрытым явлением, которому Эйнштейн удивился, был
магнетизм. Мы все знакомы с магнетизмом, хотя что именно он собой
1

В США и ряде других странах используется стандартное напряжение 120 В переменного тока
(120 VAC), тогда как в России и большинстве стран Европы — 220–230 В (220–230 VAC). Принцип
работы адаптера при этом остается тем же — устройство понижает сетевое напряжение до безопасного уровня для питания электроники. — Прим. науч. ред.

ГЛАВА 4.Работа с индукторами

285

представляет — загадка. Магнитное поле простирается в пространстве и либо притягивает, либо отталкивает определенные материалы.
Материалы, на которые магнитное поле оказывает сильное воздействие, называются магнитными. Материалы, создающие магнитные
поля, называются магнитами.

Север и юг магнетизма
Магнитные и электрические поля — это разные вещи, но они тесно
взаимосвязаны и имеют много общего. Например, магнитные поля поляризованы точно так же, как и электрические. Электрические поля
существуют между электрическими зарядами противоположной полярности (отрицательными и положительными). Магнитные поля существуют между противоположными магнитными полюсами, называемыми северным и южным.
Точно так же, как противоположные электрические заряды притягиваются, а подобные отталкиваются, противоположные магнитные полюса

Рис. 4.1.
Железные опилки
показывают форму
магнитного поля

286

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

притягиваются, а подобные отталкиваются. Вот почему, если взять два
сильных магнита и попытаться столкнуть два северных или два южных
полюса вместе, магнит будет сопротивляться, и вы не сможете свести
полюса вместе. Но если вы развернете один из магнитов и попытаетесь
соединить северный полюс с южным, магниты притянутся друг к другу,
и вам потребуется определенное усилие, чтобы удержать их.
У магнитного поля имеет четкая форма, которую можно представить
с помощью простого эксперимента — его обычно проводят в школе
на уроке физики. Все, что вам нужно, — это магнит, несколько железных опилок и лист бумаги. Положите бумагу на магнит и высыпьте на нее опилки. Опилки, как по волшебству, выстроятся в соответствии с формой магнитного поля, как показано на рис. 4.1. Как видите,
опилки выстраиваются в линии, направленные от одного полюса магнита к другому.

Что такое постоянные магниты
Постоянный магнит — это материал, который создает собственное
магнитное поле. Некоторые материалы природного происхождения,
например, лазурит, магнитные по своей природе и сами создают магнитное поле. Но большинство постоянных магнитов изготавливается
из материалов, которые по своей природе не магнитные, но становятся магнитными, когда на них воздействует мощное магнитное поле.
У вас дома наверняка есть несколько постоянных магнитов. Более того,
наверняка несколько из них висят у вас на холодильнике и держат фотографию вашего ребенка или список покупок.

Изучаем электромагниты
Постоянные магниты создают магнитное поле сами по себе, используя
ключевую взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. В частности, при протекании электрического тока создается магнитное поле.
Это магнитное поле создается движущимися зарядами. Короче говоря,
электрон в движении становится магнитом.
Электроны всегда находятся в движении — так разве не везде есть маленькие магниты? Ответ: да, в том же смысле, что и электрический ток.
Но когда движение электронов в материале беспорядочно, магнитные
поля, создаваемые электронами, ориентированы случайным образом,
и в итоге они просто компенсируют друг друга. Но когда вы подталкиваете электроны напряжением, они начинают двигаться в одном

ГЛАВА 4.Работа с индукторами

287

направлении. Это усиливает и упорядочивает магнитные поля, они
могут объединиться в одно большое магнитное поле.
Магнитное поле, создаваемое током, протекающим по одному проводу, можно измерить, но оно невелико. Однако если плотно обмотать
провод, как показано на рис. 4.2, магнитные поля усилятся из-за близости друг к другу. Например, вы можете создать простой электромагнит, обернув несколько футов изолированного провода вокруг карандаша, шариковой ручки или любой другой жесткой трубки или цилиндра.

Рис. 4.2.
Электромагнит

Напряженность магнитного поля такой катушки зависит от нескольких факторов, наиболее важные из которых следующие:

»
»
»

СОВЕТ

Количество витков в катушке.
Величина тока, протекающего через электромагнит.
Увеличение силы тока повышает силу электромагнита в геометрической прогрессии. Например, если удвоить силу тока,
электромагнит станет в четыре раза сильнее.
Материал, используемый для сердечника, вокруг которого
обернут электромагнит. Любая катушка, намотанная на железный сердечник, будет примерно в десять раз сильнее, чем
та же катушка, намотанная на инертный сердечник.

Полярность электромагнита легко определить: отрицательная сторона катушки — это северный полюс магнита, а положительная сторона — южный.

Индукционный ток
Электромагниты возможны потому, что движущийся ток создает магнитное поле. Верно и обратное: движущееся магнитное поле создает
электрический ток. Другими словами, если провести магнитом по проводу, в нем возникнет ток. Этот эффект называется электромагнитной индукцией, или иногда просто магнитной индукцией.

288

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

В 1831 году Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Это одно
из самых важных открытий в истории электротехники, поскольку оно
лежит в основе почти всех видов производства электроэнергии. Угольные,
гидроэлектрические и даже атомные электростанции используют движущуюся воду для вращения турбин, которые подключены к генераторам. Эти генераторы используют принцип электромагнитной индукции, чтобы превратить вращающееся движение магнитных полей
в электрический ток.
Силу тока, индуцированного в проводе, можно увеличить, свернув провод в витки, чтобы магнитное поле влияло на большую длину провода.
Кроме того, не важно, что движется — магнит или катушка. В любом
случае в катушке индуцируется ток, если катушка движется относительно магнита, при условии, конечно, что катушка проходит через
магнитное поле магнита.

ЗАПОМНИТЕ

Для протекания тока необходимо напряжение. Таким образом, помимо того, что через катушку течет ток, электромагнитная индукция создает напряжение на катушке.

Индуктивность и искусство
сопротивления изменениям
Индуктор — это катушка, предназначенная для использования в электронных схемах. На рис. 4.3 показаны несколько типичных индукторов.
Как видите, индукторы — это простые устройства, состоящие из катушки проволоки, часто намотанной на железный сердечник.

Рис. 4.3.
Индукторы — это
простые устройства

ГЛАВА 4.Работа с индукторами

289

Индукторы используют важную характеристику катушек, называемую
самоиндукцией, или просто индуктивностью. Способность индуктора
использовать идею самоиндукции — это гениальный ход.
Самоиндукция похожа на электромагнитную индукцию, описанную
в предыдущем разделе, но с одним важным отличием. Если электромагнитная индукция относится к способности катушки генерировать
ток, когда она движется через магнитное поле, то самоиндукция относится к способности катушки создавать то самое магнитное поле,
которое затем индуцирует напряжение. Другими словами, при самоиндукции катушка возвращает себе напряжение. Напряжение, приложенное к катушке, вызывает ток, который создает магнитное поле, которое, в свою очередь, создает еще большее напряжение.
Индуктивность возникает только при изменении тока, проходящего через катушку. Это происходит потому, что только движущееся магнитное
поле индуцирует напряжение в катушке. При изменении тока в катушке магнитное поле, создаваемое током, увеличивается или уменьшается
в зависимости от увеличения или уменьшения тока. Когда магнитное
поле растет или сжимается, оно эффективно движется, поэтому в результате этого движения в катушке индуцируется напряжение. Когда
ток остается неизменным, индуктивность не возникает.
Самоиндукция — достаточно сложная концепция, поэтому не переживайте, если с первого раза она вам будет непонятна. Когда я впервые узнал о ней, мне потребовалось некоторое время, чтобы разобраться. Давайте рассмотрим эту идею более подробно, пункт за пунктом.

»
»
»

290

Когда напряжение прикладывается к катушке, оно заставляет ток течь через нее. Помните, что ток всегда требует
напряжения, а напряжение всегда приводит к возникновению
тока, если оно приложено к проводнику.
Ток, протекающий через катушку, создает вокруг нее магнитное поле. Не забывайте, что катушка, создающая магнитное поле, сама находится в этом поле и поэтому может
на него влиять.
Если ток, протекающий через катушку, изменяется,
то изменяется и магнитное поле, создаваемое этим током.
Магнитное поле увеличивается или уменьшается в зависимости от того, увеличивается или уменьшается ток. В любом
случае изменяющееся магнитное поле, по сути, движется.
Поскольку магнитное поле движется, в катушке индуцируется напряжение. Это дополнительное напряжение, помимо
напряжения, которое движет основной ток через катушку.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Величина напряжения, индуцируемого изменяющимся
магнитным полем, зависит от скорости изменения тока. Чем
быстрее изменяется ток, тем сильнее перемещается магнитное поле и, следовательно, тем большее напряжение
индуцируется.
Полярность индуцированного напряжения зависит от того,
увеличивается или уменьшается ток. Это связано с тем, что
направление движения магнитного поля зависит от того, увеличивается или уменьшается поле, а напряжение, индуцируемое движущимся магнитным полем, зависит от того, в каком
направлении движется поле, в соответствии со следующими
правилами:

•
•
»

когда ток уменьшается, результирующее напряжение самоиндукции имеет ту же полярность, что и напряжение питания.

Индуцированное напряжение создает в катушке ток, который течет либо вместе с током основной катушки, либо
против него — в зависимости от того, уменьшается или
увеличивается ток катушки, в соответствии со следующими
правилами:

•
•
»

когда ток увеличивается, полярность индуцированного напряжения противоположна полярности напряжения, управляющего
катушкой. Это индуктированное напряжение часто называют
обратным напряжением, поскольку оно имеет полярность, противоположную полярности напряжения питания;

когда ток катушки увеличивается, дополнительный ток течет
против основного тока катушки. Это приводит к тому, что дополнительный ток отталкивается от увеличивающегося основного
тока, что эффективно замедляет скорость изменения тока;
когда ток катушки уменьшается, дополнительный ток течет вместе с основным током катушки, таким образом противодействуя
уменьшению тока катушки.

Когда ток в катушке перестает меняться, самоиндукция прекращается. Таким образом, при постоянном токе индуктор —
это просто проводник. (Он также является электромагнитом,
поскольку проходящий через него ток создает магнитное
поле.)

Из-за самоиндукции индуктор противостоит изменению тока. Если
ток увеличивается, на катушке индуцируется противоположное напряжение, что замедляет скорость увеличения тока. Если ток уменьшается, на катушке индуцируется прямое напряжение, которое замедляет
скорость уменьшения тока. Индуктор оказывает равное сопротивление как увеличению, так и уменьшению тока.

ГЛАВА 4.Работа с индукторами

291

Оказывается, способность противостоять изменениям тока весьма полезна в электронных схемах, о чем я расскажу далее в этой главе в разделе Применение индукторов на практике.
Вот еще несколько важных особенностей индукторов:

»
»

Индукторы не могут остановить изменения тока, они могут
только замедлить их. Измерение того, насколько индуктор
может замедлить изменение тока, является темой следующего раздела.
Магнитное поле одного индуктора может перекинуться
на соседний индуктор и вызвать в нем напряжение. Чтобы
этого не произошло, многие индукторы имеют специальные экраны, чтобы сохранить их магнитную изоляцию.
Если вы используете в своих схемах неэкранированные
индукторы, убедитесь, что они расположены как можно
дальше друг от друга (если, конечно, не хотите, чтобы они
взаимодействовали).

Что касается Генри
Индуктивность — это лишь кратковременная вещь. Насколько кратковременная, зависит от величины индуктивности индуктора. Индуктивность измеряется в единицах, называемых генри (H — Гн).
Определение одного генри очень простое: один генри — это количество
индуктивности, необходимое для индукции одного вольта при изменении тока в катушке со скоростью один ампер в секунду.
Как вы уже догадались, один генри — это достаточно большой индуктор. Индукторы до 10 генри часто используются при работе с домашней
электросетью (120 В переменного тока при 60 Гц), но в большинстве
работ с электроникой вы будете использовать индуктивности, измеряемые в тысячных долях генри (миллигенри, сокращенно mH) или в миллионных долях генри (микрогенри, сокращенно μH).
Вот несколько дополнительных сведений об индуктивности и генри:

»
»

292

Множественное число от " — тоже ".
Буква L часто используется для обозначения индуктивности
в формулах. Индуктивности на схемах обычно обозначаются
буквой L. Например, если в схеме требуются три индуктивности, они будут обозначены L1, L2 и L3.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Кстати о схемах, символ, обозначающий индуктивность (катушку) на электрической схеме, показан на полях.

Когда я впервые узнал о самоиндукции и генри, я надеялся,
что раз генри — это мера способности катушки сопротивляться изменению тока, то генри должен быть назван в честь
кого-то, кто известен своим сопротивлением изменениям,
например, профессора Генри Хиггинса из «Моей прекрасной
леди».
Представьте себе мое разочарование, когда я узнал, что
генри назван в честь Джозефа Генри. Все, что он сделал, —
это открыл самоиндукцию и изобрел индуктор. Ну, и плюс
он был первым секретарем Смитсоновского института.
Наверное, у него был какой-то влиятельный друг, раз в его
честь назвали единицу измерения индуктивности.

Вычисление постоянной времени RL
В предыдущей главе вы узнали, как рассчитать постоянную времени
RC для резисторно-конденсаторной цепи. Аналогичный расчет можно
выполнить и для индукторов, только вместо постоянной времени RC
мы называем ее постоянной времени RL. (Помните, что L — это символ, используемый для обозначения индуктивности).
Постоянная времени RL указывает на количество времени, которое
требуется для протекания 63,2 % тока, возникающего при приложении
напряжения к индуктору. (Хм… Где мы уже видели 63,2%? Правильно!
Это тот же процент, который используется для расчета постоянных
времени в резисторно-конденсаторных сетях. Значение 63,2% вытекает из формул для точного расчета постоянных времени как для резисторно-конденсаторных, так и для резисторно-индукторных сетей.)
Вот формула для расчета постоянной времени RL:

Другими словами, постоянная времени RL в секундах равна индуктивности в генри, деленной на сопротивление цепи в омах.
Например, предположим, что сопротивление составляет 100 Ом, а индуктивность — 100 мГн. Прежде чем приступить к умножению, нужно сначала перевести 100 мГн в генри. Поскольку один миллигенри (мГн) равен одной тысячной части генри, вы можете преобразовать миллигенри

ГЛАВА 4.Работа с индукторами

293

в генри, разделив миллигенри на 1000. Таким образом, 100 мГн эквивалентно 0,1 Гн. Разделив 0,1 Гн на 100 Ом, вы получите постоянную
времени 0,001 секунды (с), или одну миллисекунду (мс).
В следующей таблице приведено приблизительное значение процента
тока, пропускаемого индуктором после первых пяти постоянных времени. Для всех практических задач можно считать, что ток полностью
протекает после истечения пяти постоянных времени.
Постоянная
времени RL

Процент тока, пропускаемого
индуктором

62,3%

86,5%

95,0%

98,2%

99,3%

Так, в моем примере, где сопротивление равно 100 Ом, а индуктивность — 0,1 Гн, можно ожидать, что ток начнет течь в полную силу
через 5 мс после подачи напряжения.
Пять миллисекунд — это очень короткий промежуток времени. Но электронные схемы часто проектируются таким образом, чтобы реагировать
в течение очень коротких временных интервалов. Например, синусоидальная волна переменного тока домашней электросети изменяется
от пикового положительного напряжения до пикового отрицательного примерно за 8 мс. Звуковые волны на верхнем пределе способности
человеческого уха слышать проходят цикл примерно за 25 мкс (микросекунд), а временной интервал для радиоволн может составлять малые
доли микросекунд. Таким образом, очень малые постоянные времени RL могут быть очень полезны в некоторых типах электронных схем.

Расчет индуктивной реактивности
Хотя индукторы противостоят изменениям тока, они не противостоят всем изменениям одинаково. Все индукторы оказывают большее
сопротивление быстрым изменениям тока, говоря иначе, индукторы
противостоят изменениям тока в более высокочастотных сигналах, чем
в более низкочастотных.
Степень, с которой индуктор противостоит изменению тока на определенной частоте, называется реактивностью индуктора. Реактивность

294

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

индуктивности измеряется в омах, как и сопротивление, и может быть
рассчитана по следующей формуле:

Здесь символ XL обозначает индуктивную реактивность в омах, f — частоту сигнала в герцах (циклах в секунду), а L — индуктивность в генри. А π — волшебная математическая константа, о которой вы узнали в средней школе и значение которой приблизительно равно 3,14.
Например, предположим, вы хотите узнать реактивное сопротивление
индуктора 1 мГн на синусоиду 60 Гц (это частота домашней электросети). Расчет будет таким:

Так, реактивное сопротивление индуктора 1 мГн составляет около трети ома на частоте 60 Гц.
Реактивность того же индуктора на частоте 20 кГц намного больше:

Увеличим частоту до 100 МГц и посмотрим, какое реактивное сопротивление будет у индуктора:

В этом примере общая индуктивность цепи составляет 12,5 мГн.
При низкой частоте тока индукторы пропускают ток с гораздо большей
вероятностью, чем при высокой. Как объясняется в следующем разделе, эту характеристику можно использовать для создания схем, блокирующих частоты выше или ниже определенных значений.

Комбинирование индукторов
Как и в случае с резисторами или конденсаторами, вы можете соединять индукторы последовательно или параллельно и использовать простые уравнения для расчета общей индуктивности цепи. Однако обратите внимание: чтобы расчеты были верными, индукторы должны быть
экранированы. Если индукторы не экранированы, на них будут влиять не только их собственные магнитные поля, но и магнитные поля

ГЛАВА 4.Работа с индукторами

295

соседних индукторов, и тогда общую индуктивность невозможно правильно рассчитать.
Комбинации индукторов рассчитываются так же, как и комбинации
резисторов, по тем же формулам, только с заменой генри на омы.

»
»
»

Последовательные индукторы. Просто сложите значения
каждого отдельного индуктора.
Два или более одинаковых параллельных индуктора.
Сложите их и разделите на количество индукторов.
Два параллельных индуктора с разным номиналом.
Используйте такую формулу:

Три или более параллельных с разным номиналом.
Используйте такую формулу:

Вот пример, в котором три индуктивности номиналом 20 мГн, 100 мГн
и 50 мГн соединены параллельно:

В этом примере общая индуктивность цепи составляет 12,5 мГн.

Применение индукторов на практике
Вам, возможно, интересно, для чего используются индукторы в реальных схемах. Вот несколько наиболее распространенных вариантов использования индукторов:

296

Сглаживание напряжения в источнике питания.
Заключительный этап типичной схемы источника питания, преобразующего переменный ток электросети 120 В
в пригодный для использования электрическим устройством

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

постоянный ток, часто представляет собой схему фильтра,
устраняющего любые остаточные неравномерности напряжения, вызванные тем, что оно было получено от входного
переменного тока частотой 60 Гц.

Фильтр. Выбирает частоты, которые должны быть пропущены,
или выбирает частоты, которые должны быть заблокированы. Вы наверняка знаете, как настроить тембр стереосистемы: усилить басы, приглушить средние частоты и, возможно, приглушить верхний диапазон для насыщенности звука.
Существуют три различных типа фильтров: фильтры высоких
частот, пропускающие только частоты выше определенного значения, фильтры низких частот, пропускающие только
частоты ниже определенного значения, и полосовые фильтры,
пропускающие только частоты из определенного диапазона.
Схемы настройки радиоприемников. Катушки могут использоваться для того, чтобы настроить радиоприемник на определенную частоту сигнала и удерживать ее. В главе 3 части 4
я объясню, как построить очень простой радиоприемник,
в котором используется катушка, которую вы сделаете сами,
намотав проволоку на пустую бутылку из-под газировки.
Трансформаторы. Одно из самых распространенных применений индукторов — трансформаторы. Простейший трансформатор состоит из пары индукторов, расположенных
рядом друг с другом. Трансформатор выполняет две функции.
Во-первых, может увеличивать или уменьшать напряжение,
а во-вторых, электрически изолировать одну часть цепи
от другой. Обе эти функции очень полезны. Первая позволяет питать цепи, которым требуется всего несколько вольт,
подключая их к розетке, в которой напряжение составляет
120 вольт. А вторая делает низковольтную часть цепи безопасной, изолируя ее от потенциально опасного высокого тока.
На рис. 4.4 показан типичный трансформатор. Подробнее
об этих удивительных устройствах вы узнаете в главе 1 части 4.

Рис. 4.4.
Типичный
трансформатор

ГЛАВА 4.Работа с индукторами

297

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Узнаете, как работают
полупроводники

» Изучите простейший
полупроводник — диод

» Поймете, как диоды меняют
переменный ток на постоянный

» Узнаете, как некоторые диоды могут

Гл а в а 5

светить

Работа с диодами
и светодиодами
се компоненты, о которых я рассказываю, были изобретены в первые 100 лет или около того — с тех пор, как Алессандро Вольта
изобрел первую электрическую батарею в 1800 году. Следующие
50 лет в электронике, примерно с 1900 по 1950 год, доминировала технология, которая сейчас практически устарела: вакуумные трубки —
большие, дорогие, хрупкие (они были сделаны из стекла), требующие
большого тока.

В 1940-х годах исследователи разработали новую технологию, которая
привела к появлению новых компонентов. Она буквально квантовым
скачком улучшила вакуумные трубки. Эти новые компоненты назвали полупроводниками.
В этой главе вы познакомитесь с самым основным видом полупроводников — диодом. Диоды бывают разных форм и размеров, но большинство похожи на те, что показаны на рис. 5.1. Они размером примерно с резистор.
Внешне диоды немного похожи на резисторы, но ведут они себя совсем по-другому. Диоды обладают одной способностью, которая отличает их друг от друга: позволяют току свободно течь в одном направлении, но блокируют его, если он пытается течь в другом направлении.
Другими словами, диод похож на турникет, через который можно пройти в одном направлении, но не в другом. Эта характеристика оказывается невероятно полезной в электронных схемах.

298

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рис. 5.1.
Несколько типичных диодов

СОВЕТ

С самого начала хочу предупредить: первая часть этой главы довольно
сложная, мы углубимся в физику полупроводников на атомном уровне. На самом деле не нужно понимать физику диодов, чтобы использовать их в своих схемах, поэтому можете пропустить весь первый раздел,
если хотите, и начать с раздела Знакомство с диодами, который идет
дальше. Но рекомендую просмотреть первый раздел, пусть вас не пугает сложная тема, не стоит переживать, если трудно понять, как работают полупроводники. Просто запомните ключевые термины, такие
как p-тип, n-тип и p-n-переход — и двигайтесь дальше.

Что такое полупроводник?
Как следует из названия, полупроводник — это материал, который проводит ток, но только частично. Проводимость полупроводника находится
где-то между изолятором, который почти не проводит ток, и проводником с почти полной проводимостью. Большинство полупроводников —
это кристаллы из определенных материалов, чаще всего кремния.
Чтобы понять, как работают полупроводники, нужно сначала разобраться, как устроены электроны в атоме. Электроны в атоме организованы слоями, подобно слоям луковицы. Эти слои называются оболочками. Самая внешняя оболочка называется валентной. Электроны
в этой оболочке образуют связи с соседними атомами. Такие связи называются ковалентными, потому что в них участвуют валентные электроны, которые также являются электронами, иногда отправляющимися на поиски других атомов.

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

299

У большинства проводников, включая медь и серебро, всего один электрон в валентной оболочке. Атомам с одним валентным электроном
трудно удержать этот электрон. Именно это делает медь и серебро такими хорошими проводниками: когда валентные электроны перемещаются, они создают движущиеся электрические поля, которые выталкивают другие электроны со своего пути. Это и заставляет ток течь.
У полупроводников обычно четыре электрона в валентной оболочке.
Самые известные элементы с четырьмя валентными электронами —
углерод, кремний и германий. Атомы с четырьмя валентными электронами редко теряют один из них. Однако они любят делиться ими
с соседними атомами.
Если все соседние атомы одного типа, все валентные электроны могут
связываться с валентными электронами других атомов. Когда это происходит, атомы выстраиваются в аккуратные и упорядоченные структуры,
называемые кристаллами. Из таких кристаллов состоят полупроводники.
Самый распространенный элемент с четырьмя валентными электронами — углерод. Однако кристаллы углерода редко используются в качестве полупроводников, потому что у них есть и другие применения,
например, в обручальных кольцах. Поэтому полупроводники обычно
изготавливают из кристаллов кремния и иногда германия.
На рис. 5.2 показаны ковалентные связи, образующиеся в кристалле
кремния. Здесь каждый кружок — атом кремния, а линии между атомами — общие электроны. Каждый из четырех валентных электронов
в каждом атоме кремния объединяется с соседним атомом кремния.
Таким образом, каждый атом кремния связан с четырьмя другими атомами кремния.

Рис. 5.2.
Кристаллы кремния образуются, когда каждый
атом кремния делится
своими крайними электронами с соседним
атомом

300 ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Допинг. Не только для спортсменов
Сами по себе чистые кристаллы кремния красивы, но не слишком полезны для электроники. Поскольку все четыре валентных электрона
сцеплены с соседними атомами, заставить ток протекать через кристалл чистого кремния нелегко. Но все становится намного интереснее, если ввести в кристалл небольшое количество других элементов.
Тогда он начинает проводить ток интересным образом.
Процесс преднамеренного введения других элементов в кристалл называется легированием. Элемент, вводимый при легировании, называется допантом. Если тщательно контролировать процесс легирования
и используемые допанты, то кристаллы кремния превратятся в один
из двух типов проводников.

Полупроводник N-типа. Образуется, когда легирующим
элементом бывает элемент с пятью электронами в валентном
слое. Обычно для этой цели используется фосфор. Атомы
фосфора встраиваются прямо в кристаллическую структуру кремния, каждый связывается с четырьмя соседними
атомами кремния так же, как и атом кремния. Поскольку
у атома фосфора пять электронов в валентной оболочке (но
только четыре связаны с соседними атомами), пятый валентный электрон остается болтаться: ему попросту не с кем
связаться.
Дополнительные валентные электроны в атомах фосфора
начинают вести себя так же, как одновалентные электроны
в обычном проводнике, например в меди. Они могут свободно перемещаться, как показано на рис. 5.3. Поскольку

Рис. 5.3.
У полупроводника
N-типа есть лишние
электроны

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

301

у этого типа полупроводника есть дополнительные электроны, он называется полупроводником N-типа.

Полупроводник P-типа. Образуется, если допант — элемент
(например, бор), у которого только три электрона в валентной оболочке. Когда небольшое количество бора включается
в кристалл, атом бора способен соединиться с четырьмя
атомами кремния, но поскольку у него только три электрона,
на месте электрона образуется пробел (рис. 5.4). Этот электронный зазор называется дыркой. Дырка ведет себя как положительный заряд, поэтому полупроводники, легированные
таким образом, называются полупроводниками P-типа.
Подобно положительному заряду, дырки притягивают электроны. Но когда электрон перемещается в дырку, после него
образуется новая дырка на прежнем месте. Таким образом,
в полупроводнике P-типа дырки постоянно перемещаются внутри кристалла, а электроны постоянно пытаются их
заполнить. Полупроводники P-типа похожи на сумасшедшие
куски швейцарского сыра, в которых невозможно уследить
за дырками, потому что они постоянно перемещаются.

Рис. 5.4.
У полупроводника
P-типа дырки там,
где должны быть
электроны

Когда напряжение прикладывается к полупроводнику N-типа или
P-типа, ток течет по той же причине, что и в обычном проводнике: отрицательная сторона напряжения толкает электроны, а положительная — тянет их. В результате беспорядочное движение электронов
и дырок, которое всегда есть в полупроводнике, становится организованным в одном направлении, создавая измеримый электрический ток.

302

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Принципы p-n-переходов
Сами по себе полупроводники P-типа и N-типа — это просто проводники. Но если соединить их вместе, произойдет интересная и очень
полезная вещь: через полученный полупроводник может протекать ток,
но только в одном направлении.
P-n-переход, как его называют, похож на односторонние ворота. Если
подать положительное напряжение на p-сторону перехода и отрицательное — на n-сторону, через переход потечет ток. Но если вы измените напряжение на противоположное, подав отрицательное напряжение на p-сторону и положительное — на n-сторону, ток не будет течь.
Представьте себе ворота, похожие на турникет, через которые вы должны пройти, чтобы попасть на стадион или станцию метро: вы можете пройти через ворота только в одном направлении, но не в другом.
По сути, именно это и делает p-n-переход. Он позволяет току течь в одну
сторону, но не в другую.
Чтобы понять, почему p-n-переходы позволяют току течь только в одном направлении, нужно сначала разобраться, что происходит на границе между материалом p-типа и материалом n-типа. Поскольку противоположные заряды притягиваются, лишние электроны на стороне
n-типа притягиваются к дыркам на стороне p-типа — и они начинают
дрейфовать на другую сторону.
Когда электрон покидает сторону n-типа, чтобы заполнить дыру на стороне p-типа, на месте электрона остается дыра на стороне n-типа. Таким
образом, электрон и дырка как бы меняются местами. В итоге граница
p-n-перехода оказывается заселена перебежчиками: электроны и дырки пересекли границу и теперь находятся не на той стороне перехода.
Эта область, занятая перешедшими электронами и дырками, называется зоной обеднения. Поскольку с одной стороны зоны обеднения находятся электроны (отрицательные заряды), а с другой — дырки (положительные заряды), между двумя краями зоны обеднения возникает
напряжение. Это напряжение оказывает интересное воздействие на перебежчиков: оно манит их развернуться и вернуться домой. Другими
словами, дырки, перескочившие на отрицательную сторону перехода,
притягивают электроны, перескочившие на положительную сторону.
Представьте себе, каково это — быть электроном, который перебежал
границу и оказался на стороне p-типа перехода. Будучи отрицательно
заряженным, вы притягиваетесь к положительно заряженным дыркам,
которые видите перед собой, чтобы двигаться дальше в сторону p-типа.

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

303

Но вас также привлекают положительно заряженные дырки, которые
теперь находятся позади вас — та самая дырка, с которой вы поменялись местами, теперь притягивает вас, не позволяя двигаться дальше.
Не в силах принять решение, вы просто остаетесь на месте. Именно
это и происходит с электронами и дырками, перешедшими на другую
сторону. Зона истощения становится стабильной — это состояние называется равновесием.
Теперь рассмотрим, что происходит, когда равновесие нарушается напряжением, приложенным к p-n-переходу. Эффект зависит от того,
в каком направлении приложено напряжение.

Если приложить положительное напряжение к стороне
p-типа и отрицательное — к стороне n-типа, зона обеднения
сдвигается с обеих сторон к центру, уменьшаясь в размерах.
Электроны, попавшие на сторону n-типа, под действием
напряжения подталкиваются к зоне обеднения и в конце концов полностью ее разрушают. Когда это происходит, p-n-переход становится проводником, и по нему течет ток.
Когда напряжение прикладывается в обратном направлении,
зона обеднения вытягивается с обеих сторон перехода и, таким образом, расширяется. Чем больше она становится, тем
более изолятором становится p-n-переход. Таким образом,
когда напряжение прикладывается в обратном направлении,
ток через переход не течет.

Знакомство с диодами
Диод — это устройство, состоящее из одного p-n-перехода. Как показано на рис. 5.5, к двум концам p-n-перехода прикреплены выводы. Эти
выводы позволяют легко включить диод в схему.

Рис. 5.5.
Диод имеет один
p-n-переход

Катод

Анод
N-тип

Р-тип

Вывод, прикрепленный к полупроводнику n-типа, называется катодом. Таким образом, катод — это отрицательная сторона диода.
Положительная сторона диода, то есть вывод, прикрепленный к полупроводнику p-типа, это анод.

304

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Когда источник напряжения подключается к диоду так, что положительная сторона источника напряжения оказывается на аноде, а отрицательная — на катоде, диод становится проводником и пропускает
ток. Напряжение, подключенное к диоду в этом направлении, называется прямым смещением.
Но если изменить направление напряжения, приложив положительную
сторону к катоду, а отрицательную — к аноду, ток не потечет. По сути,
диод становится изолятором. Напряжение, поданное на диод в этом
направлении, называется обратным смещением.

ЗАПОМНИТЕ

Прямое смещение позволяет току протекать через диод. Обратное смещение не позволяет току протекать. (До определенного момента, во всяком случае. Как вы узнаете буквально через несколько страниц, существуют пределы того, сколько напряжения обратного смещения диод
может удерживать в узде.)
Схематическое обозначение диода показано на полях. Анод находится слева, а катод — справа. Вот два полезных приема, которые помогут
запомнить, где анод, а где катод.

»
»

Думайте о стороне анода как о стрелке, которая указывает
направление обычного тока — от положительного к отрицательному. Таким образом, диод позволяет току течь в направлении стрелки.
Вертикальную линию на стороне катода считайте гигантским
знаком минус, указывающим, какая сторона диода отрицательна для прямого смещения.

На рис. 5.6 показано прямое и обратное смещение с помощью двух
очень простых схем, в которых лампа подключается к батарее с помощью диодов. В схеме слева диод смещен вперед, поэтому через него течет ток, и лампа загорается. В схеме справа диод имеет обратное смещение, поэтому ток не течет и лампа не горит.

Лампа вкл
Рис. 5.6.
Прямое и
обратное
смещение
диода

Прямое смещение

Лампа выкл

Обратное смещение

Обратите внимание: для протекания тока в типичном диоде требуется определенное прямое напряжение. Обычно эта величина очень
мала — в большинстве диодов около полувольта. До этого напряжения

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

305

ток не течет. Однако после достижения прямого напряжения ток легко протекает через диод.
Этот минимальный порог напряжения в прямом направлении называется прямым падением напряжения на диоде. Так происходит потому,
что схема теряет это напряжение на диоде. Например, если подключить вольтметр к выводам диода в схеме с прямым питанием на рис. 5.6
(слева), вы увидите прямое падение напряжения на диоде. Затем, если
подключить вольтметр к выводам лампы, напряжение будет равно разнице между напряжением батареи (9 В) и прямым падением напряжения на диоде.
Например, если прямое падение напряжения на диоде составляет 0,7 В,
а напряжение батареи — ровно 9 В, напряжение на лампе будет 8,3 В.
Диоды также имеют максимальное обратное напряжение, которое они
могут выдержать, прежде чем разрушатся и начнут пропускать ток в обратном направлении. Это обратное напряжение (иногда называемое
PIV, для пикового обратного напряжения, или PRV для пикового обратного напряжения) — важная характеристика для диодов, которые
вы используете в своих схемах, поскольку должны быть уверены, что
эти диоды не будут подвергаться воздействию больше, чем их номинальное значение PIV.
Помимо падения прямого напряжения и пикового обратного напряжения, диоды также рассчитаны на максимальный ток. Превышение
этого тока приведет к тому, что диод выйдет из строя.

Разнообразные типы диодов
Диоды бывают разных типов. Некоторые — экзотические и редко используются любителями, но многие широко распространены. В следующих разделах описаны три типа диодов, с которыми вы, скорее всего, столкнетесь в своей электронной деятельности: выпрямительные,
сигнальные и диоды Зенера. Позже вы узнаете о светоизлучающих диодах, или светодиодах.

Выпрямительные диоды
Выпрямительный диод разработан специально для схем, в которых необходимо преобразовать переменный ток в постоянный. Наиболее распространенные выпрямительные диоды обозначаются номерами моделей 1N4001‒1N4007. Эти диоды могут пропускать ток до 1 А и имеют
пиковое обратное напряжение (PIV) в диапазоне от 50 до 1000 В.

306

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

В табл. 5.1 приведены значения пикового обратного напряжения для
каждого из этих распространенных диодов. Выбирая диод для своей
схемы, берите тот, у которого PIV по крайней мере вдвое больше напряжения, которому он будет подвергаться. Для большинства схем
с батарейным питанием 50 В PIV диода 1N4001 более чем достаточно.

ТАБЛ. 5.1

Пиковое инверсное напряжение для диодов 1N400x
Номер модели

Тип диода

Пиковое обратное напряжение

Ток

1N4001

Выпрямитель

50 В

1А

1N4002

Выпрямитель

100 В

1А

1N4003

Выпрямитель

200 В

1А

1N4004

Выпрямитель

400 В

1А

1N4005

Выпрямитель

600 В

1А

1N4006

Выпрямитель

800 В

1А

1N4007

Выпрямитель

1000 В

1А

У большинства выпрямительных диодов прямое падение напряжения
составляет около 0,7 В. Таким образом, для протекания тока через диод
требуется минимум 0,7 В.

Сигнальные диоды
Сигнальный диод предназначен для гораздо меньших токовых нагрузок, чем выпрямительный, и обычно может выдерживать ток около
100 мА или 200 мА.
Наиболее часто используется сигнальный диод 1N4148. У него есть близкий брат под названием 1N914, он может быть заменой, если не нашли
1N4148. Этот диод имеет прямое падение напряжения 0,7, пиковое обратное напряжение 100 В и может пропускать ток максимум 200 мА.
Вот еще несколько интересных моментов, касающихся сигнальных
диодов:

Они заметно меньше, чем выпрямительные, и часто сделаны
из стекла. Чтобы увидеть это, нужно присмотреться, но катодный конец сигнального диода отмечен небольшой черной
полосой.

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

307

Они лучше, чем выпрямительные диоды, справляются с высокочастотными сигналами, поэтому их часто используют
в схемах, обрабатывающих звуковые или радиочастотные
сигналы. Из-за их способности быстро реагировать на высокие частоты сигнальные диоды иногда называют L
. Их также иногда называют 66
, поскольку в цифровых схемах (о которых узнаете
из части 5) они часто используются в качестве высокоскоростных переключателей.
Некоторые сигнальные диоды изготавливают не из кремния, а из германия (германий — кристалл, не путать с цветком
герани!). У германиевых диодов гораздо меньшее падение
прямого напряжения, чем у кремниевых, — всего 0,15 В. Это
делает их полезными для радиоприборов, которые часто
работают с очень слабыми сигналами.

Диоды Зенера
В обычном диоде пиковое обратное напряжение обычно довольно
велико — 50, 100, даже 1000 В. Если обратное напряжение на диоде
превышает это число, ток лавинообразно распространяется по диоду
в обратном направлении, что обычно приводит к его выходу из строя.
Обычные диоды не рассчитаны выдерживать обратную лавину тока,
а вот диоды Зенера — да. Они специально разработаны, чтобы выдерживать ток, протекающий при достижении или превышении пикового обратного напряжения. Более того, диоды Зенера разработаны
так, что по мере того, как обратное напряжение, приложенное к ним,
превышает пороговое напряжение, ток течет все больше и больше —
и падение напряжения на диоде остается на фиксированном уровне.
Другими словами, диоды Зенера можно использовать для регулирования напряжения в цепи.

СИГНАЛЬНЫЕ ДИОДЫ ЗАЩИТЫ
ОТ ВЫБРОСА ОБРАТНОГО ТОКА
Сигнальные диоды, такие как 1N4148, часто используются с индукторами (чаще всего с реле) для защиты окружающих цепей от скачков
напряжения, которые могут возникнуть, когда индуктор внезапно отключается. Реле — механический переключатель, который приводится
в действие не вручную, а магнитным полем, создаваемым катушкой.

308

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Реле невероятно полезны, потому что позволяют использовать низковольтные цепи для управления высоковольтными цепями. Например,
вы можете использовать цепь, питающуюся от батарейки 9 В, для
включения или выключения лампы переменного тока 120 В.
Проблема с реле заключается в том, что в них есть катушки, а как
обнаружил Джозеф Генри в XIX веке, катушки обладают интересным
свойством, называемым .
(Если вам нужен обзор, что такое и как она работает,
см. главу 4 в этой части.)
Самоиндукция может стать проблемой в схемах, включающих реле.
Когда на реле подается ток, вокруг катушки образуется магнитное
поле. Если ток внезапно отключается, магнитное поле быстро разрушается. Этот коллапс индуцирует в катушке напряжение, противоположное по полярности напряжению, которым была включена катушка.
Если вы не сделаете ничего, чтобы сдержать это напряжение, оно
отправит ток гулять по вашей цепи, как пьяный водитель, который
выехал на встречную полосу.
Сигнальные диоды — как раз то, что нужно, чтобы остановить это напряжение в неправильном направлении. Просто установите сигнальный диод через реле, в обратном направлении от напряжения, подаваемого на катушку реле.
Теперь рассмотрим, как этот диод работает вместе с реле. Когда вы
замыкаете выключатель, подается напряжение и течет ток. Весь этот
ток течет через реле, потому что диод имеет обратное смещение: положительное напряжение находится на катодном конце диода.
Когда вы размыкаете выключатель, напряжение на реле уменьшается. Ток перестает течь, и магнитное поле вокруг катушки внезапно
разрушается. Это создает напряжение на катушке, противоположное
напряжению. Другими словами, наведенное напряжение отрицательно в верхней части катушки и положительно в нижней. Теперь диод
смещен вперед, поэтому он становится проводником. Диод создает
цепь, по которой может течь ток, тем самым надежно удерживая самоиндуцированное напряжение в пределах катушки и диода.
У диодов, используемых таким образом, несколько названий:
/ / " . / .
" .

В диоде Зенера пиковое обратное напряжение называется напряжением Зенера. Это напряжение может быть довольно низким — в пределах
нескольких вольт — или может составлять сотни вольт.
СОВЕТ

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

309

Диоды Зенера часто используются в схемах, где требуется ограничить
напряжение. Например, предположим, у вас есть схема, которая будет повреждена, если на нее подать напряжение более 5 В. В этом случае можно поместить диод Зенера на 5 В, эффективно ограничив схему до 5 В. Если на схему подается напряжение более 5 В, диод Зенера
отводит избыточное напряжение в сторону от чувствительной схемы.
У диодов Зенера есть своя вариация стандартного символа схемы диода, как показано на полях. Более подробно о работе с диодами Зенера
вы узнаете в главе 2 части 4.

Использование диода для
блокировки обратной полярности
Проект 15 — несложный проект, в котором используется способность диода проводить ток только в одном направлении. В этом проекте мы подключим выпрямительный диод последовательно с лампой
для фонарика на 3 В и парой батареек AA. Между батарейками и цепью
диод/лампа используется рубильник DPDT, так что при переключении рубильника из одного положения в другое полярность напряжения на диоде и лампе меняется на противоположную. Таким образом, лампа загорается только в одном из двух положений рубильника.
На рис. 5.7 показан готовый проект.

Рис. 5.7.
Блокировка обратной полярности
(Проект 15)

Проект 15. Блокировка
обратной полярности
В этом проекте вы построите простую схему, в которой используется
диод, позволяющий току протекать через цепь лампы только в одном
направлении. В схеме используется рубильник DPDT для изменения
полярности батареи. При изменении полярности диод блокирует ток,
поэтому лампа не загорается.

310

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Вам понадобятся: маленькая крестовая отвертка, обычные кусачки, кусачки для зачистки проводов и мультиметр.

Детали
» Две батарейки AA.
» Один держатель для батареек.
» Один патрон для лампочки.
» Одна лампа для фонарика 2,33 В.
» Один рубильник переключатель DPDT.
» Один выпрямительный диод 1N4001.
» Три 5-дюймовых многожильных провода 22 калибра (0,6 мм).
Порядок выполнения
1.
2.

Снимите ½ дюйма изоляции с каждого конца проводов.
Откройте рубильник.
Переведите ручки в вертикальное положение так, чтобы
ни один из контактов не был соединен.

Подсоедините красный провод от держателя батареи
к клемме 1X рубильника.

Подсоедините черный провод от аккумулятора к контакту 2X рубильника.

С помощью одного из трех 5-дюймовых проводов соедините контакт 1B выключателя с контактом 2A.

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

311

Вторым 5-дюймовым проводом соедините контакт 2B выключателя с контактом 1A.

Третьим 5-дюймовым проводом соедините контакт 1A рубильника с одним из контактов патрона лампы.

Подключите диод к контакту 2A рубильника и свободному
контакту патрона лампы.
Катод (сторона с полосой) должен быть подключен к лампе.

9. Вставьте лампу в патрон.
10. Вставьте батарейки в держатель.
Теперь схема готова к тестированию.

11.

Переведите рубильник в положение B.
Лампа загорится, потому что положительное напряжение подается на анод диода, а отрицательное — на катод. Это позволяет току протекать через диод, и лампа включается.

12.

Переведите рубильник в положение A.
На этот раз лампа гаснет, потому что напряжение на диоде
изменилось на противоположное.

13.

С помощью мультиметра измерьте напряжение на батарее,
лампе и диоде.
Установите мультиметр на диапазон напряжения постоянного тока, который будет соответствовать напряжению батареи 3 В. Затем выполните измерения, указанные в табл. 5.2.

ТАБЛ. 5.2

Измерение напряжения
Черный вывод

Красный вывод

Рубильник 2X

Рубильник 1X

Лампа 1

Лампа 2

Катод диода

Анод диода

Напряжение

Третье измерение (напряжение на диоде) должно быть очень
близко к 0,7 В. Второе измерение (напряжение на лампе)
плюс напряжение на диоде должно равняться первому измерению (напряжение на батарее).

СОВЕТ

312

Не волнуйтесь, если они немного расходятся: разница может
быть обусловлена неточностями вашего вольтметра, особенно если у вас аналоговый или очень дешевый цифровой измерительный прибор.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Применение выпрямителей
Одно из самых распространенных применений выпрямительных диодов — преобразование переменного тока электросети в постоянный,
который можно использовать в качестве альтернативы батарейкам.
О создании полноценных источников питания мы поговорим в главе 2
части 4, а пока ограничимся на выпрямителе источника питания постоянного тока, который обычно состоит из набора особым образом
соединенных диодов. (Выпрямитель — это схема, преобразующая переменный ток в постоянный.)
В домашней электросети напряжение меняется от положительного
к отрицательному в циклах, повторяющихся 60 раз в секунду. Если
последовательно с переменным током поставить диод, отрицательная
сторона цикла напряжения исчезнет, и в итоге получится только положительное напряжение, как показано на рис. 5.8.

Рис. 5.8.
Использование диода для выпрямления
переменного тока

Если внимательно рассмотреть форму волны напряжения, выходящего из этого выпрямительного диода, видно, что она состоит из интервалов, которые чередуются между коротким повышением напряжения
и периодами его полного отсутствия. Это форма постоянного тока, поскольку он полностью состоит из положительного напряжения, однако он пульсирует: сначала включается, затем выключается, потом снова включается и т. д.
Напряжение, выпрямленное одним диодом, остается выключенным
половину времени, поэтому хотя положительное напряжение достигает того же пикового уровня, что и входное напряжение, средний уровень выпрямленного напряжения — это лишь половина уровня входного напряжения. Этот тип выпрямительной схемы иногда называют
полуволновым выпрямителем, поскольку он пропускает только половину формы волны входящего переменного тока.

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

313

В более совершенных выпрямителях используются четыре выпрямительных диода, соединенных по специальной схеме, называемой
полноволновым выпрямителем (его часто называют мостовым выпрямителем). На рис. 5.9 показана схема полноволнового выпрямителя.

Выход
Рис. 5.9.
Схема полноволнового выпрямителя, известного
как мостовой
выпрямитель

Вход

Посмотрите, как этот выпрямитель работает на обеих сторонах входного сигнала переменного тока:

В первой половине цикла переменного тока диоды D2
и D3 проводят ток, потому что они смещены вперед.
Положительное напряжение находится на аноде D2, а отрицательное — на катоде D3. Таким образом, эти два диода
работают вместе, чтобы пропустить через себя первую половину сигнала.
Во второй половине цикла переменного тока диоды D1 и D4
работают, потому что они смещены вперед: положительное
напряжение находится на аноде D1, а отрицательное — на катоде D4.

Главный результат работы мостового выпрямителя заключается в том,
что обе половины синусоиды переменного тока пропускаются через
него, но отрицательная половина волны инвертируется так, что становится положительной.

ПРИМЕЧАНИЯ

314

В результате сигнал постоянного тока не падает до нуля в течение половины цикла. Однако стабильности все равно нет. Вспомните, что вы
узнали в главах 3 и 4 этой части. И конденсаторы, и индукторы можно использовать, чтобы замедлять изменения тока и напряжения. Так,
конденсаторы и индукторы часто используют в схемах источников питания, чтобы улучшить качество постоянного напряжения, выходящего из выпрямительной схемы. Подробнее о том, как это делается, вы
узнаете из главы 2 части 4, но сначала давайте посмотрим, как работают выпрямители.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

СОВЕТ

Для удобства мостовые выпрямительные схемы часто собирают в один
компонент. Например, на рис. 5.10 показана типичная схема мостового выпрямителя KBPC 6005. Эту модель рекомендуют для входного напряжения до 50 В и тока до 6 А.

Рис. 5.10.
Корпус мостового
выпрямителя

Сборка схемы выпрямителя
В Проекте 16 вы соберете простые полуволновые и мостовые схемы
выпрямителя, чтобы увидеть, как диоды могут преобразовывать переменный ток в постоянный. В этой схеме не нужно смотреть, горит ли
лампочка, достаточно использовать вольтметр, чтобы убедиться, что
диоды выполняют свою работу. Для безопасности в качестве источника переменного тока используйте адаптер переменного тока на 9 В.

СОВЕТ

Чтобы с напряжением адаптера переменного тока 9 В было легче работать, я предлагаю отрезать вилку питания, отделить два провода, снять
с концов немного изоляции и прикрепить к ним зажимы крокодил, они
значительно облегчают подключение блока питания.
Прежде чем приступить к сборке проекта, с помощью мультиметра измерьте напряжение переменного тока, создаваемое адаптером питания. Хотя на нем может быть написано 9 V AC (9 В переменного тока),
фактическое напряжение, которое вы измеряете, может быть немного
больше 9 В переменного тока.
Подробную информацию о выпрямителях и их использовании в схемах источников питания вы найдете в главе 2 части 4. В оставшейся части этой главы обратите внимание на другой полезный тип диодов — светоизлучающий.

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

315

Проект 16. Схемы выпрямителей
В этом проекте вы построите простой полуволновой выпрямитель и мостовой выпрямитель. Выпрямители подключаются к источнику переменного тока напряжением 9 В, затем с помощью мультиметра измеряется выходное напряжение постоянного тока, чтобы убедиться, что
переменное напряжение преобразовалось в постоянное.

316

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Детали
»
»

Один адаптер питания 9 В переменного тока.
Два провода крокодил (с зажимами крокодил на обоих
концах).

» Одна небольшая беспаечная макетная плата.
» Четыре выпрямительных диода 1N4001 .
» Один мультиметр с функциями вольтметра переменного и постоянного тока.

Порядок действий
Начнем с простого полуволнового выпрямителя:

Вставьте один из диодов в беспаечную макетную плату.
Вставьте анод в отверстие B10, а катод — в отверстие B15.
(Катод — это вывод с полоской рядом с ним.)

Настройте мультиметр на подходящий диапазон постоянного напряжения.
10 В постоянного тока или 20 В постоянного тока будет
вполне достаточно.

Подключите один провод адаптера питания к аноду.
Анодом является провод, вставленный в отверстие B10.

Подключите другой провод адаптера питания к черному
щупу мультиметра.
Используйте зажим .

Подключите адаптер питания к розетке.
При подключении адаптера питания будьте осторожны:
два провода адаптера питания не должны соприкасаться.
Возникшее короткое замыкание может повредить адаптер.

Прикоснитесь красным щупом мультиметра к катоду диода, чтобы измерить постоянное напряжение, выпрямленное диодом.
Обратите внимание: постоянное напряжение составляет примерно половину входного переменного напряжения. Это потому, что один диод пропускает только половину синусоиды
переменного тока.

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

317

Отключите адаптер питания.
Сборка полуволнового выпрямителя закончена. Теперь соберем мостовой выпрямитель.

Вставьте три оставшиеся диода, чтобы закончить сборку
схемы мостового выпрямителя.
Когда закончите, четыре диода должны быть вставлены
в следующие отверстия:
Катод (вывод с полоской)

Анод

B15

B10

A10

D15

Обратите внимание: первые два диода имеют общий вывод в ряду 10, а вторые два диода — общий вывод в ряду 9.
Убедитесь, что не вставили все четыре диода в один ряд. Если
так сделаете, схема мостового выпрямителя не будет работать.

Подключите один провод адаптера питания переменного
тока к выводу диода в отверстии A5.

10. Подключите другой провод адаптера переменного тока
к выводу диода в отверстии B15.

11.
12.

Подключите адаптер переменного тока на 9 В.
Измерьте напряжение на мостовом выпрямителе.
Подключите черный щуп мультиметра к выводу диода в отверстии A10, а красный щуп — к выводу диода в отверстии E9.
Будьте осторожны, чтобы случайно не закоротить ни один
из выводов, когда вы касаетесь их щупами вольтметра.

Знакомство со светодиодами
Светоизлучающий диод (светодиод) — это особый тип диода, который
излучает видимый свет при прохождении через него тока. Наиболее распространенный тип светодиодов излучает красный свет, но существуют
также светодиоды, излучающие синий, зеленый, желтый или белый свет.
Условное обозначение светодиода показано на полях, а на рис. 5.11 показано, как определить, какой из двух выводов, выступающих из нижней части
светодиода, является катодом, а какой — анодом. Обратите внимание, что
провода разной длины: более короткий вывод — это катод, а анод — более

318

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

длинный вывод. Когда используете светодиод в схеме, важно правильно
сориентировать его. Если вставите светодиод в схему в обратном порядке
(катодом туда, где должен быть анод, и наоборот), схема не будет работать.

Рис. 5.11.
Светодиод. Более
короткий вывод — это
катод

ОСТОРОЖНО!

Когда вы используете светодиод в схеме, должны применить некоторое сопротивление последовательно со светодиодом, как показано
на схеме на рис. 5.12. В противном случае светодиод будет гореть ярко
в течение одного мгновения, а затем перегорит сам. В этом примере
светодиод подключен к источнику постоянного напряжения 9 В через
резистор 470 Ом.

Рис. 5.12.
Резистор должен
быть подключен
последовательно со
светодиодом

ПРИМЕЧАНИЯ

Строго говоря, резистор нужен для ограничения тока светодиода только в том случае, если на светодиод подается напряжение большее, чем
рассчитано на резистор (обычно около 2 В). Однако для безопасности
почти всегда используется токоограничивающий резистор.
Чтобы определить значение резистора, необходимо знать три параметра:

»
»

Напряжение питания. Например, 9 В.
Падение напряжения на светодиоде. Для большинства
красных светодиодов падение прямого напряжения — 2 В.
Для других типов светодиодов оно может быть другим. Если
вы используете светодиоды других типов, проверьте спецификации на упаковке.
Желаемый ток через светодиод. Обычно ток, протекающий
через светодиод, не должен превышать 20 мА.

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

319

Если вы знаете эти три параметра, можете использовать закон Ома для
расчета нужного сопротивления. Расчет состоит всего из четырех шагов:

Рассчитайте падение напряжения на резисторе.
Для этого из общего напряжения питания вычтите падение
напряжения на светодиоде (обычно 2 В). Например, если общее напряжение питания 9 В, а на светодиоде падает 2 В, падение напряжения на резисторе — 7 В.

Переведите требуемую силу тока в амперы.
В законе Ома ток должен быть выражен в амперах. Вы можете преобразовать миллиамперы в амперы, разделив миллиамперы на 1000. Таким образом, если требуемый ток через
светодиод составляет 20 мА, при расчете закона Ома нужно
использовать 0,02.

Разделите падение напряжения на резисторе на силу тока
в амперах.
Это даст вам требуемое сопротивление в омах. Например,
если падение напряжения на резисторе 7 В, а требуемый
ток — 20 мА, вам нужен резистор сопротивлением 350 Ом.

Округлите до ближайшего стандартного значения
резистора.
Следующее более высокое значение резистора, чем
350 Ом, — 390 Ом. Если не можете найти резистор 390 Ом,
подойдет резистор 470 Ом.
Обратите внимание, что небольшое увеличение сопротивления приведёт к тому, что через резистор будет проходить чуть меньший ток, но разница будет незаметна. Однако
не следует использовать резисторы с меньшим сопротивлением — уменьшение сопротивления увеличивает ток, что может повредить светодиод.

Вот несколько тонкостей, которые нужно учитывать при работе
со светодиодами:

320

Если вы собираетесь последовательно соединить несколько
светодиодов, просто сложите падения напряжения, чтобы
рассчитать размер необходимого резистора. Например, если
у вас есть батарея на 9 В, которая будет подавать напряжение на три светодиода, у каждого из которых падение 2 В,
общее падение напряжения составит 6 В, поэтому падение
напряжения на резисторе будет равно 3 В. Используя закон
Ома, можете рассчитать, что резистор, необходимый для
ограничения тока до 20 мА, равен 150 Ом.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

При напряжении 9 В и ниже резисторы ¼ Вт будут более чем
достаточны. Если вы подаете на светодиодную цепь большее напряжение, могут понадобиться резисторы, способные
выдержать большую мощность. Чтобы рассчитать, на какую
мощность в ваттах должен быть рассчитан резистор, просто
умножьте напряжение, падающее на резисторе, на силу тока
в амперах. Например, если падение напряжения на резисторе составляет 3 В, а ток — 20 мА, мощность, рассеиваемая
резистором, будет 0,06 Вт, что намного меньше пределов
резистора ¼ Вт.
Вы можете получить два светодиода, обычно разных цветов,
объединенных в одном корпусе. Зеленый и красный — распространенная комбинация. Когда два светодиода собраны
в одном корпусе, они обычно подключаются друг к другу.
Таким образом, вы можете управлять тем, какой светодиод
горит, изменяя полярность напряжения, подаваемого на светодиод. В некоторых случаях используется третий провод.
Он подключается к катоду обоих светодиодов. Третий вывод
позволяет зажечь оба светодиода, что дает третий цвет.
Например, из комбинации зеленого и красного светодиодов
получается желтый.

Использование светодиодов
для определения полярности
В этом разделе вы выполните проект, в котором два светодиода используются для определения полярности входного напряжения. Напряжение
подается от батареи 9 В, подключенной к схеме через рубильник DPDT,
который подключен для изменения полярности батареи. Два светодиода
и соответствующие им резисторы установлены на небольшой беспаечной макетной плате. На рис. 5.13 показана собранная схема.

Рис. 5.13.
Собранный
детектор
полярности
светодиодов
(Проект 17 )

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

321

Проект 17. Светодиодный
детектор полярности
В этом проекте вы соберете детектор полярности, который использует
светодиоды для индикации полярности источника питания.
Для схемы вам понадобятся: маленькая крестовая отвертка, обычные
кусачки и кусачки для зачистки проводов.

Детали
» Одна батарейка 9 В.
» Один защелкивающийся держатель для батареи 9 В.
» Один рубильник DPDT.
» Два красных светодиода, 5 мм.
» Два резистора 470 Ом.
» Два соединительных провода длиной менее 1 дюйма.
» Четыре 5-дюймовых многожильных провода 22 калибра
(0,6 мм).

322

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Порядок выполнения
На протяжении всех шагов используйте отрицательную (-) шину на нижней стороне платы в качестве заземления, а положительную (+) шину
на верхней стороне платы в качестве положительного напряжения.

Снимите ½ дюйма изоляции с каждого конца проводов.

Откройте выключатель.
Переведите рукоятки в вертикальное положение так, чтобы
ни один из контактов не был подключен.

Подсоедините красный провод от держателя батареи
к контакту 1X рубильника.

Подсоедините черный провод от аккумулятора к контакту
2X рубильника.

С помощью 5-дюймового провода соедините контакт 1B
рубильника с контактом 2A.

5-дюймовым проводом соедините контакт 2B рубильника
с контактом 1A.

С помощью 5-дюймового провода подключите контакт 1A
рубильника к любому отверстию на положительной шине
макетной платы.

5-дюймовым проводом подключите контакт 2A рубильника
к любому отверстию на отрицательной шине макетной платы.

С помощью короткого провода-перемычки соедините отверстие J8 на макетной плате с любым соседним отверстием на положительной шине.

10. С помощью короткого провода-перемычки соедините отверстие A10 с любым соседним отверстием на положительной шине.

11.

Вставьте один из резисторов в отверстие B8 и любое соседнее отверстие на отрицательной шине.

12.

Вставьте другой резистор в отверстие B10 и любое соседнее отверстие на отрицательной шине.

ГЛАВА 5.Работа с диодами и светодиодами

323

13.

Подключите два светодиода на макетной плате в следующем порядке:
Катод (короткий провод)

Анод (длинный провод)

Отверстие E8

Отверстие F8

Отверстие F10

Отверстие E10

Обратите внимание, что полярность двух светодиодов изменена относительно друг друга так, что один светодиод пропускает ток в одном направлении, а другой —
в противоположном.

14.

Вставьте батарейку 9 В в держатель батареи.

15.

Переведите переключатель в положение A.
Светодиод в ряду 8 загорится, потому что напряжение от батареи подается на этот светодиод.

16.

Переведите рубильник в положение B.
Светодиод в ряду 8 погаснет, но загорится светодиод
в ряду 10. Это происходит потому, что при переключении рубильника полярность диодов меняется на противоположную.

324

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Узнаете о волшебных электронных
устройствах

» Поймете основные принципы работы
транзистора

» Изучите различные типы
транзисторов

» Научитесь использовать транзистор
в качестве усилителя

» Научитесь использовать транзистор
в качестве переключателя

» Построите нескольких простых схем
транзисторов

Гл а в а 6

Работа с транзисторами
родился всего через несколько лет после начала эры транзисторов. Когда я был маленьким, иногда снимал заднюю крышку нашего старого черно-белого телевизора (когда родителей не было
дома) и удивлялся аккуратным электронным штучкам внутри. Помимо
огромной трубки с изображением, самыми интересными устройствами
в нем были маленькие стеклянные лампочки размером с мой большой
палец. Насколько я помню, их были сотни, и каждая светилась приятным теплым оранжевым светом.

К тому времени, когда я стал достаточно взрослым, чтобы начать изучать электронику, старый телевизор заменили новым цветным, внутрь
которого было не так интересно смотреть. Большая трубка с изображением все еще была на месте, но все маленькие светящиеся трубки
размером с большой палец были заменены маленькими серебряными
баночками размером меньше наперстка.
Их заменили транзисторы, и я их ненавидел. Лампы были гораздо интереснее транзисторов. Они нагревались и светились. Внутри них можно было разглядеть маленькие проволочные структуры — маленькие
башни с сетками, решетками и еще неизвестно чем. Транзисторы выглядели как маленькие наперстки. Как будто кто-то собрал телевизор
из вещей, найденных в мамином ящике для шитья.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

325

Я был совершенно уверен, что космические корабли в моих любимых
телешоу, таких как «Звездный путь», «Затерянные в космосе» и «Земля
гигантов», работают на лампах, а не на транзисторах. И только когда
я узнал, что настоящие космические корабли, такие как Gemini и Apollo,
были заполнены транзисторами и в них не было ни одной лампы, решил, что, возможно, транзисторы — это нормально. Если они были достаточно хороши для NASA, они были достаточно хороши и для меня.
За 40 лет, прошедших с тех пор, как мой отец купил первый цветной
телевизор, маленькие транзисторы размером с наперсток уступили место транзисторам, которые стали буквально в миллионы раз меньше.
Сегодня мы можем разместить 100 миллионов транзисторов на одном
кусочке кремниевого кристалла размером с ваш ноготь.
В этой главе вы узнаете, что такое транзисторы и как их можно использовать в ваших схемах. Попутно построите несколько простых транзисторных схем, чтобы узнать, как они работают.

Что такого особенного в транзисторах?
Вот что интересно о транзисторе: когда они были изобретены в 1947 году,
они не делали ничего такого, что не было сделано раньше, но делали
это совершенно по-новому.
Основная идея транзистора заключается в том, что он позволяет управлять током, проходящим по одному каналу, изменяя интенсивность гораздо меньшего тока, проходящего по второму каналу.
Представьте себе транзистор как электронный рычаг. Рычаг — это
устройство, которое позволяет поднять большой груз, приложив небольшое усилие. По сути, рычаг усиливает ваше усилие. То же самое делает транзистор: он позволяет использовать небольшой ток для управления гораздо большим током.
На рис. 6.1 показано несколько различных видов транзисторов, которые используются сегодня. Как видите, транзисторы бывают самых
разных размеров и форм. Но у каждого есть три вывода.

Почему были изобретены транзисторы?
Устройства, выполняющие функции транзистора, существовали уже
30–40 лет до его изобретения. Они назывались вакуумными трубками.

326

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рис. 6.1.
Транзисторы бывают разных форм
и размеров

Вакуумная трубка состояла из вакуумной камеры из стекла или металла, элемента, который нагревал пространство внутри камеры, и электродов, которые выступали внутрь камеры. (Я использую прошедшее
время, потому что, хотя вакуумные трубки все еще существуют, они
используются не так уж часто.)
Один из особых типов вакуумных трубок назывался триодом; у него
было три электрода. В триоде большой ток, протекающий через два
электрода (анод и катод), можно было регулировать, поместив между
катодом и анодом проволочную сетку (так называемую управляющую
сетку). Подача небольшого тока на эту сетку замедляла поток электронов между катодом и анодом.
Не сразу догадались, что на управляющую сетку можно подавать колеблющийся сигнал, например радио- или аудиоволну. При этом ток
на аноде следовал колебаниям тока управляющей сетки, но с гораздо большими изменениями. Таким образом, триод представлял собой
электронный рычаг: небольшие колебания тока на управляющей сетке
усиливались, создавая большие колебания тока на аноде.
Триод вакуумной трубки был запатентован в 1907 году и стал ключевым изобретением, позволившим создать радио, телевидение и компьютеры. Но у вакуумных трубок было много серьезных ограничений:
они были дорогими в производстве, большими (самые маленькие были
размером с большой палец), требовали много энергии для работы, выделяли много тепла и служили только несколько лет, а потом перегорали и их надо было менять.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

327

Транзистор все изменил. Транзистор выполняет ту же функцию, что
и триод вакуумной трубки, но использует полупроводниковые переходы вместо нагретых электродов в вакуумной камере. Хотя транзистор не делал ничего такого, чего бы уже не делал триод вакуумной
трубки, он делал это принципиально иным способом, который имел
огромные преимущества перед вакуумной трубкой. Самые первые
транзисторы были маленькие, требовали очень мало энергии для работы, выделяли гораздо меньше тепла и служили гораздо дольше, чем
вакуумные трубки.

Заглянем внутрь транзистора
Существует множество разновидностей транзисторов. Самый простой
тип — биполярный транзистор. Биполярные транзисторы легче всего
понять, и именно их обычно используют любители, поэтому большая
часть этой главы посвящена биполярным транзисторам. Некоторые
другие типы транзисторов я опишу позже в этой главе. Но пока —
да и на протяжении всей книги — можете считать, что всякий раз, когда я использую термин транзистор, имею в виду именно биполярный.
Теперь давайте заглянем внутрь транзистора и посмотрим, как он
работает.
В предыдущей главе вы узнали, что диод — это простейший тип полупроводника, изготовленный из одного p-n-перехода, который представляет собой соединение двух различных типов полупроводников:
одного, которому не хватает нескольких электронов, и поэтому он имеет положительный заряд (полупроводник p-типа), и другого, у которого есть несколько лишних электронов, и поэтому он имеет отрицательный заряд (полупроводник n-типа).
Сам по себе p-n-переход работает как односторонний затвор для тока.
Другими словами, p-n-переход позволяет току течь в одном направлении, но не в другом. Диод — это просто p-n-переход с выводами
на обоих концах.
Транзистор похож на диод с третьим слоем полупроводников p-типа
или n-типа на одном конце. Таким образом, у транзистора не две, а три
области. Интерфейс между областями образует p-n-переход. Таким образом, транзистор можно представить себе как полупроводник с двумя p-n-переходами.
На рис. 6.2 показана структура двух распространенных типов транзисторов вместе с их условными обозначениями.

328

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Коллектор

N-тип
База
Р-тип
N-тип

Транзистор NPN

Эмиттер

Коллектор

Р-тип

База
N-тип
Р-тип

Рис. 6.2.
Транзисторы
NPN и PNP

Транзистор PNP

Эмиттер

Один из способов изготовления транзистора — это полупроводник
p-типа, помещенный между двумя полупроводниками n-типа. Такой
транзистор называется NPN-транзистором, потому что у него три области: n-типа, p-типа и n-типа. Он показан в верхней части рис. 6.2.
Другой способ изготовления транзистора — прямо противоположный,
с полупроводником n-типа, помещенным между двумя полупроводниками p-типа. Этот тип называется PNP-транзистором, потому что три
его области — p-тип, n-тип и p-тип. Он показан в нижней части рис. 6.2.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

329

К каждой из трех областей полупроводникового материала в транзисторе прикреплен вывод, и каждому из этих выводов дано название:

»
»
»

Коллектор. Этот вывод прикреплен к самой большой
из полупроводниковых областей. Ток течет через коллектор
к эмиттеру под управлением базы.
Эмиттер. Прикреплен ко второй по величине области полупроводника. Когда напряжение базы позволяет, ток течет
через коллектор к эмиттеру.
База. Прикреплена к средней полупроводниковой области.
Эта область служит в качестве затворного устройства, определяющего, сколько тока будет протекать через цепь коллектор-эмиттер. Когда напряжение прикладывается к базе,
току разрешается течь.

Эти два направления тока важны в транзисторе:

»
»

Коллектор-эмиттер. Основной ток, протекающий через
транзистор. Напряжение, приложенное к коллектору и эмиттеру, часто называют V%#, а ток, протекающий от коллектора
к эмиттеру, называют I%#.
База-эмиттер. Путь, который обеспечивает протекание тока
от коллектора к эмиттеру. Напряжение на пути база-эмиттер
обозначается VBE и иногда называется L
. Ток от базы к эмиттеру обозначается IBE.

Прежде чем перейти к более подробному описанию транзисторов, следует рассмотреть несколько дополнительных моментов.

»
»
»
СОВЕТ

330

В транзисторе NPN эмиттер — это отрицательная сторона
транзистора. Коллектор и база — положительные стороны.
В транзисторе PNP эмиттер — это положительная сторона
транзистора. Коллектор и база — отрицательные стороны.
Большинство схем, которые можно построить на NPNтранзисторе, можно построить и на PNP-транзисторе.
Но в этом случае нужно не забыть перевернуть разъемы
питания.
На принципиальных схемах транзисторы обычно обозначаются буквой Q.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

»
ПРИМЕЧАНИЯ

Есть определенные причины, по которым для обозначения
трех выводов транзистора были выбраны термины
.
+ /. Эти причины связаны с внутренней работой
транзистора, которую вам необязательно знать для чтения
этой книги, поэтому, пожалуйста, поверьте на слово: придумали эти термины не для того, чтобы вас запутать.

Технические характеристики транзисторов
Транзисторы — более сложные устройства, чем резисторы, конденсаторы, индукторы и диоды. Если у тех компонентов всего несколько
технических характеристик, которые нужно учитывать (сопротивление
в омах и максимальная рассеиваемая мощность в ваттах), у транзисторов их огромное количество.
Полные характеристики любого транзистора можно найти, просмотрев
его спецификацию в Интернете: просто введите номер детали в поисковую систему. В техническом паспорте вы найдете интересные факты об интересующем вас транзисторе, а графики и диаграммы могут
понравиться только инженеру-ракетчику.
Если вы инженер-ракетчик и думаете использовать транзистор в ракете, конечно, обращайте внимание на каждую деталь в таблице данных. Но если пытаетесь заняться проектированием схемы, обращайте внимание только на самые важные характеристики — в частности,
на следующие:

»
»

Коэффициент усиления по току (HFE). Этот параметр показывает способность транзистора усиливать сигнал и представляет собой отношение тока базы к току коллектора.
Типичные значения варьируются от 50 до 200. Чем выше это
число, тем больше транзистор способен усилить входящий
сигнал.
Напряжение коллектор-эмиттер (VCEO). Максимальное напряжение на коллекторе и эмиттере. Обычно оно составляет
30 В и более, это значительно выше уровней напряжения,
с которыми вы работаете в большинстве схем.
Напряжение эмиттер-база (VBEO). Максимальное напряжение
на эмиттере и базе. Обычно это относительно небольшое
число, например 6 В. Большинство схем рассчитано на подачу на базу только небольших напряжений, поэтому этот
предел обычно не имеет значения.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

331

»
»

ЗАПОМНИТЕ

Напряжение коллектор-база (VCBO). Максимальное напряжение на коллекторе и базе. Обычно оно составляет 50 В
и более.
Ток коллектора (ICE). Максимальный ток, который может протекать через коллекторно-эмиттерный тракт. В большинстве
схем для ограничения этого тока используется резистор;
значение резистора должно быть рассчитано по закону Ома,
чтобы ток коллектора не превышал предельного значения.
Длительное превышении это предела может привести к повреждению транзистора.
Общая рассеиваемая мощность (PD). Это общая мощность,
которая может быть рассеяна устройством. Для большинства
маленьких транзисторов номинальная мощность составляет
порядка нескольких сотен милливатт (мВт).

Эти характеристики нужны только в том случае, если вы разрабатываете собственные схемы. Если собираете схему, которую нашли в книге или в Интернете, все, что вам нужно знать, — это номер транзистора, указанный в схеме.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярные транзисторы — не единственные транзисторы на рынке
полупроводниковом. Полевые транзисторы 3Q(#$=L#QQ#%&&'<1*(*&9'.
Z[\4стали чрезвычайно популярными в последние годы, особенно
в качестве строительных блоков для интегральных схем (integrated
circuits, IC). Полевые транзисторы можно сделать гораздо меньше,
чем биполярные, и они потребляют гораздо меньше тока.
Полевые транзисторы ведут себя так же, как и биполярные, но у них
своя номенклатура: вместо /.+ и
выводы
полевого транзистора называются
. и . Внутри полевой транзистор очень сильно отличается от биполярного. Вместо
пары p-n-переходов полевой транзистор состоит из одного куска
полупроводника n- или p-типа с нанесенным на него специальным
веществом, которое может управлять током, проходящим через
полупроводник.
Существует около дюжины различных типов полевых транзисторов,
но наиболее часто используются ]J^Z[\ (от англ. T#&<$L9_(=#L
*#T(%91=)%&9'Q(#$=L#QQ#%&&'<1*(*&9') и JFET (от англ. f)1%&(91Q(#$=L
#QQ#%&&'<1*(*&9').

332

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Полевые транзисторы весьма чувствительны к случайному статическому разряду. Если вы прикоснетесь к полевому транзистору
и услышите легкий хлопок, когда статическое электричество с вашей
кожи проникает через FET, можете смело выбрасывать его. Всегда
принимайте меры предосторожности против статического разряда,
когда имеете дело с полевым транзистором или интегральной схемой,
содержащей полевые транзисторы.

Усиление с помощью транзистора
Самый распространенный способ использования транзистора в качестве усилителя показан на рис. 6.3. Этот тип схемы иногда называют
схемой с общим эмиттером, потому что эмиттер соединен с землей,
а это значит, что и входной, и выходной сигналы имеют общее соединение с эмиттером.

ПРИМЕЧАНИЯ

Существуют еще два способа использования транзистора в качестве усилителя, которые называются общая база и общий коллектор. Как вы
уже догадались, они подразумевают подключение базы и коллектора к земле соответственно. Схемы с общим эмиттером используются
чаще, чем схемы с общим основанием или общим коллектором, поэтому именно их я и показываю в этой главе.

Выход
Вход

Рис. 6.3.
Базовая схема
транзисторного усилителя

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

333

Схема на рис. 6.3 использует пару резисторов в качестве делителя напряжения, чтобы контролировать, какое напряжение подается на базу
и эмиттер транзистора. Затем переменный сигнал со входа накладывается на это напряжение смещения, чтобы изменить ток смещения.
Затем с коллектора и эмиттера снимается усиленный выходной сигнал.
Изменения тока смещения усиливаются в выходном токе.
В главе 2 этой части вы узнали, что делитель напряжения — это просто пара резисторов. Напряжение на обоих резисторах равно сумме напряжений на каждом резисторе в отдельности. Вы можете разделить
напряжение любым способом, подобрав правильные значения резисторов. Если резисторы одинаковые, делитель напряжения уменьшает напряжение в два раза. В противном случае вы можете использовать
простую формулу для определения соотношения, на которое делится
напряжение. (Если хотите вспомнить формулу, обратитесь к главе 2
этой части.)
Если внимательно посмотрите на схему на рис. 6.3, увидите, что в схеме на самом деле два делителя напряжения. Первый — это комбинация резисторов R1 и R2, которые подают напряжение смещения на базу
транзистора. Второй — комбинация резисторов R3 и R4, которые обеспечивают напряжение на выходе.
На самом деле в делителе выходного напряжения есть и третий резистор: коллекторно-эмиттерный тракт самого транзистора. Один из распространенных способов объяснить работу транзистора — представить
коллекторно-эмиттерный тракт как потенциометр (переменный резистор), ручка которого поворачивается напряжением смещения.
Этот второй делитель напряжения — делитель переменного напряжения. Отношение сопротивлений меняется в зависимости от напряжения
смещения, а значит, меняется и напряжение на коллекторе. Усиление
происходит потому, что очень малые изменения входного сигнала отражаются в гораздо больших изменениях выходного сигнала.

ПРИМЕЧАНИЯ

Я специально использовал слово отражаются в предыдущем абзаце:
в схеме усилителя с общим эмиттером усиленный выход — это отражение входного сигнала. Другими словами, положительные колебания напряжения на входе проявляются как отрицательные колебания
на выходе. По-другому можно сказать, что выходной сигнал инвертирован — это просто причудливый способ сказать, что он перевернут.
Поскольку это достаточно сложная схема, рассмотрим ее более
внимательно:

334

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

»
»
»

СОВЕТ

Входной сигнал поступает в левую часть схемы в виде сигнала, у которого обычно как постоянная, так и переменная
составляющие. Другими словами, напряжение колеблется,
но никогда не бывает отрицательным.
Одна сторона входа соединена с землей, к которой также
подключен отрицательный полюс батареи. Эмиттер транзистора также соединен с землей (через резистор), как и одна
сторона выхода.
Назначение C1 — блокировать постоянную составляющую
входного сигнала. Через конденсатор проходит только чистый переменный ток. Без этого конденсатора любое постоянное напряжение во входном сигнале будет добавлено
к напряжению смещения, подаваемому на транзистор, что
может помешать транзистору точно усиливать переменную
часть входного сигнала.
R1 и R2 образуют делитель напряжения, который определяет,
сколько постоянного напряжения подается на базу транзистора. Часть сигнала переменного тока, прошедшая через
C1, объединяется с этим постоянным напряжением, в результате чего ток базы транзистора изменяется в зависимости
от напряжения.
R3, R4 и переменное сопротивление цепи коллектор-эмиттер образуют делитель напряжения на выходе усилителя.
Усиление происходит потому, что к выходной цепи приложено полное напряжение источника питания. Переменное
сопротивление цепи коллектор-эмиттер отражает малый
входной сигнал переменного тока на гораздо больший выходной сигнал.
C2 блокирует постоянную составляющую выходного сигнала, так что на следующий каскад усилителя передается
только чистый переменный ток.

Сложность проектирования транзисторных усилителей заключается
в правильном выборе правильных значений всех резисторов и конденсаторов. Это требует более глубоких математических и инженерных знаний и выходит за рамки данной книги. Большинство любителей могут обойтись опубликованными схемами, которые можно найти
в готовых наборах или в Интернете. Но если вы действительно хотите узнать, как рассчитать эти значения самостоятельно, можете найти
отличные учебные пособия. Просто наберите в поисковике common
emitter — и найдете, что ищете.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

335

ВОЛШЕБНЫЙ ГОРШОЧЕК
Мой университетский преподаватель электроники объяснял, что
транзистор работает как
A/ , или, как мы, дети,
любили его называть,
A/" A . Мы шутили, что Паффу
из «Волшебного дракона» понравился бы урок электроники именно
из-за волшебного горшка.
Основная идея заключается в следующем: транзистор работает как
комбинация диода и переменного резистора, который еще называют
потенциометром, или горшком. Но это не просто обычный горшок,
а волшебный горшок, ручка которого таинственным образом связана
с диодом невидимыми лучами, примерно так:

Коллектор

База

Эмиттер
Когда на диод подается прямое напряжение, ручка волшебного
горшка поворачивается подобно стрелке вольтметра. При этом изменяется сопротивление потенциометра, что, в свою очередь, изменяет
величину тока, который может протекать через коллекторно-эмиттерный тракт.
Обратите внимание: волшебный потенциометр подключен таким
образом, что при увеличении напряжения смещения сопротивление
уменьшается. Когда напряжение смещения уменьшается, сопротивление увеличивается.
У волшебного потенциометра есть еще одно волшебное свойство: его
максимальное сопротивление бесконечно. Реальные потенциометры имеют конечное максимальное сопротивление, например 10 Ом
или 1 МОм, но волшебный горшок имеет бесконечное максимальное
сопротивление.

336

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Зная свойства волшебного горшочка, вы можете представить, как
работает транзистор. Есть три положения, в которых может находиться волшебная ручка, что соответствует трем режимам работы
транзистора.

•

•
•

Бесконечное сопротивление. Когда напряжение смещения
отсутствует, ручка волшебного горшочка вращается в одну сторону, обеспечивая бесконечное сопротивление. Таким образом,
через транзистор не течет ток. (На самом деле, помните, база
транзистора похожа на диод, а это значит, что требуется определенное прямое напряжение, прежде чем ток начнет течь через
базу. Волшебный горшочек остается в бесконечном положении,
пока это напряжение (обычно около 0,7 В) не будет достигнуто.)
Это состояние называется отсечкой, потому что ток отключается. Никаких ампер!
Некоторое сопротивление. Когда напряжение смещения переходит через 0,7 В, диод начинает проводить ток, и невидимые лучи
начинают поворачивать ручку волшебного горшка. Начинает
течь ток. Сила тока зависит от того, насколько сильно напряжение смещения заставило повернуться ручку.
Сопротивления нет. В конце концов напряжение смещения
поворачивает ручку до упора, и сопротивления нет вообще. Ток
беспрепятственно проходит через цепь коллектор-эмиттер.
Вы можете продолжать увеличивать напряжение смещения,
но не можете опустить сопротивление ниже нуля! Это состояние
называется насыщением.

Использование транзистора
в качестве переключателя
Одно из самых распространенных применений транзисторов — использование их в качестве простых переключателей: транзистор проводит
ток от коллектора к эмиттеру только тогда, когда на базу подается напряжение. Когда напряжения на базе нет, переключатель выключен.
Когда напряжение на базе есть, переключатель включен.
В идеальном переключателе транзистор должен находиться только в одном из двух состояний: выключенном или включенном. Транзистор выключен, когда напряжение смещения отсутствует или когда напряжение

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

337

Рис. 6.4.
Переключение светодиода с помощью
NPN-транзистора

смещения меньше 0,7 В. Транзистор включен, когда база насыщена так,
что ток коллектора может протекать без ограничений.
На рис. 6.4 показана схема цепи, в которой NPN-транзистор в качестве
переключателя включает или выключает светодиод.
Рассмотрите каждый компонент этой схемы.

»
»

338

Светодиод. Это стандартный красный светодиод диаметром 5 мм. Этот тип светодиода имеет падение напряжения
1,8 В и рассчитан на максимальный ток 20 мА.
R1. Этот резистор сопротивлением 100 кОм ограничивает
ток, протекающий в базу транзистора. Вы можете использовать закон Ома, чтобы рассчитать ток в базе. Поскольку
на переходе база-эмиттер падает напряжение около 0,7 В
(как и на диоде), напряжение на R1 равно 5,3 В. Деление
5,3 на 100 000 дает ток 0,000053 А, или 0,053 мА. Таким
образом, коллекторный ток (ICE) 12,7 мА управляется гораздо
меньшим базовым током (IBE).
R2. Этот резистор 330 Ом ограничивает ток через светодиод,
чтобы предотвратить его перегорание. Вы можете использовать закон Ома, чтобы рассчитать величину тока, который
будет пропускать резистор. Поскольку напряжение питания
составляет +6 В, а на светодиоде падает 1,8 В, напряжение
на R1 составит 4,2 В (6 — 1,8). Разделив напряжение на сопротивление, получите ток в амперах, примерно 0,127 А. Умножив
на 1000, получите ток в мА: 12,7 мА, что значительно ниже
предела в 20 мА.

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Q1. Это обычный NPN-транзистор. Я использовал транзистор
2N2222A, но подойдет практически любой NPN-транзистор.
R2 и светодиод подключены к коллектору, а эмиттер соединен
с землей. Когда транзистор включен, ток течет через коллектор
и эмиттер, тем самым зажигая светодиод. Когда транзистор
выключен, он работает как изолятор, и светодиод не горит.
SW1. Этот переключатель контролирует, пропускается ли
ток на базу. Замыкание этого переключателя включает транзистор, что приводит к протеканию тока через светодиод.
Таким образом, замыкание этого переключателя включает
светодиод, даже если переключатель не находится непосредственно в цепи светодиода.

Вы можете задаться вопросом, зачем нужен транзистор в этой схеме.
В конце концов, разве нельзя просто поместить выключатель в цепь
светодиода и обойтись без транзистора и второго резистора? Конечно,
можно, но это нарушит принцип, который иллюстрирует эта схема:
транзистор позволяет использовать малый ток для управления гораздо
большим. Если вся цель схемы — включить или выключить светодиод,
конечно, опустите транзистор и дополнительный резистор. Но при работе с более сложными схемами обнаружите множество случаев, когда
выход одного из этапов схемы очень мал, а вам нужен этот крошечный
ток для включения гораздо большего тока. В этом случае транзисторная схема, показанная здесь, — то, что нужно.

Схема управления светодиодом
В Проекте 18 вы собираете схему, показанную в предыдущем разделе.
В схеме используется транзистор для включения светодиода с помощью тока, который намного меньше тока светодиода. Схема для этого
проекта такая же, как и схема, показанная на рис. 6.4.
На рис. 6.5 показан выполненный проект.

Рис. 6.5.
Схема управления
светодиодом
(Проект 18 )

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

339

Если после завершения этого проекта вам захочется немного поэкспериментировать, вот несколько вариантов.

»
»

Попробуйте заменить R1 на резистор большего номинала, например 150 кОм, 220 кОм или 330 кОм. В какой момент ток базы перестанет быть достаточным для зажигания
светодиода?
Измерьте ток базы и ток коллектора.

•
•

U / /, отсоедините провод R1 в отверстии F5
и прикоснитесь щупами мультиметра к отсоединенному проводу
и клемме G5 на кнопке.
U /
, отсоедините вывод R1 в отверстии E10 и прикоснитесь щупами мультиметра к отсоединенному
выводу и аноду светодиода LED1 в отверстии A10.

Проект 18. Управление светодиодом
с помощью транзистора
В этом проекте вы построите схему, в которой транзистор используется для управления светодиодом. Транзистор позволяет небольшой
величине тока управлять большей величиной тока, проходящего через светодиод.
Для выполнения этого проекта понадобятся: обычные кусачки, кусачки для зачистки проводов и мультиметр.

340

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Катод

Светодиод

Анод
Транзистор 2N2222
Эмиттер
База
Коллектор

Детали
» Четыре батарейки AA.
» Один держатель для четырех батареек AA.
» Одна маленькая беспаечная макетная плата.
» Одна нормально открытая кнопка DIP на макетной плате.
» Один переключающий транзистор NPN, 2N2222A или
аналогичный.

»
»
»
»

Один 5 мм красный светодиод.
Один резистор 330 Ом (оранжевый-оранжевый-коричневый).
Один резистор 100 кОм (коричневый-черный-желтый).
Два 1¼-дюймовых провода-перемычки.

Порядок действий
На протяжении всех этих шагов используйте отрицательную (‒) шину
в нижней части платы как заземление, а положительную (+) шину
в верхней части платы как положительное напряжение.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

341

Установите кнопку на макетной плате так, чтобы она находилась между отверстиями G3, I3, G5 и I5.
Ориентируйте кнопку так, чтобы при ее нажатии замыкалась
цепь между G3 и G5.

2.
3.
4.

Установите резистор 100 кОм в отверстия E5 и F5.
Установите резистор 330 Ом в отверстие E10 и любое другое близлежащее отверстие в положительной шине в верхней части макетной платы.
Установите транзистор.
В следующей таблице указаны соединения для каждого
из трех выводов транзистора:

Вывод

Отверстие

Эмиттер

База

Коллектор

Установите светодиод.
Установите светодиод LED1 так, чтобы катод (короткий вывод) находился в отверстии A6, а анод (длинный вывод) —
в отверстии A10.

Установите первый провод-перемычку одним концом в отверстие J3, а другим — в любое соседнее отверстие в положительной шине в верхней части макетной платы.

Установите второй провод-перемычку одним концом в отверстие A4, а другим — в любое близлежащее отверстие отрицательной шины в нижней части макетной платы.

Подключите держатель батареи.
Красный провод должен входить в любое отверстие положительной шины в верхней части макетной платы; черный провод должен входить в любое отверстие отрицательной шины
в нижней части.

9. Вставьте четыре батарейки AA в держатель.
10. Нажмите на кнопку.
Светодиод загорится. Когда вы отпустите кнопку, светодиод
погаснет.

11.

Поздравляю!
Вы собрали свою первую транзисторную схему!

342

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рассмотрим простую схему инвертора
Затвор — это базовый компонент цифровой электроники, о котором
вы узнаете из части 5. Схемы затворов строятся на основе транзисторных переключателей, которые либо включены, либо выключены. Всего
есть 16 видов затворов, и вы узнаете обо всех в главе 2 части 5. Пока же
я хочу познакомить вас с одной из самых простых схем затвора — схемой инвертора (NOT gate — англ. затвор логического нет), которая
просто принимает входной сигнал, который может быть либо ON, либо
OFF, и преобразует его в выходной сигнал, противоположный входному. Другими словами, если вход ON, то выход OFF. Если вход выключен, выход включен.
На рис. 6.6 показана схема цепи, в которой для реализации инвертора
используется один транзистор. Вот как работает эта схема.

»
»
»

Вход управляется однополюсной кнопкой.
Состояние входа отображается светодиодом LED1.
Светодиод LED1 загорается при нажатии кнопки, указывая,
что вход включен. Если кнопка не нажата, вход выключен
и светодиод LED1 гаснет.
Состояние выхода отображается светодиодом LED2.
Светодиод LED2 горит, когда кнопка не нажата, указывая, что
выход включен. Когда кнопка нажата, светодиод LED2 включается, указывая, что выход выключен.

Рис. 6.6.
Принципиальная
схема инвертора

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

343

»
»

Обратите внимание, что светодиоды LED1 и LED2 всегда
в противоположных состояниях: когда горит LED1, LED2 темнеет, и наоборот.
Когда кнопка не нажата, транзистор выключен, поэтому
ток через коллектор не течет. Таким образом, ток через R2
протекает через светодиод LED2, заставляя его загораться
и указывая, что на выходе ON (включен), и его состояние
противоположно состоянию входа.
Когда кнопка нажата, транзистор включается и пропускает ток через коллектор на землю. В результате ток не идет
к светодиоду LED2, который гаснет, указывая, что на выходе
OFF (выключен), и его состояние противоположно состоянию
входа.

Сборка инвертора
Проект 19 показывает, как собрать схему однотранзисторного инвертора на беспаечной макетной плате. Готовый проект показан на рис. 6.7.

Рис. 6.7.
Транзисторный
инвертор
(Проект 19 )

344

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Проект 19. Инвертор
В этом проекте вы построите простую схему инвертора, которая использует транзистор для инвертирования входного сигнала: если входной сигнал включен — выход выключен, и наоборот. Один светодиод
используется для индикации состояния входа, а второй — для индикации состояния выхода. Схема этой цепи такая же, как и схема, показанная на рис. 6.6.

Транзистор 2N2222
Катод
Анод

Светодиод

Эмиттер
База
Коллектор

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

345

Единственные инструменты, которые вам понадобятся для выполнения этого проекта, обычные кусачки и кусачки для зачистки проводов.

» Два красных светодиода диаметром 5 мм.
» Один резистор 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» Один резистор 330 Ом (оранжевый-оранжевый-коричневый).
» Четыре коротких провода-перемычки.
Порядок действий
На протяжении всех этих шагов используйте отрицательную (-) шину
в нижней части платы как заземление, а положительную (+) шину
в верхней части платы — как положительное напряжение.

Установите кнопку на макетной плате так, чтобы она находилась между отверстиями G1, I1, G3 и I3.
Ориентируйте кнопку так, чтобы при ее нажатии замыкалась
цепь между G1 и G3.

Вставьте провода-перемычки.
Вставьте четыре провода-перемычки в соответствии со следующей таблицей:

346

От

Любому отверстию в положительной шине
в верхней части макетной платы

H12

H16

F10

Любому отверстию в отрицательной шине
в нижней части макетной платы

A16

Любому отверстию в отрицательной шине
в нижней части макетной платы

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Вставьте резисторы
Вставьте два резистора в соответствии со следующей
таблицей:

Резистор

От

1 кОм

330 Ом

I15

Любому отверстию на положительной шине в верхней
части макетной платы

Вставьте транзистор.
В следующей таблице показаны соединения для каждого
из трех выводов транзистора:

Вывод

Отверстие

Эмиттер

G10

База

G11

Коллектор

G12

Вставьте LED1.
Вставьте катод (более короткий из двух выводов) в отверстие I11, а анод (более длинный из двух выводов) — в отверстие I6.

Вставьте LED2.
Вставьте катод (короткий провод) в отверстие E16, а анод
(длинный провод) — в F16.

Подключите держатель батареи.
Вставьте красный провод в любое отверстие положительной
шины в верхней части макетной платы, а черный провод —
в любое отверстие отрицательной шины в нижней части макетной платы.

Вставьте четыре батарейки AA в держатель.
Когда батарейки подключены, загорается светодиод LED2,
указывающий, что кнопка не нажата.

Нажмите кнопку.
Светодиод LED2 погаснет, а светодиод LED1 загорится, показывая, что кнопка нажата.

10. Отпустите кнопку.
Светодиоды возвращаются в исходное состояние.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

347

Осцилляция с помощью транзистора
Осциллятор — это электронная схема, которая генерирует повторяющиеся формы волны. Точная форма генерируемой волны зависит
от типа схемы, используемой для создания осциллятора. Некоторые
схемы генерируют синусоидальные волны, другие — квадратные, а третьи — волны других типов. Осцилляторы — важными компоненты многих электронных устройств, включая радиоприемники и компьютеры.
Одна из наиболее часто используемых схем генератора состоит из пары
транзисторов, которые поочередно включаются и выключаются. Такой
тип схемы называется мультивибратором. Если схема спроектирована
таким образом, что два транзистора постоянно переключаются, она называется астабильным мультивибратором, потому что никогда не достигает точки стабильности, то есть никогда не решает, какой из двух
транзисторов должен быть включен, поэтому она просто продолжает
переключать их туда-сюда. Астабильные мультивибраторы отлично
подходят для получения квадратных волн.
На рис. 6.8 приведена принципиальная схема астабильного мультивибратора из пары NPN-транзисторов.

Рис. 6.8.
Астабильный
мультивибратор

348

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Рассмотрим, как работает эта схема. При первом включении включается только один из транзисторов. Вы можете подумать, что они включатся оба, потому что базы обоих транзисторов подключены к +V, но это
происходит не так: один из них включается первым. Рассмотрим случай, когда первым включается Q1.
Когда Q1 включается, ток течет через R1 в коллектор и далее через транзистор на землю. Тем временем C1 начинает заряжаться через R2, развивая положительное напряжение на своей правой пластине. Поскольку
правая пластина соединена с базой Q2, на базе Q2 также появляется
положительное напряжение.
Когда C1 зарядится достаточно сильно, напряжение на базе Q2 заставит Q2 начать проводить ток. Теперь ток течет через коллектор Q2
через R4, а C2 начинает заряжаться через R3. Поскольку правая пластина C2 бомбардируется положительным зарядом, напряжение на левой пластине C2 становится отрицательным, что снижает напряжение
на базе Q1. Это приводит к выключению Q1.
C1 разряжается, а C2 заряжается. В конце концов, напряжение на левой пластине C2 достигает точки, когда Q1 снова включается, и весь
цикл повторяется.
Не волнуйтесь, если это покажется вам запутанным. Так оно и есть.
Если детали кажутся непонятными, просто подумайте об общей картине: в ходе дуэли конденсаторы попеременно заряжаются и разряжаются, включая и выключая два транзистора, что, в свою очередь, позволяет току протекать через их цепи коллектора. Так и происходит,
подобно странному теннисному матчу, которое никто никогда не выигрывает — игроки просто продолжают перебрасывать мячик через сетку, пока не разрядятся их батарейки.
Вот еще несколько интересных вещей, которые следует знать об астабильных мультивибраторах:

Время, в течение которого каждая половина мультивибратора находится во включенном состоянии, определяется
постоянной времени RC, образованной цепями заряда конденсаторов. Таким образом, вы можете изменять скорость
осцилляции схемы, регулируя значения конденсаторов
и резисторов. Более подробную информацию о расчете постоянных времени резисторов и конденсаторов вы найдете
в главе 3 этой части.
При желании можете создать астабильный мультивибратор на PNP-транзисторах, просто поменяв местами землю
с источником напряжения +V.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

349

Выходной сигнал мультивибратора можно снимать непосредственно с коллектора любого из транзисторов. Например, вы
можете поместить светодиод или динамик последовательно
с R1 или R4, чтобы увидеть или услышать работу осциллятора. Пример этого — в следующем разделе.
В качестве альтернативы можно использовать третий транзистор, чтобы соединить мультивибратор с выходной нагрузкой, как показано на рис. 6.9. Просто соедините эмиттер
одного из транзисторов мультивибратора с базой третьего
транзистора и подключите нагрузку к коллектору, как показано на рисунке.
Такая схема имеет два преимущества. Во-первых, нагрузка
сама по себе мешает работе мультивибратора, если подключать ее непосредственно к коллектору Q1 или Q2. Используя
третий транзистор, вы изолируете нагрузку от схемы мультивибратора. Во-вторых, при использовании транзистора связи
выходной сигнал гораздо ближе к истинной квадратной волне; без него выходной сигнал не является чистой квадратной
волной из-за влияния заряда конденсатора.

Рис. 6.9.
Использование
транзистора для
подключения
выходной нагрузки
к астабильному
мультивибратору

350

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Создание светодиодной мигалки
В Проекте 20 вы построите схему, которая использует астабильный
мультивибратор для поочередного мигания двух светодиодов. Схемы
светодиодных мигалок очень нравятся любителям электроники, потому что мигающие светодиоды можно использовать для самых разных
задач. Например, вы можете сделать жуткие мигающие глаза для фонаря из тыквы, которым хотите напугать соседей на Хэллоуин, или добавить в игрушечный семафор в ваш макет железной дороги. На рис. 6.10
показана собранная светодиодная мигалка.

Рис. 6.10.
Проект светодиодной
мигалки (Проект 20 )

Схема светодиодной мигалки — это просто астабильный мультивибратор, похожий на показанный на рис. 6.8. Единственные отличия заключаются в том, что я добавил светодиоды в коллекторную цепь каждого
транзистора и заполнил значения резистора и конденсатора. При значениях, выбранных для этого проекта, лампочки сменяют друг друга
быстро, чуть быстрее, чем раз в секунду.
Если вам захочется немного поэкспериментировать, вот несколько
вариантов:

»
»
»

Попробуйте заменить R2 и R3 разными резисторами, например 1 кОм и 100 кОм. Как это повлияет на работу мигалки?
Попробуйте добавить потенциометр последовательно с R2
или R3. Это позволит изменять частоту вспышек, поворачивая ручку потенциометра.
Попробуйте заменить конденсаторы.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

351

Проект 20. Светодиодная мигалка
В этом проекте вы построите схему, которая использует двухтранзисторный астабильный мультивибратор для последовательного мигания двух светодиодов. Вам понадобятся: маленькая крестовая отвертка, обычные кусачки и кусачки для зачистки проводов.

352

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Катод

Светодиод

Транзистор 2N2222
Эмиттер
База
Коллектор

Анод

Детали
» Четыре батарейки AA.
» Один держатель для четырех батареек AA.
» Одна небольшая беспаечная макетная плата.
» Два переключающих транзистора NPN, 2N2222A или
аналогичные.

»
»
»
»
»
»
»

Два красных светодиода диаметром 5 мм.
Два электролитических конденсатора по 100 мкФ.
Два резистора по 10 кОм (коричневый-черный-оранжевый).
Два резистора 470 Ом (желтый-фиолетовый-коричневый).
Два 1¼-дюймовых провода-перемычки.
Один 1-дюймовый провод с перемычкой.
Один ¾-дюймовый провод с перемычкой.

Порядок действий
На протяжении всех шагов используйте отрицательную (–) шину в нижней части платы для заземления и положительную (+) шину в верхней
части платы для положительного напряжения.

Вставьте провода-перемычки.
Вставьте четыре провода-перемычки в соответствии
с таблицей:
Длина

От

1¼ дюйма

F10

Любое отверстие в отрицательной
шине в нижней части макетной платы

1¼ дюйма

F17

Любое отверстие в отрицательной
шине в нижней части макетной платы

1 дюйм

F11

F20

¾ дюйма

H13

H18

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

353

Вставьте конденсаторы.
Вставьте два электролитических конденсатора в соответствии с таблицей:

Конденсатор –

I13

J12

I20

J19

Вставьте транзисторы.
В следующей таблице показаны соединения для каждого
из трех выводов двух транзисторов:

354

Вывод

Эмиттер

G10

G17

База

G11

G18

Коллектор

G12

G19

Вставьте светодиоды
Светодиод

Катод
Анод
(короткий) (длинный)

LED1

Любое отверстие в положительной шине в верхней части макетной
платы

LED2

J24

Любое отверстие в положительной шине в верхней части макетной
платы

Вставьте резисторы.
Резистор

От

R1 (470 Ом)

I12

R2 (10 кОм)

J11

Любое отверстие в положительной шине в верхней части макетной платы

R3 (10 кОм)

J18

Любое отверстие в положительной шине в верхней части макетной платы

R4 (470 Ом)

H19

H24

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

Подключите держатель батареек к макетной плате.
Подключите красный провод от держателя батареек к любому отверстию в положительной шине в верхней части макетной платы без припоя.
Подключите черный провод от держателя батареек к любому отверстию отрицательной шины в нижней части макетной
платы.

7.
8.

Вставьте четыре батарейки AA в держатель батареек.
Наслаждайтесь вашим шоу!
Светодиоды будут попеременно мигать до тех пор, пока батарейки остаются в держателе.

ГЛАВА 6.Работа с транзисторами

355

Подведем итоги изучения
дискретных компонентов
На этом мы закончим знакомство с транзисторами и, собственно, завершим изучение наиболее распространенных типов дискретных электронных компонентов (то есть компонентов, состоящих всего из одной
детали в одном корпусе). Если вы проработали все главы этой части, теперь вы знаете основы резисторов, конденсаторов, индукторов, диодов
и транзисторов. Осталось придумать, как объединить эти компоненты в различные схемы, которые можно использовать для разных задач.
В части 3 вы узнаете, как использовать интегральные схемы, которые
позволяют заменить целую схему, состоящую из дискретных компонентов, одним крошечным чипом. Интегральные схемы — способ объединить множество полупроводников, резисторов и конденсаторов
в один крошечный корпус.
Идем дальше.

356

ЧАСТЬ 2. Работа с основными электронными компонентами

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Краткое оглавление

358

ГЛАВА 1

Знакомство с интегральными схемами

ГЛАВА 2

Потрясающий чип таймера 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .352

ГЛАВА 3

Работа с операционными усилителями . . . . . . . . . . . .

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

. . . . . . . . . . . . . 339

389

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Изучите принципы работы интегральных микросхем

» Узнаете про компоновку интегральных микросхем

» Узнаете, как использовать интегральные схемы в своих проектах

» Познакомитесь с наиболее популяр-

Гл а в а 1

ными типами интегральных схем

Знакомство с интегральными
схемами
апреля 1961 года инженер Роберт Нойс из Пало-Альто, штат
Калифорния, получил наконец сообщение об одобрении
его заявки на патент, поданной годом ранее. Патент был
выдан на новый тип устройства, которое вскоре станет известно как
интегральная схема.

Ровно через месяц, 25 мая, президент Джон Кеннеди объявил всему
миру, что США отправят человека на Луну.
Что общего между этими двумя событиями? Многое. Без интегральной схемы НАСА вряд ли смогло бы справиться с задачей, поставленной Кеннеди.
В мае 1961 года НАСА не имело ни малейшего представления о том,
как добраться до Луны. Но одно НАСА точно знало: для лунного корабля понадобится такой компьютер, какого мир еще не видел. НАСА
предстояло найти способ уменьшить компьютер, который в то время
занимал целую комнату, в коробку размером с корзину для пикника.
Поэтому самый первый контракт, который НАСА заключило для программы «Аполлон», был контрактом на поставку компьютера. За ним
последует множество других контрактов — на командный модуль, лунный модуль, ракету-носитель, скафандр и тысячи других жизненно
важных элементов для возможной высадки на Луну. Но первоочередной задачей НАСА было создание компьютера.

ГЛАВА 1.Знакомство с интегральными схемами

359

Контракт на создание компьютера достался Массачусетскому технологическому институту (MIT), и инженеры этого института быстро поняли, что единственный способ построить компьютер — использовать
преимущества совершенно новой технологии интегральных схем. НАСА
стало первым крупномасштабным пользователем интегральных схем.
В этой главе вы узнаете об устройстве, которое помогло нам побывать
на Луне, а затем навсегда изменило мир электроники. Узнаете, как они
устроены, что могут делать и почему становятся все меньше и дешевле. Вы также узнаете, как использовать их в собственных электронных проектах.

Что такое интегральная микросхема?
Интегральная схема (также называемая ИС или просто чип) — это целая
электронная схема, состоящая из множества отдельных компонентов,
таких как транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и проводящие дорожки, соединяющие все компоненты, причем все это сделано
из одного куска кремниевого кристалла.
Интегральная схема — не маленькая печатная плата с установленными
на ней компонентами. В интегральной схеме отдельные компоненты
встраиваются непосредственно в кристалл кремния. Предыдущие технологии изготовления схем предполагали установку все более мелких
деталей на все более мелкие печатные платы, но интегральная схема —
это единое целое. Вместо двух или трех p-n-переходов (как в диоде или
триоде) интегральная схема имеет тысячи отдельных p-n-переходов.
На самом деле во многих современных интегральных схемах их миллионы или даже миллиарды, и все они сделаны из одного куска кремния.
Самые первые интегральные схемы были простыми схемами транзисторных усилителей с несколькими транзисторами, резисторами и конденсаторами. По сути, они были ненамного сложнее схем, которые вы
собирали в главе 6 части 2.
Сейчас интегральные схемы невероятно сложны. В то время, когда
я писал эту статью, самая последняя игровая консоль Xbox содержала
процессорный чип с более чем 7 миллиардами транзисторов.
Большинство интегральных схем, с которыми вы будете работать в своих любительских проектах, будут гораздо скромнее, в них будет порядка нескольких десятков транзисторов. Например, микросхема таймера
555, о которой узнаете из главы 2 этой части, состоит из 20 транзисторов, 2 диодов и 15 резисторов и стоит примерно один доллар.

360

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

МАГИЯ ЗАКОНА МУРА
Вы наверняка слышали о законе Мура, который в двух словах предсказывает, что количество транзисторов, которые можно разместить
на одной интегральной схеме, удваивается примерно каждые два года.
Гордон Мур, один из основателей компании Intel, впервые озвучил
свое предсказание в 1965 году. В первоначальном варианте предсказание было еще более смелым. Изначально закон Мура гласил: количество транзисторов будет удваиваться каждый год, а не каждые два
года. В середине 1970-х годов темпы немного замедлились, поэтому
предсказание было сокращено.
Ошеломляющая реальность закона Мура заключается в том, что
рост сложности электронных технологий происходит по экспоненте,
а не постепенно, как в большинстве технологий. Для примера возьмем автомобильную промышленность, где удельный расход бензина
с каждым годом становится все лучше. Гордон Мур как-то сказал,
что если бы закон Мура применялся к автомобилям, Rolls-Royce
мог бы проезжать полмиллиона миль, расходуя всего один галлон
бензина, и дешевле было бы купить новый автомобиль, чем платить
за стоянку того, который у вас есть.
Несколько раз за эти годы ученые опасались, что конец закона Мура
уже не за горами, поскольку технология производства микросхем
приближалась к некоему физическому пределу, который нельзя превысить, например к длине волны света, используемого для травления
микросхем. Но каждый раз какой-нибудь новый технологический прорыв позволял производителям просто обойти старый предел. Закон
Мура действует уже более 50 лет и, как ожидается, останется верным
в обозримом будущем.
Одно из возможных объяснений сверхъестественной точности закона
Мура в том, что он стал пророчеством, которое само определило
дальнейшее развитие микроэлектроники. Производители интегральных схем, опираясь на закон Мура, устанавливают собственные
инженерные цели, а затем лихорадочно работают над их достижением. Таким образом, закон Мура стал целью промышленности
полупроводников.

ГЛАВА 1.Знакомство с интегральными схемами

361

Взгляд на то, как делают
интегральные микросхемы
Каждый раз, когда я смотрю серию «Современные чудеса»1 на канале
History Channel и они целый час рассказывают о лопатах, грузовиках,
холодцах, сале или собачьем корме, я возмущаюсь, почему до сих пор
не сделали передачу об интегральных схемах?
Чтобы пользоваться интегральными схемами, не обязательно знать, как
они делаются, так что этот раздел можно пропустить. Однако сам процесс довольно интересен — безусловно, он достоин отдельного эпизода «Современных чудес».
Процесс производства микросхем очень сложный и зависит от типа самой микросхемы. Но обычно он состоит из шести операций.

362

Большой цилиндрический кусок кремниевого кристалла разрезается на тонкие пластины в одну сотую дюйма.
Каждая будет использована для создания нескольких сотен
или тысяч готовых интегральных схем.

На верхнюю часть пластины наносится специальный раствор фоторезиста.

Поверх фоторезиста наносится маска. Маска — это изображение реальной схемы, причем некоторые участки прозрачны, чтобы пропускать свет, а другие непрозрачны, чтобы
блокировать его.

Подложка подвергается воздействию интенсивного ультрафиолета, который вытравливает ее под прозрачными участками маски, но оставляет нетронутыми участки под непрозрачными частями.

5.
6.

Маска удаляется, а остатки фоторезиста счищаются.
Затем на пластину наносится легирующий материал, который создает области n-типа и p-типа в вытравленных областях пластины. (Обзор легирования и полупроводников
n- и p-типа см. в главе 5 части 2.)

«Современные чудеса» (англ. Modern Marvels ) — американский документальный телесериал,
ранее известный как «Машина времени» (The Machine That Changed the World) на канале A&E.
Впервые вышел в эфир 10 декабря 1993 года. Это одна из первых и самых продолжительных
программ, выходящая уже более 30 лет. Тематика сериала охватывает науку, историю, технологии, электронику, механику, инженерное дело, архитектуру, промышленность, массовое
производство и сельское хозяйство. — Прим. ред.

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Если в схеме несколько слоев, уложенных друг на друга,
процесс повторяется для каждого слоя, пока не будут созданы все слои.

Затем отдельные интегральные схемы разрезаются на части
и монтируются в конечную упаковку.

Вот еще несколько интересных фактов об изготовлении интегральных схем.

Вы, вероятно, видели в рекламных роликах Intel, что интегральные схемы изготавливаются в идеально чистых помещениях, где люди в специальных костюмах и масках: в масштабах интегральных схем даже мельчайшая пылинка — это
огромные размеры.
Каждая интегральная схема тщательно тестируется: любой
процесс не идеален. Поэтому многие интегральные схемы
приходится отбраковывать.

Корпуса интегральных микросхем
Интегральные микросхемы выпускаются в различных типах корпусов,
но почти все ИС, с которыми вы будете работать в любительской электронике, выпускаются в корпусах типа dual inline package (двухрядный
корпус, сокращенно DIP). На рис. 1.1 показаны несколько микросхем
в корпусах DIP. (Одна из микросхем перевернута, чтобы вы могли видеть ее нижнюю часть.)

СОВЕТ

Да, я знаю, что фраза DIP-пакет избыточна, поскольку буква P в DIP
уже обозначает пакет, но она широко используется. Некоторые утверждают, что P на самом деле означает pin. Но это всего лишь легкая рационализация. Нравится вам это или нет, но DIP означает dual inline
package. Привыкайте к этому.

Рис. 1.1.
Интегральные схемы
в обычном
корпусе DIP

ГЛАВА 1.Знакомство с интегральными схемами

363

Она также иногда используется для описания микросхем в DIP-корпусах.
Хорошо звучит и похоже на пакеты с закуской, который продают на стадионах во время игр Super Bowl.
DIP-корпус состоит из прямоугольного пластикового корпуса, в который заключена сама ИС, с двумя рядами выводов по длинным сторонам прямоугольника. Штырьки с каждой стороны немного выступают из корпуса, а затем поворачивают прямо вниз. Такое расположение
делает корпус похожим на многоножку. (На самом деле, один из распространенных способов разводки схем с использованием DIP-чипов —
приклеить их на плату вверх ногами и припаять провода непосредственно к выводам; эта техника называется dead-bug wiring – разводка
мертвого жука.)
Штырьки на каждой стороне DIP-корпуса расположены на расстоянии ровно 0,1 дюйма друг от друга, а два ряда штырьков обычно расположены на расстоянии 0,3 дюйма друг от друга, хотя некоторые более крупные DIP-корпуса и на большем расстоянии. В любом случае
стандартное расстояние в десятые доли дюйма идеально подходит для
использования с беспаечными макетными платами, на которых отверстия расположены с интервалом в 0,1 дюйма. Зазор, проходящий
по центру беспаечной макетной платы, составляет 0,3 дюйма, что позволяет легко устанавливать DIP-микросхемы так, чтобы они располагались в этом зазоре, как показано на рис. 1.2.
Каждый вывод в DIP-пакете пронумерован. Если посмотреть на пакет
сверху вниз, увидите метку ориентации, обычно это выемка, канавка
или точка. Ориентируйте пакет так, чтобы метка была сверху, а вывод 1
находился сразу слева от метки. Нумерация выводов ведется против часовой стрелки, двигаясь вниз по левой стороне, а затем обратно вверх
по правой стороне, пока вы не доберетесь до последнего вывода, который сразу справа от метки ориентации.

Рис. 1.2.
Беспаечные макетные платы разработаны с учетом
особенностей
микросхем DIP

364

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Если вы не поняли мое объяснение нумерации контактов DIP, посмотрите на рис. 1.3.

Рис. 1.3.
Идентификация
выводов на
DIP-корпус

На рис. 1.3 показан восьмиконтактный DIP-корпус. Более крупные DIP
имеют больше выводов, но схема нумерации всегда одинакова: вывод 1
находится слева от ориентационной метки, а остальные выводы нумеруются против часовой стрелки, начиная с вывода 1.

Обозначение интегральных схем
на принципиальных схемах
На принципиальной схеме микросхема обычно изображается просто
в виде прямоугольника с удобно расположенными вокруг него соединениями, не учитывая физического расположения выводов. Каждое
контактное соединение маркируется, как показано на рис. 1.4.

Рис. 1.4.
Интегральная
схема на принципиальной
схеме

ГЛАВА 1.Знакомство с интегральными схемами

365

Обратите внимание: выводы на этой схеме расположены не в том же
порядке, что и в реальном корпусе DIP. Контакты расположены в порядке, который лучше всего упрощает схему. При сборке вам придется
корректировать схему подключения, чтобы учесть расположение выводов в корпусе DIP.
Обратите внимание, что не все выводы интегральной микросхемы
всегда используются. Неиспользуемые выводы обычно не указываются на схеме. Например, вывод 5 не используется в схеме, показанной
на рис. 1.4, поэтому он не показан.
Некоторые интегральные схемы содержат две или более независимых
схем, которые используют общий источник питания, подобно сиамским близнецам. Например, чип двойного таймера 556 содержит две
полные схемы таймера 555 в одном 14-контактном корпусе. Когда подобные микросхемы используются в схеме, на принципиальной схеме они могут быть показаны отдельно. Например, на рис. 1.5 показана
схема, в которой используется сдвоенный чип таймера 556, но каждая
секция таймера указана на схеме отдельно.

Рис. 1.5.
Независимые секции
одной интегрированной схемы часто
обозначаются на
схеме отдельно

Пожалуйста, не беспокойтесь о деталях этой схемы (или схемы, показанной на рис. 1.4). Моя цель — не описать подробно, как работают
эти схемы, а лишь объяснить, как интегральные схемы изображаются
на принципиальных схемах. А как работают, узнаете в следующей главе.

366

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Питание интегральных схем
В большинстве интегральных схем DIP два вывода используются для
подачи питания на схему. Один из них предназначен для подачи положительного напряжения, обычно обозначается символом VCC. Другой —
это контакт заземления. Например, чип таймера 555 (узнаете из главы 2
этой части) требует положительного напряжения питания в диапазоне
4,5–15 В на выводе 8, а вывод 1 соединен с землей.
В интегральных схемах, содержащих две или более отдельные схемы,
обычно общий источник питания. И хотя чип двойного таймера 556
содержит две отдельные схемы таймера 555, у него один вывод положительного напряжения и один вывод заземления.
Нужно учитывать, что некоторые интегральные схемы используют раздельное положительное и отрицательное напряжение питания, а не только положительное напряжение и заземление. Вы можете создать такой
источник питания, используя схему, показанную на рис. 1.6.

Рис. 1.6.
Схема для обеспечения положительного
напряжения, отрицательного напряжения и
заземления

ГЛАВА 1.Знакомство с интегральными схемами

367

Как избежать повреждений из-за
статического разряда и выделения тепла
Когда вы собираете печатную плату, содержащую одну или несколько
интегральных схем, будьте осторожны, чтобы не повредить ИС. В частности, следует остерегаться двух потенциальных повреждений.

СОВЕТ

Статический разряд. Многие интегральные микросхемы может
вывести из строя статическое электричество, проходящее через ваши пальцы. Поэтому перед обращением с интегральной
схемой убедитесь, что вы разрядились, коснувшись заземленной металлической поверхности. Также при работе с микросхемами лучше использовать антистатический браслет.
Выделение тепла. Некоторые интегральные схемы чувствительны к нагреву, поэтому при пайке ИС к печатной плате
следует соблюдать меры предосторожности. Если возможно,
прикрепите к выводу зажим или другой теплоотвод, чтобы отвести часть тепла от самой интегральной схемы.

Если вы не хотите паять интегральные схемы, используйте разъемы DIP,
как показано на рис. 1.7: 8-контактная интегральная схема справа соединена с 8-контактным разъемом DIP слева. Когда используете разъем,
похожий на показанное на рисунке, вы припаиваете его контакты к печатной плате перед тем, как вставить в него микросхему. Таким образом, излишнее тепло безопасно рассеивается в пустом разъеме. Когда
разъем надежно припаян, можно смело вставлять в него микросхему.
Разъемы удобны еще и тем, что позволяют заменить поврежденную
микросхему, не выпаивая старую.

Рис. 1.7.
Гнезда DIP избавляют от пайки
хрупких интегральных схем

368

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Чтение спецификаций
интегральных схем
Прежде чем работать с конкретным типом интегральной схемы, необходимо загрузить копию ее технического паспорта. В листке спецификации ИС много полезной информации. Помимо основной информации (название производителя и номер детали ИС), вы найдете
такие сведения:

»
»
»
»
»
»
»

»
»

Описание того, что делает схема.
Подробное описание распиновки с указанием назначения
каждого вывода.
Диаграмма внутренней схемы чипа. Для простых чипов есть подробная схема, а для более сложных микросхем — принципиальная.
Подробные электрические характеристики, например, максимальное напряжение, которое можно подавать на микросхему через вывод VCC, или максимальный ток нагрузки для
выходных выводов.
Условия эксплуатации, такие как максимальная и минимальная температура.
Диаграммы и графики, иллюстрирующие поведение схемы
в различных условиях эксплуатации.
Формулы для расчета рабочих характеристик схемы.
Например, если работа схемы зависит от внешней RC-цепи
(резистор/конденсатор), вы можете использовать формулу
для расчета того, как эти внешние компоненты будут влиять
на работу схемы.
Примеры принципиальных схем.
Механические характеристики, включая размеры.

Спецификации ИС можно найти во многих источниках в Интернете.
Используйте поисковую систему для поиска номера детали ИС и слова datasheet (лист спецификации). Например, чтобы найти спецификацию микросхемы таймера 555, введите в поиск 555 datasheet.

ГЛАВА 1.Знакомство с интегральными схемами

369

Популярные интегральные схемы
Существуют буквально тысячи типов интегральных схем. Большинство
разработаны для очень специфических приложений, но многие — для
общего применения. В последующих разделах я кратко опишу некоторые из наиболее популярных интегральных схем общего назначения.
Они существуют уже несколько десятилетий, но их многоцелевая конструкция, широкая доступность и низкая стоимость обеспечили им неизменную популярность.

Таймер 555
Чип таймера 555 был изобретен в 1971 году, но и сегодня остается одной из самых популярных интегральных схем. По некоторым оценкам, ежегодно производится и продается более миллиарда таких чипов.
Как следует из названия, 555-я микросхема представляет собой таймер.
Интервал синхронизации контролируется внешней резисторно-конденсаторной сетью (RC.) Другими словами, тщательно подбирая значения резисторов и конденсаторов, вы можете варьировать длительность таймера.
Чип 555 можно сконфигурировать различными способами. В одной
конфигурации (моностабильной, или одновибратора) он работает как
таймер для варки яиц: вы устанавливаете его, а затем он отключается
по истечении определенного времени. В другой конфигурации (астабильной, или мультивибратора) он работает как метроном, подавая
импульсы через регулярные промежутки времени.
Помимо базового чипа 555, который поставляется в 8-контактном DIPкорпусе, можно купить двойной таймер 556, который содержит два независимых таймера 555 в одном 14-контактном DIP-корпусе. Поскольку
во многих распространенных схемах требуется совместная работа двух
таймеров 555, корпус 556 очень популярен.
Подробнее о таймерах 555 и 556 вы узнаете в следующей главе.

Операционный усилитель 741 и LM324
Операционный усилитель — это особый тип схемы усилителя, который
находит множество применений в электронике. Наиболее распространенный тип — 741 и LM324.

370

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Микросхема 741 — это один операционный усилитель в восьмиконтактном корпусе DIP. Впервые она была представлена в 1968 году и до сих
пор одна из самых распространенных интегральных схем, когда-либо созданных. 741 — одна из микросхем, которым требуется как положительное, так и отрицательное напряжение, как описано в разделе
Питание интегральных схем.
Микросхема LM324 была представлена в 1972 году. Она состоит из четырех отдельных схем операционных усилителей в одном 14-контактном DIP-корпусе. В отличие от 741, для LM324 не требуются отдельные
источники отрицательного и положительного напряжения.
Подробнее об операционных усилителях вы узнаете в главе 3 этой части.

Регулятор напряжения 78xx
78xx — это семейство простых интегральных схем стабилизаторов напряжения. Регулятор напряжения — схема, принимающая входное
напряжение, которое может изменяться в определенном диапазоне,
и выдающее выходное напряжение, которое постоянно и независимо
от колебаний напряжения на входе.
Цифры xx в 78xx означают фактическое напряжение, регулируемое микросхемой. Например, 7805 выдает на выходе 5 В. Входное напряжение должно быть как минимум на пару вольт больше выходного и может достигать 35 В.

Семейство логики 74xx
Одно из основных применений интегральных схем — цифровая электроника, а семейство 74xx — одно из старейших и до сих пор наиболее
широко используемых семейств цифровых интегральных схем. В семействе 74xx широкий спектр микросхем, которые обеспечивают базовые строительные блоки для цифровых схем. Так, в семействе 74xx вы
не найдете полноценных микропроцессоров. Но найдете такие схемы,
как логические затворы, триггеры, счетчики, буферы и т. д.

ГЛАВА 1.Знакомство с интегральными схемами

371

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Познакомитесь с чипом таймера 555
» Изучите разные способы конфигурирования чипа таймера 555

» Научитесь использовать чип 556
с двумя таймерами

Гл а в а 2

» Научитесь собирать простые схемы
с чипом таймера 555

Потрясающий чип
таймера 555
икросхема таймера 555, разработанная в 1970 году, является, пожалуй, самой популярной интегральной схемой из когда-либо
созданных. По некоторым оценкам, ежегодно выпускается более миллиарда таких микросхем. Ее популярность вполне заслуженна.
Схема 555 — это одночиповая версия широко распространенной схемы, называемой мультивибратором, которая используется в самых
разных электронных схемах. Микросхему 555 можно использовать для
выполнения базовых функций синхронизации, например, для включения света на определенное время, или для создания сигнальной лампы,
которая мигает и выключается. Можно использовать ее для воспроизведения музыкальных нот определенной частоты или для управления позиционированием сервопривода. (О сервоприводах вы узнаете в главе 5
части 6.) Список можно продолжать до бесконечности.

В этой главе вы узнаете, как использовать эту универсальную микросхему в различных схемах. Сначала объясню, как работает 555 и что
делает каждый из ее выводов. Затем вы увидите и соберете несколько
часто используемых схем на 555.

Рис. 2.1.
Схема выводов
микросхемы
таймера 555

372

Земля

Vcc (+4,5 - 15 В)

Выход

Разряд

Триггер

Порог

Сброс

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Управляющее
напряжение

Рассмотрим принцип работы
микросхемы 555
Микросхему 555 можно рассматривать как гибрид аналоговой и цифровой схемы. Выход, создаваемый 555, чисто цифровой: он либо выключен (0 В), либо включен (при положительном напряжении не менее 2,5 В). Механизм синхронизации в 555 определяет, как долго выход
будет включен и как долго он будет выключен.
Аналоговая часть микросхемы заключается в том, что вы контролируете,
сколько времени выходной сигнал включен и выключен. Для этого нужно создать RC-сеть с помощью резистора и конденсатора. Выбранные
значения резистора и конденсатора определяют временной интервал.
Далее я дам всю информацию, необходимую для выбора правильных
значений резистора и конденсатора, но если захотите вспомнить, как
работают RC-сети, посмотрите главу 3 части 2.
Вы можете контролировать, будет 555 выполнять работу только один
раз, как таймер варки яиц, или будет циклически включать и выключать
выход, как метроном, который тикает снова и снова. Для этого нужно
соединить выводы микросхемы 555 различными способами.
На рис. 2.1 показано расположение восьми выводов стандартной микросхемы 555. Как видите, микросхема 555 поставляется в 8-контактном корпусе DIP.
Далее описаны функции каждого из восьми выводов (не по порядку):

»
»

Земля. Вывод 1 соединен с землей.
VCC. Вывод 8 подключен к положительному напряжению питания. Это напряжение должно быть не менее 4,5 В и не более 15 В. Обычно для работы схем 555 используются четыре
батарейки AA или AAA, обеспечивающие напряжение 6 В,
или одна батарейка 9 В.
Выход. Вывод 3 — это выход. На выходе либо низкий уровень, близкий к 0 В, либо высокий, близкий к напряжению
питания, подаваемому на вывод 8. (В некоторых моделях 555
выходное напряжение может быть на 2 В ниже напряжения
питания.) Точная форма выходного сигнала (как долго он будет высоким, а как долго низким) зависит от подключения
к оставшимся пяти выводам.
Более подробную информацию об использовании вывода 3
см. в разделе Использование выхода таймера 555 в этой главе.

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

373

Триггер. Вывод 2 — это триггер, который работает как стартовый пистолет, чтобы запустить таймер 555. Триггер — это
активный низкий уровень, что означает: таймер запускается,
когда напряжение на выводе 2 падает ниже 1/3 напряжения
питания. Когда 555 срабатывает через вывод 2, выход на выводе 3 становится высоким.
Разряд. Вывод 7 называется разрядом. Этот вывод используется для разряда внешнего конденсатора, который работает в сочетании с резистором для управления интервалом
синхронизации. В большинстве схем вывод 7 подключен
к напряжению питания через резистор и к земле через
конденсатор.
Порог. Вывод 6 называется пороговым. Его назначение —
контролировать напряжение на конденсаторе, разряжаемом
выводом 7. Когда это напряжение достигает 2/3 напряжения
питания (VCC), цикл синхронизации заканчивается, и на выводе 3 появляется низкий уровень.
Управление. Вывод 5 — управляющий вывод. В большинстве схем 555 он просто соединен с землей, обычно через
небольшой конденсатор 0,01 мкФ. (Назначение конденсатора — сглаживать любые колебания напряжения питания,
которые могут повлиять на работу таймера.)
В некоторых схемах между выводом управления и VCC используется резистор для подачи небольшого напряжения
на вывод 5. Это напряжение изменяет пороговое напряжение, что, в свою очередь, изменяет интервал синхронизации.
Однако в большинстве схем эта возможность не используется. В этой главе все схемы 555 просто соединяют вывод 5
с землей через конденсатор 0,01 мкФ.

Сброс. Вывод 4 — это вывод сброса, который предназначен
для перезапуска таймера 555. Как и вход триггера, сброс
является входом активного низкого уровня. Таким образом,
для работы таймера 555 вывод 4 должен быть подключен
к напряжению питания. Если вывод 4 кратковременно заземлить, работа таймера 555 прервется и не возобновится до тех
пор, пока он снова не будет запущен через вывод 2.

При использовании на принципиальной схеме выводы микросхемы
таймера 555 почти всегда изображаются в таком порядке, как показано
на рис. 2.2. Как видите, это расположение соответствует обычному порядку элементов в схеме: напряжение питания — вверху, земля — внизу, входы — слева, а выходы — справа. Такое расположение позволяет
легко определить работу схемы.

374

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Сброс

Vcc

Разряд

Порог

Выход

Триггер
Рис. 2.2.
Так обычно
изображают чип
таймера 555 на
принципиальной
схеме

Земля

Управление

Режимы работы 555
Существуют три основных способа подключения микросхемы таймера 555, которые называются режимами.

»
»
»

Режим одновибратора. Работает как таймер варки яиц.
При запуске таймер включает выход, ожидает истечения временного интервала, затем выключает выход
и останавливается.
Режим мультивибратора. Работает как метроном: продолжает работать, пока его не выключить.
Режим триггера (bistable.) На самом деле это не режим таймера. Вместо этого он использует вход триггера для поочередного включения и выключения выхода. Этот тип схемы
часто используют в цифровой электронике.

Использование 555 в режиме
одновибратора
Режим одновибратора позволяет использовать чип таймера 555 в качестве таймера с одним событием. Одновибратор — потому что при таком подключении у 555 есть только один стабильный режим, когда
выход на выводе 3 выключен. Когда на микросхему 555 посылается

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

375

триггерный импульс, это стабильное состояние временно прерывается на интервал, который определяется величиной резистора и конденсатора. Во время этого интервала на выводе 3 будет высокий уровень
сигнала, но по истечении интервала 555 возвращается в свое стабильное состояние, а на выводе 3 возвращается низкий уровень сигнала.
Режим одновибратора иногда называют режимом one-shot (дословный
перевод с английского один выстрел), который кажется мне более описательным. One-shot означает, что при срабатывании 555 выдает один
и только один выходной импульс. Когда временной интервал достигнут, выходной импульс прекращается, и схема затихает до тех пор, пока
не будет обнаружен другой триггерный импульс. Каждый триггерный
импульс приводит к одному выходному импульсу.

Типичная схема одновибратора 555
На рис. 2.3 показана типичная схема подключения таймера 555, используемого в режиме одновибратора.

Рис. 2.3.
Микросхема
таймера 555 в
режиме одновибратора

376

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Чтобы понять, как работает схема, сначала посмотрите, как резистор 10 кОм и переключатель подключены к выводу 2, входу триггера.
Переключатель — это нормально разомкнутая кнопка. Когда кнопка
не нажата, резистор 10 кОм подает напряжение на вывод 2, что поддерживает вход триггера на высоком уровне. При высоком уровне на входе
триггера выходное напряжение на выводе 3 близко к нулю.
Когда кнопочный переключатель нажат, напряжение питания замыкается на землю. В результате напряжение на выводе 2 падает до нуля, и таймер срабатывает. После срабатывания таймера выходное напряжение
на выводе 3 становится высоким, и начинается отсчет интервала времени.

Резисторно-конденсаторная цепь
с одновибраторным таймером
Теперь, когда вы поняли, как работает схема триггера, посмотрите, как
работает RC-цепь (R1 и C1.) Резистор и конденсатор работают вместе,
чтобы определить, как долго сигнал на выходе будет оставаться высоким.
В двух словах: как только схема срабатывает, C1 начинает заряжаться.
Выводы 6 и 7 — пороговый вывод и вывод разряда — связаны вместе
в одновибраторной схеме 555. Контакт 6 следит за напряжением на конденсаторе. По мере заряда конденсатора это напряжение увеличивается.
Когда напряжение на конденсаторе достигает 2/3 напряжения питания
VCC , цикл синхронизации заканчивается, и на выводе 3 устанавливается низкий уровень напряжения.
Разрядный контакт (вывод 7) заряжает и разряжает конденсатор. Чтобы
понять, как работает вывод 7, полезно представить его внутреннюю работу с помощью модели, показанной на рис. 2.4. Здесь вывод 7 подключен

Рис. 2.4.
Воображаемый
переключатель
внутри 555, который управляет
тем, заряжает или
разряжает конденсатор вывод 7

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

377

к переключателю, который управляется состоянием выхода на выводе 3.
Когда на выходе высокий уровень сигнала, переключатель разомкнут;
когда низкий уровень сигнала, переключатель замкнут. Когда переключатель замкнут, небольшой резистор 10 кОм внутри 555 соединяет вывод 7 с землей. (На самом деле это не переключатель и не резистор 10 кОм внутри 555, но эта модель может помочь вам понять, как
работает вывод 7.)
Когда на выводе 3 низкий уровень, воображаемый переключатель внутри 555 замкнут, и вывод 7 соединен с землей через резистор 10 кОм.
Это позволяет напряжению на C1 разряжаться через 555.
Но когда сигнал на выводе 3 становится высоким, воображаемый переключатель внутри 555 размыкается. Это заставляет ток, протекающий через R1, проходить через C1, что, в свою очередь, заставляет конденсатор заряжаться со скоростью, которая зависит от значений R1
и конденсатора.
Пока конденсатор заряжается, вывод 6 следит за напряжением, которое накапливается на конденсаторе. Как только это напряжение достигает 2/3 напряжения питания, вывод 6 сигнализирует 555 об окончании
интервала синхронизации, и на выходе низкий уровень напряжения.
Это, в свою очередь, замыкает воображаемый переключатель внутри
555, что позволяет конденсатору разрядиться.

Расчет временного интервала
для одновибраторной схемы
Временной интервал для одновибраторной схемы 555 — показатель
того, как долго выход остается высоким при срабатывании. Чтобы рассчитать временной интервал, воспользуйтесь следующей формулой:
T = 1,1 × R × C
Здесь T — интервал времени в секундах, R — сопротивление R1 в омах,
а C — емкость C1 в фарадах.
Например, если R1 — 500 кОм, а C1 — 10 мкФ, то временной интервал можно вычислить так:
T = 1,1 × 500,000 Ом × 0,00001 Ф
T = 5,5 сек.

378

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

При выполнении этого расчета следите за правильным количеством
нулей как для сопротивления, так и для емкости, пользуясь табл. 2.1.

ТАБЛ. 2.1.

Пересчет значений сопротивления и емкости
Сопротивление

Емкость

1 кОм = 1 000 Ом

0,01 мкФ = 0,00000001 Ф

10 кОм = 10 000 Ом

0,1 мкФ = 0,0000001 Ф

100 кОм = 100 000 Ом

1 мкФ = 0,000001 Ф

1 МОм = 1 000 000 Ом

10 мкФ = 0,00001 Ф

10 МОм = 10 000 000 Ом

100 мкФ = 0,0001 Ф

100 МОм = 100 000 000 Ом

1000 мкФ = 0,001 Ф

Если не хотите тратить время на расчеты, найдите калькулятор таймера 555 в Интернете. Просто зайдите в любую поисковую систему и наберите 555 timer calculator.
СОВЕТ

Использование 555-го таймера в режиме
мультивибратора (осциллятора)
Еще один распространенный способ использования таймера 555 — режим мультивибратора, или астабильный режим. Термин астабильный
означает, что у 555-го таймера нет стабильного состояния: как только он переходит в одно состояние (скажем, высокий уровень сигнала
на выводе 3), он переключается в противоположное состояние (низкий уровень сигнала на выводе.) Затем снова переключается в первое
состояние — и так до бесконечности. Этот режим также называют режимом осциллятора, потому что в нем 555 используется как осциллятор, который создает волну прямоугольной формы.

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

379

Типичная схема мультивибратора

Рис. 2.5.
Микросхема
таймера 555 в
режиме мультивибратора

На рис. 2.5 показана базовая схема для 555 в режиме мультивибратора.
Чтобы понять, как работает эта схема, сначала обратите внимание, что
вывод триггера (вывод 2) подключен непосредственно к C1. В одновибраторной схеме таймер запускался переключателем, который замыкал напряжение, подаваемое на вывод 2. В режиме мультивибратора
таймер запускается при разряде конденсатора: как только напряжение
на конденсаторе падает до трети напряжения питания, вывод 2 запускает таймер для начала очередного цикла.
Здесь я рассмотрю, как работает этот цикл таймера, шаг за шагом, начиная с выхода на выводе 3 при высоком уровне напряжения:

380

При высоком напряжении на выходе контакт разряда (вывод 7) открыт, что заставляет ток проходить через резисторы
R2 и C1. Конденсатор начинает заряжаться со скоростью, которая зависит от суммарного значения R1 и R2 и значения C1.

По мере заряда конденсатора напряжение на выводах 2 и 6
увеличивается.

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Когда напряжение на выводе 6 (выводе порога) достигает
2
/3 напряжения питания, пороговая схема в 555 уменьшит
выходное напряжение на выводе 3.

Когда выходное напряжение на выводе 3 становится низким,
разрядный контакт (вывод 7) соединяется с землей внутри
555. Это позволяет C1 разрядиться. Разряд происходит через R2, поэтому величина R2, а также величина конденсатора определяют скорость разряда конденсатора.

По мере разрядки конденсатора напряжение на выводах 2 и 6 уменьшается.

Когда напряжение на выводе 2 (триггерный вывод) падает
до трети напряжения питания, триггерная схема внутри 555
увеличивает выходное напряжение на выводе 3.

Когда напряжение на выводе 3 становится высоким, открывается разрядный вывод (вывод 7), и цикл повторяется.

Напряжение

Управление временными интервалами
в схеме мультивибратора 555

Рис. 2.6.
График изменения выходной
волны, создаваемой схемой
мультивибратора таймера 555

Время

Выход схемы 555 в режиме мультивибратора — это прямоугольная
волна (рис. 2.6.) Для прямоугольной волны есть три важных измерения времени.

»
»
»

T: общая длительность волны, измеренная от начала одного
импульса высокого уровня до начала следующего импульса
высокого уровня.
Thigh: длительность высокой части цикла.
Tlow: длительность низкой части цикла.

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

381

Естественно, общее время T равно сумме Thigh и Tlow.
Значения этих постоянных времени зависят от значений двух резисторов (R1 и R2) и C1.
Вот формулы для расчета каждой из постоянных времени в секундах:
T = 0,7 × (R1 + 2R2) × C1
Thigh = 0,7 × (R1 + R2) × C1
Tlow = 0,7 × R2 × C1
В этих расчетах используется интересный факт, о котором вы должны
знать: C1 заряжается через R1 и R2, но разряжается только через R2.
Вот почему для расчета Thigh нужно сложить значения двух резисторов,
а для расчета Tlow использовать только R2. Также поэтому для расчета
общего времени (T) нужно удвоить R2, но не R1.
Теперь подставьте несколько реальных чисел, чтобы посмотреть, как
работают уравнения. Предположим, оба резистора равны 100 кОм,
а конденсатор — 10 мкФ. Тогда общая продолжительность цикла рассчитывается следующим образом:
T = 0,7 × (100 000 + 2 × 100 000) × 0,00001
T = 2,1 с
Thigh = 0,7 × (100 000 + 100 000) × 0,00001
Thigh = 1,4 с
Tlow = 0,7 × 100 000 × 0,00001
Tlow = 0,7 с
Таким образом, общее время цикла составит 2,1 с, при этом сигнал
на выходе будет высоким в течение 1,4 с и низким в течение 0,7 с.
При желании можете рассчитать частоту выходного сигнала, разделив
общее время цикла на 1. Таким образом, для приведенных выше расчетов частота составит 0,47619 Гц.
Если использовать меньшие значения резисторов и конденсаторов,
получите более короткие импульсы и более высокую частоту сигнала
на выходе. Например, если вы используете резисторы 1 кОм и конденсатор 0,1 мкФ, выходной сигнал будет частотой 48 кГц, а каждый цикл
продлится всего несколько миллионных долей секунды.

382

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Вычисление рабочего цикла
Рабочий цикл в схеме 555 — это процент времени, в течение которого на выходе присутствует высокий уровень в каждом цикле прямоугольной волны. Например, если общее время цикла 1 секунда, а сигнал на выходе высокий в течение первых 0,4 секунды каждого цикла,
рабочий цикл составляет 40%.
В схеме мультивибратора, похожей на показанную на рис. 2.5, рабочий
цикл всегда должен быть больше 50%. Другими словами, длительность
высокого сигнала на выходе всегда должна быть больше, чем длительность низкого сигнала на выходе.
Объяснение этому довольно простое: чтобы рабочий цикл составлял 50%,
конденсатор должен заряжаться и разряжаться через одно и то же сопротивление. Единственный способ добиться этого — полностью отключить
R1, чтобы конденсатор заряжался и разряжался только через R2. Но проблема в том, что в этом случае вы подключите вывод 7 непосредственно
к VCC . При отсутствии сопротивления между выводом 7 и источником
напряжения ток, протекающий через вывод 7, превысит максимум, который может выдержать схема внутри 555, и микросхема будет повреждена.
Есть хитрый способ обойти это ограничение: установите диод через R2,
как показано на рис. 2.7. Этот диод шунтирует R2, когда конденсатор

Рис. 2.7.
Использование диода
для раздельного
управления высокой и
низкой частью выходного сигнала

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

383

заряжен. Таким образом, конденсатор заряжается через R1 и разряжается через R2.
При использовании диода вы можете полностью контролировать время заряда и разряда. Если у R1 и R2 одинаковое значение, конденсатору требуется столько же времени для заряда, сколько и для разряда,
поэтому рабочий цикл будет равен 50%. Если R2 меньше R1, рабочий
цикл будет меньше 50%, потому что конденсатор разряжается быстрее,
чем заряжается.
Если используете диод, как показано на рис. 2.7, вы должны скорректировать формулы для расчета временных интервалов следующим образом:
T = 0,7 × (R1 + R2) × C1
Thigh = 0,7 × R1 × C1
Tlow = 0,7 × R2 × C1

Использование 555 в режиме триггера
Триггер — это схема, которая чередует два состояния выхода. В триггере короткий импульс заставляет сигнал на выходе перейти на высокий
уровень и оставаться высоким даже после окончания импульса триггера.
Выход остается высоким до тех пор, пока не поступит импульс сброса,
после чего сигнал на выходе переходит в низкое состояние.
Этот тип схемы также называется бистабильным, потому что схема имеет два устойчивых состояния: высокий и низкий уровень сигнала на выходе. До момента срабатывания сигнал на выходе остается низким, затем он остается высоким, пока не будет сброшен. Этот тип схем широко
используется в компьютерах и других схемах цифровой электроники.

СОВЕТ

Микросхема 555 плохо подходит для использования в компьютерах
в качестве триггера, потому что ее выход слишком медленно изменяется в ответ на импульсы триггера или сброса в схемах компьютера,
которые управляются высокоскоростными тактовыми импульсами.
Для компьютеров лучше подходят более сложные микросхемы триггеров, о которых вы узнаете из главы 4 части 5.
Тем не менее 555 часто используется в режиме триггера для некомпьютерных приложений, где не требуется высокая скорость реакции. Например, представьте себе простого робота, который едет вперед, пока не столкнется с чем-то перед собой, а затем едет назад, пока

384

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

не столкнется с чем-то позади себя. Робот будет оснащен контактными
переключателями спереди и сзади, подключенными к входам запуска
и сброса 555 в режиме триггера. Приводной двигатель робота должен
быть подключен к выходу таким образом, чтобы при низком уровне
выходного сигнала двигатель двигался вперед, а при высоком — назад.
Таким образом, 555 в режим триггера заставит робота двигаться вперед и назад между двумя препятствиями.
На рис. 2.8 показана схема для 555, используемого в режиме триггера.
В этой схеме нет конденсатора, потому что в этом режиме 555 не используется в качестве таймера. Высокие и низкие уровни выходного
сигнала управляются входами триггера и сброса, а не зарядкой и разрядкой конденсатора.
Входы триггера (вывод 2) и сброса (вывод 4) подключены к VCC через
резистор 10 кОм. При нажатии переключателя настройки вывод 2 замыкается на землю. Это приводит к тому, что напряжение шунтирует
вывод 2, в результате чего возникает кратковременный импульс низкого уровня, который запускает 555. После срабатывания выходной
вывод становится высоким.

Рис. 2.8.
Схема таймера
555 в режиме
триггера

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

385

В режиме мульти- или одновибратора сигнал на выходе будет оставаться высоким до тех пор, пока напряжение на пороговом выводе (вывод 6) не достигнет 2/3 напряжения питания. Однако, поскольку вывод
6 в этой схеме ни к чему не подключен, на нем никогда нет напряжения. Таким образом, порог никогда не достигается, и выход остается
высоким неопределенно долгое время, пока 555 не будет сброшен низким импульсом на выводе сброса (вывод 4.)
Вход сброса (вывод 4) подключен к VCC так же, как и вход триггера.
Когда переключатель сброса нажимается, вывод 4 замыкается на землю, создавая импульс низкого уровня, который сбрасывает 555 и возвращает выход в низкий уровень.

Использование выхода таймера 555
Выходной вывод (вывод 3) таймера 555 может находиться в одном
из двух состояний: высоком или низком. В высоком напряжение на выводе близко к напряжению питания. В низком состоянии напряжение
на выводе равно 0 В.
Есть два способа подключения выходных компонентов к выводу.
На рис. 2.9 показаны эти две конфигурации с использованием светодиода в качестве выходного устройства. В схему также включен резистор
для ограничения тока. Без резистора ток будет протекать через схему
беспрепятственно, что приведет к быстрому перегоранию светодиода
и, возможно, к выходу из строя 555.

Рис. 2.9.
Подача и отвод
выходного тока
для таймера 555

386

Подача

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Отвод

В схеме слева ток протекает через цепь светодиода, когда на выходе высокий уровень. Ток течет от выходного вывода через светодиод
и резистор на землю. Такая конфигурация выхода называется конфигурацией подачи, поскольку 555 является источником тока, который
управляет выходом.
В схеме справа ток течет через светодиод, когда на выходе низкий уровень. Ток течет от источника VCC , через светодиод и резистор, и в 555,
где он внутренне направляется на землю через контакт 1. Эта конфигурация выхода называется конфигурацией отвода, потому что ток направляется в 555.
Выбор конфигурации подачи или отвода тока зависит от того, хотите ли вы, чтобы выходная цепь включалась при высоком или низком
уровне напряжения на выходе.

Рис. 2.10.
Вы можете комбинировать подачу и отвод тока для выхода
таймера 555

На рис. 2.10 показано, что в одной схеме можно сочетать как подачу,
так и отвод тока. Здесь к выходному выводу подключены два светодиода. Один из них служит для подачи тока, другой – для отвода. В этой
схеме светодиоды попеременно мигают, когда выход переключается с высокого на низкий уровень. Светодиод 1 горит, когда на выходе
низкий уровень, а светодиод 2 — когда высокий.
Выходная цепь таймера 555 может работать с током до 200 мА, что на самом деле намного больше, чем большинство интегральных схем могут
выдать или отдать. Если вам нужно управлять устройством, которому
требуется ток более 200 мА, можете изолировать выходное устройство

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

387

от таймера 555 с помощью транзистора, как показано на рис. 2.11.
Более подробную информацию о работе с транзисторами вы найдете
в главе 6 части 2.

Рис. 2.11.
Использование транзистора для управления
устройством
с большим током

Нагрузка
на выходе
> 200 мА

Удвоение с помощью
двойного таймера 556
Если одна микросхема 555-таймера — это хорошо, то две — еще лучше! На самом деле оказывается, что два (или более) 555-таймера в одной схеме могут быть полезны настолько, что вы можете получить два
555-таймера в одном чипе, который называется 556 dual-timer (двойной таймер 556).
Чип двойного таймера 556 поставляется в 14-контактном корпусе DIP.
Два 555-таймера имеют общий вывод питания и заземления. Остальные
12 выводов предназначены для входов и выходов отдельных таймеров 555.
В табл. 2.2 перечислены соединения выводов для каждого из таймеров
555 в микросхеме 556 с двумя таймерами. В качестве дополнительного
бонуса для читателей этой книги привожу в табл. 2.2 распиновку выводов для стандартной микросхемы таймера 555.
Один из распространенных способов использования сдвоенного таймера 556 — подключение обеих микросхем 555 в режиме одновибратора,
при этом выходной вывод первого таймера 555 подключается к триггерному выводу второго таймера 555. Когда на выходе первого таймера появляется низкий уровень, срабатывает второй таймер. Так можно подключить сколько угодно таймеров 555, при этом выход каждого
будет подключен к триггеру следующего таймера, так что таймеры будут работать последовательно, один за другим.

388

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

ТАБЛ. 2.2.

Выводы чипов таймера 555 и двойного таймера 556
Функция

Таймер 555

Первый
таймер 556

Второй
таймер 556

Земля

Триггер

Выход

Сброс

Управление

Порог

Разряд

VCC

Например, на рис. 2.12 показана каскадная схема таймера, в которой
используются две отдельные микросхемы таймера 555. В этой схеме
обе микросхемы таймера 555 настроены в режиме одновибратора, как
и в схеме на рис. 2.3. Временной интервал для первого 555-го таймера
регулируется R1 и C1. Для второго 555 интервал регулируется R2 и C2.
Вы можете выбрать любые значения для этих компонентов, чтобы получить любые временные интервалы, которые вам нужны.

Первая микросхема 555 срабатывает при нажатии кнопки SW1, в результате чего вывод 2 оказывается на земле. При этом выход на выводе 3 становится высоким, и в результате зажигается светодиод LED1.
Обратите внимание: вывод 3 первой микросхемы 555 подключен

Рис. 2.12.
Таймеры 555 можно
соединить в каскад

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

389

через небольшой конденсатор к входу триггера второй микросхемы 555. Как только истечет временной интервал на первом 555, его
выход станет низким, что выключит светодиод LED1 и одновременно запустит второй 555, который, в свою очередь, зажжет светодиод
LED2. LED2 остается гореть до тех пор, пока не зарядится C2, после
чего он гаснет. После этого схема ожидает повторного запуска нажатием на выключатель.

Рис. 2.13.
Две половины схемы
двойного таймера 556
можно соединить
в каскад

На рис. 2.13 показано, как эту же схему реализовать с использованием одной микросхемы 556 с двойным таймером. Эта схема практически идентична схеме, показанной на рис. 2.12, но есть несколько важных отличий.

»
»
»

390

Две схемы таймера 555 обозначены как 556 (1) и 556 (2), чтобы показать, что эти схемы таймера являются частью одной
микросхемы 556 с двумя таймерами.
Номера выводов указывают на назначение выводов для двух
цепей таймера 556, а не для 555.
На второй схеме таймера не показано подключение питания или заземления. Это связано с тем, что обе схемы имеют
общий разъем питания и заземления, который подключен
к первому таймеру.

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Рис. 2.14.
Схема каскадного таймера с чипом 556
с двумя таймерами,
нарисованного как
один компонент

Хотя на схеме удобно показывать две половины сдвоенного таймера 556
как отдельные компоненты, при желании можно показать таймер 556
как единый компонент. На рис. 2.14 показано, как можно нарисовать
схему каскадного таймера, используя один компонент для двойного таймера 556. Эта схема практически идентична схеме, показанной
на рис. 2.13; единственное различие заключается в том, как на схеме
изображены две секции микросхемы двойного таймера 556.

СОВЕТ

Когда вы рисуете микросхему 556 как отдельный компонент, полезно
нарисовать соединения для двух таймеров на противоположных сторонах компонента. На рис. 2.14 я нарисовал соединения для первого
таймера слева и второго таймера справа, за исключением входа триггера второго таймера (вывод 8). Изображение этого соединения на правой стороне компонента усложнило бы схему, поэтому я расположил
его на левой стороне прямо под выходным выводом первого таймера.
Поскольку в схеме 556 трудно отследить, какой вывод к какому относится, полезно обозначить функцию каждого вывода, как я сделал
в схеме, показанной на рис. 2.14.

СОВЕТ

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

391

Сборка однотактного таймера
В этом разделе вы построите схему, в которой используется микросхема
таймера 555 в режиме одновибратора. При нажатии на кнопку включения загорается светодиод и горит примерно 5 секунд. Затем светодиод
гаснет, пока кнопка не будет нажата снова.
Проект 21 содержит всю информацию, необходимую для сборки этой
схемы. Она основана на схеме одновибратора, которая была показана
на рис. 2.3. Единственные отличия в том, что к выходному выводу (вывод 3) добавлен светодиод, а резистор и конденсатор включены в цепь
зарядки конденсатора.

Рис. 2.15.
Готовый проект
однотактного
таймера
(Проект 21 )

Когда закончите работу, схема будет выглядеть как на рис. 2.15. Чтобы
проверить ее, нажмите на кнопку. Светодиод должен загореться, гореть
чуть более 5 секунд, а затем погаснуть. Он должен загореться, когда вы
снова нажмете на кнопку.
Если схема не работает, то:

С помощью вольтметра проверьте, что батарейка исправна
и не разряжена.

» Тщательно проверьте все провода-перемычки и другие компоненты, чтобы убедиться, что они подключены правильно.

392

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

»
»
»

Убедитесь, что светодиод не вставлен задом наперед (вытащите его, переверните и вставьте обратно).
Убедитесь, что электролитический конденсатор вставлен
отрицательным концом к заземленной стороне схемы.
Проверьте паяные соединения с кнопкой.

Проект 21. Однотактная схема таймера 555
В этом проекте вы построите схему, которая использует микросхему таймера 555 в режиме одновибратора для создания однотактного таймера. Схема включает в себя кнопку и светодиод. При нажатии
на кнопку светодиод включится и будет гореть около 5 секунд. Затем
светодиод выключится и будет гореть до тех пор, пока вы снова не нажмете на кнопку.
Для этого проекта из инструментов вам понадобятся только обычные
кусачки и кусачки для зачистки проводов.

Детали
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»

Одна батарейка 9 В.
Один защелкивающийся держатель для батарейки 9 В.
Одна небольшая беспаечная макетная плата.
Один нормально разомкнутый кнопочный переключатель.
Одна микросхема таймера 555.
Один 5 мм красный светодиод.
Один резистор 10 Ом (коричневый-черный-оранжевый).
Один резистор 470 кОм (желтый-фиолетово-коричневый).
Один резистор 470 кОм (желтый-фиолетово-желтый).
Один электролитический конденсатор 10 мкФ.
Один керамический дисковый конденсатор емкостью
0,01 мкФ.
Одна нормально открытая кнопка DIP на макетной плате.
Восемь проводов-перемычек (разной длины).

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

393

Порядок действий
На протяжении всех шагов используйте отрицательную (‒) шину в нижней части платы в качестве заземления, а положительную (+) шину
в верхней части платы в качестве положительного напряжения.

Вставьте микросхему таймера 555.
Вставьте микросхему так, чтобы она расположилась по центру беспаечной макетной платы, при этом вывод 1 должен
находиться в отверстии E5, а вывод 8 — в отверстии F5.

Вставьте провода-перемычки.
Если вы используете предварительно нарезанные провода-перемычки, выберите подходящую длину для каждого

394

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

сегмента. В противном случае нарежьте перемычки по мере
необходимости. Всего понадобится восемь проводовперемычек, которые вставляются в беспаечную макетную
плату следующим образом:

От

Шина заземления

A11

Шина заземления

A15

Шина заземления

+ шина напряжения

G5 (обратите внимание, что этот провод проходит над верхней частью 555)

G15

H11

I11

Вставьте резисторы.
Вставьте три резистора в соответствии со следующей
таблицей:

Резистор

От

10 кОм

470 кОм

J11

+ шина напряжения

470 кОм

C13

Вставьте конденсаторы.
Вставьте два конденсатора в соответствии со следующей
таблицей:
Конденсатор

От

10 мкФ

E11

F11

0,01 мкФ

E15

F15

Убедитесь, что отрицательный вывод электролитического
конденсатора находится в отверстии E11.

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

395

Вставьте светодиод.
Анод (длинный провод) нужно вставить в отверстие A13, а катод (короткий провод) — в шину заземления.

Вставьте кнопку.
Вставьте кнопку в отверстия B1, D1, B3 и D3. (Убедитесь, что
переключатель ориентирован таким образом, что он замыкается от B1/D1 до B3/D3.)

Подключите батарею.
Вставьте батарейку 9 В в держатель батарейки, затем подключите красный провод к положительной шине напряжения,
а черный — к шине заземления.
Готово! Теперь вы можете нажать кнопку, чтобы включить
светодиод, и примерно через 5 секунд светодиод снова
погаснет.

Создание светодиодной мигалки
В этом разделе вы построите схему, которая использует микросхему
таймера 555 для поочередного включения и выключения двух светодиодов. Для этой схемы микросхема 555 сконфигурирована в режиме
мультивибратора 555, а значения резисторов подобраны так, чтобы
таймеры высокого и низкого уровней были очень близки друг к другу,
примерно по 0,1 секунды каждый.

Рис. 2.16.
Светодиодная
мигалка
(Проект 22 )

396

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

В Проекте 22 показано, как собрать схему светодиодной мигалки.
Схема этого проекта похожа на ту, что была на рис. 2.5, но в ней добавлена пара светодиодов в выходную цепь. Светодиод LED1 горит, когда
на выходе низкий уровень, а светодиод LED2 горит, когда на выходе
высокий уровень. Обратите внимание: в этой схеме используются как
подача, так и отвод выходного тока.
На рис. 2.16 показан завершенный проект.
Если схема не работает, то:

»
»
»

проверьте, не разрядилась ли батарейка;
тщательно проверьте все провода-перемычки и резисторы, чтобы убедиться, что они вставлены в соответствующие
разъемы;
убедитесь, что диоды и электролитический конденсатор
вставлены правильно. Для светодиодов аноды должны находиться на положительной стороне схемы, а катоды — на отрицательной. Отрицательная сторона конденсатора должна
находиться на шине заземления.

Наигравшись с завершенным проектом, вы, возможно, захотите оставить его в собранном виде. Позже в этой главе в Проекте 23 вы добавите в эту схему второй 555-й таймер для расширения функциональности.
СОВЕТ

Проект 22. Светодиодная мигалка
В этом проекте вы построите схему, которая поочередно мигает парой
светодиодов. Для мигания светодиодов в схеме используется таймер 555,
настроенный в режиме мультивибратора. Значения резистора и конденсатора подобраны таким образом, чтобы рабочий цикл был близок
к 50%, а каждый светодиод горел примерно 0,1 секунды.
Для этого проекта из инструментов понадобятся только обычные кусачки и кусачки для зачистки проводов.

Детали
»
»
»

Одна батарейка 9 В.
Защелкивающийся держатель для батарейки 9 В.
Одна небольшая беспаечная макетная плата.

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

397

» Одна микросхема таймера 555.
» Два красных светодиода диаметром 5 мм.
» Один резистор 10 кОм (коричневый-черный-оранжевый).
» Три резистора по 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» Один электролитический конденсатор 22 мкФ.
» Один керамический дисковый конденсатор емкостью
0,01 мкФ.

398

Восемь проводов-перемычек (разной длины).

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Порядок действий
1.

Вставьте микросхему таймера 555.
Так, чтобы она заняла место в центре беспаечной макетной
платы, при этом вывод 1 должен находиться в отверстии E5,
а вывод 8 — в отверстии F5.

Вставьте провода-перемычки.
Если вы используете готовые провода-перемычки, выберите
подходящую длину для каждого сегмента. В противном случае
нарежьте перемычки по мере необходимости. Всего вам понадобится восемь проводов-перемычек, которые вставляются
в беспаечную макетную плату в соответствии с таблицей:

От

Шина заземления

C10

G7 (этот провод пересекает верхнюю часть 555)

G5 (этот провод также проходит над верхней
частью 555)

Шина заземления

+ шина напряжения

Вставьте резисторы.
Вставьте 4 резистора в соответствии со следующей таблицей:

Резистор

От

10 кОм

1 кОм

+ шина напряжения

1 кОм

B10

B13

1 кОм

D10

F13

Вставьте конденсаторы.
Вставьте два конденсатора в соответствии со следующей
таблицей:
Конденсатор

От

0,01 мкФ

22 мкФ

Шина заземления

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

399

Убедитесь, что отрицательный вывод электролитического
конденсатора находится в шине заземления.

Вставьте светодиоды в соответствии со следующей
таблицей:
Светодиод

Катод
(короткий провод)

Анод
(длинный провод)

LED1

J13

+ шина напряжения

LED2

Шина заземления

A13

Подключите батарею.
Вставьте батарейку 9 В в держатель батарейки, затем подключите красный провод держателя к положительной шине
напряжения, а черный — к шине заземления. Сразу после
подключения батареи светодиоды начнут мигать.
Готово!
После завершения этого проекта оставьте его в собранном
виде, если вы собираетесь выполнить wK.

Использование переключателя
установки/сброса
В этом разделе вы измените схему, собранную в Проекте 22, так, чтобы
схема управлялась двумя кнопками, которые функционируют как переключатель установки/сброса. Когда вы подключаете питание к этой
схеме, светодиод LED1 включается и остается включенным. Когда нажимаете кнопку установки, оба светодиода начинают мигать попеременно и продолжают до тех пор, пока не нажмете кнопку сброса.
В схеме этого проекта используются две микросхемы таймера 555.
Первая сконфигурирована в режиме триггера с двумя кнопками, выступающими в качестве переключателей установки и сброса. Второй
сконфигурирован в режиме мультивибратора, почти идентичном таймеру 555, который использовался в Проекте 22. Разница: вместо того,
чтобы подключить вывод напряжения питания (вывод 8) микросхемы
таймера 555 в режиме триггера непосредственно к батарее, он подключен к выходу первого таймера 555. Таким образом, первый 555 управляет питанием второго 555, поэтому второй 555 мигает светодиодами
только тогда, когда на выходе первого 555 высокий уровень сигнала.

400 ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Рис. 2.17.
Собранная схема
Проекта 23

Проект 23 показывает, как собрать эту схему, а завершенный проект
показан на рис. 2.17.

Проект 23: Светодиодная мигалка
с переключателем установки/сброса
В этом проекте вы расширите схему, собранную в Проекте 22, и добавите переключатель установки/сброса, который управляет миганием светодиодов. Прежде чем приступать к выполнению этого проекта,
необходимо выполнить Проект 22.

Детали
Вам понадобятся все детали из Проекта 22, а также следующие:

»
»

Одна микросхема таймера 555 (в дополнение к той, что использовалась в Проекте 22).
Два резистора по 10 кОм (коричневый-черный-оранжевый).

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

401

»
»
»

Один керамический дисковый конденсатор емкостью
0,01 мкФ.
Одна нормально открытая DIP-кнопка.
Восемь проводов-перемычек разной длины.

Порядок выполнения
1.

Если вы еще не сделали этого, соберите схему светодиодной мигалки, описанную в предыдущем разделе.
Микросхема таймера 555 в том проекте обозначена как
555 (2) для этого проекта.

Удалите провод перемычки, который вы вставили из отверстия J5 в положительную шину.
Этот шаг отключает питание VCC (вывод 8) микросхемы 555 (2).
Напряжение для 555 (2) будет подаваться с выхода 555 (1).

402

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Вставьте вторую микросхему 555.
Вставьте микросхему так, чтобы она заняла место в центре
беспаечной макетной платы, при этом вывод 1 должен находиться в отверстии E17, а вывод 8 — в отверстии F17.

Вставьте дополнительные провода-перемычки.
Если вы используете готовые провода-перемычки, выберите
подходящую длину для каждого сегмента. В противном случае нарежьте перемычки по мере необходимости. Всего понадобится восемь дополнительных проводов-перемычек,
которые нужно вставить в беспаечную макетную плату в соответствии со следующей таблицей:

От

A17

Шина заземления

D19

C18

I27

B20

H30

F21

Любое отверстие в шине заземления

A25

Шина заземления

A28

Шина заземления

Вставьте резисторы.
Вставьте два резистора в соответствии со следующей
таблицей:

Резистор

От

10 кОм

J27

+ шина напряжения

10 кОм

J30

+ шина напряжения

Вставьте конденсатор.
Конденсатор емкостью 0,01 мкФ следует вставить в отверстия G20 и G21.

Вставьте кнопочные переключатели.
Вставьте два кнопочных переключателя в соответствии
со следующей таблицей:
Кнопка

Отверстие

Set

E25, F25, E27, F27

Reset

E28, F28, E30, F30

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

403

Подключите батарею.
Вставьте батарейку 9 В в защелкивающийся разъем, затем
подключите красный провод к положительной шине напряжения, а черный — к шине заземления. Светодиод LED1 должен сразу загореться. (Если этого не произошло, проверьте
все соединения и заряд батарейки.)
Готово!

Нажмите кнопку set, чтобы светодиоды начали мигать.
Пусть они мигают некоторое время, а затем нажмите кнопку reset, чтобы мигание прекратилось.

Создание зуммера
В этом разделе вы используете две микросхемы таймера 555 для создания зуммера, причем оба таймера настроены в режиме мультивибратора. Один таймер генерирует звуковой сигнал прямоугольной волны, который передается в динамик, чтобы его можно было услышать.
Другой генерирует гораздо более медленную частоту, которая подключается к сбросу первого таймера для включения и выключения тона,
что создает эффект зуммера.
В Проекте 24 показано, как собрать эту схему. Прежде чем приступить
к работе, взгляните на принципиальную схему проекта. Для первой микросхемы таймера — обозначенной на схеме как 555 (1) — в RC-сети используются резисторы 1 кОм и 470 кОм, а также конденсатор 1 мкФ для
получения выходного сигнала частотой 1,5 Гц. Второй таймер — 555 (2) —
использует резисторы 4,7 кОм и 15 кОм и конденсатор 0,01 мкФ для
создания выходного тона. Выход первого таймера посылается на сброс
второго таймера, а выход второго таймера через конденсатор 22 мкФ
посылается на динамик 8 Ом.
Примечание: вы можете легко построить эту схему, используя одну микросхему 556 с двумя таймерами. Для этого нужно соответствующим
образом изменить обозначения выводов на схеме.

СОВЕТ

В этой схеме можно использовать любой 8-дюймовый динамик. Если
есть старый компьютерный динамик без усилителя, подойдет вполне.
Рекомендую припаять к клеммам динамика 2–3-дюймовые отрезки одножильного провода 20-го калибра (0,8 мм), чтобы можно было легко
подключить динамик к макетной плате.
На рис. 2.18 показан законченный проект.

404

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Рис. 2.18.
Законченный проект
зуммера (Проект 24 )

Вот несколько дополнительных заданий для этого проекта, если вы хотите немного поэкспериментировать со схемой:

»
»
»

Попробуйте собрать схему с одной микросхемой 556 вместо
двух микросхем 555.
Замените резистор R3 сопротивлением 4,7 кОм на 1 кОм,
а затем добавьте потенциометр сопротивлением 1 М: последовательно с резистором. При повороте потенциометра тон
меняется.
Добавьте потенциометр 1 МОм последовательно с резистором R1. Тогда при повороте ручки потенциометра частота
(скорость) звуковых щелчков будет изменяться.

Проект 24. Зуммер
В этом проекте вы используете пару таймерных микросхем 555 для создания схемы, которая генерирует звуковой сигнал на небольшом динамике. Обе микросхемы таймера 555 сконфигурированы в режиме
мультивибратора. Первый 555 обеспечивает интервал между звуковыми сигналами (один сигнал каждые 0,1 секунды). Второй 555 генерирует звуковую частоту, которая подается на динамик для генерации
выходного сигнала.
Вам понадобятся: обычные кусачки и кусачки для зачистки проводов.

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555 405

Детали
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
406

Одна батарейка 9 В.
Один защелкивающийся держатель для батареи 9 В.
Одна маленькая беспаечная макетная плата.
Две микросхемы таймера 555.
Один резистор 1 кОм (коричневый-черный-красный).
Один резистор 470 кОм (желтый-фиолетовый-желтый).
Один резистор 4,7 кОм (желтый-фиолетовый-красный).
Один резистор 15 кОм (коричневый-зеленый-оранжевый).
Один электролитический конденсатор емкостью 1 мкФ.
Один электролитический конденсатор емкостью 22 мкФ.

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

» Три керамических дисковых конденсатора емкостью 0,01 мкФ.
» Один 8-омный динамик.
» 15 проводов-перемычек разной длины.
Порядок действий
1.

Вставьте микросхемы таймера 555.
Вставьте микросхемы так, чтобы они перекрывали зазор
в центре беспаечной макетной платы. Для первой микросхемы вставьте вывод 1 в отверстие E5 и вывод 8 в отверстие F5.
Для второй микросхемы вставьте контакт 1 в отверстие E17
и контакт 8 в отверстие F17.

Вставьте провода-перемычки.
Если вы используете готовые провода-перемычки, выберите
подходящую длину для каждого сегмента, в противном случае нарежьте перемычки по мере необходимости. Всего вам
понадобится 15 проводов-перемычек, которые вставляются
в беспаечную макетную плату в соответствии со следующей
таблицей:
От

Шина заземления

A17

Шина заземления

Шина положительного (+) напряжения

J17

Шина + напряжения

C15

C18

G15

G18

Шина заземления

E10

Шина положительного (+) напряжения

D10

G7 (этот провод пересекается над верхней частью первого чипа 555)

D18

G19 (этот провод пересекает верхнюю
часть второго чипа 555)

F21

Шина заземления

ГЛАВА 2.Потрясающий чип таймера 555

407

Вставьте резисторы
Вставьте 4 резистора в соответствии со следующей схемой:

Резистор

От

R1 – 1 кОм

Положительная (+) шина напряжения

R2 – 470 кОм E3

R3 – 4,7 кОм

J15

Положительная (+) шина напряжения

R4 – 15 кОм

E15

F15

Вставьте конденсаторы.
Вставьте 5 конденсаторов в соответствии со следующей таблицей:

Обозначение

Конденсатор

От

1 мкФ Электроли- A3
тический

Шина
заземления

0,01 мкФ Керамический диск

A15

Шина
заземления

0,01 мкФ Керамический диск

G20

G21

22 мкФ Электролитический

D19

D23

Обратите внимание: для C1 отрицательный провод должен
быть подключен к шине заземления. Для C5 отрицательный
вывод должен находиться в D23.

Подключите динамик.
Один провод от динамика должен быть вставлен в отверстие
B23, другой можно вставить в любое отверстие шины заземления. Обратите внимание, что динамики нечувствительны
к полярности, поэтому не имеет значения, какой провод идет
в шину заземления, а какой — в B23.

Подключите батарею.
Вставьте батарейку 9 В в держатель батарейки, а затем подключите красный провод держателя к положительной шине
напряжения, а черный — к шине заземления. Вы должны немедленно услышать звук зуммера.
Сделано, закончили!

7.
408

Извлеките батарейку, когда вам надоест звук зуммера.

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Познакомитесь с операционными
усилителями

» Изучите использование схем
обратной связи с операционными
усилителями

» Рассмотрите суммирующие усилители и компараторы

» Узнаете о нескольких популярных

Гл а в а 3

корпусах операционных усилителей

Работа с операционными
усилителями
ы когда-нибудь играли в «Операцию» — игру, в которой нужно
с помощью наэлектризованного пинцета извлекать пластиковые
части тела из маленьких отверстий в теле? Края отверстий были
металлическими проводниками, поэтому если вы касались пинцетом
края отверстия, пытаясь извлечь пластиковую деталь, раздавался звуковой сигнал, и нос пациента (который был красной лампочкой) загорался.

У меня никогда не получалось: эта игра требует стальных нервов и точного контроля над пинцетом. Малейшее движение пинцета усиливалось мигающим светом, громким зуммером и издевательским смехом
моего брата, который гораздо лучше подходил на роль операционного хирурга, чем я.
Операционный усилитель (сокращенно — op-amp) — что-то вроде игры
«Операция». На самом деле, это не совсем так, если не считать того, что
малейшие изменения на входе (ваша рука, держащая пинцет) усиливаются и превращаются в огромные изменения на выходе (мигающий
красный нос, зуммер и насмешки вашего брата).
Операционные усилители — одни из самых распространенных типов
интегральных схем — по популярности уступают, пожалуй, только микросхеме таймера 555. В этой главе вы узнаете, что такое операционный
усилитель и как построить с его помощью несколько полезных схем.
Так что надевайте свои скрабы и приступайте к работе!

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями 409

Операционные усилители
Операционный усилитель — это сверхчувствительная усилительная
схема, предназначенная для усиления разности двух входных напряжений. У операционного усилителя два входа и один выход. Выходное
напряжение часто в десятки и даже сотни тысяч раз превышает разницу входных напряжений. Таким образом, очень маленькая разница напряжения двух входов (возможно, несколько сотых или даже несколько тысячных долей вольта) может привести к большому выходному
напряжению.
Хотя операционные усилители — разновидность интегральных схем,
они были изобретены задолго до их появления. Но их схемы естественны для интегральных схем, поэтому вскоре после появления первых интегральных схем стали доступны их ИС-версии. Сегодня операционные усилители — один из самых популярных типов интегральных схем.

ПРИМЕЧАНИЯ

Название операционный усилитель может показаться странным. Изначально схему операционного усилителя создали в качестве усилителя в телефонных коммутаторах, но позднее компьютерные инженеры
обнаружили, что ее можно легко адаптировать для выполнения математических операций (сложение, вычитание, умножение и деление).
Примерно в это время и появился термин операционный усилитель,
поскольку схемы представляют собой усилители, способные выполнять
(математические) операции. (Более подробную информацию найдете
в колонке Как появился операционный усилитель.)
Внутри простейшие операционные усилители состоят из нескольких
десятков транзисторов, а в более сложных схемах их гораздо больше.
В этой главе я полностью игнорирую внутреннюю схему операционного
усилителя и рассматриваю его только как удобное устройство, которое

Рис. 3.1.
Схематическое
обозначение
операционного
усилителя

410

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

можно использовать, не тратя усилий на изучение механизмов его работы (этим мы обязаны инженерам, которые много десятилетий назад
разработали весь этот волшебный механизм).
На схемах операционный усилитель обозначается треугольником, как
показано на рис. 3.1. Как вы видите, два входа находятся в левой части
треугольника, выход — в правой, а разъемы питания схемы — в верхней и нижней частях треугольника.
Сегодня выпускается множество типов микросхем операционных усилителей, но у всех пять соединений (рис. 3.1). В следующих параграфах
описана функция каждого из этих соединений.

+V и –V. Питание для операционного усилителя подается
через два контакта, обычно обозначаются как +V и –V.
(Эти контакты могут быть обозначены как Vs+ и Vs-, но их
функции одинаковы.) Для большинства операционных усилителей требуется как положительное, так и отрицательное
напряжение питания, причем напряжение обычно варьируется от ±6 В до ±18 В. Такой тип источника питания называется раздельным. Символ ± означает, что требуется как
положительное, так и отрицательное напряжение. Например,
±6 В означает, что требуется как +6 В, так и –6 В.
Вы можете легко создать раздельное питание, используя
две батарейки, соединенные встык, как показано на рис. 3.2.

Рис. 3.2.
Раздельный
источник питания ±9 В для
операционного
усилителя

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

411

Здесь две батарейки по 9 В соединены для создания питания
±9 В. Обратите внимание, что значения +9 В и -9 В измеряются относительно земли, которая находится между двумя
батарейками.
Некоторые операционные усилители не требуют источников
питания с раздельным напряжением. Операционные усилители, использующие одиночные источники питания, имеют
клемму заземления вместо клеммы –V.

Vout. Выход операционного усилителя снимается с клеммы Vout. Напряжение на выходной клемме может быть положительным или отрицательным, в зависимости от разницы
напряжения между двумя входными клеммами. Максимальное
напряжение обычно на несколько вольт меньше, чем напряжение питания на клеммах +V и -V. Так, если напряжение
питания операционного усилителя составляет ±9 В, максимальное выходное напряжение будет около ±7 В или ±8 В.
Большинство операционных усилителей могут выдерживать лишь небольшой ток через выходной вывод — обычно
в районе 25 мА или меньше. Как показано на рис. 3.3, выходной сигнал проходит через внешнее сопротивление, обозначенное RL. Другой конец этого сопротивления подключен
к земле. Таким образом, выходной ток, протекающий через
операционный усилитель, в конечном итоге должен оказаться на земле.
Сопротивление нагрузки не обязательно должно быть в виде
простого резистора; это может быть любая другая цепь,
обеспечивающая некоторое сопротивление нагрузки, например, цепь база-эмиттер транзистора или даже вход другого
операционного усилителя.

Рис. 3.3.
Выход операционного усилителя
проходит на землю
через сопротивление нагрузки

412

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

V+ и V− . Два входа операционного усилителя — это клеммы
V+ и V− . Эти выводы иногда обозначаются знаками + и - внутри треугольника. Входы называются NN , потому что выходное напряжение, которое появляется
на выводе Vout , зависит от разницы между напряжениями
на клеммах + и -.
Для большинства операционных усилителей максимально
допустимое входное напряжение немного меньше максимального напряжения питания. Типичным пределом является
±12 В. Однако помните, что между двумя входными
напряжениями — это то, что усиливает операционный усилитель. Во многих случаях два входных напряжения очень
близки, поэтому разница очень мала.
Я уже говорил, но стоит повторить: полярность выхода операционного усилителя зависит от полярности разницы между
входами V+ и V− . Таким образом, если V+ больше V− , на выходе будет положительное напряжение, а если V+ меньше V− ,
на выходе будет отрицательное напряжение.
Во многих схемах операционных усилителей один из входов
соединен с землей. Если вход V+ заземлен, полярность выходного сигнала всегда противоположна полярности входного напряжения на клемме V− . Другими словами, отрицательное напряжение на V− даст положительное напряжение
на Vout , а положительное напряжение на V− даст отрицательное напряжение на Vout . По этой причине вход V− часто называют 6 . поскольку его полярность
инвертируется на выходе.
Если же вход V− соединен с землей, полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного напряжения,
поданного на V+. Таким образом, если V+ положительное,
то Vout будет положительным; если V+ отрицательное, то Vout
будет отрицательным. По этой причине вход V+ называют
6 . поскольку его полярность соответствует полярности выхода, то есть входное напряжение
V− не инвертируется.

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

413

КАК БЫЛ ИЗОБРЕТЕН ОПЕРАЦИОННЫЙ
УСИЛИТЕЛЬ
Современный операционный усилитель появился в начале 1930-х годов, когда компания Bell Telephone начала прокладывать телефонные
кабели по всей стране. В первые дни существования телефона инженеры столкнулись с проблемой телефонных линий протяженностью
более нескольких тысяч футов. Длинные телефонные линии нуждались в усилителях для усиления сигнала, но имевшееся в то время
оборудование было очень капризным из-за высокой чувствительности к погоде (температуре и влажности) и не могло стабильно работать в диапазоне напряжений, использовавшихся в ранних телефонных линиях.
Инженер Bell Гарри Блэк работал над проблемой усилителей
в 1934 году, и его осенила идея, когда он возвращался на пароме домой с работы. Это был гениальный ход, который кажется очевидным
спустя десятилетия. Вместо того чтобы пытаться разработать усилитель с точным коэффициентом усиления, необходимым для работы,
Блэк решил использовать усилитель с гораздо большим коэффициентом усиления, чем требовалось (фактически в тысячи раз большим),
а затем вернуть часть выходного сигнала на вход через резистор. Эта
цепь обратной связи уменьшала общий коэффициент усиления в зависимости от величины сопротивления в цепи.
Схема получила название " только после
того, как десятилетие спустя началась компьютерная эра, и разработчики компьютеров поняли, как использовать уникальные характеристики усилителя для выполнения основных математических операций
(сложение, вычитание, умножение и деление входных напряжений).
Цифровые компьютеры заменили аналоговые, построенные на основе операционных усилителей. Однако и сегодня операционные
усилители используются в компьютерах, в основном для обеспечения
интерфейса с различными измерительными устройствами, такими как
датчики напряжения и детекторы влажности.
Первоначальные схемы операционных усилителей строились на вакуумных лампах. Они были большими, требовали несколько сотен
вольт для работы и выделяли значительное количество тепла. Когда
в 1950-х годах транзисторы заменили вакуумные лампы, операционные усилители стали меньше, а когда в 1960-х изобрели интегральные
схемы, операционные усилители стали одними из первых микросхем,
которые использовались в ИС.

414

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Основные сведения об усилителях
с разомкнутым контуром
Как следует из названия, одно из самых основных применений операционного усилителя — это увеличение силы сигнала. Если подключить источник входного сигнала к одной из входных клемм и заземлить другую входную клемму, на выходной клемме появится усиленная
версия входного сигнала.
Важное понятие в схемах операционных усилителей — коэффициент
усиления по напряжению. Это величина, на которую умножается разница между напряжениями двух входов для получения выходного напряжения. Например, если разница входных напряжений составляет
2 В, а выходное напряжение — 12 В, коэффициент усиления по напряжению усилителя равен 6.
Если вы просто подаете входной сигнал на клемму V– операционного
усилителя, как показано на рис. 3.4, схема называется операционным
усилителем с разомкнутым контуром. Причина, по которой она так
называется, станет более очевидной, когда вы перейдете к следующему разделу. Пока же просто запомните, что этот тип схемы называется
разомкнутым контуром.
В схеме операционного усилителя с разомкнутым контуром вход V+
соединен с землей, а входной сигнал подается на вход V–. При такой
схеме усиливаемое напряжение совпадает с напряжением на входе V–.
Хотя на рис. 3.4 показан переменный ток на входе, схема операционного усилителя с разомкнутым контуром работает и для постоянного тока.

Рис. 3.4.
Операционный
усилитель, сконфигурированный как
усилитель с разомкнутым контуром

Коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой цепи операционного усилителя чрезвычайно высок, порядка десятков или даже
сотен тысяч. Предположим, вы используете операционный усилитель,
коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре которого составляет 200 000, а источник питания — ±9 В. В этом случае

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

415

входное напряжение +0,000025 В приведет к выходному напряжению
+5 В. Входное напряжение +0,00004 В даст выходное напряжение 8 В.

ЗАПОМНИТЕ

Выходное напряжение никогда не может превышать напряжение источника питания. Максимальное выходное напряжение обычно примерно
на 1 В меньше напряжения питания. Если вы используете пару батареек
9 В для питания ±9 В, максимальное выходное напряжение составляет ±8 В. В результате максимальное значение, которое может надежно
усилить операционный усилитель с коэффициентом усиления в разомкнутом контуре 200 000, составляет 0,00004 В. Если разница входного
напряжения больше 0,00004 В, операционный усилитель считается насыщенным, и выходное напряжение достигнет максимального значения.
Я гарантирую, что независимо от того, сколько денег вы вложили в высококачественный вольтметр, он недостаточно чувствителен для измерения столь малых напряжений. Возможно, физики из Калифорнийского
технологического института смогут измерить такое маленькое напряжение, но для всех практических задач 0,00004 В — это то же самое,
что и 0 В.
Одна из основных особенностей схемы операционного усилителя с разомкнутым контуром в том, что если разница входных напряжений
не равна нулю, операционный усилитель будет насыщен, и выходное
напряжение будет таким же, как и максимальное. Таким образом, если
максимальное выходное напряжение составляет ±8 В, на выходе будет
одно из трех напряжений: +8 В, 0 В или -8 В.
Схемы операционных усилителей с разомкнутым контуром могут показаться не особенно полезными, но на самом деле у них есть множество применений на практике. Один из примеров вы увидите в разделе Использование операционного усилителя в качестве компаратора
напряжения.

ИДЕАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ
УСИЛИТЕЛЬ
Если вы посмотрите информацию об операционных усилителях
в Интернете или в книге по электронике, наверняка встретите термин
. Идеальный операционный
усилитель — это гипотетический операционный усилитель с определенными характеристиками, к которым стремятся реальные операционные усилители. Реальные операционные усилители очень близки

416

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

к идеальному, но ни один существующий операционный усилитель
не достигает совершенства идеального: во многих отношениях операционные усилители очень похожи на людей.
В зависимости от того, какой список вы читаете, идеальный операционный усилитель имеет от двух до семи характеристик, наиболее
важные из которых такие.

•

Бесконечный коэффициент усиления в разомкнутом контуре.
Коэффициент усиления в разомкнутым контуре у операционного усилителя очень велик. В идеальном операционном усилителе коэффициент усиления по разомкнутому контуру бесконечен, что означает: любой перепад напряжения на двух входных
клеммах приведет к бесконечному напряжению на выходе.
В реальных операционных усилителях выходное напряжение
ограничено напряжением источника питания. Поскольку выходное напряжение не может быть бесконечным, коэффициент
усиления также не может быть бесконечным.
Бесконечный входной импеданс. представляет собой сопротивление цепи протеканию тока, независимо от того,
является ли ток переменным или постоянным. В идеальном
операционном усилителе импеданс двух входных клемм бесконечен, это означает, что никакой ток не поступает в операционный усилитель со входов. Входы видят напряжение и реагируют
на него, но это напряжение не может пропустить ток в операционный усилитель. На практике это означает, что операционный
усилитель никак не влияет на входное напряжение. В реальном
операционном усилителе небольшое количество тока (обычно не более нескольких миллиампер) все же просачивается
во входные цепи операционного усилителя.
Нулевой выходной импеданс. В идеальном операционном
усилителе выходная схема имеет нулевой внутренний импеданс,
что означает, что напряжение на выходе одинаково независимо
от нагрузки, приложенной к нему схемой, к которой подключен
выход. В реальности большинство операционных усилителей
имеют выходной импеданс в несколько Ом. Это означает, что
фактическое напряжение, подаваемое на выходной разъем,
будет незначительно изменяться в зависимости от нагрузки, подключенной к выходу.
Нулевое напряжение смещения. ? — это
величина напряжения на выходном разъеме, когда два входа
абсолютно одинаковы. Например, если вы подключите оба
входа к земле, на выходе должно быть ровно 0 В. В действительности у реальных операционных усилителей очень небольшое

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

417

напряжение на выходе, даже когда оба входа заземлены, соединены друг с другом или вообще ни к чему не подключены.
Для большинства операционных усилителей это напряжение
смещения всего несколько милливольт.

•

Бесконечная полоса пропускания. Термин
относится к диапазону частот переменного тока, в пределах которого операционный усилитель может точно усиливать
сигнал. В идеальном операционном усилителе частота входного
сигнала не влияет на его поведение. В реальных операционных
усилителях усиление хорошо работает только до определенной
частоты (как правило, несколько мегагерц или миллионы циклов
в секунду).

Характеристики часто сводятся к следующим двум золотым правилам
работы с операционными усилителями:
1.

Выход пытается сделать все необходимое, чтобы разница напряжений между входами стала нулевой.
Это правило, применимое только к схемам усилителей с замкнутым контуром, означает, что обратная связь, посылаемая
с выхода на вход, заставляет два входных напряжения стать
одинаковыми.

Вход не потребляет ток.
Это правило означает, что входные клеммы смотрят на напряжение, подаваемое на них, но не пропускают ток в операционный
усилитель.

Хотя ни один реальный операционный усилитель не может соответствовать стандартам идеального операционного усилителя, большинство довольно близки к этому. Они достаточно близки, чтобы можно
было смело проектировать схему с операционным усилителем так,
как если бы он был идеальным. В частности, действуют два золотых
правила: обратная связь выравнивает входные напряжения, и операционный усилитель не потребляет ток со входа.

418

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Взгляд на усилители
с замкнутым контуром
Чтобы сделать операционный усилитель полезным, необходимо использовать его в цепи обратной связи, которая уменьшает коэффициент усиления до более управляемой величины, чтобы входное напряжение, которое можно использовать (и даже измерить!), могло быть
надежно усилено.
Я уверен, что вы уже знакомы с концепцией обратной связи. Когда оратор выступает с микрофоном, иногда из динамиков раздается резкий
неприятный звук. Этот резкий звук и есть обратная связь. Микрофон
улавливает часть сигнала из колонок, снова посылает его через усилитель — и в результате из динамика идет высокочастотный звук.
Однако не все обратные связи плохи. В схеме усилителя с операционным усилителем обратная связь используется для уменьшения огромного коэффициента усиления в разомкнутом контуре до более приемлемого, например 10. Для этого выходной сигнал подается обратно
на вход через клемму V+. Резистор используется для уменьшения напряжения, подаваемого обратно на вход. Этот тип схемы называется
усилителем с замкнутым контуром, поскольку между выходом и входом существует замкнутый контур. (Теперь вы понимаете, почему схема операционного усилителя без контура обратной связи называется
усилителем с разомкнутым контуром.)
Наиболее распространенная конфигурация операционного усилителя
называется инвертирующей, поскольку напряжение на выходе противоположно напряжению на входе. На рис. 3.5 показана базовая схема
инвертирующего усилителя.

Рис. 3.5.
Операционный
усилитель,
сконфигурированный как инвертирующий
усилитель

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

419

В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал проходит через резистор на пути к входу V– , а выходной возвращается на вход V– через
второй резистор. На рис. 3.5 эти резисторы обозначены как R1 и R2.
Вы можете легко рассчитать общий коэффициент усиления по напряжению схемы, используя эту формулу:

Здесь коэффициент усиления обозначен как ACL (CL означает closed
loop, замкнутый контур).
Если R1 равен 1 кОм, а R2 — 10 кОм, коэффициент усиления цепи
по напряжению будет равен –10. Тогда, если входное напряжение равно +0,5 В, выходное напряжение составит –5 В (0,5 × –10).
Обратите внимание, что отрицательный знак необходим, поскольку
на рис. 3.5 показана инвертирующая схема усилителя, поэтому положительные входы дают отрицательные выходы, и наоборот.
Усилитель с замкнутым контуром также может быть спроектирован
как неинвертирующий усилитель, в котором выходное напряжение
не меняется на противоположное. Для этого нужно просто поменять
местами входы, как показано на рис. 3.6. Вместо того чтобы подключать
входное напряжение к V– через резистор и заземлять V+, вы заземляете V– через резистор и подключаете входное напряжение к V+. Цепь обратной связи такая же; выход подключен к входу V– через резистор R1.

Рис. 3.6.
Операционный усилитель,
сконфигурированный как неинвертирующий
усилитель

420

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Формула для расчета коэффициента усиления для неинвертирующего усилителя немного отличается от формулы для инвертирующего
усилителя:

Если R1 равен 10 кОм, а R2 — 1 кОм, коэффициент усиления равен 11.
Таким образом, входное напряжение +0,5 В приведет к выходному напряжению +5,5 В.

УГЛУБЛЯЯСЬ В ОБРАТНУЮ СВЯЗЬ
Интересно понять, как работает цепь обратной связи — вспомните
правило: если входное напряжение не равно нулю, операционный
усилитель будет насыщен, и выходное напряжение будет максимально допустимым. Цель цепи обратной связи — вернуть часть выходного
напряжения на инвертирующий вход, в результате чего разница входных напряжений стремится к нулю. По мере приближения напряжения
к нулю коэффициент усиления операционного усилителя начинает
падать до полезного диапазона.
Предположим, разница входных напряжений в схеме инвертирующего
операционного усилителя +0,5 В. Это приводит к насыщению операционного усилителя, поэтому на выходе появляется –8 В. Часть отрицательного напряжения, зависящего от делителя напряжения, созданного R1 и R2, возвращается на вход V– , что приводит к уменьшению
входного напряжения. В результате разница напряжений становится
меньше, но не настолько, чтобы предотвратить насыщение оптоэлектронного усилителя.
Однако помните, что контур обратной связи — это всего лишь контур.
По мере того как все больше и больше насыщенного выходного напряжения возвращается через контур, разница входного напряжения
приближается к нулю. Когда она становится очень близкой к нулю,
выходное напряжение падает до диапазона между нулем и максимальным напряжением.
Лучшая особенность схемы усилителя с замкнутым контуром в том,
что два резистора вне микросхемы операционного усилителя позволяют точно контролировать величину усиления, которое в конечном
итоге будет иметь схема. Все, что вам нужно сделать, чтобы получить любой коэффициент усиления, который вы хотите (в пределах
возможностей операционного усилителя), — это выбрать правильные
значения резисторов.

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

421

Использование операционного
усилителя в качестве усилителя
с единичным коэффициентом усиления
Усилитель с единичным коэффициентом усиления — это схема усилителя, которая не усиливает. Другими словами, его коэффициент усиления равен 1, и его выходное напряжение усилителя равно его входному напряжению.
Может показаться, что такая схема бесполезна. В конце концов, разве простой кусок провода не есть схема с коэффициентом усиления?
Конечно, но усилитель с коэффициентом усиления обеспечивает одно
важное преимущество: он не потребляет ток от источника входного
сигнала. (Помните, это одно из золотых правил идеального операционного усилителя.) Таким образом, он полностью изолирует входную
часть схемы от выходной. Операционные усилители часто используются в качестве усилителей с коэффициентом усиления, чтобы изолировать каскады схемы друг от друга.
Усилители с единичным коэффициентом усиления бывают двух типов: повторители и инверторы напряжения. Повторителем называется схема, в которой выходное напряжение точно такое же, как и входное. Инвертор — это схема, в которой на выходе напряжение того же
уровня, что и на входе, но с противоположной полярностью.
Если вы немного подумаете, возможно, сможете самостоятельно придумать схему для повторителей и инверторов с единичным коэффициентом усиления. Для расчета коэффициента усиления как инвертирующего, так и неинвертирующего усилителя нужно только разделить
R1 на R2, так что все, что вам нужно сделать, — это выбрать значения
резисторов, которые приведут к коэффициенту усиления, равному 1.

Настройка повторительного усилителя
с единичным коэффициентом усиления
Повторительный усилитель с единичным коэффициентом усиления —
это просто неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления,
равным 1. Формула для расчета значения неинвертирующего усилителя выглядит следующим образом:

422

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Чтобы создать повторительный усилитель с единичным коэффициентом усиления, достаточно опустить R2 и подключить выход непосредственно к инвертирующему входу, как показано на рис. 3.7. Поскольку
R2 равен нулю, значение R1 не имеет значения, так как нуль, деленный на что-либо, равен нулю. Поэтому R1 обычно также опускают,
а вход V– не соединяют с землей.

Рис. 3.7.
Операционный
усилитель, сконфигурированный
как повторительный усилитель
с единичным
коэффициентом
усиления

Конфигурирование инвертирующего усилителя
с единичным коэффициентом усиления
Формула для расчета коэффициента усиления инвертирующего
усилителя:

В этом случае достаточно использовать одинаковые значения R1 и R2,
чтобы коэффициент усиления усилителя был равен 1.
На рис. 3.8 показана схема инвертора с коэффициентом усиления, использующего резисторы 1 кОм.

Рис. 3.8.
Оптический
усилитель, сконфигурированный
как инвертор
с единичным
коэффициентом
усиления

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

423

Использование операционного усилителя
в качестве компаратора напряжения
Компаратор напряжения — это схема, которая сравнивает два входных напряжения и сообщает, какое из них больше. Предположим, у вас
есть фотоэлемент, который генерирует 0,5 В, когда на него попадает
солнечный свет, и вы хотите использовать этот фотоэлемент как датчик, чтобы определить, когда на улице светло. Вы можете использовать
компаратор напряжения для сравнения напряжения с фотоэлемента
с опорным напряжением 0,5 В, чтобы определить, светит солнце или нет.
Создать компаратор напряжения на основе операционного усилителя очень просто, поскольку полярность выходной цепи операционного усилителя зависит от полярности разности между двумя входными
напряжениями. На рис. 3.9 показана базовая схема компаратора напряжения на основе операционного усилителя.

Рис. 3.9.
Операционный усилитель,
сконфигурированный как
компаратор
напряжения

В схеме сравнения напряжений сначала на инвертирующий вход (V–)
подается опорное напряжение, затем на неинвертирующий вход подается напряжение, которое нужно сравнить с опорным. Выходное
напряжение зависит от входного напряжения относительно опорного
в соответствии со следующей таблицей:
Входное напряжение

Выходное напряжение

Меньше опорного напряжения

Отрицательное

Равно опорному напряжению

Нуль

Больше, чем опорное напряжение

Положительное

Обратите внимание, что уровень напряжения для положительного и отрицательного выходных напряжений будет примерно на 1 В меньше,
чем у источника питания. Если питание операционного усилителя составляет ±9 В, выходное напряжение будет равно +8 В, если входное
напряжение больше опорного; 0 В, если входное напряжение равно
опорному, и –8 В, если входное напряжение меньше опорного.

424

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Вы можете модифицировать схему, чтобы устранить отрицательное
напряжение, если входное напряжение меньше опорного, направив
выходное напряжение через диод, как показано на рис. 3.10. В этой
схеме на выходе появляется положительное напряжение, если входное напряжение больше опорного; в противном случае выходное напряжение отсутствует.

Рис. 3.10.
Использование диода в
схеме компаратора

Чтобы создать компаратор напряжения, который формирует положительное напряжение на выходе, если входное напряжение меньше
опорного, используйте схему, показанную на рис. 3.11. Здесь входное
напряжение подается на инвертирующий (V-) вход, а опорное напряжение — на неинвертирующий (V+) вход.

Рис. 3.11.
Компаратор
проверяет
напряжение,
которое меньше опорного
напряжения

Последняя схема компаратора, о которой вы должны знать, — это оконный компаратор, который позволяет узнать, попадает ли входное напряжение в заданный диапазон. Для работы оконного компаратора
требуются три входа: низкое опорное напряжение, высокое опорное
напряжение и входное напряжение. На выходе оконного компаратора будет положительное напряжение только в том случае, если входное
напряжение больше опорного напряжения низкого уровня и меньше
опорного напряжения высокого уровня. Если входное напряжение меньше низкого опорного напряжения, на выходе будет нуль. Аналогично,
если входное напряжение больше высокого опорного напряжения,
на выходе также будет нуль.

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

425

Для создания оконного компаратора вам понадобятся два операционных усилителя, как показано на рис. 3.12. Один операционный усилитель настроен на получение положительного выходного напряжения
только в том случае, если входное напряжение больше опорного напряжения низкого уровня (VREF(LOW)). Другой операционный усилитель
настроен на получение положительного выходного напряжения только в том случае, если входное напряжение меньше опорного напряжения высокого уровня (VREF(HIGH)).

Рис. 3.12.
Два операционных усилителя
можно использовать для создания оконного
компаратора

Входное напряжение подключается к обоим операционным усилителям;
выходное напряжение проходит через диоды, чтобы пропускать только
положительное напряжение, и затем комбинируется. Результирующий
выход будет иметь положительное напряжение только в том случае,
если входное напряжение попадает между низким и высоким опорными напряжениями.

СОВЕТ

426

Обратите внимание: на рис. 3.12 подключения питания не показаны отдельно для каждого операционного усилителя в схеме. Обычно разъемы
питания опускают, когда в одной схеме используется несколько операционных усилителей. Если разъемы питания показать для всех операционных усилителей, схема получится слишком сложной. Не знаю,
как вам, а мне лишние сложности в жизни не нужны.

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Сложение напряжений
Операционный усилитель можно использовать для сложения или вычитания двух или более напряжений. Схема, которая складывает напряжения, называется суммирующим усилителем. Суммирующий усилитель
имеет два входа и выходное напряжение, которое является суммой двух
входных напряжений, но с противоположной полярностью. Например,
если на одном из входов +1,5 В, а на другом +1,0 В, выходное напряжение будет равно –2,5 В.
На рис. 3.13 показана базовая схема суммирующего усилителя. Чтобы
суммирующий усилитель работал, резисторы R1, R2 и R3 должны иметь
одинаковое значение.

Рис. 3.13.
Базовая схема
суммирующего
усилителя

Если все резисторы в суммирующем усилителе одинаковы, выходное
напряжение равно сумме входных напряжений. Это обычный способ
настройки суммирующего усилителя, хотя при желании вы можете варьировать значения резисторов.
Если у резисторов разные значения, каждое из входных напряжений
взвешивается в соответствии со значением резистора на его входной цепи. Это приводит к умножению каждого входного напряжения
на определенное значение перед суммированием напряжений. Точное
значение, на которое умножается каждое входное напряжение, зависит от сочетания используемых резисторов.
Например, если R1 — 1 кОм, а R2 — 10 кОм, входное напряжение, поданное через резистор 1 кОм, будет умножено на 10, прежде чем будет
добавлено к напряжению, поданному через резистор 10 кОм. Таким

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

427

образом, если входное напряжение на R1 равно +1 В, а входное напряжение на R2 равно +2 В, выходное напряжение будет равно –12 В.
(Чтобы эта формула работала, R3 также должен быть равен 10 кОм.)
Фактическая формула для расчета выходного напряжения на основе
входных напряжений и значений резисторов выглядит так:

Вы можете по желанию попробовать рассчитать различные комбинации значений резисторов и входных напряжений. Вот несколько примеров, которые дадут вам представление о том, как будет вести себя
схема, когда R1 равен 1 кОм, а R2 и R3 равны 10 кОм:
Vin (1)

Vin (2)

Vout

+1 В

−11 В

+1 В

+5 В

−15 В

0В

+5 В

−5 В

+2 В

−5 В

−15 В

−1 В

−5 В

+15 В

Один из недостатков суммирующего усилителя в том, что он инвертирует полярность входного сигнала, но вы можете легко подать выход
суммирующего усилителя на вход инвертора с коэффициентом усиления, как показано на рис. 3.14. Здесь второй операционный усилитель
инвертирует полярность выхода суммирующего усилителя, что приводит
к возврату полярности выходного напряжения к полярности исходных
входов. (Более подробную информацию о части этой схемы, связанной с инвертором напряжения, см. в разделе Использование операционного усилителя в качестве усилителя с единичным коэффициентом усиления в начале этой главы.)

Рис. 3.14.
Суммирующий усилитель
может быть объединен с
инвертором напряжения
для сохранения полярности входного сигнала

428

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Одно из распространенных применений схемы суммирующего усилителя — использование его в качестве аудиомикшера. Когда этот тип схемы используется в качестве аудиомикшера, каждый вход подключается
к микрофону. Суммирующий усилитель объединяет все микрофонные
входы путем сложения напряжений с каждого микрофона, и полученный выход направляется на другой каскад усилителя.
Резисторы в каждой входной цепи часто являются потенциометрами,
что позволяет изменять уровень сигнала с каждого источника входного сигнала. Когда вы увеличиваете сопротивление одной из входных
цепей, в выходной микс попадает меньше сигнала с этого входа — особенно полезно, если один из ваших певцов немного сбивается с ритма.
Схема суммирующего усилителя может быть расширена за счет дополнительных входов. На рис. 3.15 показана схема с четырьмя входами, в которой используются потенциометры для управления уровнем
каждого входа. Вы можете добавить столько входов, сколько захотите,
но нужно убедиться, что общее напряжение на всех входах не превышает напряжение питания (минус один-два вольта).

Рис. 3.15.
Простой аудиомикшер с четырьмя
входами

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

429

ОСТОРОЖНО!

Обратите внимание, что операционные усилители имеют максимальное выходное напряжение. Если вы работаете с выходным напряжением выше ±15 В, следует проверить максимальное выходное напряжение вашего операционного усилителя, чтобы убедиться, что он может
его выдержать.

Работа с интегральными схемами
операционных усилителей
До сих пор все примеры в этой главе предполагали, что вы используете
в своих схемах обычный операционный усилитель. Когда вы перейдете
к построению реальной схемы, вам понадобится использовать настоящий операционный усилитель. К счастью, выбор интегральных схем
операционных усилителей очень богат и почти во всех магазинах, торгующих электронными компонентами, продается несколько типов недорогих интегральных схем.

Рис. 3.16.
Разводка
выводов для
операционного
усилителя LM741

V– (инвертированный вход)

+V (питание)

V+ (неинвертированный вход)

Vout (выход)

–V (питание)

Самой популярной интегральной схемой операционного усилителя является LM741, которая поставляется в стандартном восьмиконтактном
корпусе DIP. На рис. 3.16 показано подключение выводов для операционного усилителя LM741.
Вы также можете купить интегральные схемы, где два или более операционных усилителя в одном корпусе. Один из наиболее распространенных — четырехканальный операционный усилитель LM324, там четыре операционных усилителя в одном 14-контактном DIP-корпусе.
В отличие от LM741, в LM324 используются операционные усилители с одним источником питания. Таким образом, вместо раздельного
питания + и –, вы обеспечиваете только положительное напряжение
питания и землю.

430

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

Рис. 3.17.
Разводка выводов
четырехканального
операционного усилителя LM324

На рис. 3.17 показаны выводы LM324. Как видите, доступ к первому
операционному усилителю осуществляется через выводы 1–3, ко второму — через выводы 5–7, к третьему — через выводы 8–10, а к четвертому — через выводы 12–14. Положительное напряжение источника
питания подключено к выводу 4, а вывод 11 соединен с землей.

ГЛАВА 3.Работа с операционными усилителями

431

432

ЧАСТЬ 3. Использование интегральных схем

НЕ ТОЛЬКО
ПОСТОЯННЫЙ
ТОК

Краткое оглавление

434

ГЛАВА 1

Первое знакомство с переменным током. . . . . . . . . . . . 415

ГЛАВА 2

Изготовление работы источников питания . . . . . . . . 440

ГЛАВА 3

Основные сведения о радио . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ГЛАВА 4

Использование инфракрасного излучения . . . . . . . .479

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

453

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Познакомитесь с переменным током
» Узнаете, как переменный ток победил
постоянный

» Поймете, как генератор преобразует
механическую энергию в переменный ток

» Узнаете, как работают
электродвигатели

» Погрузитесь в магию

Гл а в а 1

трансформаторов

Первое знакомство
с переменным током
есколько лет назад я посмотрел один из моих любимых мюзиклов — «Отверженные». Конечно, это не имеет никакого отношения к электричеству, но в конце первого акта, когда группа студентов колледжа присоединяется к остальным героям, поющим
One Day More!, они синхронно делают один шаг к зрителям, затем шаг
назад, затем шаг вперед, затем шаг назад и т. д. Это создает убедительный
эффект движущейся толпы, хотя на самом деле толпа остается на месте.

Так работает переменный ток. До сих пор в этой книге я в основном работал с постоянным током, при котором электрический ток течет в одном направлении, и только в одном. Если бы студенты в «Отверженных»
демонстрировали постоянный ток, они бы маршировали прямо со сцены, через оркестровую яму и через зрителей, через задние двери зрительного зала.
При переменном токе ток течет в обоих направлениях — вперед и назад, подобно тому, как студенты в «Отверженных», маршируя в ногу,
сначала делают шаг вперед, а потом назад.
Переменный ток имеет огромное значение для электроники по одной простой причине: электрический ток, который вы можете получить, подключив цепь к розетке, переменный! Таким образом, если

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

435

вы хотите освободить схемы от тирании батареек, которые рано или
поздно умирают, нужно чтобы ваши схемы могли работать от источника переменного тока.
В этой главе вы рассмотрите природу переменного тока и то, как он может обеспечить надежное напряжение в вашем доме или на предприятии. Вы также рассмотрите три основных устройства переменного тока:
генераторы, которые вырабатывают переменный ток из источника движения, например паровой турбины или ветряной мельницы; двигатели,
которые превращают переменный ток в движение; и трансформаторы,
которые могут передавать переменный ток из одной цепи в другую без
какого-либо физического соединения между цепями. И наконец, вы
узнаете об основах безопасной работы с переменным током.

Что такое переменный ток?
Как вы знаете, электрический ток, который течет непрерывно в одном направлении, называется постоянным током (direct current, DC).
В цепи постоянного тока он вызывается электронами, которые выстраиваются в одну линию и движутся в одном направлении. В проводе,
по которому течет постоянный ток, электроны перескакивают от атома
к атому, двигаясь в одном направлении. Таким образом, электрон, начавший путь с одного конца провода, в итоге окажется на другом его конце.
В переменном токе электроны движутся не только в одном направлении. Вместо этого они некоторое время скачут от атома к атому в одном направлении, а затем разворачиваются и скачут от атома к атому
в противоположном направлении. Время от времени электроны меняют направление. В переменном токе электроны не движутся неуклонно
вперед. Вместо этого они просто двигаются вперед-назад.
Когда при переменном токе электроны меняют направление движения, направление тока и напряжение в цепи меняется на противоположное. В США в электрораспределительных сетях (включая домашние электросети) напряжение меняется на противоположное 60 раз
в секунду. В некоторых странах напряжение меняется на противоположное 50 раз в секунду.
Скорость изменения направления переменного тока называется его
частотой, выраженной в герцах. Так, в США частота стандартного
тока электросети равна 60 Гц1.
1

436

В России, странах СНГ и большинстве европейских стран частота стандартного сетевого тока
составляет 50 Гц. — Прим. науч. ред.

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Важно понимать, что напряжение в цепи переменного тока не меняет
полярность мгновенно. Вместо этого напряжение неуклонно возрастает от нуля до максимального значения — это пиковое напряжение.
Затем оно начинает уменьшаться, возвращаясь к нулю. Затем меняет
полярность и падает ниже нуля, снова направляясь к пиковому, но уже
отрицательной полярности. Достигнув пикового отрицательного напряжения, оно начинает снова подниматься, пока не придет к нулю.
Затем цикл повторяется.
Колебания напряжения важны из-за основной взаимосвязи между
магнитными полями и электрическими токами. Когда проводник (например, провод) движется через магнитное поле, магнитное поле индуцирует в нем ток. Но если проводник неподвижен относительно магнитного поля, ток в нем не индуцируется.
Для создания этого эффекта не требуется физическое движение. Если
проводник в фиксированном положении, но напряженность магнитного поля увеличивается или уменьшается (то есть магнитное поле расширяется или сжимается), в проводнике индуцируется ток, как если
бы магнитное поле было фиксированным, а проводник физически перемещался по полю.
Поскольку напряжение в переменном токе всегда либо увеличивается,
либо уменьшается при изменении полярности, магнитное поле, окружающее ток, всегда либо расширяется, либо сжимается. Если поместить
проводник в это расширяющееся и сворачивающееся магнитное поле,
в проводнике будет индуцироваться ток, и он будет меняться в соответствии с движением магнитного поля.
Это похоже на волшебство! При переменном токе ток в одном проводе может вызвать ток в соседнем проводе, даже если между ними нет
физического контакта.
Получается, что переменный ток можно использовать для создания изменяющегося магнитного поля, а изменяющееся магнитное поле — для
создания переменного тока. Эта взаимосвязь между переменным током
и магнитным полем позволяет использовать три важных устройства.

Генератор переменного тока. Устройство, генерирующее
переменный ток из источника вращательного движения
(турбина, работающая на воде или паре, ветряная мельница).
Генераторы переменного тока работают, используя вращательное движение для вращения магнита, помещенного
в катушку с проводом. При вращении магнита его магнитное
поле перемещается, это вызывает переменный ток в витках
провода. (Катушки проводов используются вместо прямых

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

437

проводов просто потому, что наматывание провода позволяет увеличить его длину.)

Мотор. Противоположность генератору. Он преобразует
переменный ток во вращательное движение. В простейшей
форме двигатель — это просто генератор, подключенный
в обратном направлении. Магнит устанавливается на вал, который может вращаться; магнит помещается в витки катушки
с проводом. Когда на катушку подается переменный ток, нарастающее и спадающее магнитное поле, создаваемое током,
заставляет магнит вращаться, это приводит к вращению вала.
Трансформатор. Состоит из двух катушек проволоки, расположенных в непосредственной близости друг от друга.
Если на одну подать переменный ток, магнитное поле будет
вызывать переменный ток в другой катушке.

Измерение переменного тока
Если ток постоянный, вы можете определить напряжение между двумя точками: измерьте напряжение вольтметром.
Однако если ток переменный, измерить напряжение намного сложнее:
оно постоянно меняется. Когда мы говорим, что напряжение на розетке составляет 120 В переменного тока, что это значит на самом деле?
Есть три способа измерить напряжение в цепи переменного тока.
Они показаны на рис. 1.1.

Пиковое

Размах
колебаний

Рис. 1.1.
Три способа
измерения
переменного тока

438

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Среднеквадратичное

»
»
»

Пиковое напряжение. Измерение самого большого напряжения в диапазоне от 0 В и до наивысшей точки цикла переменного тока. Это максимальное напряжение.
Размах колебаний напряжения. Разница между самым
высоким и самым низким пиками переменного напряжения.
В большинстве случаев размах колебаний напряжения переменного тока в два раза больше пикового напряжения.
Среднеквадратичное напряжение. Среднее напряжение
в цепи; среднеквадратичное напряжение — самый распространенный способ определить напряжение в цепи переменного тока. Например, когда мы говорим, что напряжение
в электрической розетке составляет 120 В переменного тока,
на самом деле имеем в виду, что среднеквадратичное напряжение равно 120 В.
Если напряжение переменного тока соответствует истинной
синусоиде, среднеквадратичное напряжение 0,707 пикового напряжения, и наоборот, пиковое напряжение примерно
в 1,4 раза больше среднеквадратичного. Таким образом,
фактическое пиковое напряжение в электрической розетке
составляет около 168 В.

ПРИМЕЧАНИЯ

Истинное среднеквадратичное напряжение вычисляется по достаточно
сложной формуле, поэтому среднеквадратичное значение рассчитывается на основе выборки фактического напряжения с очень маленькими
временными интервалами: напряжения выборки возводятся в квадрат,
квадраты напряжений складываются, и вычисляется среднее значение всех квадратов, а затем вычисляется квадратный корень из среднего значения. Это и есть фактическое среднеквадратичное значение.
Для истинной синусоиды предыдущий расчет оказывается очень близким к умноженному на 0,707 пиковому напряжению. Однако для переменного напряжения, которое не является истинной синусоидой,
фактическое среднеквадратичное значение может отличаться от того,
что можно определить с умножением пикового напряжения на 0,707.
Почти все вольтметры переменного тока показывают среднеквадратичное значение напряжения, но только более дорогие вольтметры переменного тока вычисляют фактическое среднеквадратичное значение
на основе выборки входного напряжения и вычисления суммы квадратов. Недорогие вольтметры просто измеряют пиковое напряжение
и умножают его на 0,707. К счастью, такое округление вполне подходит для большинства проектов.

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

439

ВОЙНЫ ЗА ТОК
Переменный ток — мировой стандарт распределения электроэнергии.
Однако так было не всегда. Когда электричество только начинало
применяться на практике, обычно для распределения электроэнергии использовался постоянный ток. Самым большим сторонником
постоянного тока был не кто иной, как сам Томас Эдисон, великий
американский изобретатель, которому приписывают изобретение
практически всего, от лампочки до фонографа и кино.
Эдисон в 1882 г. открыл первую электроэнергетическую компанию,
которая обеспечивала электричеством 59 домов в Нью-Йорке. К 1890 г.
у него было более 100 электростанций, работающих по всей стране.
Главным конкурентом Томаса Эдисона был Джордж Вестингауз,
который выступал за использование переменного тока для распределения электроэнергии и продвигал систему, разработанную блестящим, но эксцентричным изобретателем Николой Теслой. Вестингауз
пропагандировал преимущества переменного тока перед постоянным — прежде всего то, что переменный ток может эффективно
передавать энергию на гораздо большие расстояния, чем постоянный.
Для системы постоянного тока Эдисона требовалось, чтобы электростанции располагались в нескольких милях от потребителей, а система переменного тока Теслы позволяла передавать энергию на сотни
миль от электростанций
Эдисон отреагировал на критику постоянного тока так, как это сделал бы любой настоящий американский маркетолог: развернув кампанию по дискредитации. В 1887 году один человек случайно погиб,
прикоснувшись к оголенным линиям электропередач. Эдисон поручил одному из своих сотрудников разработать способ казни с помощью электричества, и в результате появился электрический стул.
Разумеется, электрический стул использовал для казни переменный,
а не постоянный ток. Эдисон развернул общенациональную рекламную кампанию, чтобы убедить общественность: переменный ток
настолько опасен, что его используют в тюрьмах для казни. Он даже
устраивал публичные казни бродячих собак и в одном случае слона.
Посыл был ясен: не стоит держать эту опасную штуку у себя дома.
К счастью, дискредитация не сработала, и преимущества переменного
тока взяли верх. Переломным моментом стало начало работы генераторов переменного тока на Ниагарском водопаде в 1895 году, которые
поставляли электроэнергию в Буффало, штат Нью-Йорк, на расстояние 20 миль. К началу XX века почти все распределение электроэнергии в мире осуществлялось с помощью переменного тока.

440

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Однако распределение постоянного тока продолжалось гораздо
дольше, чем вы могли бы подумать. Одна из крупнейших электроэнергетических компаний в мире Con Edison, которая является наследником по прямой компании Эдисона, перевела всех своих потребителей
на переменный ток только в 2007 году.

Принцип работы генераторов
переменного тока
Один из хороших способов понять, как работает переменный ток, — рассмотреть устройство, которое чаще всего используется для его генерации: генератор переменного тока. Генератор — это устройство, которое
преобразует вращательное движение, обычно от турбины, приводимой
в движение водой, паром или ветром, в электрический ток. По своей
природе генератор создает переменный ток.
На рис. 1.2 показана упрощенная схема работы генератора переменного тока. По сути, большой магнит помещен в набор неподвижных
проволочных катушек. Магнит установлен на вращающемся валу, который соединен с турбиной или ветряной мельницей. Таким образом,
когда вода или пар проходят через турбину или когда ветер вращает ветряк, магнит вращается.

Рис. 1.2.
Генератор переменного тока
вырабатывает
переменный ток
из вращающегося
магнита

Нет тока

Ток

Нет тока

Ток

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

441

При вращении магнита его магнитное поле перемещается по виткам
провода. Благодаря явлению электромагнитной индукции движущееся магнитное поле вызывает электрический ток в витках провода. Сила
и направление этого электрического тока зависят от положения и направления вращающегося магнита.
На рис. 1.2 показано, как ток индуцируется в проволоке при четырех
различных положениях вращения магнита. При положении А магнит
находится в самой дальней точке от катушек и ориентирован в том же
направлении, что и катушки. В этот момент магнитное поле вообще
не индуцирует электрический ток, и лампочка не горит.
Но когда магнит начинает вращаться по часовой стрелке, он приближается к катушкам, тем самым открывая для них большую часть своего
магнитного поля. Движущееся магнитное поле индуцирует ток, который становится сильнее по мере того, как магнит продолжает вращаться
ближе к катушкам. Это заставляет лампочку светиться. Вскоре магнит
достигает самой близкой точки к катушкам (в положение B). В этот момент ток и напряжение максимальны, а лампочка светится ярче всего.
Поскольку магнит продолжает вращаться против часовой стрелки,
он начинает удаляться от катушки. Движущееся электрическое поле
продолжает индуцировать ток в катушке, но ток (и напряжение) уменьшается по мере удаления магнита от катушки. Когда магнит достигает
самой удаленной от катушек точки (положение C), ток прекращается,
и лампочка темнеет.
Когда магнит продолжает вращаться, он снова приближается к катушкам. Но на этот раз полярность магнита меняется на противоположную. Таким образом, электрический ток, индуцированный в проволоке
движущимся магнитным полем, имеет противоположное направление
(положение D). И снова лампочка светится, поскольку ток, проходящий через нее, увеличивается.
И т. д. С каждым оборотом магнита напряжение идет к нулю — и неуклонно возрастает до максимальной точки, затем падает, пока снова
не достигнет нуля. Затем процесс меняется на обратный, и ток течет
в противоположном направлении.
Вот еще несколько интересных фактов о генераторах переменного тока:

» Термин "

относится к любому устройству, преобразующему механическую энергию в электрическую. Генератор
переменного тока — это особый тип генератора, поэтому
принято (и правильно!) называть генератор генератором.

442

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Можно генерировать постоянный ток из вращающихся магнитных полей. Однако генератор постоянного тока сложнее
генератора переменного тока и содержит дополнительные
компоненты, которые со временем могут изнашиваться.

» Частота переменного тока, вырабатываемого генератором,

зависит от скорости вращения магнита. Чем быстрее вращается магнит, тем выше частота переменного тока.

Если разместить два набора катушек, равномерно расположенных вокруг магнита, каждый из которых образует свой
собственный полный контур, в каждом из них будет индуцироваться переменный ток. Однако полярности двух напряжений будут зеркальным отражением друг друга. Другими
словами, если в одной из цепей напряжение положительное, в другой оно будет отрицательным. Отношение между
полярностями цепей называется N , а система генерации
с двумя цепями, расположенными таким образом, называется
N . Считается, что оба контура находятся в противофазе на 180° по отношению друг к другу.
Если используются три комплекта катушек, система называется N . В трехфазной системе три цепи находятся
в противофазе на 120°. Большинство электрогенерирующих
систем — трехфазные, поскольку три фазы обеспечивают
наиболее эффективную выработку энергии из вращающихся
магнитных полей.

Принцип работы электрических
двигателей
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в виде электрического тока во вращающуюся механическую энергию. Простейший
тип электродвигателя — это, по сути, то же самое, что и генератор переменного тока. Разница в том, что вместо использования другой механической силы (вода или пар) для вращения магнита, который, в свою
очередь, вызывает электрический ток в катушках, электрический ток
подается на катушки, что, в свою очередь, заставляет магнит вращаться.
Я покажу вам схему работы двигателя, но она будет очень похожа на схему генератора переменного тока, показанную на рис. 1.2. Единственное
отличие в том, что лампочку заменили источником переменного тока.
Та же сила, которая вызывает индукцию электрического тока в катушке при прохождении катушки через движущееся магнитное поле, вызывает создание движущегося магнитного поля при прохождении тока

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

443

через катушку. Движущееся магнитное поле, в свою очередь, заставляет магнит вращаться. Это вращение передается на вал, к которому
прикреплен магнит.
Как и в случае с генераторами, можно создавать двигатели, работающие не на переменном, а на постоянном токе. Как и в случае с генераторами, двигатели постоянного тока сложнее, чем двигатели переменного тока. В двигателе постоянного тока полярность катушек должна
меняться каждые пол-оборота магнита, чтобы магнит совершал полные обороты. Обычно для этого используются металлические щетки.
В двигателе переменного тока щетки не нужны, поскольку переменный ток сам меняет полярность.

Трансформаторы
В главе 4 части 2 вы узнали об основных принципах магнетизма и индуктивности. Трансформатор — это устройство, использующее эти
два принципа:

»
»

Меняющийся ток, проходящий по проводу, создает вокруг
него движущееся магнитное поле.
В проводе, находящемся в магнитном поле, будет индуцироваться изменяющийся ток.

Рис. 1.3.
Трансформатор
использует магнитную индукцию
для передачи
тока из одной
цепи в другую

Трансформатор объединяет эти два принципа, размещая две катушки провода в непосредственной близости друг от друга, как показано
на рис. 1.3. Когда к одной из катушек подключается источник переменного тока, в ней создается магнитное поле, которое расширяется
и сжимается в соответствии с изменением напряжения переменного
тока. Другими словами, по мере увеличения напряжения на катушке

444

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

она создает расширяющееся магнитное поле. Когда напряжение достигает своего пика и начинает уменьшаться, магнитное поле, созданное
вокруг катушки, начинает разрушаться.
Вторая катушка находится в магнитном поле, создаваемом первой катушкой. Когда магнитное поле расширяется, оно индуцирует ток во второй катушке. Напряжение на второй катушке увеличивается до тех пор,
пока расширяется магнитное поле. Когда магнитное поле начинает сокращаться, напряжение на второй катушке уменьшается.
Таким образом, ток, индуцированный во второй катушке, зеркально
отражает ток, проходящий через первую катушку. При этом теряется
небольшое количество энергии, но если трансформатор хорошо сконструирован, сила тока, индуцируемого во второй катушке, очень близка к силе тока, проходящего через первую катушку.
Первая катушка трансформатора — та, что подключена к переменному напряжению, — называется первичной. Вторая катушка — в которой индуцируется переменное напряжение — называется вторичной.
Все трансформаторы имеют как первичную, так и вторичную обмотку.

ПРИМЕЧАНИЯ

Строго говоря, не все трансформаторы имеют первичную и вторичную обмотки. Существует особый тип трансформаторов, называемый
автотрансформатором, у которого только одна катушка с несколькими отводами. В автотрансформаторе одна катушка выполняет функции
и первичной, и вторичной обмоток обычного трансформатора. В этой
книге я не рассматриваю автотрансформаторы.
Одна из наиболее полезных характеристик трансформатора заключается в том, что напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, равно напряжению, приложенному к первичной обмотке, умноженному
на отношение числа витков в первичной и вторичной обмотках.
В простейшем случае, когда и первичная, и вторичная катушки с одинаковым числом витков, напряжение, индуцируемое во вторичной катушке, равно напряжению, приложенному к первичной. Но что, если
в первичной катушке больше витков, чем во вторичной? В этом случае напряжение, индуцируемое во вторичной катушке, будет меньше,
чем напряжение, приложенное к первичной.
На сколько меньше — это зависит от соотношения витков в первичной и вторичной катушках. Если вторичная катушка имеет в два раза
меньше витков, чем первичная, напряжение, индуцируемое во вторичной катушке, будет в два раза меньше напряжения, приложенного
к первичной. Например, если на первичную катушку подать 110 В переменного тока, во вторичной катушке будет индуцироваться 55 В переменного тока.

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

445

Аналогично, если вторичная катушка имеет больше витков, чем первичная, индуцированное напряжение будет больше, чем напряжение,
приложенное к первичной катушке. Предположим, что первичная
имеет 1000 витков, а вторичная — 2000. Если на первичную катушку
подать напряжение 110 В, во вторичной будет индуцироваться напряжение 220 В.
Трансформатор, в первичной обмотке которого больше витков, чем
во вторичной, называется понижающим, поскольку он понижает напряжение. Аналогично трансформатор, у которого витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, называется повышающим.
Хотя напряжение в повышающем трансформаторе увеличивается, ток
пропорционально уменьшается. Например, если первичная обмотка
имеет в два раза меньше витков, чем вторичная, напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, будет в два раза больше, чем напряжение, приложенное к первичной обмотке, но ток, протекающий через
вторичную обмотку, будет в два раза меньше, чем ток, протекающий
через первичную обмотку.
Аналогично при уменьшении напряжения в понижающем трансформаторе ток пропорционально увеличивается. Таким образом, если напряжение уменьшается вдвое, ток удваивается. (Есть небольшая доля
потерь из-за различных неэффективных факторов, но эти потери обычно невелики.)
Если задуматься, это вполне логично: трансформатор не может просто взять и создать энергию из воздуха. Если бы это было возможно,
мы бы уже давно решили энергетические проблемы планеты. Но бесплатной энергии не бывает.
Напомню основную формулу для расчета электроэнергии:
P=V×I
Другими словами, мощность равна напряжению, умноженному на ток.
Трансформатор передает энергию с первичной обмотки на вторичную.
Поскольку мощность должна оставаться неизменной, если напряжение увеличивается, ток должен уменьшаться. Аналогично, если напряжение уменьшается, ток должен увеличиваться.
Трансформаторы — основная причина, по которой в крупных системах распределения электроэнергии используется переменный ток,
а не постоянный. Это связано с тем, что при передаче большого количества энергии на большое расстояние гораздо эффективнее передавать ее в виде высокого напряжения и низкого тока. Именно поэтому

446

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

на воздушных линиях электропередачи напряжение часто достигает
400 000 В переменного тока. Такое высокое напряжение позволяет передавать электроэнергию по проводам гораздо меньшего размера, чем
если бы тот же объем энергии передавался при напряжении 120 В переменного тока.
В системах распределения электроэнергии используются большие повышающие трансформаторы — до тысяч или сотен тысяч вольт. Затем,
по мере приближения к конечному пункту назначения (например, к вашему дому), серия понижающих трансформаторов снижает напряжение до более приемлемых уровней, пока напряжение не упадет до конечного уровня (120 В переменного тока) перед подачей в ваш дом.

ЗАПОМНИТЕ

Трансформаторы работают только с переменным током. Это связано
с тем, что изменение магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой, индуцирует напряжение во вторичной обмотке. Чтобы создать
изменяющееся магнитное поле, напряжение, подаваемое на первичную обмотку, должно постоянно меняться. Поскольку у постоянного
тока постоянное, фиксированное напряжение, он создает фиксированное магнитное поле, которое не индуцирует напряжение во вторичной обмотке.

Работа с линейным напряжением
Под линейным напряжением понимается напряжение, которое подается в стандартные электрические розетки жилых или коммерческих
помещений. В США это напряжение почти всегда составляет 120 В переменного тока, хотя обычно его называют 110 В переменного тока,
115 В переменного тока или 117 В переменного тока. В других частях
света напряжение может быть ниже или выше
В Европе линейное напряжение часто называют напряжением сети
или просто сетью.
СОВЕТ

В отличие от напряжения, получаемого от обычных батареек, сетевое
напряжение опасно для жизни. Поэтому с ним надо обращаться очень
осторожно. При построении схемы, работающей с сетевым напряжением, необходимо соблюдать меры предосторожности. В этой главе
вы узнаете, как безопасно использовать линейное напряжение, чтобы
не пострадали ни вы, ни кто-либо другой.

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

447

Использование линейного
напряжения в ваших проектах
До сих пор ни один из проектов, представленных в этой книге, не предполагал использования линейного напряжения. Однако многие реальные
проекты требуют использования линейного напряжения. Причина —невозможность использования батареек. Батарейки — удобный источник
питания для ваших схем, но они разряжаются. Для многих схем требуется источник питания, который будет работать неограниченно долго. Если вы используете батарейки, со временем они разрядятся, и их
придется заменить. Если же вы используете линейное напряжение, можете подключить проект к сети и не беспокоиться о замене батареек.
Конечно, для большинства электронных компонентов требуется постоянный ток, а не переменный, и при гораздо более низких значениях напряжения, чем те, которые обеспечивает линейное напряжение.
Таким образом, чтобы ваш проект мог использовать линейное напряжение в качестве источника питания, необходимо обеспечить его блоком питания, который преобразует линейное напряжение 120 В переменного тока в более полезное, например 5 В постоянного.
Этого можно добиться как минимум двумя способами.

С помощью адаптера питания. Самое простое — использовать A . который часто называют / . или
На рис. 1.4 показан обычный внешний адаптер питания.

Рис. 1.4.
Внешний адаптер питания

448

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Адаптеры питания можно приобрести практически в любом
магазине, где есть отдел бытовой электроники. Просто купите тот, который обеспечивает нужный уровень постоянного
напряжения, и используйте его вместо батареек.

Сделав собственный блок питания. Вместо покупки адаптера питания можно сделать свой блок питания. Эта схема
должна выполнять две задачи. Во-первых, понижать напряжение с 120 В переменного тока до того напряжения, которое требуется вашей схеме, а во-вторых, она должна преобразовывать переменное напряжение в постоянное. О том, как
спроектировать и построить схему блока питания, вы узнаете
в следующей главе.

Вторая распространенная причина использования сетевого напряжения в проекте — это необходимость управления каким-либо внешним
устройством, работающим от сети, например, прожектором или насосом. В этом случае проект должен иметь возможность включать и выключать линейное напряжение.
Самый распространенный способ включить или выключить устройство, работающее от сети, с помощью электронной схемы — это использовать реле, которое по сути является электронным переключателем, использующим слаботочный вход для управления сильноточным
выходом. Например, с помощью реле можно использовать цепь постоянного тока 12 В для управления отдельной цепью линейного напряжения. О том, как использовать реле для этой цели, вы узнаете далее в этой главе.

Безопасность при работе
с линейным напряжением
При создании электронного проекта, в котором используется линейное напряжение, необходимо принять дополнительные меры предосторожности, чтобы обеспечить свою безопасность и безопасность всех,
кто может соприкоснуться с вашим проектом. Линейное напряжение
потенциально смертельно опасно, поэтому эти меры предосторожности абсолютно обязательны.

ОСТОРОЖНО!

Многие люди ошибочно думают, что линейное напряжение недостаточно для получения серьезных травм или смерти. Это неправда: напряжение 120 В переменного тока более чем достаточно для гибели
человека. Любое напряжение выше 50 В следует рассматривать как
смертельно опасное.

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

449

При работе с линейным напряжением обязательно соблюдайте следующие меры предосторожности.

»
»

»
»
»
»
»

»
»

450

Никогда не работайте с электрической цепью, когда вилка
включена в розетку.
Никогда не оставляйте открытые соединения линейного напряжения в местах, где вы или кто-либо другой, кто участвует
в вашем проекте, может случайно прикоснуться к ним. Все соединения линейного напряжения должны быть полностью изолированы или находиться внутри изолированной монтажной
коробки или заземленной металлической монтажной коробки.
Всегда помещайте проекты, использующие линейное напряжение, в герметичную коробку, чтобы никто не мог
случайно коснуться рукой оголенных проводов или других
компонентов.
Всегда используйте заземленные шнуры питания, если проект находится в металлической коробке, и всегда подключайте саму металлическую коробку к заземляющему проводу
шнура питания.
Всегда используйте провода правильного калибра, соответствующего силе тока в цепи. Дополнительную информацию
см. в разделе
x /
.
Все соединения линейного напряжения должны быть плотными и надежными. Если вы используете многожильный провод, а не одножильный, следите, нет ли расплетенных жил.
Провода, на которые подается линейное напряжение, всегда
должны быть защищены от натяжения. Самый распространенный способ — пропустить провод через изолирующую
втулку в монтажной коробке и завязать в узел внутри коробки. Узел не позволит проводу проскользнуть через отверстие
в корпусе и выйти наружу.
Всегда включайте предохранитель в первичную цепь линейного напряжения. Предохранитель автоматически определит,
что ток слишком велик, и разорвет цепь.
Никогда не используйте предохранитель, рассчитанный
на ток, превышающий максимальный ток, на который рассчитана ваша цепь. Например, если вы используете реле,
которое может коммутировать ток 5 А, используйте предохранитель, рассчитанный на 5 А или меньше. (Подробнее
о предохранителях см. в разделе
" далее
в этой главе.)

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

»
»
»

Никогда не располагайте проводку в проекте так, чтобы
провода двигались или терлись друг о друга. В результате
трения изоляция со временем стирается, и возникает опасность поражения током.
Всегда помните о радиаторах, которые могут быть горячими.
Никогда не используйте переходник с трехштырькового
на двухштырьковый, чтобы подключить трехштырьковый
разъем питания к двухштырьковому удлинителю. Это отключает защиту, обеспечиваемую надлежащим заземлением,
и может привести к смертельному поражению электрическим током при коротком замыкании.

Понятия: горячий, нейтральный
и заземление
Прежде чем начать работать с линейным напряжением в своих цепях,
необходимо понять несколько деталей о том, как устроена проводка
в большинстве жилых и коммерческих зданий. Приведенное ниже описание относится только к США; если вы живете в другой стране, вам
нужно будет определить стандарты электропроводки вашей страны.
Стандартная проводка линейного напряжения в США выполняется
с помощью кабелей с пластмассовой оболочкой, которые обычно имеют три проводника, как показано на рис. 1.5. Этот тип кабеля технически называется кабелем NMB, но большинство электриков используют его наиболее популярное торговое название Romex.

Рис. 1.5.
Кабель NMB

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

451

Два проводника в кабеле NMB покрыты пластиковой изоляцией (один
белый, другой черный). Третий проводник — неизолированная медь.
Эти проводники обозначаются следующим образом:

»
»
»

Фаза. Черный провод — это N
. который обеспечивает подачу тока 120 В переменного тока.
Нейтральный. Белый провод называется
3 4. Он обеспечивает обратный путь для тока, поступающего из фазы. Нейтральный провод подключается
к заземлению.
Заземление. Оголенный провод называется проводом . Как и нейтральный провод, провод заземления также
подключен к заземлению. Однако нейтральный и заземляющий провода служат двум разным целям. Нейтральный —
часть цепи под напряжением вместе с фазным проводом.
В отличие от него, провод заземления подключается к любым
металлическим частям электроприбора, таким как микроволновая печь или кофейник. Это защитная функция на случай,
если фазный или нейтральный провод каким-то образом
соприкоснутся с металлическими частями. Подключение
металлических частей к заземлению устраняет опасность
поражения током в случае короткого замыкания.

Обратите внимание, что в некоторых цепях требуется четвертый проводник. Если используется четвертый проводник, он покрыт красной
изоляцией и также является фазным проводом.
Три провода в стандартном кабеле NMB подключаются к трем штырям
стандартной электрической розетки, как показано на рис. 1.6. Как видите,
нейтральный и фазный провода подключены к двум вертикальным штырям в верхней части розетки (нейтральный — слева, фаза — справа), а провод заземления подключен к круглому штырю в нижней части розетки.

Нейтральный

Рис. 1.6.
Стандартная
электрическая розетка

452

Фаза

Заземление

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

В стандартную трехштырьковую розетку можно вставить двух- или
трехштырьковую вилку. Двухштырьковые вилки предназначены для
приборов, которым не нужно заземление. Большинство приборов без
заземления имеют двойную изоляцию, что означает наличие двух слоев изоляции между проводами под напряжением и металлическими
частями прибора. Первый слой — это изоляция самого провода, а второй обычно выполнен в виде пластикового корпуса, который изолирует проводку под напряжением от других металлических частей.
Трехштырьковые вилки предназначены для приборов, которым для безопасности необходимо заземление. Большинство приборов, использующих металлическое шасси, требуют отдельного заземления.
Существует только один способ вставить трехштырьковую вилку
в трехштырьковую розетку. Но обычные двухштырьковые вилки, в которых отсутствует штырь заземления, можно вставить любым штырем
в фазовую сторону. Чтобы этого не произошло, розетки поляризованы,
то есть нейтральный штырь шире, чем фазовый. Можно только одним
способом вставить поляризованную вилку в поляризованную розетку. Так вы всегда сможете отследить, какой провод является горячим,
а какой — нейтральным.

СОВЕТ

Выключатели и предохранители всегда следует устанавливать на фазном проводе, а не на нейтральном. Если выключатель разомкнут или
предохранитель перегорел, току в фазном проводе не дадут пройти дальше выключателя или предохранителя в вашу цепь. Это минимизирует
риск поражения, который может произойти, если оборвется провод.

Провода и разъемы для работы
с линейным напряжением
При работе с линейным напряжением вы всегда должны использовать
провод, специально разработанный для токов линейного напряжения.
В зависимости от задачи можно выбрать одножильный или многожильный провод. С многожильным обычно легче работать, поскольку он более гибкий.
Выбирая провод, убедитесь, что его калибр соответствует силе тока,
которую будет пропускать ваша цепь. Для цепей, рассчитанных на ток
не более 15 А (это максимальный предел для устройств, подключаемых
к большинству бытовых розеток), можно использовать провод 14-го калибра (1,6 мм). Если в цепи будет ток не более 13 А, достаточно провода 16-го калибра (1,3 мм). При токе менее 10 А достаточно 18-го калибра (1,0 мм).

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

453

Ламповый провод, известный как zip cord, — это провод, из которого изготавливаются ламповые шнуры и удлинители для помещений.
Обычно это двухпроводный незаземленный многожильный провод
16 или 18 калибров, в котором две жилы соединены так, что их можно
легко отсоединить друг от друга. Ламповый провод — это самый простой провод, который можно использовать для коротких соединений
в рамках проекта. Вы можете купить ламповый провод в большинстве
хозяйственных магазинов.
Убедитесь, что все соединения, которые вы делаете с проводами, несущими линейное напряжение, надежны. Самый простой способ соединения проводов — это использование коннекторов для скрутки,
показанных на рис. 1.7. Чтобы использовать их, снимите изоляцию с соединяемых проводов на 3/8 дюйма и свободно скрутите два конца вместе. Затем наденьте коннектор на скрученный конец и затяните гайку
на соединении, надавливая и закручивая. Когда коннектор будет затянут как можно туже, убедитесь, что ни один из зачищенных проводов
не выходит за пределы основания коннектора. Для надежности можно
обмотать соединение короткой полоской черной изоленты.

Рис. 1.7.
Коннекторы
для скруток

Рис. 1.8.
Клеммные
колодки очень
удобны для
соединения
проводов,
по которым
передается переменный ток

454

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Другой способ соединения — использование клеммных колодок, показанных на рис. 1.8. Клеммные колодки бывают разных размеров и форм.
Маленькая, изображенная на рисунке, позволяет выполнить четыре
соединения, а большая — восемь. Чтобы использовать клеммную колодку, просто снимите небольшую часть изоляции с концов проводов,
которые хотите соединить, и закрепите их под винтами клемм. Если используете многожильный провод, убедитесь, что все жилы удерживаются винтами. Свободные жилы могут привести к короткому замыканию.

Использование предохранителей для
защиты цепей линейного напряжения
Предохранитель — это недорогое устройство, которое может пропускать
только определенный ток. Если ток превышает номинальный уровень,
предохранитель плавится (перегорает), тем самым разрывая цепь и защищая от слишком сильного тока. Предохранители — важный компонент любой электрической системы, использующей линейное напряжение и способной вызвать короткое замыкание или перегрев и пожар.
Наиболее распространенным типом предохранителя является патронный предохранитель, который состоит из цилиндрического корпуса,
обычно изготовленного из стекла, пластика или керамики, с двумя металлическими концами. Металлические концы — это две клеммы предохранителя. Внутри корпуса находится тонкий проволочный проводник,
предназначенный для плавления, если ток превысит номинальный порог.
Пока ток не превышает максимального уровня, проводник пропускает
ток от одного металлического конца к другому. Но когда ток превышает номинальный максимум, проводник плавится, и цепь разрывается.
На рис. 1.9 показан предохранитель AGC, небольшой предохранитель
из стекла длиной 1¼ дюйма и диаметром ¼ дюйма. Этот предохранитель рассчитан на 2 А, но вы можете приобрести предохранители AGC
с более высокими номиналами, вплоть до 15 А. (AGC расшифровывается как Automotive Glass Cartridge — автомобильный стеклянный
предохранитель.)

Рис. 1.9.
Предохранитель AGC на 2 А
(размеры
1¼ × ¼ дюйма)

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

455

Предохранители всегда следует подключать к фазному проводу и ставить перед любым другим компонентом в цепи. В большинстве проектов предохранитель должен быть первым, к чему подключается фазный провод после того, как он попадает в корпус проекта. На рис. 1.10
показано, как предохранитель изображен на принципиальной схеме.
Здесь предохранитель расположен на фазном проводе перед лампой.

Рис. 1.10.
Предохранитель на
принципиальной схеме

Предохранитель

Лампа

120 VAC

Если вы планируете использовать предохранитель в своей схеме, вам
нужно будет приобрести держатель для предохранителя. Для цилиндрических предохранителей AGC существуют два разных типа держателей. Если предохранитель будет установлен внутри корпуса вашего
проекта, вы можете использовать держатель предохранителя корпусного типа. Если предохранитель должен быть доступен снаружи корпуса, следует выбрать держатель для монтажа на панель. На рис. 1.11
показаны оба типа держателей.

Рис. 1.11.
Держатели предохранителей

456

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Использование реле для управления
цепями линейного напряжения
Во многих проектах нужно включать и выключать цепи линейного напряжения с помощью схем, использующих низковольтные источники
постоянного тока. Например, нужно включать и выключать прожектор
напряжением 120 В переменного тока через регулярные промежутки
времени. Вы можете построить схему для обеспечения необходимой
синхронизации с помощью таймера 555, как описано в главе 2 части 3,
но таймеру 555 требуется лишь небольшой источник постоянного тока
в диапазоне от 5 до 15 В. Выходной ток не может превышать 200 мА,
а прожектору нужен значительно более сильный ток.
Вам поможет реле.
Реле — это электромеханическое устройство, которое использует электромагнит для размыкания или замыкания выключателя. Цепь, питающая катушку электромагнита, полностью отделена от цепи, включаемой или выключаемой переключателем реле, поэтому для включения
или выключения цепи линейного напряжения можно использовать
реле, катушке которого требуется всего несколько вольт.
На рис. 1.12 показано типичное реле. Для работы этого реле катушка
требует всего 12 В постоянного тока и потребляет ток всего 75 мА, что
намного меньше предельного тока, который может быть подан на выходной вывод таймера 555. Но переключатель этого реле может выдерживать ток до 10 А при 120 В переменного тока, что более чем достаточно для прожектора.

Рис. 1.12.
Реле — это
переключатель,
управляемый
электромагнитом

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

457

SW1
120 VAC
Батарея

Реле SPDT

Лампа

Рис. 1.13.
Использование
реле для коммутации цепи линейного
напряжения

У переключателей реле может быть различная конфигурация и ручные
переключатели. Наиболее распространенная конфигурация переключателя — двухполюсная двухбросковая (double pole, double throw, DPDT):
такое реле фактически управляет двумя отдельными переключателями,
которые работают вместе, и у каждого переключателя есть как нормально разомкнутые, так и нормально замкнутые контакты.
На рис. 1.13 показана схема простой цепи постоянного тока 9 В с ручной кнопкой для включения и выключения лампы переменного тока
120 В. У реле в этой схеме катушка рассчитана на 9 В постоянного тока,
а переключатель — на 10 А при 117 В переменного тока. Таким образом, через кнопку проходит только 9 В постоянного тока. Если человек, держащий выключатель, почему-то решит разобрать его, не возникнет риска опасно высокого напряжения.
На рис. 1.14 — более сложная схема, в которой микросхема таймера 555 управляет прожектором через реле. Здесь один конец катушки
реле подключен к выходному выводу микросхемы таймера 555 (вывод 3), а другой — к земле. Когда выход 555 включается, реле замыкает схему прожектора.
Обратите внимание на диод, установленный на катушке реле в этой схеме. Этот диод необходим для защиты микросхемы таймера 555 от обратного тока, который может возникнуть при подаче напряжения на катушку. Из-за электромагнитной индукции катушки реле подвержены
этой проблеме.
Когда катушка находится под напряжением, она создает магнитное поле,
которое заставляет переключающие контакты реле двигаться. Однако
у этого магнитного поля есть тонкий побочный эффект. В тот момент,
когда напряжение на катушке изменяется от нуля до напряжения питания Vss, магнитное поле, окружающее катушку, расширяется от нуля
до максимальной силы. Во время этого расширения магнитное поле перемещается относительно самой катушки. В силу принципа индукции
это движущееся магнитное поле индуцирует в катушке ток, противоположный по направлению току, питающему катушку.

458

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

120 VAC

Выход
Реле SPDT

Лампа

Рис. 1.14.
Управление
реле от
микросхемы
таймера 555

В зависимости от обстоятельств этот обратный ток может быть достаточно мощным, чтобы перекрыть выходной ток, поступающий от таймера 555, и, возможно, достаточно мощным, чтобы направить ток в выходной вывод, который может повредить или разрушить микросхему 555.
D1 предотвращает это, обеспечивая эквивалент короткого замыкания
через катушку для тока, протекающего обратно к выходному выводу.

СОВЕТ

Если вы управляете реле от схемы с хрупкими компонентами (интегральные микросхемы или транзисторы), всегда включайте диод через
катушку реле, чтобы реле не повредило ваши микросхемы. Катод диода
должен находиться на стороне положительного напряжения катушки.

ГЛАВА 1.Первое знакомство с переменным током

459

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Принципы работы источников
питания

» Понижение напряжения
» Преобразование переменного тока
в постоянный

» Фильтрация колебаний постоянного
тока

» Улучшение стабильности уровня на-

Гл а в а 2

пряжения с помощью регулирования

Изготовление работы
источников питания
а редким исключением, каждая электронная схема требует источника питания. Хотя некоторые проекты работают от солнечной
энергии или более экзотических источников питания (ветряные
турбины, топливные элементы или ядерные реакторы), большинство
будут получать питание от батареи или электрической розетки.

До сих пор в этой книге я предполагал, что все схемы получают питание от батарей. В этой главе мы рассмотрим, как можно запитаться
от электрической розетки. У розеток неоспоримое преимущество перед
батарейками: если нет перебоев с электричеством, они не разряжаются,
как батарейки. Однако есть и недостаток по сравнению с батареями:
нужны очень длинные удлинители, проект нельзя разместить поодаль.
Для большинства электронных схем требуется относительно низкое постоянное напряжение, обычно в диапазоне от 3 до 12 В. Такое напряжение легко получить от батареек. Поскольку каждая батарейка выдает около 1,5 В, вы просто объединяете две или более, чтобы получить
нужное напряжение. Например, если схеме требуется 6 В, надо использовать четыре последовательно соединенные батарейки.
Питание от электрической розетки немного сложнее. Во-первых, там
напряжение (120 В) намного больше, чем требуется большинству
схем. Во-вторых, электронные схемы обычно требуют постоянного
тока, а розетка обеспечивает переменный — и нужно преобразовать

460

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

переменный ток в постоянный. И в-третьих, схемы, работающие напрямую от 120 В переменного тока, всегда более опасны, чем схемы,
работающие от более низкого напряжения (высокое напряжение сопровождается опасностью поражения током).
Схема, преобразующая 120 В переменного тока в постоянный с более
низким напряжением, называется источником питания. В этой главе вы узнаете об основах создания собственных источников питания.

Использование адаптера питания
Прежде чем я покажу, как создать собственную схему блока питания,
напомню, что вы можете приобрести готовый адаптер питания, это будет стоить немного дороже, чем самостоятельная сборка схемы. Адаптер
питания представляет собой автономную схему, которая подключается
к розетке и обеспечивает на выходе нужный уровень переменного или
постоянного напряжения. Если адаптер питания обеспечивает нужное напряжение, вы можете использовать его вместо батареек практически в любой цепи.
При покупке адаптера проверьте технические характеристики. Спецификации обычно напечатаны на самом адаптере. Обратите внимание на следующее:

AC или DC (переменный или постоянный ток). Не все адаптеры питания обеспечивают постоянный ток; некоторые
предназначены для питания низковольтных устройств переменным током. Поэтому убедитесь, что приобрели адаптер,
который обеспечивает постоянный ток.
Уровень напряжения. Проверьте выходное напряжение.
Некоторые адаптеры оснащены переключателем, позволяющим выбрать одно из нескольких выходных напряжений.
Если вы используете такой адаптер, убедитесь, что установили переключатель на нужное для выходное напряжение.
Мощность тока. У большинства адаптеров питания максимальная сила тока выражена в миллиамперах. Маленькие
адаптеры могут выдерживать несколько сотен миллиампер,
большие — ампер и более. Убедитесь, что используемый
адаптер способен выдержать ток, необходимый для вашего
проекта. (Хотя некоторые могут работать с током в несколько ампер, лишь немногие способны выдержать больший ток.)
Полярность. В большинстве адаптеров питания используется
бочкообразный разъем для подключения адаптера питания

ГЛАВА 2.Изготовление работы источников питания

461

к цепи. Почти во всех современных адаптерах центральное
соединение бочкообразного разъема является положительным, а внешнее — отрицательным. Однако некоторые
адаптеры питания подключаются с точностью до наоборот:
отрицательный разъем находится в центре, а положительный — снаружи. Полярность разъема должна быть указана
на адаптере вместе с характеристиками напряжения и тока.

СОВЕТ

Размер разъема: существует много размеров и типов разъемов, подберите совместимый с разъемом вашего адаптера питания. Затем можете
использовать разъем для подключения адаптера питания к вашей схеме. (Обратите внимание: некоторые адаптеры питания имеют сменные
штекеры разных размеров.)
Готовый адаптер питания может сделать ваш проект более безопасным
для сборки и использования: потенциально опасная часть проекта —
та, что работает непосредственно с линейным напряжением 120 В переменного тока, — полностью находится внутри.
Вы получаете то, за что платите: недорогие блоки питания преобразуют переменный ток в постоянный и понижают напряжение, но большинство из них не обеспечивают ни чистого (то есть чистого уровня
постоянного тока), ни стабильного (то есть с предсказуемым напряжением) питания. Таким образом, даже если вы используете розетку как
источник питания для вашего проекта, все равно может понадобиться добавить схему, которая улучшит качество постоянного тока, подаваемого от розетки.

Принцип работы источника питания
Если вы хотите добавить в проект собственную схему блока питания,
чтобы преобразовать линейное напряжение 120 В переменного тока
в постоянное, придется ее разработать — так, чтобы она обеспечивала
как минимум три разные функции: преобразование напряжения, выпрямление, фильтрацию.

»
»

462

Преобразование напряжения. Понижает линейное напряжение 120 В переменного тока до напряжения, необходимого
вашей схеме.
Выпрямление. Преобразует пониженное переменное напряжение в постоянное. Обратите внимание: постоянное
напряжение, вырабатываемое выпрямителем, технически

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

постоянный ток, но это не стабильный постоянный ток:
выпрямитель вырабатывает пульсирующий постоянный ток,
напряжение которого колеблется синхронно с переменным
током 60 Гц, подаваемым на него с этапа преобразования.

Фильтрация. Сглаживает пульсации постоянного напряжения, создаваемого на этапе выпрямления.

Преобразование напряжения
Вы уже знаете, что трансформатор — это устройство, использующее
принцип электромагнитной индукции для передачи напряжения и тока
из одной цепи в другую. В трансформаторе используются первичная
обмотка, подключенная к линейному напряжению, и вторичная обмотка, обеспечивающая выходное напряжение.
В большинстве источников питания трансформатор понижает напряжение. Величина снижения напряжения зависит от соотношения числа витков в первичной обмотке и числа витков во вторичной обмотке.
Например, если вторичная катушка имеет в два раза меньше витков, чем
первичная, напряжение первичной катушки будет уменьшено в два раза
на вторичной. Другими словами, если на первичную обмотку подается 120 В переменного тока, на вторичной будет 60 В переменного тока.
Обычное напряжение вторичной обмотки трансформаторов, используемых в низковольтных источниках питания, — от 6 до 24 В переменного
тока. Обратите внимание: поскольку некоторое напряжение будет потеряно при выпрямлении и фильтрации, следует выбрать напряжение
вторичной обмотки на несколько вольт выше, чем конечное постоянное напряжение, которое требуется схеме. Заметим, однако, что фактический уровень постоянного напряжения, используемый в большинстве схем, не так уж и важен. Например, если вы проектируете источник
питания для схемы, требующей 6 В постоянного тока, и используете
трансформатор, обеспечивающий 6 В переменного тока на вторичной
обмотке, выходной сигнал источника питания после его выпрямления
будет ближе к 5 В. Скорее всего, 5 В постоянного тока будет достаточно близко, и схема будет работать нормально.
У многих трансформаторов более одного отвода во вторичной обмотке.
Отвод — это просто провод, подключенный где-то в середине катушки,
эффективно разделяющий одну катушку на две меньшие. Несколько
отводов дают доступ к нескольким различным напряжениям во вторичной обмотке.

ГЛАВА 2.Изготовление работы источников питания

463

Наиболее распространенная схема — трансформатор с центральным отводом, который обеспечивает два напряжения, как показано на рис. 2.1.
Первичная

Вторичная

Выходная
клемма

Выходная
клемма
Рис. 2.1.
Трансформатор
с центральной обмоткой
обеспечивает
два выходных
напряжения

Выходная
клемма

В трансформаторе с центральным отводом напряжение, измеренное
на двух внешних отводах, в два раза больше напряжения, измеренного от центрального отвода до любого из двух внешних отводов. Таким
образом, если напряжение на двух внешних отводах 24 В переменного
тока, напряжение на центральном отводе и любом из внешних отводов 12 В переменного тока.

ПРИМЕЧАНИЯ

Когда трансформатор уменьшает напряжение, он увеличивает ток.
То есть трансформатор уменьшает напряжение в два раза — ток удваивается, и общая мощность системы (напряжение, умноженное на ток)
остается прежней.
Если бы ток не увеличивался при уменьшении напряжения, трансформатор нарушал бы основной закон физики — закон сохранения энергии, который гласит: энергия не может просто так исчезнуть. Не стоит
нарушать законы физики, если только вы не знаете, что делаете, или
не снимаетесь в научно-фантастическом фильме, в этом случае вы можете нарушать законы физики по своему усмотрению.
Помните, что трансформатор — это устройство переменного тока. Это
означает:

ЗАПОМНИТЕ

» Трансформаторы работают только при подаче переменно-

го тока на первичную обмотку. Если подать постоянный ток,
на вторичной не появится напряжение. (На самом деле, в момент подачи напряжения на первичную обмотку на вторичной будет кратковременный всплеск напряжения, но в большинстве схем это мимолетное напряжение незначительно.)

464

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Понижающий трансформатор понижает напряжение с первичной обмотки на вторичную, но не преобразует переменный ток в постоянный. Напряжение на вторичной обмотке
всегда переменное.

» Трансформатор изолирует цепь, подключенную к вторичной

обмотке, от цепи, подключенной к первичной обмотке. Таким
образом, вы можете использовать трансформатор для изоляции вашего проекта от линейного напряжения.

Превращение переменного
тока в постоянный
Превращение переменного тока в постоянный называется выпрямлением,
а схема, выполняющая эту работу, выпрямителем. Самый распространенный способ преобразования переменного тока в постоянный — использование одного или нескольких диодов, этих удобных электронных
компонентов, которые позволяют току проходить в одном направлении, но не в другом (диоды мы уже рассматривали в главе 5 части 2).
Хотя выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, полученный постоянный ток не постоянное напряжение, точнее назвать
его пульсирующим постоянным током. Хотя пульсирующий постоянный ток всегда движется в одном направлении, уровень напряжения имеет отчетливую пульсацию, повышаясь и понижаясь синхронно
с формой волны переменного напряжения, подаваемого на выпрямитель. Для многих цепей постоянного тока значительные пульсации
в источнике питания могут привести к сбоям в работе схемы. Для их
устранения требуется дополнительная фильтрация, чтобы сгладить
пульсирующее постоянное напряжение, поступающее с выпрямителя. (Подробнее о фильтрации см. в разделе Фильтрация выпрямленного тока далее в этой главе.)
Существуют три типа схем выпрямителей: полуволновые, полноволновые и мостовые.

Полуволновой выпрямитель
Простейший тип выпрямителя состоит из одного диода, как показано
на рис. 2.2. Этот тип выпрямителя называется полуволновым, поскольку пропускает на выход только половину входного переменного напряжения. Когда переменное напряжение на катоде диода положительное, диод пропускает ток на выход. Но когда переменный ток меняет

ГЛАВА 2.Изготовление работы источников питания

465

направление и становится отрицательным на катодной стороне диода,
диод блокирует ток, и на выходе не появляется напряжение.
Полуволновые выпрямители достаточно просты в изготовлении,
но не очень эффективны. Это связано с тем, что весь отрицательный
цикл входного переменного тока блокируется полуволновым выпрямителем. В результате выходное напряжение половину времени равно
нулю. В результате среднее напряжение на выходе составляет половину входного напряжения.

ПРИМЕЧАНИЯ

Обратите внимание на резистор, обозначенный RL на рис. 2.2. Этот
резистор на самом деле не является частью схемы выпрямителя — это
сопротивление, накладываемое нагрузкой, которая будет размещена
на схеме при использовании источника питания.

Рис. 2.2.
В полуволновом
выпрямителе
используется
всего один диод

Полноволновый выпрямитель
В полноволновом выпрямителе используются два диода, что позволяет пропускать как положительную, так и отрицательную сторону входного переменного тока. Диоды подключаются к трансформатору, как
показано на рис. 2.3.

Рис. 2.3.
В полноволновом выпрямителе используются два диода

Обратите внимание, что для полноволнового выпрямителя нужен трансформатор с центральным отводом. Диоды подключаются к двум внешним отводам, а центральный используется в качестве общей земли для
выпрямленного постоянного напряжения. Полноволновый выпрямитель преобразует обе половины синусоиды в постоянный ток с положительным напряжением — и получается постоянное напряжение,

466

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

которое пульсирует с частотой, вдвое превышающей частоту входного
переменного напряжения. Другими словами, если на входе бытовой
ток частотой 60 Гц, на выходе будет постоянное напряжение, пульсирующее с частотой 120 Гц.

Мостовой выпрямитель
Для полноволнового выпрямителя требуется трансформатор с центральной наводкой, поэтому на выходе получается постоянный ток, составляющий лишь половину общего выходного напряжения трансформатора. Мостовой выпрямитель, показанный на рис. 2.4, преодолевает это
ограничение за счет использования четырех диодов вместо двух. Диоды
расположены в виде ромба так, что на каждой полуфазе синусоиды переменного тока два диода пропускают ток к положительной и отрицательной сторонам выхода, а два других блокируют ток. Для мостового выпрямителя не требуется трансформатор с центральной обмоткой.

Рис. 2.4.
В мостовом
выпрямителе
используются
четыре диода

Вход —
переменный ток

Выход —
постоянный ток

Выходной сигнал мостового выпрямителя — это импульсный постоянный ток, как и выходной сигнал полноволнового выпрямителя. Однако
используется полное напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Можно собрать мостовой выпрямитель на четырех диодах, а можно
использовать микросхему мостового выпрямителя, в которой четыре
диода расположены в правильном порядке. ИС мостового выпрямителя имеет четыре вывода: два для входа переменного тока и два для
выхода постоянного.

Фильтрация выпрямленного тока
Хотя выходной сигнал выпрямительной схемы технически есть постоянный ток, он недостаточно стабилен для большинства целей. Даже
полноволновые и мостовые выпрямители дают постоянный ток, который пульсирует в ритме с синусоидой переменного тока 60 Гц, возникающей при подаче на трансформатор переменного тока 120 В. А такой
пульсирующий ток не подходит для большинства электронных схем.

ГЛАВА 2.Изготовление работы источников питания

467

Вот тут-то и приходит на помощь фильтрация. Стадия фильтрации
в цепи источника питания сглаживает пульсации выпрямленного постоянного тока, чтобы получить ровный постоянный ток, который подходит даже для самых чувствительных схем.
Для фильтрации включают конденсатор в цепь источника питания, как
показано на рис. 2.5: его помещают напротив выхода постоянного тока.

Рис. 2.5.
Для фильтрации
выходного сигнала выпрямителя
можно использовать конденсатор

Вход —
переменный ток

Выход —
постоянный ток

Как вы узнали из главы 3 части 2, конденсатор обладает полезным свойством сопротивляться изменению напряжения. Он накапливает заряд
на пластинах, когда входное напряжение увеличивается. Когда оно
уменьшается, напряжение на пластинах конденсатора тоже уменьшается, но медленнее, чем входное напряжение. Это приводит к выравниванию пульсаций напряжения, как показано на рис. 2.6.

Рис. 2.6.
Схема фильтра
сглаживает
выходное
напряжение

Разница между минимальным постоянным напряжением и максимальным постоянным напряжением на этапе фильтрации называется пульсацией напряжения, или просто пульсацией, которая обычно измеряется в процентах от среднего напряжения. Например, пульсация 10%
в источнике питания 5 В означает, что фактическое выходное напряжение изменяется на 0,5 В.
Конденсатор фильтра обычно должен иметь большую емкость, чтобы
обеспечить приемлемый уровень фильтрации. Для типичного источника питания 5 В подойдет электролитический конденсатор емкостью
2200 мкФ. Чем больше емкость конденсатора, тем ниже результирующее напряжение пульсаций.

СОВЕТ

468

Не забывайте следить за полярностью электролитических конденсаторов. Положительная сторона должна быть подключена к положительному напряжению на выходе выпрямителя, а отрицательная — к земле.

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Один из способов улучшить схему фильтра — использовать два конденсатора в сочетании с резистором, как показано на рис. 2.7. В этой
схеме первый конденсатор работает как конденсатор на рис. 2.6, устраняя значительную часть пульсаций напряжения. Резистор и второй
конденсатор работают как RC-сеть, которая еще больше устраняет напряжение пульсаций.

Вход —
переменный
ток

Выход —
постоянный
ток

Рис. 2.7. Два конденсатора и
резистор снижают напряжение пульсаций, но при этом
уменьшают выходное напряжение постоянного тока

Преимущества этой схемы в том, что результирующее постоянное напряжение имеет меньшие пульсации, а конденсаторы могут быть меньшего
размера. Недостаток — резистор снижает выходное постоянное напряжение. Насколько сильно — это зависит от силы тока, потребляемого
нагрузкой. Например, если вы используете резистор 100 Ω, а нагрузка
потребляет 100 мА, резистор упадет на 10 В (100 × 0,1).Таким образом,
чтобы получить на выходе 5 В, схема выпрямителя должна обеспечить
15 В из-за падения на 10 В, вносимого резистором.
Вы также можете использовать индуктор в схеме фильтра, как показано на рис. 2.8. В отличие от резисторно-конденсаторного фильтра, индукторно-конденсаторный фильтр не уменьшает выходное напряжение
постоянного тока. Хотя схемы фильтров с индуктором и конденсатором создают наименьшие пульсации напряжения, индукторы в необходимом диапазоне (обычно 10 генри) велики и относительно дороги,
поэтому в большинстве схем фильтров используется один конденсатор
или пара конденсаторов, соединенных с резистором.

Вход —
переменный
ток

Выход —
постоянный
ток

Рис. 2.8. Индуктор может
быть использован в схеме
фильтра для минимизации потерь постоянного напряжения

ГЛАВА 2.Изготовление работы источников питания

469

Регулирование напряжения
Задача источника питания — обеспечить питание электронной схемы. Существует базовая формула для расчета потребляемой схемой
мощности:
P=I×V
Мощность, измеряемая в ваттах, равна току, измеряемому в амперах,
умноженному на напряжение, измеряемое в вольтах.
Если вы знаете любые два из этих трех элементов цепи, вы можете легко
рассчитать третий. Например, сила тока 0,5 А, напряжение 10 В. Вы можете вычислить, что цепь потребляет 5 Вт мощности, умножив 0,5 на 10.
При заданной мощности между напряжением и током существует обратная зависимость. При увеличении тока напряжение должно уменьшаться, а при уменьшении тока напряжение должно увеличиваться. Этот
простой факт, к сожалению, негативно сказывается на схемах источников питания. Когда вы подключаете вольтметр к выходным клеммам источника питания, сам прибор потребляет практически незначительное количество тока, поэтому показания прибора очень близки
к напряжению, которое вы ожидаете получить от источника питания.
Однако если подключить к источнику питания цепь, потребляющую
значительный ток, напряжение на выходе источника питания будет
падать пропорционально силе тока. В зависимости от характера цепи,
которую подключаете к источнику питания, это падение напряжения
может быть или не быть плохим явлением. Некоторые схемы, рассчитанные на 12 В постоянного тока, будут работать нормально, если
на них подается только 9 В постоянного тока. Но другие чувствительны к входному напряжению, поэтому источнику питания приходится
работать более интенсивно, чтобы обеспечить требуемое напряжение.
Для поддержки постоянного уровня напряжения независимо от силы
тока, потребляемого источником питания, в источник питания встраивается схема регулятора напряжения. Регулятор напряжения отслеживает ток, потребляемый нагрузкой, и соответствующим образом
увеличивает или уменьшает напряжение, чтобы поддерживать его постоянный уровень.
Источник питания, в который встроен регулятор напряжения, называется регулируемым.
СОВЕТ

При желании можно создать собственную схему стабилизатора напряжения, используя пару транзисторов, несколько резисторов и диод Зенера.

470

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Однако гораздо проще купить интегральную схему стабилизатора напряжения. ИС стабилизатора напряжения стоят недорого и, имея всего три вывода для подключения, легко включаются в схемы.
Самый популярный тип ИС стабилизаторов напряжения — серия 78XX,
иногда называемая серией LM78XX. Эти стабилизаторы напряжения
объединяют 17 транзисторов, три диода Зенера и несколько резисторов
в одном удобном корпусе с тремя выводами и теплоотводом, который
помогает рассеивать избыточную мощность, потребляемую стабилизатором, когда он компенсирует увеличение или уменьшение потребляемого тока, поддерживая напряжение на постоянном уровне.
Последние две цифры идентификационного номера 78XX указывают
на выходное напряжение, регулируемое микросхемой. Наиболее популярными моделями являются:
Модель

Напряжение (вольт)

7805

7806

7809

7810

7812

7815

7818

7824

Из этих моделей самые популярные — это 7805 (5 В) и 7812 (12 В).
Чтобы использовать регулятор напряжения 78XX, просто подключите
его последовательно к положительной стороне цепи питания и подсоедините заземляющий провод к отрицательной стороне, как показано
на рис. 2.9. Как показано на рисунке, после регулятора также целесообразно установить небольшой конденсатор (обычно 0,1 мкФ).

Вход —
переменный
ток

Выход —
постоянный
ток

Рис. 2.9.
Использование регулятора напряжения 78XX

ГЛАВА 2.Изготовление работы источников питания

471

Вы должны подавать на стабилизатор напряжение, примерно на 3 В превышающее регулируемое выходное напряжение. Для регулятора 7805
необходимо подать на него не менее 8 В. Максимальное входное напряжение для 7805 — 30 В. Помните, что диоды в мостовом выпрямителе будут отбрасывать около 3 В с выхода трансформатора, поэтому
для получения 5 В регулируемого выходного напряжения понадобится
трансформатор, вторичная обмотка которого обеспечивает не менее 11 В.
11-вольтовые трансформаторы встречаются редко, но трансформаторы
на 12 В вполне доступны. Источник питания с регулируемым напряжением 5 В обычно начинается с трансформатора 12 В переменного
тока, который подает 12 В на мостовой выпрямитель, преобразующий
переменный ток в постоянный и понижающий напряжение примерно до 9 В, а затем подает напряжение на схему фильтра, который сглаживает пульсации и передает напряжение на стабилизатор напряжения 7805, он поддерживает выходное напряжение на уровне 5 В.
Еще одна популярная микросхема — LM317 (регулируемый стабилизатор напряжения). Регулятор LM317 работает так же, как регулятор 78XX,
но вместо подключения среднего вывода непосредственно к земле его
подключают к делителю напряжения, построенному из пары резисторов, как показано на рис. 2.10. Величина резисторов определяет регулируемое напряжение. На рис. 2.10 я использовал потенциометр, чтобы пользователь мог изменять выходное напряжение, регулируя его.

Вход —
переменный
ток

Рис. 2.10. Использование
регулируемого стабилизатора напряжения LM317

472

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Выход —
постоянный
ток

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Узнаете, как работают радиоволны
» Увидите, что делают передатчики
и приемники

» Поймете разницу между радио
AM и FM

» Узнаете интересную историю развития радио

» Сделаете простой радиоприемник

Гл а в а 3

Основные сведения о радио
астало время для раздражителей! Одна из моих любимых фраз —
Золотой век радио, которая подразумевает, что пик популярности радио пришелся на 1930–1940-е годы и что с тех пор популярность радио снизилась.

На самом деле радио (если иметь в виду не только радиостанции, а саму
технологию) никогда не было так популярно, как сейчас. В 1930-40-е
годы большинство людей знали радио как средство передачи звуковой информации. Сегодня радиостанции так же распространены, как
и раньше, но список других видов информации, передаваемых с помощью технологий радио, существенно расширился.
Сначала появилось телевидение, которое по радио передает как звуковую, так и визуальную информацию, затем появились сотовые телефоны, которые используют радио для доступности телефонной связи в тех
местах, куда нельзя проложить телефонные кабели. Затем появились
беспроводные сети передачи данных, позволяющие обеспечить связь
между компьютерами без кабелей. А позднее — сервисы сотовой связи для передачи по радио данных из Интернета. Существует и множество других популярных применений технологий радио, включая радары, навигационные системы GPS и беспроводные устройства Bluetooth.
В этой главе вы узнаете о некоторых основных понятиях радио, в том
числе о том, что это такое, как оно работает и как было открыто. Попутно
узнаете несколько интересных (а в некоторых случаях и грустных)

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

473

историй о пионерах радио. И сможете собрать детекторный радиоприемник, самую простую из всех радиосхем.
На протяжении этой главы я иногда нарушаю свое правило и говорю
о радио так, будто оно предназначено только для передачи звука. Не забывайте, что радио также используется для передачи видео- и цифровых данных, а также других видов информации.
Раздражители — интересные вещи, не так ли? Я думаю, что из «раздражителей» получаются интересные домашние животные. Они не такие милые,
как щенки или котята, но если вы заведете себе любимца в юном возрасте,
он может радовать вас всю жизнь. Однако будьте осторожны. Как и собаки, которые лают поздно ночью, или кошки, которые бродят по чужим
дворам, домашний любимец может раздражать ваших друзей и соседей.
Меня всегда удивляло, почему городские власти требуют регистрировать домашних собак и кошек, но не требуют регистрировать раздражители. Только подумайте о доходах, которые упускают местные власти!
Даже если ввести плату в размере 10 долларов за раздражителя, можно собрать достаточно денег, чтобы заделать выбоины на всех дорогах,
которые были вымощены благими намерениями, а часть средств могла бы пойти на уход за бездомными раздражителями.

Что такое радиоволны
Большинство людей представляют себе радио как беспроводную передачу звука, чаще всего музыки и речи. Но на самом деле термин радио
гораздо шире: передача звука — это лишь одно из применений чрезвычайно полезного электрического явления, которое называется радио.
Радио использует одно из самых интересных электрических явлений:
электромагнитное излучение (часто сокращенно ЭМИ), которое представляет собой вид энергии, распространяющейся в виде волн со скоростью света. ЭМИ свободно распространяется по воздуху и даже в вакууме космоса.
Волны ЭМИ могут колебаться с любой мыслимой частотой. Частота
колебаний измеряется в циклах в секунду, также известных как герц
(сокращенно Гц). Единица частоты герц не относится к компании
по прокату автомобилей Herz, она названа в честь великого немецкого физика Генриха Герца, который первым создал прибор, способный
создавать и обнаруживать радиоволны.

474

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Радио — это просто определенный диапазон частот электромагнитных
волн. Нижняя граница этого диапазона составляет всего несколько циклов в секунду, а верхняя — около 300 миллиардов циклов в секунду
(также известна как гигагерц, сокращенно ГГц). Это довольно большой
диапазон, но существуют и электромагнитные волны с гораздо более
высокими частотами, которые, по сути, обычное явление. У электромагнитных волн с частотой выше, чем у радиоволн, различные названия (инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение
и, что самое главное, видимый свет).
Именно так: то, что мы называем светом, — это то же самое, что и радио, но на более высоких частотах. Частота видимого света измеряется
в миллиардах герц, также называемых терагерцами, сокращенно ТГц.
Нижняя граница видимого света (красный цвет) около 405 ТГц, а верхняя граница (фиолетовый цвет) — около 790 ТГц.
Вот интересная тема для размышления: радиостанции вещают на определенной частоте. Например, в Сан-Франциско есть популярная радиостанция KNBR, которая вещает на частоте 680 кГц с 1922 года.
В этом районе множество других радиостанций, но только KNBR вещает на частоте 680 кГц.
Термин канал часто используется для обозначения радиостанции, вещающей на определенной частоте. Например, если кто-то спросит
меня, какой радиоканал я предпочитаю слушать, когда нахожусь в СанФранциско, я отвечу, что KNBR.
Я могу слушать KNBR на своем портативном радиоприемнике, который, как оказалось, сделан из фиолетового пластика. Фиолетовый —
это цвет, который мы воспринимаем, когда видим свет с частотой около
680 ТГц. Существует множество других цветов, но только фиолетовый
находится на частоте 680 ТГц. Так что в некотором смысле цвет — это
то же самое, что и канал. Если электромагнитные волны вибрируют
на частоте 680 кГц, это радиостанция KNBR. Если те же электромагнитные волны вибрируют в миллион раз быстрее, на частоте 680 ТГц,
это фиолетовый цвет.

ПРИМЕЧАНИЯ

Важное понятие, связанное с частотой, — идея длины волны. Термин
длина волны означает расстояние между гребнями каждого цикла электромагнитной волны определенной частоты. Поскольку электромагнитные волны распространяются со скоростью света, вы можете рассчитать длину волны данной частоты, разделив расстояние, которое
свет проходит за одну секунду, на количество циклов в секунду.

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

475

Свет очень быстрый: он проносится со скоростью 186 282 мили в секунду 1.
Таким образом, длина электромагнитной волны, колеблющейся на частоте 100 кГц, составляет около 1,86 мили 2: 186 282 делим на 100 000 3.
Чем выше частота, тем короче длина волны. Длина волны большинства радиостанций, вещающих в диапазоне AM, составляет несколько сотен футов. Длина волны видимого света составляет очень малую
долю дюйма.

ПРИМЕЧАНИЯ

Звуковые волны — не разновидность электромагнитных. Звуковые
волны возникают, когда частицы материи сталкиваются друг с другом. Таким образом, для передачи звуковых волн необходимо наличие
материи — воздуха или воды. Радиоволнам не нужны частицы материи для перемещения. На самом деле радиоволны лучше всего распространяются в вакууме космоса, где нет никакой материи, которая
могла бы помешать им.

КТО НА САМОМ ДЕЛЕ ИЗОБРЕЛ
РАДИО?
В истории радио не утихают споры по поводу того, кто же на самом деле изобрел радио. Чаще всего отвечают, что это итальянский
изобретатель Гульельмо Маркони, но многие люди сделали важные
открытия, которые дают им право оспаривать приоритет Маркони.
Вот краткая информация о претендентах на звание отца радио.

•

476

Маркони. Он был первым человеком, успешно продемонстрировавшим работу радио и использовавшим его в коммерческих
целях. В 1901 году Маркони отправил сообщение по радио через
Атлантику из Англии в Канаду, хотя оно было слабым и состояло
только из буквы S, а его прием не был подтвержден независимыми экспертами. Тем не менее достижение Маркони поразительно,
он сделал много важных вкладов в технологию и бизнес радио.

Скорость света в вакууме составляет примерно 299 792 458 м/с, или округленно 300 000 км/с. —
Прим. ред.

1,86 мили в километрах будет равно примерно 2,99 км, или округленно 3000 км. — Прим. ред.

В метрической системе исчисления 300 000 км/с делим на 100 000 Гц. — Прим. ред.

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

•

•
•
•
•

Тесла. В 1943 году Верховный суд США постановил, что многие
важные патенты Маркони на изобретение радио недействительны, поскольку Никола Тесла уже описал устройства, на которые
распространялись патенты Маркони. Тесла был гениальным
инженером, который наиболее известен тем, что отстаивал
идею использования переменного тока вместо постоянного для
распределения электроэнергии. Он публично продемонстрировал устройства беспроводной связи еще в 1893 году. Тесла
считал, что беспроводные технологии будут использоваться
не только для связи, но и для распределения электроэнергии.
Лодж. В середине 1890-х годов в Англии сэр Оливер Лодж создавал системы беспроводного телеграфа.
Попов. В России Александр Степанович Попов демонстрировал
беспроводную телеграфную передачу примерно в то же время,
что и Лодж.
Бозе. В Индии сэр Джагдиш Чандра Бозе также демонстрировал
беспроводную телеграфную передачу в начале 1890-х годов.
Вопрос о том, происходили ли эти демонстрации до, после или
одновременно с другими демонстрациями Лоджа, Попова и других, остается открытым.
Многие другие. Список имен тех, кто проводил важные исследования и делал важные открытия в последние десятилетия
XIX века, очень длинный: Генрих Герц, Эдуард Бранли, Роберто
де Моура, Эрнест Резерфорд, Карл Фердинанд Браун, Хулио
Бавьера и Реджинальд Фессенден — вот лишь некоторые из многих, кто внес важный вклад в развитие технологий радио.

Похоже, ни один человек не может претендовать на то, что первым
изобрел радио. Работы велись по всему миру, и открытия совершались, кажется, каждый день.
Возможно, лучший ответ: никто не изобретал радио. Радио — это естественное явление. Оно было . а не /
Были изобретены способы использовать феномен радио, создавая
устройства, которые могли генерировать радиоволны и модулировать
их для добавления информации, а также устройства, которые могли
принимать радиоволны и извлекать добавленную информацию.

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

477

Передача и прием радиоволн
Существует множество природных источников радиоволн. Но в конце XIX века ученые придумали, как генерировать радиоволны с помощью электрического тока. Упрощенно это выглядит так: если пропустить переменный ток через провод, возникают радиоволны той же
частоты, что и переменный ток.
Для радиосвязи необходимы два компонента: передатчик и приемник. Передатчик генерирует радиоволны, приемник их обнаруживает.
В следующих разделах описаны основные принципы работы радиопередатчиков и приемников.

Понимание работы радиопередатчиков
Радиопередатчик состоит из нескольких элементов, которые совместно генерируют радиоволны, содержащие полезную информацию — например, звук, изображение или цифровые данные.
Эти компоненты показаны на рис. 3.1 и описаны ниже.
Антенна

Источник
питания

Осциллятор

Рис. 3.1.
Основные компоненты
радиопередатчика

»
»
»

478

Модулятор

Усилитель

Аудио- или видеоинформация

Источник питания. Обеспечивает необходимую электрическую мощность для работы передатчика.
Генератор. Создает переменный ток на частоте, на которой
передатчик будет вести передачу. Генератор обычно создает
синусоиду, которую называют
.
Модулятор. Добавляет полезную информацию к несущей
волне. Существуют два основных способа добавления этой
информации. Первый — амплитудная модуляция (amplitude
modulation, АМ) — заключается в незначительном увеличении
или уменьшении интенсивности несущей волны. Второй —
частотная модуляция (frequency modulation, FM) — приводит
к незначительному увеличению или уменьшению частоты

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

несущей волны. Подробнее об AM и FM см. в разделах
/ {] и F Z]L
в этой главе.
(На самом деле существует третий способ добавления информации в радиосигнал: просто включение и выключение
сигнала по схеме, которая представляет собой информацию.
Например, таким образом радиосигналы могут передавать
азбуку Морзе.)

»
»

Усилитель. Усиливает модулированную несущую волну для
увеличения ее мощности. Чем мощнее усилитель, тем мощнее
вещание.
Антенна. Преобразует усиленный сигнал в радиоволны.

Как работают радиоприемники
Радиоприемник — это противоположность радиопередатчику. Он использует антенну для улавливания радиоволн, обрабатывает эти волны для
извлечения только тех, которые вибрируют на нужной частоте, извлекает
звуковые сигналы, добавленные к этим волнам, усиливает звуковые сигналы и воспроизводит их через динамик. На рис. 3.2 показаны эти компоненты, а в следующих параграфах объясняется принцип работы каждого.
Антенна
Динамик
Радиочастотный
усилитель

Тюнер

Детектор

Аудиоусилитель

Рис. 3.2.
Основные компоненты
(элементы) радиоприемника

»
»
»

Антенна. Улавливает радиоволны. Как правило, антенна —
просто отрезок провода. Когда этот провод подвергается
воздействию радиоволн, волны вызывают в антенне очень
маленький переменный ток.
Радиочастотный усилитель. Чувствительный усилитель,
который усиливает очень слабый радиочастотный сигнал
от антенны, чтобы тюнер мог обработать этот сигнал.
Тюнер. Схема, которая может извлекать сигналы определенной
частоты из смеси сигналов разных частот. Сама по себе антенна улавливает радиоволны всех частот и отправляет их на радиочастотный усилитель, который послушно усиливает все.

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

479

Если не хотите слушать все радиоканалы одновременно, нужна схема, которая сможет отбирать сигналы только
для того канала, который вы хотите услышать. В этом и заключается роль тюнера.
В тюнере обычно используется комбинация индуктора
(например, катушки) и конденсатора, образующая контур,
который резонирует на определенной частоте. Частота называется и определяется значениями, выбранными для катушки и конденсатора. Этот тип цепи блокирует
любые сигналы переменного тока на частоте выше или ниже
резонансной частоты.
Резонансную частоту можно регулировать, изменяя величину
индуктивности катушки или емкости конденсатора. В простых схемах радиоприемников, таких как та, о которой вы узнаете в конце главы, настройка осуществляется изменением
числа витков провода в катушке. В более сложных тюнерах
для изменения частоты используют переменный конденсатор
(также называемый 4.

Детектор. Отвечает за отделение звуковой информации
от несущей волны. Для сигналов AM это можно сделать с помощью диода, который просто выпрямляет сигнал переменного тока. После того как диод справится с сигналом переменного тока, остается сигнал постоянного тока, его можно
подать на усилитель звука. Для сигналов FM схема детектора
немного сложнее.
Аудиоусилитель. Задача этого компонента — усилить слабый
сигнал, поступающий от детектора, так, чтобы его можно
было услышать. Это можно сделать с помощью простой схемы транзисторного усилителя, как описано в главе 6 части 2.
Можете также использовать микросхему операционного
усилителя, как описано в главе 3 части 3.

Конечно, существует множество вариантов этой базовой конструкции
радиоприемника. Во многих приемниках есть дополнительные схемы
фильтрации и настройки, чтобы лучше закрепиться на заданной частоте или получить более качественный звук, а также исключить другие сигналы.

480

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

ЧТО ТАКОЕ
РАДИОЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР
Термин означает просто диапазон частот. Радио обычно рассматривается как диапазон частот от 3 Гц до 300 ГГц. Этот широкий
диапазон частот разбит на более мелкие части, которые используются для конкретных видов радиосвязи, как описано в следующей
таблице:

Частота

Аббре- Описание
виатура

3–30 Гц

ELF

Крайне низкая частота, используется для связи с подводными лодками.

30–300 Гц

SLF

Сверхнизкая частота, также используется для связи с подводными
лодками.

300 Гц–3 КГц ULF

Сверхнизкая частота, используется
для подземной связи в шахтах.

3–30 КГц

VLF

Очень низкая частота, также используется для связи с подводными
лодками. Есть другое специфическое применение.

30–300 КГц

Низкая частота, используется для
навигации, RFID и некоторых других приложений.

300–3000
КГц

Среднечастотный, используется
для AM-радио.

3–30 МГц

Высокая частота, используется для
коротковолнового и CB-радио.

30–300 МГц

VHF

Очень высокая частота, используется для FM-радио и телевидения.

300–3000
МГц

UHF

Сверхвысокие частоты используются для телевидения, мобильных
телефонов, беспроводных сетей,
Bluetooth и т.д.

3–30 ГГц

SHF

Сверхвысокая частота, используемая для высокоскоростных беспроводных сетей, радаров и спутников
связи.

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

481

Частота

Аббре- Описание
виатура

30–300 ГГц

EHF

Экстремально высокая частота,
используется для микроволновой
связи.

300–3000
ГГц

THF

Чрезвычайно высокие частоты (нет,
я не выдумал это слово), используемые для экзотических применений
на грани с научной фантастикой.

Более 3000
ГГц

Ты зашел за край карты спектра,
приятель. Здесь водятся драконы!

Принцип работы радио AM
Исходный метод кодирования звуковой информации на радиоволнах называется амплитудной модуляцией (amplitude modulation, АМ).
Он разработан в первые несколько десятилетий ХХ века. АМ — это относительно простой способ добавить звуковую информацию к несущей волне, чтобы можно было передавать звуки.
Один из самых простых видов АМ-модуляторов просто пропускает питание генератора через звуковой трансформатор, подключенный к микрофону или другому источнику звука. На рис. 3.3 показана эта схема.
Антенна

Микрофон

Преобразователь
аудио

Рис. 3.3.
Базовая схема
АМ-модулятора

482

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Кварцевый
генератор

В схеме на рис. 3.3 используется кварцевый генератор с частотой 1 МГц,
который часто применяется для генерации тактовых частот микропроцессорных схем. 1 МГц идеально подходит для простой схемы
АМ-передатчика, потому что 1 МГц находится в середине диапазона,
используемого для АМ-радиопередач.
Кварцевый генератор можно купить в Интернете. Наберите кварцевый
генератор 1МГц, и вы найдете несколько онлайн-магазинов.
Кварцевый генератор находится в металлической баночке с тремя контактами. Один вывод — заземление, второй — напряжение питания
(обычно 9 В постоянного тока), а третий — выход генератора.
При подаче напряжения питания Vss через вторичную обмотку трансформатора, первичная обмотка которого подключена к источнику
входного аудиосигнала, например микрофону, фактическое напряжение, подаваемое на генератор, будет колебаться в зависимости от изменений входного сигнала. Поскольку кварцевые генераторы очень
стабильны, эти колебания напряжения не повлияют на генерируемую
частоту, но повлияют на напряжение на выходе генератора. Входной
аудиосигнал будет отражаться в виде изменений напряжения на выходном сигнале генератора.
Более совершенная схема АМ-модуляции использует транзистор, как
показано на рис. 3.4. В этой схеме несущая волна, создаваемая генератором, который не показан на схеме, подается на базу транзистора.
Затем через трансформатор на эмиттер транзистора подается аудиосигнал. АМ-сигнал снимается с коллектора транзистора.

Выход

Вход генератора

Аудиовход

Рис. 3.4.
Использование транзистора для
амплитудной
модуляции

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

483

Как же работает эта схема? Транзистор усиливает входной сигнал от генератора через цепь эмиттер-коллектор. Однако при изменении входного аудиосигнала он вызывает небольшой ток во вторичной обмотке
трансформатора. Это, в свою очередь, влияет на величину тока, проходящего через цепь коллектор-эмиттер. Интенсивность выходного сигнала изменяется в зависимости от входного аудиосигнала.
На рис. 3.5 показано, как несущая волна сочетается с аудиосигналом
для получения радиосигнала AM. Как видно, у несущей волны постоянная частота и амплитуда. Другими словами, у каждого цикла синусоидальной волны одинаковая интенсивность. Однако ток звуковой
волны меняется. Когда эти два сигнала объединяются схемой модулятора, получается сигнал с постоянной частотой, но интенсивность
каждого цикла синусоиды меняется в зависимости от интенсивности
звукового сигнала.

Несущая волна

Звуковой сигнал

Рис. 3.5.
Несущая волна и
аудиосигнал объединяются, чтобы получить
форму волны AM

АМ-сигнал

Основные сведения о FM-радио
АМ-радио относительно простое. Однако у него есть несколько недостатков. Главный недостаток — АМ-радиоприемнику трудно, если вообще возможно, отличить сигнал, передаваемый радиопередатчиком,
от ложных сигналов на той же частоте, генерируемых другими источниками. Самый очевидный пример — молния. При ударе молнии генерируется короткий, но мощный всплеск электромагнитного излучения с очень большим спектром частот. Шум, создаваемый ударом

484

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

молнии, включает в себя практически весь диапазон частот, используемых радиостанцией AM. Если в момент удара молнии вы слушаете
АМ-радиостанцию, внезапный всплеск радиоэнергии на частоте, которую вы слушаете, будет воспринят как звук. Таким образом, когда
ударяет молния, вы можете услышать ее по радио.
Сигналы, мешающие намеренному вещанию, называются статическими, и статические помехи — главный недостаток AM-радио. Для борьбы со статикой в 1933 году был разработан более совершенный метод
наложения информации на радиоволну, названный частотной модуляцией, или FM. (Захватывающую и печальную историю изобретателя FM-радио смотрите на врезке Трагическая судьба гениального изобретателя FM-радио.)
При частотной модуляции интенсивность несущей волны не изменяется. Вместо этого точная частота несущей волны изменяется синхронно с аудиосигналом. Когда аудиосигнал выше, частота вещательного сигнала немного повышается. Когда аудиосигнал ниже, частота
немного снижается.
На рис. 3.6 показано, как это выглядит на графике. В верхней части рисунка — несущая волна, которая синхронизирует определенную частоту
вещательной станции. В середине — аудиосигнал, который должен быть
наложен на несущую волну. А внизу — результирующий модулированный сигнал. Как видите, частота уменьшается, когда входной сигнал становится ниже, и увеличивается, когда входной сигнал становится выше.

Несущая волна

Звуковой сигнал

Рис. 3.6.
Как несущая волна и
аудиосигнал объединяются для получения FM-сигнала

FМ-сигнал

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

485

Обратите внимание: все изменения частоты в частотно-модулированном сигнале находятся в пределах небольшой доли частоты несущей
волны. Как правило, частота находится в пределах 100 кГц от основной частоты.
FM-радиостанции вещают на частотах в диапазоне от 88 до 108 МГц,
но в США базовая частота для каждой станции всегда заканчивается
на 0,1, 0,3, 0,5, 0,7 или 0,9. Вот почему FM-радиостанции имеют такие
частоты, как 89,3 или 107,5, но никогда — 92,0 или 98,6.
Назначение базовых частот с шагом 0,2 МГц предоставляет каждой
станции 100 кГц пространства по обе стороны от центральной частоты для ее частотной модуляции. Таким образом, станция, вещающая
на частоте 103,1, на самом деле передает сигналы с частотами от 103,0
до 103,2. Большинство станций ограничивают отклонение от базовой
частоты до ±75 кГц, чтобы соседние станции не мешали друг другу.
В FM-модуляторах обычно используется электронный компонент под
названием варактор (варикап). Это разновидность диода с необычной
характеристикой: у него емкость, как у конденсатора, она уменьшается
при подаче напряжения на диод. По сути, варактор — это переменный
конденсатор, управляемый напряжением. Схематическое обозначение
варактора выглядит как нечто среднее между диодом и конденсатором.
Варакторы можно использовать в схемах генераторов, чтобы создать
осциллятор, который вибрирует быстрее при увеличении напряжения. Эта способность делает его идеальным для модулятора FM-радио.
При увеличении напряжения на аудиовходе емкость варактора уменьшается, а значит, увеличивается частота генератора. Когда напряжение уменьшается, емкость варактора увеличивается, а частота генератора уменьшается. На рис. 3.7 показан пример схемы FM-модулятора,
в котором используется варактор.
ВАРАКТОР
Выход
Вход
генератора

Рис. 3.7.
Схема FMмодулятора
с использованием
варактора

486

Аудиовход

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

ТРАГИЧЕСКАЯ СУДЬБА ГЕНИАЛЬНОГО
ИЗОБРЕТАТЕЛЯ FM-РАДИО
Одним из великих изобретателей в истории радио был гениальный
инженер Эдвин Армстронг. Он родился в 1890 году и с раннего возраста увлекался электротехникой. В возрасте 14 лет он начал экспериментировать с беспроводными радиосхемами, построив на заднем
дворе дома антенну высотой более 100 футов.
Первый крупный вклад в развитие технологий радио он сделал в 1912
году, когда учился в Колумбийском университете. Это была схема, которая усиливала входящие радиосигналы, подавая их обратно через
усилительную трубку, что получило название "
Этот важный прорыв в радиотехнике позволил впервые слушать радио через динамик, а не в наушниках.
Во время Первой мировой войны Армстронг изобрел еще один
тип радиоприемника, который назвал "
Основной принцип супергетеродинной схемы в том, что радиосигнал,
передаваемый на высокой частоте (скажем, 1500 кГц), может быть
объединен с соседней частотой генератора (скажем, 1560 кГц) так, что
исходный сигнал может быть обнаружен и на частоте 60 кГц — разнице между частотой исходного сигнала (1560 кГц) и частотой генератора (1500 кГц). Схема супергетеродина, возможно, одна из самых
важных электронных схем, когда-либо изобретенных. Она и по сей
день используется почти во всех радиоприемниках.
Третье великое изобретение Армстронг сделал в 1933 году, когда
придумал метод передачи радиосигналов, не подверженный помехам
со стороны атмосферных возмущений, таких как молния. Его новая
система была названа 3Q'#|)#1%2T9=)$<&(91.
Z]4Так появилось FM-радио.
Армстронг запатентовал изобретения, но его патенты были оспорены
или проигнорированы титанами радио. В 1934 году он проиграл судебный процесс по защите патента на регенеративную схему, потому
что судьи Верховного суда не поняли, как работает схема, а промышленность оспаривала его патенты на FM-радио и свободно использовала его технологию на протяжении 1940–1950-х годов.
В 1954 году больной и сломленный судебными тяжбами Армстронг
покончил с собой, выбросился из окна.
В конце концов его вдова Мэрион выиграла серию патентных исков
и получила компенсацию 10 миллионов долларов.

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

487

Сборка детекторного радиоприемника
В этом разделе вы узнаете, как собрать одну из самых простых полезных электронных схем: детекторный радиоприемник, который может
принимать радиопередачи в диапазоне AM. Это простейший радиоприемник. Его может слушать только один человек, потому что вместо
динамика в нем используется наушник или пьезоэлектрический вкладыш, и у него низкая чувствительность: вам повезет, если вы сможете
принять две или три разные станции, даже если в вашем районе вещают десятки АМ-радиостанций.
Но уникальность детекторного радиоприемника в том, что, в отличие
от всех остальных электронных схем, описанных в этой книге, у него
нет своего источника питания — ни батареек, ни какого-то блока питания. Единственный источник энергии, используемый детекторным
радиоприемником, — это энергия самих радиоволн.
Детекторные радиоприемники существуют с самого начала радиовещания. В 1920-х годах люди часто сами собирали детекторные радиоприемники. В то время газеты и журналы рассказывали, как построить детекторный радиоприемник из обычных предметов, таких как куски дерева
и металла, пустые коробки из-под овсяных хлопьев, а также несколько специальных предметов, включая кристалл и телефонную трубку.
Детекторный радиоприемник в 1920-х годах стоил около 10 долларов,
в современных ценах примерно 125 долларов. Сегодня его стоимость
по-прежнему такая же.

СОВЕТ

Если хотите, можете купить набор для сборки собственного детекторного радиоприемника. Наборы для сборки есть в магазинах товаров
для хобби или школьных принадлежностей. Можно купить все детали
отдельно за меньшую сумму, чем стоимость набора.

Простая схема детекторного радиоприемника
На рис. 3.8 показана базовая схема детекторного радиоприемника. Она
состоит всего из нескольких основных компонентов: антенны и заземления, катушки, переменного конденсатора, диода и наушников.
Сочетание катушки и конденсатора образует контур настройки. Индуктивность катушки в сочетании с емкостью переменного конденсатора создает контур, который резонирует на определенной частоте, пропуская эту частоту и блокируя другие частоты. В базовом детекторном
радиоприемнике, показанном на рис. 3.8, схема настройки не очень
чувствительна, поэтому вы, скорее всего, услышите сразу несколько

488

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

станций. Однако можно создать более чувствительные схемы настройки, которые смогут точно настраиваться на отдельные станции.
Диод — детекторная часть схемы. Он просто преобразует сигнал переменного тока, поступающий от антенны и схемы настройки, в постоянный ток. Этот постоянный ток очень мал, но его достаточно, чтобы
управлять чувствительным пьезоэлектрическим наушником, который
преобразует ток в звук.

Рис. 3.8.
Принципиальная
схема детекторного радиоприемника

Далее в этой главе вы узнаете, как построить собственный детекторный радиоприемник.
На рис. 3.9 показан готовый детекторный радиоприемник, который вы
можете собрать в этом проекте. Есть много способов сборки, поэтому не нужно точно следовать инструкциям. Используйте воображение.

Рис. 3.9.
Готовый
детекторный
радиоприемник

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

489

Собираем детали
Вам понадобится несколько деталей, чтобы собрать детекторный радиоприемник. Ниже приведен рекомендуемый список:

»
»
»

Не менее 50 футов антенного провода. Для антенны можно
использовать практически любой провод. Я предпочитаю одножильный 18 калибра (1 мм).
Несколько футов провода для подключения радио
к заземлению.
Не менее 50 футов эмалированного обмоточного провода
30-го калибра (0,255 мм). Вы можете купить его онлайн, просто наберите в строке поиска /

» Что-нибудь, на что можно намотать катушку. Я использовал
пустую бутылку из-под газировки.

Конденсатор переменной ёмкости (КПЕ), также называемый
настроечным конденсатором. Если у вас есть старый радиоприёмник — даже неработающий — вы можете извлечь из него
КПЕ. Или приобрести его в интернет-магазине — просто введите в поиске }
Обратите внимание: КПЕ — это необязательный компонент.
Если не можете его найти, собирайте и без этой детали,
но тогда не будет точной настройки на нужную станцию.

»
»
»

Германиевый диод. Скорее всего, придется покупать этот
компонент в Интернете.
Пьезоэлектрический наушник. Обычные наушники типа
тех, что используются с iPod или сотовым телефоном,
не подойдут.
Основа для установки радиоприемника. Примерно 6 × 9 дюймов должно быть достаточно.

» Что-нибудь для электрических соединений. Мне нравится

использовать четырехполюсную клеммную колодку, но вы
можете импровизировать.

СОВЕТ

Если у вас есть старый неработающий радиоприемник, смело вскрывайте его и собирайте детали. В частности, поищите КПЕ (настроечный
конденсатор). Его легко обнаружить, он подключен к ручке настройки.

СОВЕТ

Германиевый диод, КПЕ и пьезоэлектрический наушник — три детали,
которые сложновато найти. Возможно, есть смысл приобрести набор для
детекторного радиоприемника в магазине и взять эти детали из набора.

490

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Создание катушки
Когда вы смотрите на детекторный радиоприемник, первое, что заметите, — большая катушка. Катушка обычно состоит из 100 или более
витков магнитопровода малого сечения, намотанного на непроводящую трубку диаметром от 1 до 5 дюймов. Катушка — важная часть схемы настройки радиоприемника.
Для обмотки катушки можно использовать многие предметы. Вот несколько идей:

»
»
»
»
»
»

Пустая бутылка из-под газировки. Чтобы катушка выглядела
лучше, сначала покрасьте ее черной краской из баллончика.
См. рис. 3.10. (Не используйте металлическую краску!)
Втулка от туалетной бумаги.
Пустой контейнер из-под овсянки.
6-дюймовый отрезок поливинилхлоридной трубки диаметром 2–3 дюйма.
Деревянная штанга для шкафа длиной 6 дюймов.
Картонный тубус длиной 6 дюймов.

Рис. 3.10.
Катушка,
намотанная
на пустую
бутылку из-под
газировки

Короче говоря, любой прочный цилиндрический предмет, сделанный
из изолирующего материала, можно использовать в качестве сердечника катушки. Если он цилиндрической формы и не сделан из металла, вы смело можете его использовать.
Что касается выбора провода для катушки, возьмите обмоточный кабель,
который покрыт тонкой эмалевой изоляцией, а не заключен в пластиковую изоляцию. Провод, обмотанный пластиковой изоляцией, тоже
подойдет, но эмалевая изоляция тоньше, а значит, витки можно расположить ближе друг к другу.
Количество витков в катушке и диаметр цилиндра, вокруг которого
вы намотаете катушку, определят, сколько проволоки понадобится.

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

491

Вы захотите намотать не менее 100 витков. Чтобы определить, сколько проволоки понадобится для каждого витка, умножьте диаметр цилиндра на 3,14. Затем умножьте полученный результат на количество
витков и разделите на 12, чтобы определить, сколько проволоки вам
понадобится.
Например, предположим, что вы наматываете катушку на 2-дюймовый
цилиндр и хотите намотать 100 витков. Для каждого витка потребуется
6,28 дюйма провода (2 дюйма × 3,14) — вам понадобится чуть больше
52 футов провода (6,28 дюйма × 100 ÷ 12 дюймов). С учетом дополнительного провода на каждом конце катушки (для подключения к радиосхеме) вам понадобится около 54 футов провода.
Для простейшего типа детекторного радио точное количество витков
не оказывает существенного влияния на работу радиоприемника. Так,
в приведенном примере, если у вас есть 50-футовая катушка провода, вы можете просто намотать катушку на несколько витков меньше,
чем 100, и радио будет работать так же хорошо.
Самый простой способ намотать катушку — положить трубку, на которую наматывается катушка, на лезвие отвертки или другой длинный узкий предмет так, чтобы трубка свободно вращалась. Вы можете вращать
трубку и медленно подавать проволоку с катушки на трубку. Это позволит избежать перекручивания проволоки при намотке. Если на вашем
верстаке есть тиски, можете зажать отвертку горизонтально в тисках,
надеть трубку на отвертку — и трубка будет свободно вращаться.
Прикрепите один конец обмоточного кабеля к одному концу трубки (горячим клеем1, например). Можно проделать отверстие в трубке и пропустить через него провод. В любом случае не забудьте оставить свободными 6 или более дюймов проволоки (для подключения
катушки к цепи).
Закрепив один конец катушки, медленно поворачивайте трубку, подавая проволоку с катушки на трубку. Через каждые пол-оборота аккуратно подтягивайте проволоку к уже намотанным виткам. Необходимо
намотать проволоку так, чтобы каждый виток примыкал к предыдущему, без зазоров. Чтобы витки были плотными, придется немного натягивать проволоку при подаче ее на трубку. Если ослабите натяжение,
витки могут распутаться.
Это поможет, если вы будете наматывать катушку секциями примерно
по десять витков каждая. Когда закончите каждую секцию, нанесите
на нее немного горячего клея, чтобы зафиксировать на месте.
СОВЕТ

492

Часто такой клей называют еще термоклеем, который применяется с клеевым пистолетом.

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Когда дойдете до конца трубки (или у вас закончится проволока), горячим клеем закрепите последний виток или прорежьте щель в трубке
и проденьте проволоку через нее. Не забудьте оставить около 6 дюймов свободной проволоки после последнего витка.
Катушка должна быть аккуратной, без больших зазоров между витками, и должно быть около 6 дюймов свободного провода на каждом
конце катушки.

Сборка схемы
Следующий шаг — сборка частей радиоприемника на основании.
Рекомендую использовать кусок дерева размером примерно 6 × 9 дюймов. Чтобы радио выглядело хорошо, покрасьте дерево перед сборкой.
Вот список деталей, которые понадобятся для сборки схемы:

» Катушка.
» Четырехпозиционная клеммная колодка.
» Германиевый диод (1N34A или аналогичный).
» Настроечный конденсатор (необязательно).
» Один отрезок провода для подключения около 1½ дюйма.
» Два отрезка провода около 3 дюймов.
Чтобы собрать схему детекторного радиоприемника, понадобятся следующие инструменты:

»
»
»
»
»

термоклеевой пистолет и несколько клеевых палочек;
крестовая отвертка;
обычные кусачки;
кусачки для зачистки проводов;
паяльник и немного припоя.

На рис. 3.11 показана схема собранного детекторного радиоприемника.
В этих инструкциях я ссылаюсь на отдельные клеммы клеммной колодки, нумеруя их слева направо, от 1 до 4. Разъемам в верхнем ряду
присвоена буква A, а разъемам в нижнем ряду — буква B. Таким образом, клемма в верхнем левом углу клеммной колодки — это клемма 1A,
а клемма в нижнем правом углу — 4B.

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

493

Рис. 3.11.
Макет схемы
детекторного
радиоприемника

Антенна
Земля

Наушник

Чтобы собрать схему детекторного радиоприемника, выполните следующие действия:

Приклейте к основе клеммную колодку, настроечный конденсатор и катушку.
По рис. 3.11 разместите каждую из этих деталей.
Обязательно дайте клею остыть и затвердеть.

Подключите диод между клеммами 1A и 3A.
Направление подключения диода не имеет значения в схеме
детекторного радиоприемника.

Снимите около 3/8 дюйма изоляции с обоих концов всех отрезков провода для подключения.

Подключите один конец провода для подключения длиной
1½ дюйма к клемме 2A, а другой конец — к клемме 4A.

С помощью наждачной бумаги аккуратно соскоблите эмалевую изоляцию с концов провода катушки.

6.
7.

Подключите два провода от катушки к клеммам 1A и 4A.
Припаяйте один конец 3-дюймового провода к центральному выводу конденсатора, а другой 3-дюймовый провод —
к любому из других выводов.
Неважно, какой из двух внешних проводов вы используете.

Подключите свободные концы проводов, которые вы припаяли на шаге 7, к клеммам 1A и 1D клеммной колодки.
Готово!

Когда радиосхема будет собрана, проверьте, что все детали соединены как на рис. 3.11.

494

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

ОКОПНОЕ РАДИО
Во время Второй мировой войны солдаты часто собирали детекторные радиоприемники из подручных материалов. Такие самодельные
радиоприемники назывались окопными, хотя я не уверен, что многие
действительно были собраны в окопах (если бы я сидел в окопе под
обстрелом, мне вряд ли захотелось бы слушать радио).
Проволоку для изготовления антенн и катушек достать было несложно, как и сверхчувствительные наушники, но в окопах невозможно
найти кристаллы для детекторной части схемы, поэтому солдаты придумали остроумное решение: они использовали бритвенные лезвия,
карандашные грифели и булавки.
Чтобы лезвие работало как детектор окопного радио, оно должно
быть из вороненой стали. Большинство современных лезвий изготовлены не из вороненой, а нержавеющей стали, но этот недостаток
можно исправить, поместив лезвие в металлические тиски и нагревая
его пропановой горелкой до красного каления. Дайте ему остыть,
прежде чем брать в руки!
Радиоприемник не испортится, если лезвие немного заржавеет: оксид
ржавчины этому способствует.
Чтобы собрать детектор, сначала приклейте лезвие к куску дерева. Заточите карандаш, обрежьте его (½ дюйма будет достаточно).
Согните булавку примерно на 90 градусов и воткните заостренный
конец булавки в стержень на конце карандаша. Прибейте или прикрутите плоский конец булавки к доске, расположив его так, чтобы
кончик карандаша был на лезвии бритвы.
Подключите один провод к лезвию, другой — к булавке и подключите
его к схеме в том месте, где должен находиться германиевый диод.
Затем подключите радио к антенне и заземлению, вставьте наушники
в ухо и проводите кончиком карандаша по разным частям лезвия, пока
не услышите сигнал.
Этот тип детектора очень привередлив, поэтому придется пробовать
разные углы и положения, а также разные лезвия или карандаши.
Но как только заставите его работать, будете в восторге от того,
что смогли сделать радио из старого бритвенного лезвия, булавки
и карандаша.

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

495

Подключение антенны
Хорошая, длинная антенна жизненно важна для успешной работы детекторного радиоприемника. Обычно чем длиннее антенна, тем лучше работает приемник. Старайтесь, чтобы длина антенны была не менее 50 футов.
Можно сделать антенну из любого типа провода, изолированного или
нет. Подходящий можно купить в хозяйственном магазине.
Лучшая конфигурация для антенны детекторного радиоприемника —
это горизонтальный провод, протянутый высоко над землей между двумя шестами, как показано на рис. 3.12. Для своей антенны вы вряд ли
найдете такие высокие шесты, однако их вполне могут заменить столбы забора, деревья, баскетбольные кольца, флагштоки, качели.

Рис. 3.12.
Устройство
антенны

к радиоприемнику

Один конец провода антенны должен идти вниз, чтобы подключить
его к вашему радиоприемнику. Нужно проложить провод к месту, где
вы собираетесь работать с приемником.

СОВЕТ

Дерево — не лучший изолятор, а большинство металлов, разумеется, отличные проводники. Очень важно, чтобы антенна была хорошо
изолирована от земли. Тщательно закрепляйте провод антенны, чтобы случайно не заземлить ее.
Если используете изолированный провод для антенны, можете закрепить его концы на дереве с помощью ½-дюймовых рым-болтов, которые есть в любом хозяйственном магазине. Вкрутите рым-болт в дерево, а затем просто привяжите к нему конец провода антенны.
Если провод неизолированный, нужно подпереть его каким-то предметом, который не проводит электричество. Я предлагаю использовать
как подпорку фитинг для трубы из ПВХ (продается в хозяйственном
магазине). Вкрутите фитинг в дерево или прикрепите к металлу клейкой лентой или стяжкой, а затем пропустите антенный провод через
фитинг и завяжите.

496

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Сборка детекторного радиоприемника — относительно безопасный
проект, но есть несколько рисков, связанных с антенной. Вот с чем
следует быть осторожным.
ОСТОРОЖНО!

Не подвешивайте антенну во время грозы! Молния любит
провода, а вы не хотите искушать матушку-природу, предоставляя ей удобный путь для разрядки ее ярости.

» Точно так же не включайте радиоприемник во время грозы.
» Ни в коем случае не прокладывайте антенный провод вблизи
силового кабеля или других инженерных коммуникаций. Это
верный способ получить удар током!

Будьте очень осторожны, если вам приходится подниматься
по лестнице, чтобы натянуть антенну. У меня нет статистических данных, подтверждающих это, но я готов поспорить: самый
распространенный способ серьезно травмировать себя при
сборке детекторного радиоприемника — упасть с 10-футовой
приставной лестницы во время установки антенны.

Заземление

Рис. 3.13.
Хорошее
заземление

Хорошее заземление так же важно, как и хорошая антенна. Лучший способ создать хорошее заземление — использовать металлическую трубу
для холодной воды. Если вы разместили антенну на открытом воздухе,
вам может посчастливиться найти рядом с антенной водопроводный

ГЛАВА 3.Основные сведения о радио

497

кран. Вы можете подключить один конец провода к водопроводной трубе,
а другой — к радиоприемнику. (Этот способ не сработает, если в доме
используется пластиковая труба; он работает только с металлической.)
Если не можете найти водопроводную трубу, возьмите металлическую
арматуру и вбейте ее в землю. Чем глубже, тем лучше заземление.
Самый простой способ подсоединить провод к водопроводной трубе
(или куску арматуры) — использовать трубный хомут, который можно найти в сантехническом отделе любого хозяйственного магазина.
Отшлифуйте трубу в месте крепления зажима крупнозернистой наждачной бумагой, чтобы улучшить электрическое соединение, особенно
если труба окрашена или покрыта лаком. Снимите дюйм или два изоляции с конца провода заземления и оберните его вокруг зажима, затем наденьте зажим на водопроводную трубу и затяните его, как показано на рис. 3.13.

Использование
детекторного радиоприемника
Схема детекторного радиоприемника собрана, антенна установлена,
а провод заземления подключен. Настало время испытать его в работе.
Выполните следующие действия.

Подключите два провода пьезоэлектрического наушника
к клеммам 3B и 4B клеммной колодки.

2.
3.
4.

Подключите провод антенны к клемме 1B.
Подключите провод заземления к клемме 2B.
Вставьте наушник в ухо.
Скорее всего, вы сразу услышите радиостанцию.

Поверните ручку на конденсаторе настройки, чтобы услышать другие станции.
Тюнер в этой схеме детекторного радиоприемника не очень
чувствителен, поэтому вы, вероятно, сможете различить
всего две или три станции.
Обратите внимание: если вы не добавили настроечный конденсатор, вообще не сможете настроиться на определенную
станцию. Вместо этого, скорее всего, будете слышать сразу несколько станций. (Даже при наличии настроечного конденсатора все равно будете слышать несколько станций одновременно. Как я уже говорил, у схемы такого простого
детекторного радиоприемника низкая точность настройки.)

498

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

В ЭТОЙ ГЛАВЕ ВЫ…
» Узнаете, как с помощью инфра»

красного света можно передавать
информацию
Узнаете, как генерируется инфракрасный свет

» Узнаете, как обнаружить инфракрасный свет

» Соберете собственный детектор
приближения

Гл а в а 4

Использование
инфракрасного излучения
этой главе вы узнаете, как работать со схемами, обнаруживающими невидимый глазу инфракрасный свет. Он находит применение в беспроводной связи, самое распространенное — это
пульт дистанционного управления телевизора. А еще очки и камеры
ночного видения, определение температуры.

Это очень интересно!

Знакомство с инфракрасным светом
Инфракрасный свет — это свет, частота которого чуть ниже диапазона видимого красного света. Точнее, инфракрасный свет — это свет,
частота которого лежит в диапазоне от 1 ТГц до 400 ТГц (один ТГц —
один триллион циклов в секунду). Инфракрасный спектр находится
прямо между микроволнами и видимым светом.
В главе 1 этой части вы узнаете, что между частотой и длиной волны
существует обратная зависимость: чем ниже частота, тем больше длина волны. Если описывать инфракрасное излучение с точки зрения
длины волны, а не частоты, инфракрасные волны длиннее волн видимого света, но короче микроволн. Длина волны инфракрасного света

ГЛАВА 4.Использование инфракрасного излучения

499

Частота

Рис. 4.1.
Инфракрасный свет находится между видимым
светом и микроволнами

Видимый свет

Длина волны

составляет от 0,75 до 300 микрометров, то есть миллионные доли метра. Таким образом, на самом нижнем краю инфракрасного спектра
длина инфракрасных волн составляет около 1/3 миллиметра. На верхнем конце длина волн — около 0,001 мм. Если волны становятся короче, они превращаются в видимый свет.
На рис. 4.1 показан весь спектр электромагнитного излучения. Видно,
какое место занимает инфракрасное излучение относительно других
типов излучения.
Инфракрасный свет не виден человеческому глазу. Видимо, природамать решила, что нам не нужно видеть вещи в инфракрасном диапазоне. Это плохо, потому что более половины всей световой энергии, излучаемой солнцем, приходится на инфракрасный свет. Если бы наши
глаза могли видеть инфракрасный свет так же хорошо, как и видимый,
солнечный день казался бы вдвое ярче.

ПРИМЕЧАНИЯ

Иногда инфракрасный свет путают с теплом, потому что мы не можем
видеть инфракрасные световые волны, но можем ощущать их в виде
тепла. Другими словами, инфракрасные световые волны нагревают
поверхности, которые их поглощают. Видимый свет тоже так делает.
Вот почему в тени прохладнее, чем на солнце. Поскольку тепло — это
эффект действия инфракрасного света, инфракрасный свет можно использовать в качестве источника тепла. Но инфракрасный свет и тепло — это не одно и то же.
Инфракрасный свет часто используется для обнаружения объектов,
которые мы не можем увидеть в видимом свете. Одно из распространенных применений этого метода — ночное видение. Согласно закону
Планка, вся материя испускает электромагнитное излучение, если ее
температура выше абсолютного нуля. Часть этого излучения находится в инфракрасном спектре, поэтому устройства, способные обнаруживать инфракрасный свет, могут буквально видеть в темноте.

500 ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Чтобы усилить эффект, некоторые приборы ночного видения фактически подсвечивают область инфракрасным светом. Поскольку человеческий глаз не видит инфракрасного света, освещенная область все
равно кажется нам темной, но для детектора, чувствительного к инфракрасному свету, эта область освещена и полностью видна.
Еще одно распространенное применение инфракрасного света — беспроводная связь на небольших расстояниях. Самые известные инфракрасные устройства — телевизионные пульты дистанционного управления.
Пульт содержит яркий источник инфракрасного света, а сам телевизор —
инфракрасный детектор. Когда вы направляете пульт дистанционного
управления на телевизор и нажимаете кнопку, он включает источник
инфракрасного света и кодирует на нем сообщение. Приемник принимает этот сигнал, декодирует сообщение и делает все, что ему предписано: увеличивает громкость, переключает канал и т. д.
Как и видимый свет, инфракрасное излучение может блокироваться
твердыми предметами и отражаться от отражающих предметов. Именно
поэтому пульт не сработает, если ваш супруг стоит между вами и телевизором. Но именно поэтому вы можете обойти супруга, направив
пульт на окно. Инфракрасные волны отразятся от стекла и, если угол
наклона правильный, попадут на телевизор.

ПРИМЕЧАНИЯ

Первый беспроводной пульт дистанционного управления был разработан компанией Zenith в 1955 году. Он использовал обычный видимый свет, мог включать и выключать телевизор, а также переключать
каналы. У него был один серьезный недостаток: телевизор нужно было
располагать в комнате так, чтобы свет от внешнего источника (например, заходящего солнца, светящего в окно) не попадал на датчик освещенности. В противном случае телевизор мог выключиться прямо посреди вечерних новостей, когда солнце подходило под нужным углом
и попадало на датчик.
Сегодня пульты используют сложные схемы кодирования, чтобы избежать таких случайных ошибок. Вам наверняка знакома процедура
программирования пульта дистанционного управления для работы
с конкретным телевизором. Это программирование необходимо потому, что не существует общепринятого стандарта того, как должны
работать коды на пульте дистанционного управления, поэтому каждый производитель использует свою собственную схему кодирования.

ГЛАВА 4.Использование инфракрасного излучения

501

Обнаружение инфракрасного света
Существует несколько способов обнаружить инфракрасный свет с помощью электронных схем, но самый распространенный — с помощью
устройства под названием фототранзистор.
Чтобы понять, как он работает, сначала рассмотрим, как работает транзистор. У транзистора три вывода: база, коллектор и эмиттер. Внутри
транзистора есть путь между коллектором и эмиттером. Проводимость
пути зависит от того, приложено ли напряжение к базе и эмиттеру. Если
напряжение приложено, ток легко проходит от коллектора к эмиттеру,
напряжения на базе нет — ток не идет.
В фототранзисторе база не отдельный вывод, который подключен
к источнику напряжения в вашей схеме. База подвергается воздействию
света. Когда инфракрасный свет попадает на базу, энергия света преобразуется в напряжение, и эмиттерно-коллекторная дорожка проводит.
У инфракрасного света, попадающего на базу, тот же эффект, что
и у напряжения на базе традиционного транзистора: инфракрасный
свет включает транзистор. Чем ярче свет, тем лучше проходит путь
эмиттер-коллектор.
На рис. 4.2 показана простая схема, в которой для обнаружения инфракрасного света используется ИК-фототранзистор. Есть инфракрасный
свет — цепь коллектор-эмиттер проводит ток, и светодиод загорается.
Таким образом, светодиод загорается, когда на фототранзистор падает инфракрасный свет.
В Проекте 25 показано, как собрать эту схему на беспаечной макетной плате, а на рис. 4.3 — собранная схема.
Собрав схему, попробуйте направить на фототранзистор свет от разных
источников, чтобы проверить, излучают ли они инфракрасный свет.
Один из надежных источников инфракрасного излучения — пульт дистанционного управления телевизором. Направьте пульт на фототранзистор и нажмите любую кнопку: светодиод быстро загорается и гаснет,
реагируя на инфракрасные сигналы, посылаемые пультом.
Еще один интересный источник инфракрасного излучения — открытое пламя. Конечно, будьте очень осторожны; я не хочу, чтобы сгорел
дом из-за того, что решили проверить, излучает ли пламя инфракрасный свет. Если есть небольшая газовая зажигалка, зажгите ее и поднесите к фототранзистору.

502

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Рис. 4.2.
Простая схема
инфракрасного
детектора

Рис. 4.3.
Собранная схема
инфракрасного
детектора
(Проект 25 )

ГЛАВА 4.Использование инфракрасного излучения

503

Проект 25. Простой
инфракрасный детектор
В этом проекте вы построите простой детектор инфракрасного света
с использованием фототранзистора. Когда на фототранзистор падает
инфракрасный свет, светодиод загорается.

Анод

Катод
Фототранзистор
Эмиттер

Коллектор

504 ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Детали
»
»
»
»
»

Защелкивающийся держатель для батарейки 9 В.
Одна батарейка 9 В.
Один ИК-фототранзистор.
Один красный светодиод.
Один резистор 330 Ом ¼ Вт
(оранжевый-оранжевый-коричневый).

Порядок действий
На протяжении всех шагов используйте отрицательную (-) шину в нижней части платы в качестве заземления, а положительную (+) шину
в верхней части платы — в качестве положительного напряжения.

Вставьте фототранзистор в соответствии с таблицей:
Коллектор (длинный)

Эмиттер (короткий)

Положительная шина

Вставьте резистор.
От

Вставьте светодиод.
Катод (длинный)

Анод (короткий)

Шина заземления

Подключите батарейку.
Подключите красный провод к положительной шине,
а черный — к отрицательной.

Поднесите фототранзистор к источнику инфракрасного
света.
Попробуйте различные источники, включая пульт дистанционного управления телевизором, пламя (осторожно!) и солнечный свет. Также попробуйте другие источники, которые
не излучают инфракрасный свет, например светодиодный
фонарик.

ГЛАВА 4.Использование инфракрасного излучения

505

Создание инфракрасного света
Самый простой способ создать инфракрасный свет — использовать специальный светодиод, работающий в инфракрасном диапазоне. Инфракрасные светодиоды (часто называемые ИК-светодиодами) можно легко приобрести в любом магазине, где продаются электронные детали.
ИК-светодиоды похожи на обычные светодиоды, но вы не увидите излучаемый ими свет. Сам светодиод обычно темно-фиолетовый или синий. Как и у других светодиодов, вывод катода короче, чем вывод анода.
Нужно последовательно соединить резистор с ИК-светодиодом, чтобы предотвратить перегорание светодиода от избыточного тока. Чтобы
рассчитать размер резистора, необходимо знать три вещи.

»
»
»

Напряжение питания: например, 9 В.
Падение напряжения на светодиоде: для большинства
инфракрасных светодиодов падение прямого напряжения — 1,3 В.
Обычно ток, протекающий через ИК-светодиод, не должен превышать 50 мА. Однако ИК-светодиоды рассчитаны
на больший ток, чем обычные светодиоды.

Зная эти три параметра, вы можете рассчитать правильный размер резистора, используя закон Ома.

Рассчитайте падение напряжения на резисторе.
Для этого из общего напряжения питания вычтите падение напряжения на ИК-светодиоде (обычно 1,3 В). Например,
если общее напряжение питания составляет 9 В, а на светодиоде падает 1,3 В, то падение напряжения на резисторе составит 7,7 В.

Переведите требуемую силу тока в амперы.
Преобразуйте миллиамперы в амперы, разделив миллиамперы на 1000. Если ток через ИК-светодиод должен быть 50 мА,
то при расчете закона Ома нужно использовать 0,05 А.

Разделите падение напряжения на резисторе на силу тока
в амперах.
Это даст требуемое сопротивление в омах. Например, если
падение напряжения на резисторе — 7,6 В, а желаемый ток —
50 мА, вам нужен резистор сопротивлением 152 Ом.

506 ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Выберите стандартный номинал резистора, близкий к расчетному сопротивлению.
Резистор 150 Ом хорошо подходит для цепи 9 В. Если у вас
нет резистора 150 Ом, подойдет резистор 220 или 300 Ом.

Выбрав резистор нужного номинала, подключите его последовательно
с ИК-светодиодом, как показано в схеме на рис. 4.4.

Рис. 4.4.
Использование
токоограничивающего
резистора для защиты
ИК-светодиода

Создание детектора приближения
Комбинация ИК-светодиода и фотодиода часто используется в качестве детектора приближения — устройства, которое обнаруживает, когда объект находится рядом. Есть два способа создать детектор
приближения.

Установить ИК-светодиод и фототранзистор так, чтобы
они были обращены друг к другу, тогда инфракрасный
свет от ИК-светодиода будет восприниматься фототранзистором. Если что-то оказывается между ИК-светодиодом
и фототранзистором, свет блокируется, и фототранзистор
выключается.
Установить ИК-светодиоды и фотодиоды рядом в одном
направлении. Когда объект приближается к ИК-светодиоду,
часть инфракрасного света отразится и будет обнаружена
фототранзистором.

ГЛАВА 4.Использование инфракрасного излучения

507

Построение датчика приближения
с общим эмиттером
Схема простого датчика приближения показана на рис. 4.5. На схеме
не показано, но предполагается: ИК-светодиод и Q1 ориентированы
так, что Q1 может обнаружить инфракрасное излучение, испускаемое
ИК-светодиодом, либо косвенно (для датчика приближения), либо напрямую (для прерывателя).

Рис. 4.5.
Схема датчика приближения с общим
эмиттером

Эту схему называют схемой с общим эмиттером, потому что эмиттер
фототранзистора — общий между фототранзисторной стороной и выходной стороной схемы, подключенной к ИК-светодиоду. Здесь выходное напряжение включается, когда инфракрасный свет обнаруживается фототранзистором: красный светодиод загорается, если путь
между ИК-светодиодом и фототранзистором не перекрыт. Если его
перекрыть, красный светодиод погаснет.
В Проекте 26 показано, как собрать эту схему, сконфигурированную
как прерыватель, а на рис. 4.6 показан готовый проект. Когда вы подключите схему к питанию, загорится красный светодиод. Если между
ИК-светодиодом и фототранзистором поставить какой-либо предмет,
например лист бумаги, красный светодиод погаснет.
Выходной сигнал в схеме — просто красный светодиод. Его с тем же
успехом можно подключить к другим компонентам схемы. Например,
выход может управлять механическим реле, если вы хотите использовать

508 ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

датчик приближения для включения прожектора или другого устройства на 120 В переменного тока, или можете подключить выход к цифровой логической схеме, как описано в главе 3 части 5.

Рис. 4.6.
Использование ИК-светодиода и фототранзистора в качестве
детектора приближения
(Проект 26 )

Проект 26. Датчик приближения
с общим эмиттером
В этом проекте вы соберёте датчик приближения по схеме с общим
эмиттером, который зажигает красный светодиод, когда путь между
ИК-светодиодом и фототранзистором свободен. Если что-либо перекрывает путь, красный светодиод гаснет.

ГЛАВА 4.Использование инфракрасного излучения

509

Анод

Катод
Фототранзистор
Эмиттер

Коллектор
Инфракрасный светодиод
Анод

Катод

Детали
»
»

510

Защелкивающийся держатель для батарейки 9 В.
Одна батарейка 9 В.

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

»
»
»
»
»

Один ИК-фототранзистор.
Один ИК-светодиод.
Один красный светодиод.
Один резистор 33 кОм ¼ Вт
(оранжевый-оранжевый-оранжевый).
Один резистор 330 Ом ¼ Вт
(оранжевый-оранжевый-коричневый).

Порядок действий
На протяжении всех этих шагов используйте отрицательную (-) шину
в нижней части платы в качестве заземления, а положительную (+)
шину в верхней части платы в качестве положительного напряжения.

Вставьте фототранзистор.
Вставьте фототранзистор в соответствии со следующей
таблицей:

Коллектор (длинный)

Эмиттер (короткий)

Положительная шина

Вставьте светодиоды.
Светодиод

Катод (длинный)

Анод (короткий)

Красный

Шина заземления

ИК

J15

Положительная шина

Вставьте резисторы.
Вставьте резисторы в соответствии со следующей таблицей

Транзистор

От

R1 (330 Ом)

F15

Шина заземления

R2 (33 КОм)

Подключите батарейку.
Подключите красный провод к положительной шине, а черный — к отрицательной. Красный светодиод загорится, когда
питание будет подключено.

ГЛАВА 4.Использование инфракрасного излучения

511

Перекройте путь света между ИК-светодиодом и фототранзистором (листом бумаги).
Красный светодиод погаснет, если поставить преграду
на пути света между ИК-светодиодом и фототранзистором.

Построение детектора приближения
с общим коллектором
На рис. 4.7 показана схема с общим коллектором, где коллектор — общая точка между цепью фототранзистора и выходной цепью светодиода. При таком подключении светодиод гаснет, когда путь между ИКсветодиодом и фототранзистором свободен. Когда что-то перекрывает
этот путь и фототранзистор перестает улавливать ИК-излучение, загорается красный светодиод.
В Проекте 27 показано, как собрать эту схему, сконфигурированную
как прерыватель, а на рис. 4.8 показан готовый проект. Когда вы подключаете эту схему к питанию, красный светодиод не горит. Но если
пропустить предмет между ИК-светодиодом и фототранзистором, красный светодиод загорится.

Рис. 4.7.
Схема детектора
приближения с общим коллектором

512

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

Рис. 4.8.
Эта схема включает
красный светодиод, когда путь между ИК-светодиодом и фототранзистором блокируется
(Проект 27 )

Проект 27. Детектор приближения
с общим коллектором
В этом проекте вы можете построить детектор приближения с общим
коллектором, который включает красный светодиод, когда что-то оказывается между инфракрасным светодиодом и фототранзистором.

ГЛАВА 4.Использование инфракрасного излучения

513

Анод

Катод
Фототранзистор
Эмиттер

Коллектор
Инфракрасный светодиод
Анод

Катод

Детали
»
»
»
514

Защелкивающийся держатель для батарейки 9 В.
Одна батарейка 9 В.
Один ИК-фототранзистор.

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

»
»
»
»

Один ИК-светодиод.
Один красный светодиод.
Два резистора 330 Ом ¼ Вт
(оранжевый-оранжевый-коричневый).
Один резистор 22 кОм ¼ Вт
(оранжевый-оранжевый-оранжевый).

» Три коротких отрезка провода-перемычки.
Порядок действий
На протяжении всех шагов используйте отрицательную (-) шину в нижней части платы в качестве заземления, а положительную (+) шину
в верхней части платы — в качестве положительного напряжения.

Вставьте красный светодиод.
Вставьте светодиод в соответствии с таблицей.

Катод (длинный)

Анод (короткий)

Вставьте фототранзистор.
Вставьте фототранзистор в соответствии с таблицей.

Коллектор (длинный)

Эмиттер (короткий)

Вставьте ИК-светодиод.
Вставьте ИК-светодиод в соответствии с таблицей.

Катод (длинный)

Анод (короткий)

E20

F20

Вставьте резисторы.
Вставьте резисторы в соответствии с таблицей.
Транзистор

От

R1 (330 Ом)

A20

Шина заземления

R2 (22 КОм)

Шина заземления

R3 (330 Ом)

ГЛАВА 4.Использование инфракрасного излучения

515

Вставьте провода-перемычки.
Вставьте провода-перемычки в соответствии с таблицей.

От

Положительная шина

J20

Положительная шина

Подключите батарейку.
Подключите красный провод к положительной шине, а черный — к отрицательной.

Используйте лист бумаги или другой плоский предмет, чтобы закрыть свету путь между ИК-светодиодом
и фототранзистором.
Красный светодиод загорится, когда поставите препятствие
между ИК-светодиодом и фототранзистором. Когда уберете
препятствие, красный светодиод погаснет.

516

ЧАСТЬ 4. Не только постоянный ток

ОСВАИВАЕМ
ЦИФРОВУЮ
ЭЛЕКТРОНИКУ

Краткое оглавление

518

ГЛАВА 1

Основные сведения о цифровой электронике . . .

ГЛАВА 2

Будем рассуждать логически . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516

ГЛАВА 3

Работа с логическими схемами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ГЛАВА 4

Работа с триггерами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571

ГЛАВА 5

Знакомство с микроконтроллерами . . . . . . . . . . . . . . . . . .601

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

499

536

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Разница между аналоговыми и цифровыми схемами

» Двоичные коды
» Логические операторы
» Построение простых логических схем

Гл а в а 1

с помощью переключателей и ламп

Основные сведения
о цифровой электронике
обро пожаловать в мир цифровой электроники! Начиная с этой
главы вы познакомитесь с фундаментальными схемами, которые используются для создания компьютеров и других современных электронных устройств.

Цифровая электроника — сложная, практически неисчерпаемая тема,
но на самом деле строительные блоки довольно просты. В этой главе
вы узнаете основные принципы, например, как отличить аналоговые
схемы от цифровых, как работает двоичная система и как выполняются основные логические операции. Далее будем развивать полученные
знания, исследуя удивительный мир цифровой электроники.
Итак, поехали!

Отличие цифровой электроники
от аналоговой
Всю электронику можно разделить на две большие категории: аналоговую и цифровую.
Аналоговая относится к схемам, в которых напряжение или ток изменяются с постоянной скоростью. Например, поворачивая диск потенциометра, вы изменяете его сопротивление с непрерывно меняющейся скоростью. Сопротивление потенциометра может быть любым

ГЛАВА 1.Основные сведения о цифровой электронике

519

между минимальным и максимальным значениями, допустимыми для
потенциометра.
Если создать делитель напряжения, поместив фиксированный резистор последовательно с потенциометром, напряжение в точке между
ними будет плавно увеличиваться или уменьшаться по мере того, как
поворачивать ручку потенциометра.
В цифровой электронике величины считаются, а не измеряются. Существует важное различие между подсчетом и измерением. Когда вы
что-то считаете, получаете точный результат. Когда что-то измеряете, получаете приблизительный результат.
Рассмотрим рецепт торта, для которого требуется 2 чашки муки, 1 чашка молока и 2 яйца. Чтобы получить 2 чашки муки, вы зачерпнете муки
на 1 чашку, потом повторите эту операцию еще раз. Чтобы получить
чашку молока, нальете молоко в мерный стакан, пока верхняя часть
молока не совпадет с линией 1 чашки, нанесенной на мерный стакан,
а затем перельете молоко в миску для смешивания. Затем 2 яйца нужно разбить и добавить в миску для смешивания.
Количество муки и молока в этом рецепте указано приблизительно.
Слишком много или слишком мало в чайной ложке — это не повлияет
на результат. А вот яйца точно подсчитаны: ровно 2. Не 3, не 1, не полтора, а именно 2. Будет ровно 2 яйца, потому что вы их считаете.
Один из самых наглядных примеров разницы между аналоговыми
и цифровыми устройствами — это часы. На рис. 1.1 показаны аналоговые и цифровые часы. На аналоговых часах время представлено стрелками, которые вращаются вокруг циферблата и указывают на место
на циферблате, обозначающее приблизительное время. На цифровых
часах точное время отображается на цифровом дисплее.

Рис. 1.1.
Аналоговые и
цифровые
часы

Другой пример — термометр. Традиционный стеклянный ртутный термометр содержит небольшое количество жидкой ртути внутри стеклянного столбика. Ртуть расширяется при нагревании, поэтому чем теплее
ртуть, тем выше она поднимается в стеклянном столбике. На столбике

520

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

нанесены маленькие отметки, которые помогают определить температуру. На цифровом термометре точная температура отображается
на цифровом дисплее.
Так что же точнее — аналоговый или цифровой? С одной стороны,
цифровые схемы точнее, потому что они прецизионные. Например,
вы можете точно подсчитать количество мармеладок в банке. Но если
взвесить банку на аналоговых весах, показания могут быть неточными,
потому что вы не всегда можете точно определить положение стрелки.
Скажем, стрелка находится примерно посередине между 4 и 5 фунтами. Весит банка 4,5 фунта или 4,6 фунта? Вы не можете сказать наверняка, поэтому остановитесь на цифре примерно 4,5 фунта.
С другой стороны, точность цифровых схем изначально ограничена,
поскольку счет идет в определенных единицах. Например, у большинства цифровых термометров только одна цифра после десятичной точки: они могут показывать температуру 98,6 или 98,7, но не могут показывать 98,65.
Вот еще несколько важных моментов, касающихся различий между
цифровыми и аналоговыми системами.

» Термин N

на самом деле относится к вашим цифрам,
то есть пальцам. Самый естественный для нас способ счета —
это считать на пальцах.

» Термин

" 3<1<$9~4 — это вариация слова /

3<1~$#'4 — отсылка к древней практике оценки размера рыбы
путем разведения рук в стороны со словами: рыба была
вот такая большая! Это и есть первоначальное аналоговое
измерение.

Сказать, что система цифровая, — не то же самое, что сказать, что она двоичная. — это особый тип
цифровой системы, в которой все подсчеты производятся
в двоичной системе счисления. Почти все цифровые системы
двоичные, но эти два слова не взаимозаменяемы. (Подробнее
о двоичной системе счисления читайте в разделе F
)
Многие системы — комбинация двоичной и аналоговой систем. Там требуется специальная схема для преобразования
аналоговых данных в цифровые, или наоборот. Входное напряжение (аналоговое) может быть преобразовано в последовательность импульсов, по одному на каждый вольт; затем
импульсы можно подсчитать для определения напряжения.
Разумеется, история про рыбака — это шутка. Но вы все же
сначала приняли ее всерьез?

ГЛАВА 1.Основные сведения о цифровой электронике

521

Основные сведения о двоичной системе
Большинство цифровых электронных схем работают с двоичной системой счисления. Таким образом, прежде чем разбираться в деталях
работы цифровых схем, необходимо понять, как работает двоичная
система счисления.

О системах счисления
Система счисления — это способ представления числовых значений.
В системах счисления используются символы, называемые цифрами,
для представления числовых величин. Цифры 1, 2 и 3 обозначают числовые величины, известные как один, два и три.
В большинстве систем счисления числа можно объединять в строки,
чтобы получить большие числовые значения, и положение каждого
числительного в строке определяет его относительное значение. В числе 12 цифра 1 обозначает количество десять, а цифра 2 — количество
два. В числе 238 цифра 2 обозначает количество двести, цифра 3 — количество тридцать, а цифра 8 — количество восемь.
Вы узнали все это еще в начальной школе, потому такая система счисления интуитивно понятна. К сожалению, она настолько интуитивна,
что легко не заметить ее гениальности — и упустить факт, что она совершенно произвольна.
В нашей повседневной системе счисления (называется десятичной, или
с основанием 10) есть десять цифр, что соответствует десяти пальцам
на руке человека. Если бы у человека было 12 пальцев, мы бы научились считать по основанию 12 и придумали бы еще две цифры.
Разные основания чисел могут показаться странными, но на самом деле
мы сталкиваемся с ними каждый день, не задумываясь об этом. Один
из распространенных примеров — система, которую мы используем для
измерения времени. Наша система измерения времени на самом деле
работает с несколькими основаниями чисел. Например, в часе содержится 60 минут. Мы понимаем, что 1:30 — это половина пути между
1:00 и 2:00, даже не задумываясь об этом. Возможно, вы не осознаете
этого, но, когда определяете время, мыслите по основанию 60.

Когда счет идет на единицы
Двоичная система счисления — одна из самых простых, потому что
в ней всего две цифры: 0 и 1. В десятичной системе (к которой привыкло

522

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

большинство людей) используется 10 цифр, от 0 до 9. В обычном десятичном числе, например 3482, крайняя правая цифра обозначает
единицы, следующая слева — десятки, следующая — сотни, следующая — тысячи и т. д. Эти цифры обозначают степени десяти: сначала 100 (это 1); затем 101 (10); затем 102 (100); затем 103 (1000) и т. д.
В двоичной системе счисления есть только две цифры, а не десять, поэтому двоичные числа очень похожи между собой, например, 110011,
101111 и 100001.
Позиции в двоичном числе (называемые битами, а не цифрами) представляют собой не десятки, а степени двойки: 1, 2, 4, 8, 16, 32 и т. д.
Чтобы вычислить десятичное значение двоичного числа, нужно умножить каждый бит на соответствующую ему степень двойки, а затем
сложить полученные результаты. Десятичное значение двоичного числа 10111, например, вычисляется следующим образом:
1×20 =1×1=1
+1×21 =1×2=2
+1×22 =1×4=4
+0×23 =0×8=0
+1×24 =1×16=16
23
К счастью, преобразование числа из двоичной в десятичную систему
хорошо умеет делать компьютер — настолько хорошо, что вам вряд ли
когда-нибудь придется выполнять такие преобразования самостоятельно. Смысл изучения двоичной системы не в том, чтобы, взглянув на такое число, как 1110110110110, сразу же сказать: А! Десятичное 7606!
(Если бы вы могли это сделать, Барбара Уолтерс наверняка взяла бы
у вас интервью, а Голливуд даже снял бы о вас фильм. Возможно, вас
сыграл бы Дастин Хоффман.)
Вместо этого нужно иметь базовое представление о том, как компьютеры хранят информацию и — что самое важное — как работает двоичная система счисления, о которой я рассказываю в следующем разделе.
Если вам нужно перевести двоичные числа в десятичные или наоборот,
это можно сделать на компьютере с помощью калькулятора Windows.
Более подробную информацию вы найдете в разделе

(1=98* / 1.
1

Да, такой режим есть в калькуляторах под Windows 7 и 8. Сейчас в Windows 10 и 11 этот режим
называется «Программист».

ГЛАВА 1.Основные сведения о цифровой электронике

523

Вот несколько наиболее интересных характеристик двоичной системы,
которые объясняют, чем она похожа на десятичную и чем отличается.

В десятичной системе счисления количество десятичных
знаков, выделенных для числа, определяет, насколько
большим оно может быть. Например, если число состоит
не более, чем из шести цифр, самое большое число будет
999 999. Однако поскольку 0 сам по себе является числом,
6-значное число может иметь любое из 1 миллиона различных значений.
Аналогично количество битов, выделенных для двоичного
числа, определяет, насколько большим может быть это число.
Если выделить 8 бит, наибольшее значение, которое может
хранить число, будет 11111111, что в десятичном исчислении
равно 255. Таким образом, двоичное число длиной 8 бит может иметь любое из 256 различных значений (включая 0).

» Чтобы быстро определить, сколько разных значений можно

хранить в двоичном числе заданной длины, используйте количество битов как экспоненту от двух. Например, 8-битное
двоичное число может содержать 28 значений. Поскольку
28 равно 256, 8-битное число может иметь любое из 256 различных значений. Вот почему байт — 8 бит — может иметь
256 разных значений.

Именно из-за этой степени двойки цифровые системы
не используют красивые с нулями на конце числа для измерения таких величин, как объем памяти. Например, значение
1 Кбайт — это не 1000 байт: на самом деле это 1 024 байта, потому что 1024 — это 210. Аналогично 1 Мбайт — это
не 1 000 000 байт, а 1 048 576 байт, что равно 220.
Один из основных тестов на знание цифровых технологий —
знание степени двойки, потому что она играет такую важную
роль в двоичных числах. Просто ради интереса, но не потому,
что вам действительно нужно это знать, в табл. 1.1 перечислены степени двойки до 32.
В табл. 1.1 также приведены общепринятые сокращенные
обозначения для различных степеней 2. Аббревиатура k
обозначает 210 (1024). M в MB означает 220, или 1024k,
а G в GB — 230, что составляет 1024 MB.

524

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

ТАБЛ. 1.1.

Степени двойки
Степень

Байтов

Кило- Стебайтов пень

Байтов

Кбайтов,
Мбайтов
или Гбайтов

217

131 072

128k

218

262 144

256k

219

524 288

512k

220

1 048 576

1MB

221

2 097 152

2MB

222

4 194 304

4MB

128

223

8 388 608

8MB

256

224

16 777 216

16MB

512

225

33 554 432

32MB

210

1 024

226

67 108 864

64MB

211

2 048

227

134 217 728

128MB

212

4 096

228

268 435 456

256MB

213

8 192

229

536 870 912

512MB

214

16 384

16k

230

1 073 741 824

1GB

215

32 768

32k

231

2 147 483 648

2GB

216

65 536

64k

232

4 294 967 296

4GB

Займемся логикой
Одна из замечательных особенностей двоичного счисления заключается в том, что она очень эффективно справляется с логическими операциями. Логические операции сравнивают два двоичных бита и выдают
в качестве результата третий двоичный бит. Существуют 16 возможных
логических операций. Сейчас я хочу познакомить вас с тремя из них:
AND, OR и XOR.

ГЛАВА 1.Основные сведения о цифровой электронике

525

В следующем списке представлены три основные логические операции.

»
»
»

AND. Операция AND (И) сравнивает два двоичных значения.
Если оба значения равны 1, результат операции AND равен 1.
Если одно из значений равно 0 или оба значения равны 0,
результат равен 0.
OR. Операция OR (ИЛИ) сравнивает два двоичных значения.
Если хотя бы одно из значений равно 1, результат операции
OR равен 1. Если оба значения равны 0, результат равен 0.
XOR. Операция XOR сравнивает два двоичных значения. Если
хотя бы одно из них равно 1, результат равен 1. Если оба значения равны 0 или оба значения равны 1, результат равен 0.

В табл. 1.2 кратко описано, как работают операции AND, OR и XOR.
ТАБЛ. 1.2.

Логические операции с двоичными значениями
Первое
значение

Второе
значение

AND

XOR

Вы можете применять логические операции к двоичным числам, состоящим из нескольких цифр, применяя операцию по одному биту за раз.
Самый простой способ сделать это вручную — выписать два двоичных
числа друг над другом, а затем записать результат операции под каждой двоичной цифрой. В следующем примере показано, как вычислить 10010100 AND 11011101:
10010100
AND 11011101
10010100
Как видите, в результате получается 10010100.

526

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАЛЬКУЛЯТОРА
WINDOWS ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
В ДВОИЧНОЕ ЧИСЛО
Если у вас есть компьютер, вы можете использовать для работы
с двоичными числами бесплатную программу H , которая
поставляется со всеми версиями Windows. В программе H
есть специальный режим " , о котором многие пользователи не знают. Переключив H в этот режим, вы сможете
мгновенно переводить двоичные и десятичные числа, что иногда
бывает полезно при работе с IP-адресами.
Чтобы использовать H Windows в режиме " ,
запустите H (нажмите кнопку и введите H ,
чтобы найти его). Затем щелкните на значке меню в левой верхней
части H и выберите > > " . Калькулятор
Windows становится программируемым калькулятором с кнопками
для сложных расчетов.

Вы можете щелкнуть кнопки #_.#%.J%& и (1, чтобы переключиться с десятичной на различные системы счисления, обычно используемые в цифровой электронике: шестнадцатеричную, восьмеричную
и двоичную. Например, чтобы найти двоичный эквивалент десятичного числа 155, введите . а затем нажмите кнопку (1 Значение
на дисплее изменится на 10011011.

ГЛАВА 1.Основные сведения о цифровой электронике

527

Вот еще несколько моментов, которые следует учитывать при использовании H в режиме " .

•
•
•

У H " есть несколько специальных
функций для двоичных вычислений, таких как AND, XOR, NOT
и NOR.
H " также может преобразовывать числа в шестнадцатеричную систему счисления.
Шестнадцатеричная система не используется при работе с IPадресами, но она применяется для других типов двоичных чисел,
поэтому эта функция иногда оказывается полезной.
В H старых версий Windows (до Windows 7) нет
режима " , однако есть режим ?. который
включает в себя функции для работы с двоичными числами.

Использование переключателей
для создания вентилей
Чтобы дать вам представление о том, как работают основные вентили,
в Проектах 28, 29 и 30 показано, как собрать вентиль AND, вентиль
OR и вентиль XOR с помощью простых рубильников DPDT. В реальной практике схемы вентилей строятся на транзисторах или интегральных схемах. Но эти три проекта дадут вам хорошее представление о том,
как работают затворы.
На рис. 1.2 показаны эти три проекта в собранном виде. На верхней
фотографии показан вентиль AND (Проект 28). Как видите, вентиль
AND состоит из двух последовательно соединенных переключателей.
Чтобы лампа светила, оба переключателя должны быть замкнуты.
Схема вентиля OR (Проект 29 ) показана на средней фотографии
рис. 1.2. Чтобы построить вентиль OR из двух переключателей, нужно
соединить их параллельно, и тогда лампа будет светить, если замкнут
хотя бы один переключатель.
Схема вентиля XOR (Проект 30) показана на нижней фотографии
рис. 1.2. Эта схема немного сложнее. Переключатели DPDT соединены так, что цепь к лампе будет замкнута, если один из переключателей
находится в положении A, а другой — в положении B, или наоборот.
Если оба переключателя находятся в одинаковом положении, цепь будет разомкнута, и лампа не будет светить.

528

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Рис. 1.2.
Вентили AND
(вверху),
OR (в середине)
и XOR (внизу),
собранные
из рубильников

ГЛАВА 1.Основные сведения о цифровой электронике

529

Проект 28. Простая схема AND
В этом проекте из двух переключателей и лампы вы соберете простую
схему, выполняющую логическую операцию AND.
Два переключателя представляют собой два двоичных значения, которые вводятся в операцию AND. Замкнутый переключатель — это двоичная единица, а разомкнутый — двоичный нуль.
Лампа представляет собой двоичный выход операции AND. Когда лампа горит, она отображает двоичное значение 1, а когда не горит — двоичное значение 0.

Детали
»
»
»
»

Две батарейки AA.
Один держатель для батареек.
Один держатель лампы.
Одна лампа для фонарика 2,33 В.

530 ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

»
»

Два рубильника DPDT.
Два 5-дюймовых отрезка многожильного провода 22-го калибра (0,6 мм), зачищенные на ½ дюйма с каждого конца.

Порядок действий
1.

Откройте оба переключателя.
Переведите ручки в вертикальное положение так, чтобы
ни один из контактов не был подключен.

Подсоедините красный провод от держателя батареи
к клемме 1X одного из переключателей.

Подсоедините черный провод к одной из клемм на держателе лампы.

Подключите два 5-дюймовых провода в соответствии
со следующей таблицей.

5.
6.

Подключение от

Подключение к

Клемма 1A первого переключателя

Клемма 1X второго переключателя

Клемма 1A второго переключателя

Свободная клемма держателя лампы

Вставьте батарейки в держатель.
Поверните переключатели, чтобы проверить правильность
работы схемы AND.
Переключатели должны работать так:
Переключатель 1

Переключатель 2

Лампа

Открыт

Не горит

Открыт

Закрыт

Не горит

Закрыт

Открыт

Не горит

Закрыт

Горит

Обратите внимание: лампа загорается только тогда, когда
оба выключателя замкнуты. Именно так и должна работать
схема AND.
Сделано! Поздравляю, вы построили свою первую логическую схему!

ГЛАВА 1.Основные сведения о цифровой электронике

531

Проект 29. Простая схема OR
В этом проекте вы построите простую схему OR, подключив параллельно два переключателя для управления лампой. Лампа будет гореть, если
один из двух переключателей замкнуть. Переключатели представляют
собой два двоичных входа в операцию OR, а лампа — двоичный выход.

Детали
» Две батарейки AA.
» Один держатель для батареек.
» Один держатель лампы.
» Одна лампочка для фонарика 2,33 В.
» Два рубильника DPDT.
» Три 5-дюймовых отрезка многожильного провода
22 калибра (0,6 мм).

532

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Порядок действий
1.

Откройте оба рубильника.
Поднимите рукоятки рубильников, чтобы ни один из контактов не был подключен.

Подсоедините красный провод от держателя батареи
к клемме 1X первого переключателя.

Подсоедините черный провод от держателя батареи к первой клемме на патроне лампы.

Подключите первый 5-дюймовый провод от клеммы 1X первого переключателя к клемме 1X второго
переключателя.

Подключите второй 5-дюймовый провод от клеммы 1A первого переключателя ко второй клемме на патроне лампы.

Подключите третий 5-дюймовый провод от клеммы 1A второго переключателя ко второй клемме на патроне лампы.

7.
8.

Вставьте батарейки в держатель.
Переключайте рубильники, чтобы проверить правильность
работы схемы OR.
Переключатели должны работать так:
Переключатель 1

Переключатель 2

Лампа

Открыт

Не горит

Открыт

Закрыт

Горит

Закрыт

Открыт

Горит

Закрыт

Горит

Обратите внимание, что лампа горит всегда, когда хотя бы
один из двух выключателей замкнут. Лампа выключена только тогда, когда оба выключателя разомкнуты. Именно так
и должна работать схема OR.
Сделано! Поздравляю вас с хорошо выполненной работой!
Вы завершили работу над второй логической схемой.

ГЛАВА 1.Основные сведения о цифровой электронике

533

Проект 30. Простая схема XOR
В этом проекте вы построите простую схему XOR, подключив два переключателя для управления лампой. В этой схеме лампа будет гореть,
когда один или другой переключатель замкнут. Если оба переключателя
разомкнуты или оба замкнуты, лампа не будет гореть. Переключатели
представляют собой два двоичных входа для операции XOR, а лампа —
двоичный выход.
В отличие от двух других проектов в этой главе, переключатели в этом
проекте используют позиции A и B. Таким образом, в положении A переключатель представляет двоичную 1. В положении B переключатель
представляет двоичный 0.

Лампа

Детали
»
»
534

Две батарейки AA.
Один держатель для батареек.

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

» Один держатель лампы.
» Одна лампочку для фонарика 2,33 В.
» Два рубильника DPDT.
» Три 5-дюймовых отрезка многожильного провода 22 калибра
(0,6 мм).

Порядок действий
1.

Откройте оба переключателя.
Переведите рукоятки в вертикальное положение так, чтобы
ни один из контактов не был подключен.

Подсоедините черный провод от держателя батареи
к клемме 2X первого переключателя.

Подсоедините красный провод к первой клемме на держателе лампы.

Подключите первый 5-дюймовый провод от второй клеммы
на патроне лампы к клемме 1X второго переключателя.

Подключите второй 5-дюймовый провод от клеммы 2A первого выключателя к клемме 1B второго переключателя.

Подключите третий 5-дюймовый провод от клеммы 2B на первом выключателе к клемме 1A на втором
переключателе.

7.
8.

Вставьте батарейки в держатель.
Переключайте рубильники, чтобы проверить правильность
работы схемы XOR.
Переключатели должны работать так:
Переключатель 1

Переключатель 2

Лампа

Открыт

Не горит

Открыт

Закрыт

Горит

Закрыт

Открыт

Горит

Закрыт

Не горит

Сделано! Поздравляю вас с хорошо выполненной работой!
Вы завершили создание третьей логической схемы.

ГЛАВА 1.Основные сведения о цифровой электронике

535

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Знакомство с булевой логикой
» Изучение различных типов логических вентилей

» Узнайте, как можно использовать
комбинации вентилей

» Построение логических схем с использованием только вентилей NAND
или NOR

» Использование программного обеспечения для моделирования схем
с логическими затворами

Гл а в а 2

Будем рассуждать
логически
вырос на сериале «Стартрек». Мое воображение захватывали
удивительные приключения в галактике капитана Кирка и его
доблестной команды, поэтому вполне логично, что я склонен
начать главу о логике с упоминания мистера Спока. Было бы нелогично начинать эту главу как-то иначе.

В этой главе я рассматриваю основные принципы логики, на которых
построена цифровая электроника. В частности, рассмотрим логические вентили — удобные устройства, которые выполняют логическую
операцию над двумя двоичными входами и выдают один двоичный результат на выходе.
Невероятно осознавать, что такие невероятно сложные современные
компьютеры построены на базе простой концепции логических вентилей. Современный компьютерный процессор состоит из миллиардов
отдельных логических вентилей, соединенных так, что процессор может выполнять сложные операции с потрясающей скоростью.

536

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Но вернемся к мистеру Споку. Моя любимая цитата Спока о логике
содержится в эпизоде под названием The Changeling. В самом конце
эпизода Спок поздравляет капитана Кирка с тем, что тот вытащил команду «Энтерпрайза» из настоящей передряги, применив сложную логику к роботу, склонному к разрушению.
Спок: B

Кирк: > .

".@

Спок: ?
Кирк мог мыслить логически, и я думаю, вы тоже можете. Так что давайте начнем.

Знакомство с булевой логикой
и логическими вентилями
В цифровой электронике под булевой логикой понимается манипулирование двоичными значениями, в которых 1 обозначает понятие истина,
а 0 — ложь. В электронных схемах, реализующих логику, двоичные значения представлены уровнями напряжения. В наиболее распространенном варианте двоичное значение единицы представлено напряжением +5 В (также называемым HIGH – ВЫСОКИМ), а двоичный нуль
представлен напряжением 0 В (также называемым LOW – НИЗКИМ).
Этот тип логики называется булевым, поскольку он был изобретен
в XIX веке английским математиком и философом Джорджем Булем.
В 1854 году он опубликовал книгу «Исследование законов мышления»,
в которой изложил основные принципы мышления. Они в итоге стали
известны как булева алгебра, или булева логика. Булева логика — один
из важнейших принципов работы современных компьютеров, поэтому
Буля часто называют отцом компьютерных технологий.
Как я уже упоминал в начале этого раздела, в булевой логике истина
обозначается двоичной цифрой 1, а ложь — двоичной цифрой 0.
Логические операции (также называемые логическими функциями ) —
это функции, которые можно применить к одному или нескольким логическим входам и получить один логический выход. Один из наиболее
распространенных типов логических операций — NOT, которая просто
инвертирует состояние своего входа. Другими словами, если на входе
истина — на выходе ложь, а если на входе ложь — на выходе истина.

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

537

Вентиль — это схема или устройство, реализующее логическую функцию. Например, вентиль NOT — это схема или устройство, реализующее логическую операцию NOT. Вентили NOT очень часто используются в цифровых схемах.
Вентили можно создавать различными способами. Чаще всего используют транзисторы в качестве переключателей, расположенных так, что
правильный выход генерируется в зависимости от логических входов
и типа реализуемого вентиля. В главе 3 этой части вы узнаете, как реализуются вентили, а далее я объясню, что делают различные типы вентилей и как их можно сочетать в реальных схемах.
Независимо от метода, используемого для создания схем вентилей, все
логические схемы используют разные диапазоны напряжения для представления 1 и 0. Наиболее распространенное соглашение о напряжении — представлять 1 приблизительно +5 В, а 0 — приблизительно 0 В.
Сигнал +5 В обычно обозначается как HIGH, а сигнал 0 В — просто LOW.
Рассмотрим семь наиболее распространенных типов логических вентилей: NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR и NXOR. Все эти вентили,
кроме NOT, используют как минимум два входа; у вентиля NOT только один вход. Чтобы помочь вам сориентироваться, в табл. 2.1 приведен краткий обзор различий между типами вентилей.

ТАБЛ. 2.1.

Наиболее распространенные типы логических вентилей
Вентиль Описание

538

NOT

Инвертирует вход (HIGH становится LOW, LOW становится HIGH)

AND

Выдает HIGH, если все входы имеют значение HIGH;
в противном случае выдает LOW

Выдает HIGH, если хотя бы один из входов имеет
значение HIGH; в противном случае выдает LOW

NAND

Выдает HIGH, если все входы LOW; в противном случае выдает LOW

NOR

Выход HIGH, если хотя бы один из входов LOW;
в противном случае выход LOW

XOR

Выход HIGH, если один и только один из входов имеет значение HIGH; в противном случае выход LOW

NXOR

Выход HIGH, если один и только один из входов имеет значение LOW; в противном случае выход LOW

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Вентили NOT
Самый простой из всех вентилей — это вентиль NOT, который также называют инвертором. Вентиль NOT имеет только один вход, а его
выход противоположен входу. Если на входе уровень LOW — на выходе HIGH. Если на входе уровень HIGH — на выходе LOW.
В табл. 2.2 показана таблица истинности инвертора. Таблица истинности — это просто таблица, в которой перечислены все возможные
комбинации входных значений и показан результирующий выход для
каждой комбинации. Для инвертора таблица истинности очень проста. Поскольку существует только один вход, есть только две возможности: LOW вход или HIGH. Как видно из таблицы, выход просто противоположен входу.
Обратите внимание, что в таблицах истинности для обозначения логических значений принято использовать 0 и 1, а не HIGH и LOW.
СОВЕТ

ТАБЛ. 2.2.

Таблица истинности инвертора
Вход

Выход

На рис. 2.1 показан стандартный логический символ для вентилей NOT.
Подобные символы часто используются в схемах с вентилями. Символ
NOT — это просто треугольник с входом на одном конце и выходом
на другом. Маленький кружок на выходе называется пузырьком отрицания, указывающим, что выход инвертирован.
Рис. 2.1.
Символ
вентиля NOT

Вентили AND
Вентиль AND с двумя входами — это вентиль с двумя входами и одним
выходом. Выход будет HIGH только в том случае, если оба входа HIGH.
При любой другой комбинации входов выход будет LOW. В табл. 2.3
приведена таблица истинности для вентиля AND с двумя входами.

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

539

ТАБЛ. 2.3.

Таблица истинности вентиля AND с двумя входами
Вход A

Вход B

Выход

Стандартный символ вентиля AND показан на рис. 2.2. Входы расположены слева, а выход — справа.
Рис. 2.2.
Символ вентиля AND
с двумя входами

Обратите внимание, что можно создавать вентили более чем с двумя
входами. Для каждого дополнительного входа, который вы добавляете в вентиль, количество возможных комбинаций входов удваивается.
Вентиль с двумя входами имеет четыре возможных комбинации входов;
вентиль с тремя входами имеет восемь возможных комбинаций; вентиль с четырьмя входами имеет 16 возможных комбинаций входов и т. д.
В табл. 2.4 приведена таблица истинности для вентиля AND с тремя
входами. Как видите, HIGH на выходе только в том случае, если все
входы HIGH, а любая другая комбинация входов дает LOW.
ТАБЛ. 2.4.

Таблица истинности для вентиля AND с тремя входами
Вход A

Вход B

Вход C

Выход

Вы можете комбинировать вентили в схеме, чтобы создавать логические сети, более сложные, чем те, которые может создать один вентиль.
Например, можете создать вентиль AND с тремя входами, используя

540 ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

два вентиля AND с двумя входами (рис. 2.3). На этом рисунке первый
вентиль AND выдает HIGH на выходе только в том случае, если входы
A и B истинны. Затем выход первого вентиля AND используется как
один из входов второго вентиля AND; другим входом является вход C.
Рис. 2.3.
Пара вентилей AND с двумя
входами может быть использована
для создания логической сети,
которая работает как вентиль AND
с тремя входами, поскольку выход
второго вентиля будет истинным

Поскольку выход второго вентиля будет HIGH, только если оба его
входа HIGH, и поскольку первый вход второго вентиля — это выход
первого вентиля, который HIGH, только если оба его входа HIGH, выход всей схемы (обозначенный как X) будет HIGH, только если все три
входа (A, B и C) HIGH.

ПРИМЕЧАНИЯ

Можно считать, что вентиль AND выполняет умножение. Чтобы понять, почему, сначала подумайте: при умножении любого количества
однобитных двоичных чисел возможны только два результата — нуль
или единица. Затем учтите, что любое значение, кратное нулю, равно
нулю. Поэтому сколько бы ни было входов, если хоть один равен нулю
(LOW), результат умножения будет равен нулю.
Посмотрите на таблицы истинности в табл. 2.3 и 2.4 и попробуйте перемножить двоичные входы в каждой строке. В каждом случае ответ будет
равен нулю для любой комбинации, содержащей нуль в любом из входов. Ответ будет равен 1, только если все входы равны 1.
В следующих параграфах описаны только две из множества ситуаций,
в которых вы можете использовать вентиль AND в реальной электронной схеме.
Схема
датчика

Рис. 2.4.
Вентиль AND
используется в системе сигнализации
жилого дома

Схема
постановки
на охрану

High при обнаружении
проникновения
Схема
сигнала
тревоги
High если дом
поставлен на охрану

На рис. 2.4 показано, как вентили AND могут использоваться
в системе сигнализации жилого дома. Здесь входы различных датчиков, установленных на дверях и окнах дома, обрабатываются схемой датчиков, которая посылает сигнал HIGH
на один из входов вентиля AND, если любой из датчиков

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

541

выдает сигнал о проникновении в дом. Затем схема постановки на охрану посылает 1 на другой вход вентиля AND,
если система поставлена на охрану. И наконец, схема сигнализации подает звуковой сигнал, если на выходе вентиля
AND 1. В результате при обнаружении вторжения на посту охраны раздается сигнал тревоги (если дом поставлен
на охрану).
При таком использовании вентиль AND часто называют
A6 . поскольку один из входов в вентиль
AND позволяет обрабатывать другой вход. Когда вход разрешения HIGH, управляемому входу разрешается проходить
через вентиль AND. Когда разрешающий сигнал LOW, управляемый вход блокируется.
30-секундный импульс
при срабатывании

Триггер Таймер
555
Схема
датчика

Схема
постановки
на охрану

High при
обнаружении
проникновения

High если дом
поставлен на охрану

Схема
сигнала
тревоги

Рис. 2.5.
Вентиль AND,
используемый
в качестве разрешающего входа

На рис. 2.5 показана более развитая версия системы домашней сигнализации, в которой используется вход разрешения. В этой версии сигнал тревоги подается не сразу после
обнаружения проникновения. Вместо этого сигнал подается
через 30 секунд после срабатывания. Это дает время отключить сигнализацию, прежде чем она разбудит соседей. Когда
схема датчика обнаруживает проникновение, она посылает
триггерный импульс на схему таймера 555, который затем
генерирует 30-секундный импульс HIGH. Сигнал HIGH
с выхода таймера 555 проходит через вентиль NOT, который
инвертирует сигнал в LOW. Сигнал LOW подается на один
из входов второго вентиля AND. Другим входом второго вентиля AND является выход первого вентиля AND, который указывает на то, что было обнаружено проникновение и система
поставлена на охрану.
В течение первых 30 секунд после обнаружения проникновения на первом входе второго вентиля AND будет LOW,
а на втором HIGH, поэтому на выходе второго вентиля AND
будет LOW. Таким образом, сигнал тревоги не подается.

542

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

По сути, выход таймера блокирует подачу сигнала тревоги.
Но когда выход таймера 555 становится LOW после окончания 30-секундного импульса, вентиль NOT инвертирует
сигнал, посылая выход HIGH на второй вентиль AND. Это
приводит к тому, что на выходе второго вентиля AND будет
HIGH, и сигнал тревоги срабатывает. Таким образом, инвертированный импульс от схемы таймера включает схему
сигнала тревоги.

Вентили OR
Вентиль OR выдает на выходе HIGH, если на любом из входов значение HIGH. Выход вентиля OR имеет значение LOW, только если
на всех входах LOW. В табл. 2.5 приведена таблица истинности для
вентиля OR с двумя входами.
ТАБЛ. 2.5.

Таблица истинности для вентиля OR с двумя входами
Вход A

Вход B

Выход

Важно отметить, что в вентиле OR не имеет значения, сколько входов
имеют значение HIGH. Если хотя бы один вход HIGH, выход будет
HIGH. Таким образом, в двухвходовом вентиле OR выход будет HIGH,
если один из входов HIGH или оба входа HIGH. В вентиле OR с тремя
входами на выходе будет HIGH, если любой один, любые два или все
три входа будут в HIGH.
Стандартный символ вентиля OR показан на рис. 2.6. Входы расположены слева, а выход — справа.
Рис. 2.6.
Символ вентиля OR
c двумя входами

Как и вентили AND, вентили OR с более чем двумя входами можно
очень просто построить. Независимо от того, сколько входов у вентиля OR, на выходе будет HIGH, если любой из входов HIGH.

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

543

Вентили OR с несколькими входами легко собрать, объединяя вентили OR с двумя входами. На рис. 2.7 показана логическая сеть с тремя вентилями OR, которые фактически работают как вентиль OR с четырьмя
входами: если любой из четырех входов HIGH, то выход будет HIGH.
Рис. 2.7.
Три вентиля OR используются для создания вентиля
OR с четырьмя входами

Вентили OR с двумя входами можно комбинировать в схеме для создания сетей OR с более чем двумя входами. Например, на рис. 2.8 показано, как можно использовать вентили OR в цепи датчиков домашней системы сигнализации, имеющей более двух входов. В этой схеме
восемь отдельных датчиков сигнализации подаются на сеть вентилей OR. Если любой из входов имеет значение HIGH, на выходе схемы датчика будет HIGH.
Цепь датчика
Передняя дверь
Задняя дверь
Окно #1
Окно #2
Окно #3
Окно #4
Рис. 2.8.
Вентили OR,
используемые в схеме
датчика

Движение #1
Движение #2

В схеме датчика используются семь вентилей OR для создания вентиля OR с восемью входами. Посмотрите расположение вентилей OR в этой
сети, чтобы убедиться, что вы понимаете, как она работает. Каждый
из восьми входов направляется на один из четырех вентилей OR в первом уровне вентилей. Эти четыре вентиля OR уменьшают восемь входов
до четырех выходов, которые затем направляются на два вентиля OR
второго уровня. Эти два вентиля OR уменьшают четыре входа до двух
выходов, которые отправляются в последний вентиль OR. Затем выход последнего вентиля OR становится выходом всей схемы датчика.

544

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Рассматриваем вентили NAND
Вентиль NAND — это комбинация вентиля AND и вентиля NOT. На самом деле, название NAND — это сокращение NOT и AND. Как показано в табл. 2.6, у выхода NAND-шлюза значение LOW, когда оба
входа имеют значение HIGH. В противном случае на выходе вентиля
NAND будет HIGH.
ТАБЛ. 2.6.

Таблица истинности для вентиля NAND с двумя входами
Вход A

Вход B

Выход

Стандартный символ для вентиля NAND показан на рис. 2.9. Этот символ аналогичен символу вентиля AND с добавлением круга на выходе.
Как и в символе вентиля NOT, круг указывает, что выход инвертирован. Другими словами, вентиль NAND — это вентиль AND, выход которого инвертирован.
Рис. 2.9.
Символ вентиля NAND
с двумя входами

ПРИМЕЧАНИЯ

Особенность вентилей NAND в том, что их можно использовать в различных комбинациях для создания вентилей AND, OR или NOT. Таким
образом, логическая сеть, состоящая из комбинации вентилей NOT,
AND и OR, может быть создана с помощью эквивалентной комбинации одних только вентилей NAND. По этой причине вентиль NAND
называют универсальным. Подробнее об этой характеристике NANDзатворов вы узнаете в разделе Универсальные вентили NAND в этой главе.
Еще один интересный момент, связанный с вентилем NAND, заключается в том, что его можно использовать как разновидность вентиля
OR, который проверяет вход LOW вместо входа HIGH. Другими словами, на выходе вентиля NAND будет HIGH, когда на любом из входов будет LOW.
Эта особенность вентилей NAND полезна во многих ситуациях. Например, рассмотрим схему датчика сигнала тревоги, которая была представлена в предыдущем разделе и на рис. 2.8. Предположим, все датчики сигнализации выдают сигнал HIGH при отсутствии проникновения,

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

545

а затем сигнал LOW — при проникновении. В реальности многие датчики сигнализации работают именно так. Например, датчик, определяющий, открыта ли дверь, — это, по сути, простой переключатель,
который закрыт, когда дверь закрыта, и открыт, когда дверь открыта. Когда дверь закрыта, через выключатель течет ток, поэтому сигнал
от датчика HIGH. Когда дверь открывается, ток перестает течь, и сигнал от датчика становится LOW.
На рис. 2.10 показано, как можно использовать вентили NAND для
проверки наличия входа LOW на любом из восьми датчиков. Эта схема идентична показанной на рис. 2.8 — за исключением того, что все
вентили OR заменены на вентили NAND.
Цепь датчика
Передняя дверь
Задняя дверь
Окно #1
Окно #2
Окно #3
Окно #4

Рис. 2.10.
Использование вентилей NAND
в схеме
датчика

Движение #1
Движение #2

Вентили NOR
Вентиль NOR — это комбинация вентиля OR и вентиля NOT. Как и
в случае с NAND, название NOR — это сокращение NOT и OR. Таблица
истинности для вентиля NOR показана в табл. 2.7. Как видно из этой
таблицы, на выходе вентиля NOR будет LOW, если любой из его входов имеет значение HIGH, в противном случае на выходе вентиля
NAND будет HIGH.
ТАБЛ. 2.7.

546

Таблица истинности для вентиля OR с двумя входами
Вход A

Вход B

Выход

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Как видно из рис. 2.11, стандартный символ для вентилей NOR такой
же, как и для вентилей OR, с кружком отрицания на выходе. Кружок
просто указывает, что выход инвертирован. По сути, вентиль NOR —
комбинация вентилей OR и NOT.
Рис. 2.11.
Символ вентиля NOR
с двумя входами

ПРИМЕЧАНИЯ

Как и вентили NAND, вентили NOR — это универсальные вентили.
Любая логическая сеть, состоящая из вентилей NOT, AND и OR, может
быть построена с помощью одних только вентилей NOR. Подробнее
об этом читайте в разделе Все, что вам нужно, – это NAND (или NOR).
Так же как вентиль NAND похож на вентиль OR для входов LOW, вентиль NOR похож на вентиль AND для входов LOW. На рис. 2.5 показано,
что на выходе вентиля NAND будет HIGH, если на обоих входах LOW.
На рис. 2.5 показана схема сигнализации, которая подает сигнал тревоги через 30 секунд после того, как входной датчик обнаруживает проникновение. Выходной импульс таймера 555 инвертируется вентилем
NOT, а затем поступает на вентиль AND, который подает сигнал HIGH
на схему звуковой сигнализации, когда HIGH на выходе датчика и заканчивается 30-секундный импульс таймера.
На рис. 2.12 версия той же схемы, в которой для питания вместо вентиля AND используется вентиль NOR. В этой схеме сигнал тревоги звучит, когда на выходе схемы датчика LOW, а на выходе схемы таймера
также LOW. Для выхода таймера 555 не нужен вентиль NOT, но теперь
требуется вентиль NOT на выходе вентиля AND для инвертирования
его сигнала, чтобы при постановке системы на охрану и срабатывании
сигнализации он выдавал сигнал LOW.

Триггер Таймер
555
Схема
датчика

Схема
постановки
на охрану

High при
обнаружении
проникновения

High если дом
поставлен на охрану

30-секундный импульс
при срабатывании
Схема
сигнала
тревоги

Рис. 2.12.
Использование
вентиля NOR в схеме
датчика

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

547

Вентили XOR и XNOR
В этой главе осталось описать два типа вентилей: XOR, что означает исключительное OR, и XNOR, что означает исключительное NOR.
В вентиле XOR выходной сигнал HIGH, если один, и только один, из
входов HIGH. Если оба входа LOW или оба входа HIGH, то на выходе LOW. Таблица истинности для вентиля XOR приведена в табл. 2.8.
ТАБЛ. 2.8.

Таблица истинности для вентиля XOR с двумя входами
Вход A

Вход B

Выход

По-другому вентиль XOR можно объяснить следующим образом: если
входы разные, на выходе будет HIGH, а если входы одинаковые, то LOW.
У вентиля XOR есть менее известный двоюродный брат — вентиль
XNOR. Вентиль XNOR — это вентили XOR, выход которых инвертирован. В табл. 2.9 приведена таблица истинности для вентиля XNOR.
ТАБЛ. 2.9.

Таблица истинности для вентиля XNOR с двумя входами
Вход A

Вход B

Выход

Рис. 2.13.
Символы для вентилей XOR и XNOR
с двумя входами

548

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

На рис. 2.13 показаны символы, используемые для вентилей XOR
и XNOR. Как видите, единственное различие между этими двумя символами —кружок на выходе XNOR, указывающий на то, что выход
инвертирован.
Одно из наиболее распространенных применений вентилей XOR —
сложение двух двоичных чисел. Чтобы эта операция работала, вентиль
XOR должен использоваться в комбинации с вентилем AND, как показано на рис. 2.14.
Чтобы понять, как работает схема, показанная на рис. 2.14, рассмотрим
принцип двоичного сложения:
0+0=0
0+1=1
1+0=1
1 + 1 = 10
Можно записать результат каждого из предыдущих операторов сложения и с помощью двух двоичных цифр, например:
0 + 0 = 00
0 + 1 = 01
1 + 0 = 01
1 + 1 = 10
Когда результаты записываются двумя двоичными цифрами, как в этом
примере, можно легко увидеть, как использовать XOR и AND в комбинации для выполнения двоичного сложения. Если вы рассмотрите
только первую двоичную цифру каждого результата, то заметите, что
она выглядит так же, как таблица истинности для схемы AND, а вторая цифра каждого результата выглядит так же, как таблица истинности для вентиля XOR.

Рис. 2.14.
Для сложения двух
двоичных чисел
можно использовать вентиль XOR и
вентиль AND

Схема сумматора, показанная на рис. 2.14, имеет два выхода. Первый
называется Sum (суммой), а второй — Carry (переносом). Выход Carry
важен, когда несколько сумматоров используются вместе для сложения двоичных чисел, длина которых больше 1 бита.

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

549

Замечательная теорема де Моргана
Настало время для теоремы! Хотя в этой главе я представляю несколько довольно сложных логических концепций, я избегал упоминания
тех, которые называются теоремами (во всяком случае, до сих пор).
Автором теоремы де Моргана является британский математик XIX века
Август де Морган, который разработал многие концепции, обеспечивающие работу булевой логики. Среди наиболее важных работ де Моргана —
две связанные теоремы, которые имеют отношение к использованию
вентилей NOT в сочетании с вентилями AND и OR:

»
»

Вентиль AND с инвертированным выходом (т.е. NAND) ведет
себя так же, как вентиль OR с инвертированными входами.
Вентиль OR с инвертированным выходом (т.е. NOR) ведет
себя так же, как вентиль AND с инвертированными входами.

Вентиль OR с инвертированными входами называется отрицательным OR, а вентиль AND с инвертированными входами — отрицательным AND.
СОВЕТ

Если у вас еще остались сомнения, рассмотрите таблицу истинности
для вентиля NAND:
A

Теперь посмотрите на таблицу истинности для вентиля OR, добавив
дополнительные столбцы, чтобы показать инвертированные входы:
A

NOT A

NOT B

Здесь столбцы A и B представляют собой входы. Столбцы NOT A
и NOT B — это входы после их инвертирования. Наконец, столбец X представляет собой операцию OR, примененную к значениям NOT A и NOT B.

550 ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Как видите, конечный выходной столбец этих таблиц одинаков. Таким
образом, вентиль NAND эквивалентен отрицательному вентилю OR.
Каждый раз, когда вы видите на схеме вентиль NAND, можете заменить его на отрицательный вентиль OR.
Теперь взгляните на другую сторону теоремы де Моргана. Вот таблица
истинности для вентиля NOR:
A

А вот выход отрицательного вентиля AND:
A

NOT A

NOT B

И снова видите: эти таблицы истинности дают один и тот же результат.
Точно так же, как круг на выходе вентиля NAND или NOR указывает,
что выход инвертирован, вы можете использовать круг на входах вентиля OR или AND, чтобы указать: входы инвертированы. На рис. 2.15
показаны эти символы. И показано, что отрицательные вентили OR
и AND взаимозаменяемы с вентилями NAND и NOR.

Рис. 2.15.
Вентили
NAND и NOR
эквивалентны
отрицательным
вентилям OR и
отрицательным
вентилям AND

NAND

эквивалент

отрицательному OR

NOR

эквивалент

отрицательному AND

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

551

Все, что вам нужно, — это NAND (или NOR)
В разделах Вентили NAND и Вентили NOR в этой главе я упоминал,
что вентиль NAND — универсальный вентиль, потому что любой другой тип вентилей (например, AND, OR, XOR и NXOR) может быть построен исключительно из комбинаций вентилей NAND.
Этот факт невероятно полезен, поскольку позволяет построить любую
логическую схему, простую или сложную, используя только вентили
NAND. Когда начнете создавать свои собственные цифровые схемы,
можете запастись интегральными схемами, содержащими только вентили NAND, и быть уверенным, что построите даже самую сложную
схему, используя запас вентилей NAND.
В разделе Вентили NOR я также упоминаю, что вентиль NOR — это
универсальный вентиль. Таким образом, вы можете построить любую
логическую схему, используя только вентили NOR.
В следующих разделах я объясню, как можно использовать вентили
NAND для построения других типов вентилей, а затем покажу, как
сделать то же самое с вентилями NOR.

Рис. 2.16.
Создание вентилей
NOT, AND, OR и
NOR с использованием только
вентилей NAND

552

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Универсальные вентили NAND
На рис. 2.16 показано, как можно использовать вентили NAND в различных комбинациях для создания вентилей NOT, AND, OR и NOR.
В следующих параграфах описано, как работают эти схемы.

NOT. Вы можете создать вентиль NOT на основе вентиля NAND, просто связав два входа вентиля NAND вместе.
Поскольку два входа вентиля NAND связаны вместе, возможны только две комбинации входов: оба HIGH или оба LOW.
Если оба входа HIGH, вентиль NAND выдает LOW. Если оба
входа LOW, вентиль NAND выдает HIGH. Таким образом, схема ведет себя точно так же, как и вентиль NOT.
AND. Вы можете создать вентиль AND, используя два вентиля NAND. Первый вентиль NAND делает то же, что и вентили NAND: возвращает LOW, если оба входа HIGH, и возвращает HIGH, если оба входа еще что-то. Затем второй
вентиль NAND конфигурируется как вентиль NOT, чтобы
инвертировать выход первого вентиля NAND.
Одно из основных правил работы вентилей NOT: если вы
дважды инвертируете сигнал, в итоге получите один и тот
же сигнал. Если исходный вход HIGH и вы инвертируете
его, сигнал становится LOW. Инвертируйте вход еще раз —
и он снова станет HIGH. Учитывая это правило, вы должны
понимать, как два вентиля NAND работают вместе, чтобы
создать вентиль AND.

OR. Для создания вентиля OR вам понадобятся три вентиля NAND. Сначала используется пара вентилей NAND, сконфигурированных как вентили NOT, чтобы инвертировать два
входа. Затем третий вентиль NAND выдает на выходе LOW,
если оба исходных входа LOW. Если один из исходных входов
HIGH или если оба исходных входа HIGH, выход третьего
вентиля HIGH.
NOR. Для создания вентиля NOR понадобятся 4 вентиля NAND. Как видно на рис. 2.16, эта схема аналогична схеме
вентиля OR, с добавлением еще одного вентиля NOT для
инверсии выхода с третьего вентиля NAND. Инверсия выхода
изменяет общую функцию схемы с OR на NOR.

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

553

Универсальные вентили NOR
Как и вентиль NAND, NOR — универсальный вентиль. На рис. 2.17
показано, как можно комбинировать NOR-затворы различными способами для создания вентилей NOT, AND, OR и NAND.
В следующих параграфах описано, как работают эти схемы.

»
»

NOT. Создание вентиля NOT из вентиля NOR — то же самое,
что создание NOT из вентиля NAND: вы просто связываете
между собой два входа NOR. Если оба входа LOW, на выходе вентиля NOR будет HIGH, в противном случае на выходе
будет LOW.
OR. Для создания вентиля OR вам понадобятся два вентиля NOR. Первый NOR возвращает LOW, если один из входов HIGH или оба входа HIGH. Затем второй NOR конфигурируется как вентиль NOT, чтобы инвертировать выход
первого NOR.
AND. Для создания AND-гейта понадобятся три NOR. Первые
два настроены как вентили NOT, поэтому они инвертируют
входы. Затем третий NOR выдает на выходе HIGH, если оба
исходных входа HIGH.
NAND. Для создания вентиля NAND требуются четыре
NOR. Первые три вентиля NOR настроены так же, как и для
AND. Затем четвертый NOR, сконфигурированный как вентиль NOT, инвертирует выход третьего NOR.

Рис. 2.17.
Создание вентилей
NOT, OR, AND и
NAND, используя
только вентили
NOR

554

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Использование программного
обеспечения для моделирования
логических вентилей

СОВЕТ

Если вы действительно хотите узнать, как работают логические вентили, один из лучших способов — использовать один из многочисленных
программных симуляторов логических вентилей, которые можно бесплатно найти в Интернете. Вы можете найти эти программы, набрав
в поиске ключевые слова logic gate simulator.
Одна из моих любимых программ — CircuitVerse (https://circuitverse.
org/simulator), облачный симулятор схем, разработанный студентами
International Institute of Information Technology в Бангалоре. На рис. 2.18
показан пользовательский интерфейс CircuitVerse.
Вот лишь некоторые из возможностей CircuitVerse:

»
»
»
»

Вы можете добавлять в схему вентили AND, OR, NOT, XOR,
NAND, NOR и NXOR, просто перетаскивая их с панели
инструментов.
Вы можете соединять входы и выходы вентилей, щелкнув
вход или выход, а затем перетащив его на другой вход или
выход вентиля.
В схему можно добавить простые переключатели для внешних входов.
В любой точке схемы можно добавить светодиоды для индикации состояния выхода или входа.

Рис. 2.18.
Использование
CircuitVerse
для моделирования
логических
схем

ГЛАВА 2.Будем рассуждать логически

555

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Реализация логических вентилей
с помощью транзисторов

Гл а в а 3

Работа с логическими
схемами
В главе 2 части 5 вы узнали все о логических вентилях, включая семь
наиболее популярных видов вентилей: NOT, AND, OR, NAND, NOR,
XOR и XNOR.
В этой главе вы научитесь создавать реальные схемы, в которых используются логические вентили. Для начала покажу вам основы создания
логических вентилей на основе простых транзисторных схем. Затем
рассмотрю два популярных семейства интегральных схем, где есть готовые логические вентили.

Если вы еще не читали главу 2 этой части, советую вернуться и сделать это сейчас, прежде чем читать эту главу. Без знания разных типов вентилей вы не сможете создавать схемы, в которых используются эти вентили.

Создание логических вентилей
с помощью транзисторов
В главе 6 части 2 вы узнаете, как можно использовать транзисторы в качестве переключателей. В двух словах: напряжение, подаваемое на базу
транзистора, позволяет току течь от коллектора к эмиттеру. Таким образом, подавая входной сигнал на базу транзистора, вы можете управлять выходным сигналом, который идет от коллектора к эмиттеру.

556

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Вы можете построить любой логический вентиль, если правильно соберете несколько транзисторов и резисторов. В этом разделе я рассмотрю
простые транзисторные схемы для пяти типов вентилей (NOT, AND,
OR, NAND и NOR) и представлю проекты, которые научат вас, как собрать три из них: NOT, NAND и NOR.
Если вам нужно освежить в памяти принцип работы транзисторов, обратитесь к главе 6 части 2.
СОВЕТ

Все схемы в этой главе предполагают, что сигнал HIGH (логическая единица) представлен постоянным напряжением +5 В или более. Сигнал
LOW (логический нуль) — напряжением, близким к нулю.
ПРИМЕЧАНИЯ

Обратите внимание, что вы не часто будете создавать собственные логические вентили, используя транзисторы и резисторы. Вместо этого
будете использовать интегральные схемы, содержащие готовые логические вентили. Однако прежде, чем использовать логические микросхемы, нужно получить базовое представление о том, как работают
содержащиеся в них вентили. После рассмотрения простых транзисторных схем для базовых логических вентилей мы рассмотрим логические микросхемы.

Схема транзисторного вентиля NOT
Вентиль NOT просто инвертирует свой вход. Если вход HIGH, то выход
LOW, а если вход LOW, то выход HIGH. Такую схему легко построить,
используя один транзистор и пару резисторов. На рис. 3.1 показана схема.

Рис. 3.1.
Транзисторный
вентиль NOT

Принцип работы этой схемы прост. Вход подключен через резистор R2
к базе транзистора. Когда на входе нет напряжения, транзистор выключается. Когда транзистор выключен, ток между коллектором и эмиттером

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

557

не течет. Таким образом, ток от напряжения питания (VCC на схеме,
обычно от +5 В до +9 В) течет через резистор R1 на выход. Таким образом, на выходе схемы HIGH, когда на входе LOW.
Когда на входе появляется напряжение, транзистор включается, позволяя току течь через цепь коллектор-эмиттер прямо на землю. Этот
путь к земле создает короткий путь в обход выхода — и выход становится LOW.
Таким образом, на выходе будет HIGH, когда на входе LOW, и LOW,
когда на входе HIGH.
Проект 31 показывает, как собрать простой транзисторный вентиль
NOT на беспаечной макетной плате. В этом проекте в качестве входа
используется нормально разомкнутая кнопка. Когда кнопка не нажата, на входе LOW, а на выходе HIGH, что заставляет светодиод гореть.
Когда нажимаете кнопку, вход становится HIGH, выход — LOW, и светодиод гаснет. Собранный проект показан на рис. 3.2.

Рис. 3.2.
Транзисторный вентиль NOT,
собранный
на макетной
плате
(Проект 31 )

Проект 31. Транзисторный вентиль NOT
В этом проекте вы построите простой вентиль NOT с использованием
биполярного транзистора. Вентиль NOT, показанный в табл. 3.1, также
известен как инвертор. Он просто меняет логический уровень своего входа на противоположный. Таким образом, если на входе HIGH — на выходе вентиля NOT будет LOW. Если на входе LOW — на выходе HIGH.

558

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Вход этого вентиля управляется кнопочным переключателем (SW1).
Когда переключатель разомкнут (не нажат), на входе LOW. Когда переключатель нажат, на входе HIGH.
ТАБЛ. 3.1.

Таблица истинности вентиля NOT
Вход

Выход

Выход этого вентиля передается через светодиод, поэтому светодиод
включен, когда на выходе HIGH, и выключен, когда на выходе LOW.

Транзистор 2N2222
Эмиттер
База
Коллектор

Катод

Светодиод

Анод

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

559

Детали
»
»
»
»
»

Одна 9-вольтовая батарейка.
Один зажим для 9-вольтовой батарейки.
Одна небольшая беспаечная макетная плата.
Одна нормально открытая кнопка DIP на макетной плате.
Один переключающий транзистор NPN, 2N2222A, или
аналогичный.

» Один красный светодиод 5 мм.
» Два резистора по 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» Три коротких провода-перемычки.
Порядок действий
Поверните макетную плату так, чтобы отверстие в месте A1 находилось
в левом нижнем углу макетной платы. В проекте будут использоваться положительная шина заземления в нижней части макетной платы
и отрицательная шина заземления в верхней части макетной платы.

Вставьте транзистор Q1.
Эмиттер: G5.
База: G6.
Коллектор: G7.

Вставьте резисторы R1 и R2.
R1 (1 кОм): от E7 до F7.
R2 (1 кОм): от E6 до F6.

3.
4.

Вставьте светодиод LED1.
Вставьте переключатель SW1.
Штырьки должны быть вставлены в B4, D4, B4 и D6 так, чтобы
переключатель размыкался и замыкался через ряды 4 и 6.

Вставьте провода-перемычки.
1. Положительная шина в нижней части макетной платы к A4.
2. Положительная шина в нижней части макетной платы к A6.
3. Шина заземления в верхней части макетной платы к J5.

Подключите провода зажима батарейки.
Красный провод: положительная шина в нижней части
макетной платы.

560 ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Черный провод: шина заземления в верхней части
макетной платы.

Протестируйте схему.
Подключите батарейку к держателю. Загорится светодиод, указывая, что на выходе HIGH, потому что на входе LOW
(то есть переключатель разомкнут, поэтому на базе транзистора нет напряжения).
Когда вы нажмете на кнопку, на входе будет HIGH, и на базе
появится напряжение. Светодиод выключается, указывая, что
на выходе LOW.
Отпустите кнопку, чтобы изменить вход на LOW; светодиод
снова загорится, указывая, что на выходе HIGH.

СОВЕТ

Если схема работает неправильно, еще раз проверьте собранную схему. Убедитесь, что транзистор ориентирован правильно, иначе схема
не будет работать. Также убедитесь, что светодиод ориентирован правильно. Если катод и анод в схеме перевернуты, светодиод не будет гореть. Наконец, убедитесь, что выводы держателя батареи подключены
к правильным отрицательной и положительной шинам.

Схема транзисторного вентиля AND

Рис. 3.3.
Транзисторный
вентиль AND

Вентиль AND с двумя входами дает на выходе HIGH, если оба его входа
HIGH. Вентиль с двумя входами AND можно создать с помощью двух
транзисторов и трех резисторов, как показано на рис. 3.3. В этой схеме
выходной ток должен протекать от напряжения питания VCC через цепи

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

561

коллектор-эмиттер обоих транзисторов, чтобы достичь выхода. Ток будет идти на выход только в том случае, если оба транзистора включены.
Базы обоих транзисторов подаются через R2 и R3 с двух входов. Таким
образом, если оба входа находятся в состоянии HIGH, ток будет протекать по цепи база-эмиттер обоих транзисторов, включая оба транзистора и позволяя току течь к выходу. Если на одном из входов LOW, соответствующий транзистор выключается, и на выходе образуется LOW.

Схема транзисторного вентиля NAND
Вентиль NAND с двумя входами дает на выходе LOW, если на обоих
его входах HIGH. Вы можете создать вентиль NAND, объединив схемы,
показанные на рис. 3.1 и 3.3, так, чтобы выход вентиля AND использовался в качестве входа вентиля NOT, но для такой комбинации потребуются три транзистора. Создать вентиль NAND, используя всего два
транзистора, достаточно просто, как показано на рис. 3.4.

Рис. 3.4.
Транзисторный
вентиль NAND

Эта схема NAND-вентиля практически идентична схеме AND-вентиля,
показанной на рис. 3.3. Единственное отличие: вместо подключения
выхода к эмиттеру второго транзистора выход получается перед коллектором первого транзистора. Если на обоих входах HIGH, оба транзистора проводят ток между коллектором и эмиттером, что создает короткое замыкание на землю. В результате ток минует выход, что, в свою
очередь, приводит к переходу выхода в состояние LOW.
Однако если один из транзисторов выключен, ток питания не может
течь через транзисторы на землю, поэтому он течет через выходную

562

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

цепь. Таким образом, выход HIGH, если один из входов LOW. Если
оба входа HIGH, на выходе LOW.
Проект 32 показывает, как собрать простой транзисторный вентиль
NAND на беспаечной макетной плате. Для двух входов используются
нормально разомкнутые кнопки. Светодиод будет гореть до тех пор, пока
вы не нажмете обе кнопки — и тогда на обоих входах будет HIGH, что
приводит к тому, что выход станет LOW и светодиод темнеет. Готовый
проект показан на рис. 3.5.

Рис. 3.5.
Двухтранзисторный вентиль
NAND на
макетной плате
(Проект 32 )

Проект 32. Транзисторный вентиль NAND
В этом проекте вы соберете простой вентиль NAND, используя пару
биполярных транзисторов. Как показано в табл. 3.2, на выходе вентиля NAND будет LOW, если оба входа HIGH; в противном случае
на выходе HIGH.
ТАБЛ. 3.2.

Таблица истинности вентиля NAND
Вход A

Вход B

Выход

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

563

Транзистор 2N2222
Эмиттер
База
Коллектор

Катод

Светодиод

Анод

Входы в этом проекте обеспечиваются двумя кнопками, установленными на макетной плате, а индикатором выхода служит светодиод.
Светодиод горит, только когда не нажаты обе кнопки.

Детали
»
»
»
»
564

Одна 9-вольтовая батарейка.
Один зажим для 9-вольтовой батарейки.
Одна небольшая беспаечная макетная плата.
Две нормально открытые кнопки DIP на макетной плате.

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Два переключающих транзистора NPN, 2N2222A, или
аналогичные.

» Один красный светодиод 5 мм.
» Три резистора по 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» Пять коротких проводов-перемычек.
Порядок действий
1.

Вставьте транзисторы Q1 и Q2.
Вывод

Эмиттер

База

G10

Коллектор

G11

Вставьте резисторы R1, R2 и R3.
R1 (1 кОм): от E7 к F7.
R2 (1 кОм): от E6 к F6.
R3 (1 кОм): от E10 ко F10.

Вставьте светодиод LED1.
Катод (короткий провод): шина заземления.
Анод (длинный провод): J7.

Вставьте SW1.
Штырьки вставить в B4, D4, B6 и D6 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 4 и 6.

Вставьте SW2.
Штырьки вставить в B8, D8, B10 и D10 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 8 и 10.

Вставьте перемычки.
1. Положительная шина к A4.
2. Положительная шина к A7.
3. Положительная шина к A8.
4. Шина заземления к J9.
5. От I5 к I11.

Подключите провода зажимов батарейки.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: заземляющая шина.

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

565

Проверьте цепь.
Вставьте батарейку. Светодиод загорится — потому что
оба переключателя в открытом положении (не отжаты).
Поскольку на обоих входах LOW, на выходе HIGH.
Нажмите первую кнопку: светодиод будет по-прежнему гореть. Теперь на входах HIGH и LOW, а на выходе по-прежнему
HIGH.
Отпустите первую кнопку и нажмите вторую: светодиод снова останется включенным. В этом случае на входах LOW
и HIGH, поэтому на выходе HIGH.
Наконец, нажмите обе кнопки одновременно. Теперь оба входа находятся в состоянии HIGH. Светодиод погаснет, подтверждая, что на выходе LOW.

Если схема работает неправильно, еще раз проверьте сборку. Убедитесь,
что транзисторы ориентированы правильно. Также убедитесь, что светодиод ориентирован правильно: если катод и анод перевернуты, светодиод не будет гореть. Наконец, убедитесь, что выводы держателя батареи подключены к правильным отрицательной и положительной шинам.

СОВЕТ

Схема транзисторного вентиля OR
Вентиль OR с двумя входами выдает HIGH на выходе, если хотя бы на одном из его входов HIGH. На рис. 3.6 показана схема вентиля OR, созданного с помощью двух транзисторов и трех резисторов.

Рис. 3.6.
Транзисторный
вентиль
OR

566

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

В схеме вентиля OR напряжение питания подается на коллектор каждого транзистора, затем эмиттеры обоих транзисторов подключаются
к выходу. При подаче напряжения на базу любого из транзисторов этот
транзистор включится и пропустит ток на выход.
На выходе будет HIGH, если один из входов HIGH или оба входа HIGH.
Выход LOW — если только оба входа LOW.

Схема транзисторного NOR-вентиля
Вентиль NOR — это инвертированный вентиль OR. Если хотя бы на одном входе HIGH, на выходе LOW. Если на обоих входах LOW, на выходе HIGH.
На рис. 3.7 показана схема NOR-вентиля. Она аналогична схеме
на рис. 3.6, за исключением того, что выход подключен к коллектору
обоих транзисторов, а эмиттер каждого транзистора соединен с землей.
Если любой из транзисторов открыт, ток от VCC замыкается на землю,
минуя выход.

Рис. 3.7.
Транзисторный вентиль
NOR

Вы можете построить двухтранзисторный вентиль NOR, следуя инструкциям Проекта 33. Как и в других проектах этой главы, в Проекте 33
для управления входными цепями используются нормально разомкнутые кнопки. Когда питание подается на эту схему, на обоих входах сначала будет LOW, а на выходе — HIGH. При нажатии на один

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

567

из переключателей на его входе появляется HIGH, что, в свою очередь, приводит к появлению LOW на выходе. Собранный проект показан на рис. 3.8.

Рис. 3.8.
Двухтранзисторный
вентиль NOR
на макетной
плате
(Проект 33 )

Проект 33. Транзисторный вентиль NOR
В этом проекте вы построите простой вентиль NOR, используя пару
биполярных транзисторов. Как показано в табл. 3.3, на выходе вентиля NOR будет HIGH, если оба входа LOW. Если один из входов HIGH,
на выходе LOW.

ТАБЛ. 3.3.

Таблица истинности вентиля NOR
Вход A

Вход B

Выход

Входы в этом проекте обеспечивают две кнопки, установленные на макетной плате, а индикатором выхода служит светодиод: он горит, пока
не нажата хотя бы одна из кнопок.

568

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Транзистор 2N2222
Эмиттер
База
Коллектор

Катод

Светодиод

Анод

Детали
»
»
»
»
»

Одна 9-вольтовая батарейка.
Один зажим для 9-вольтовой батарейки.
Одна небольшая беспаечная макетная плата.
Две нормально открытые кнопки DIP на макетной плате.
Два переключающих транзистора NPN, 2N2222A или
аналогичные.

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

569

» Один красный светодиод 5 мм.
» Три резистора по 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» Шесть коротких проводов-перемычек.
Порядок действий
1.

Вставьте транзисторы Q1 и Q2.
Вывод

Эмиттер

G11

База

G10

Коллектор

Вставьте резисторы R1, R2 и R3.
R1 (1 кОм): от E7 к F7.
R2 (1 кОм): от E6 к F6.
R3 (1 кОм): от E10 к F10.

Вставьте светодиод LED1.
Катод (короткий провод): шина заземления.
Анод (длинный провод): J7.

Вставьте SW1.
Штырьки вставить в B4, D4, B6 и D6 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 4 и 6

Вставьте SW2.
Контакты вставить в B8, D8, B10 и D10 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 8 и 10.

Вставьте перемычки.
1. Положительная шина к A4.
2. Положительная шина к A7.
3. Положительная шина к A8.
4. Шина заземления к J5.
5. Шина заземления к J9.
6. I7 к I11.

Подключите провода зажимов батарейки.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: шина заземления.

570

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Проверьте цепь.
Вставьте батарейку. Светодиод загорится. Это происходит
потому, что оба переключателя находятся в открытом положении (не отжаты). Поскольку на обоих входах LOW, на выходе HIGH.
Нажмите первую кнопку. Светодиод погаснет, потому что
на первом входе стал HIGH, а на выходе — LOW.
Отпустите первую кнопку. Светодиод снова загорится, потому что теперь на обоих входах LOW.
Теперь нажмите вторую кнопку. Светодиод снова погаснет,
потому что второй вход находится в состоянии HIGH.
Наконец, нажмите обе кнопки одновременно. Светодиод
снова погаснет, что правильно отражает таблицу истинности
вентиля NOR: когда на одном или обоих входах HIGH, на выходе LOW.

СОВЕТ

Если схема работает неправильно, еще раз проверьте сборку. Убедитесь,
что транзисторы ориентированы правильно, если хотя бы один из них
вставлен неправильно, схема не будет работать. Также убедитесь, что
светодиод ориентирован правильно: если катод и анод перевернуты,
светодиод не будет гореть. Наконец, убедитесь, что выводы держателя батареи подключены к правильным отрицательной и положительной шинам.

Знакомство с логическими вентилями
интегральных микросхем
Хотя вы можете построить собственные логические вентили, используя транзисторы и резисторы, как описано в этой главе, гораздо проще
купить готовые интегральные схемы, реализующие логические вентили. Основное преимущество использования логических вентилей в интегральных схемах заключается в том, что вам не нужно самостоятельно разрабатывать отдельные вентили или тратить время на их сборку.
Схемы логических вентилей, о которых вы узнали из этой книги, одни
из самых простых для создания логических вентилей, но это далеко
не единственные и не всегда лучшие способы создания логических
вентилей. За 50 лет, что разработчики схем работают над полупроводниковыми логическими схемами, было разработано множество схем
для логических вентилей.

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

571

Поскольку каждый подход к проектированию логических схем приводит к созданию целого семейства логических схем для различных типов
вентилей (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR и XNOR), такие конструкции часто называют семействами. Поскольку эти семейства были
разработаны инженерами, гораздо более занудными, чем мы с вами,
у каждого семейства есть красивая трех- или четырехбуквенная аббревиатура. Вот самые популярные:

»
»

RTL. 5 L " (Resistor-Transistor
Logic), в которой используются резисторы и биполярные
транзисторы. Схемы, представленные до сих пор в этой главе, это примеры схем RTL.
DTL. L " (Diode-Transistor
Logic), которая похожа на RTL, но добавляет диод к каждой
входной цепи.
TTL. L " (TransistorTransistor Logic). В ней используются два транзистора, один
из которых сконфигурирован для работы в качестве переключателя, а другой — для работы в качестве усилителя.
Переключающий транзистор используется во входных цепях,
а усиливающий транзистор — в выходных цепях. Усилитель
позволяет подключать выход вентиля к большему числу входов, чем в схемах RTL или DTL.
В схемах ТТЛ переключающие транзисторы на самом деле
являются специальными транзисторами с двумя или более
эмиттерами. Такие транзисторы называют " + .
Каждый вход подключен к одному из эмиттеров, так что
отдельные входы управляют одной коллекторно-эмиттерной
цепью. База переключающего транзистора подключена
к напряжению питания Vcc, а коллектор — к базе усилительного транзистора. Если напряжение присутствует на любом
или всех эмиттерных входах, цепь база-коллектор выдает
LOW, создавая вентиль NAND. На рис. 3.9 показана типичная
схема ТТЛ.
Хотя схемы ТТЛ можно создавать, используя отдельные транзисторы, микросхемы с цепями ТТЛ легко доступны. Один
из самых популярных типов микросхем ТТЛ обозначается
цифрами в виде 74nn. Всего существует несколько сотен
типов интегральных микросхем серии 7400. Многие из них —
это сложные логические схемы, вы вряд ли будете их использовать в домашних электронных проектах. Микросхемы,
перечисленные в табл. 3.4, представляют собой несколько
основных логических вентилей в одном корпусе.

572

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Рис. 3.9.
Типичный
вентиль ТТЛ

ТАБЛ. 3.4.

Логические вентили ТТЛ серии 7400
Номер

Описание

7400

4 вентиля NAND с двумя входами (4 вентиля NAND)

7402

4 вентиля с двумя входами OR (4 вентиля NOR)

7404

Шестнадцатеричный инвертор (6 вентилей NOT)

7408

4 вентиля с двумя входами OR (4 вентиля AND)

7432

4 вентиля OR с двумя входами (4 вентиля OR)

7486

4 вентиля XOR с двумя входами (4 вентиля XOR)

Существует такая вещь, как логика Tinkertoy. Команда
студентов Массачусетского технологического института
построила полноценный компьютер, который играет в крестики-нолики с помощью игрушек Tinkertoy. Чтобы узнать
больше, найдите в Интернете \(1#'&92;9TO)&#'.

СОВЕТ

CMOS (КМОП). Complementary Metal-Oxide Semiconductor
Logic (

L
"), которая относится к логическим схемам,
построенным с использованием особого типа транзисторов,
называемых MOSFET. MOSFET расшифровывается как Metal
Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника,) но в тесте этого не будет. Физика отличий MOSFET от стандартного
биполярного транзистора не так уж важна, если только вы
не хотите стать разработчиком интегральных схем. Важно,
что транзисторы MOSFET потребляют гораздо меньше

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

573

энергии, могут переключать состояния гораздо быстрее
и они значительно меньших размеров, чем биполярные транзисторы. Эти отличия делают транзисторы MOSFET идеальными для современных интегральных схем, в которых часто
на одном кристалле размещаются миллионы транзисторов.
Хотя микросхемы КМОП потребляют меньше энергии
и работают быстрее, чем ТТЛ, они работают так же, как
и микросхемы TTL. Фактически микросхемы КМОП разработаны так, чтобы быть взаимозаменяемыми с аналогичными
микросхемами TTL.
Микросхемы КМОП-логики имеют четырехзначный номер
детали, начинающийся с цифры 4, и часто называются микросхемами серии 4000. Как и в случае с серией 7400 микросхем
TTL-логики, существует несколько сотен типов микросхем
серии 4000. В табл. 3.5 перечислены микросхемы серии 4000,
обеспечивающие работу основных логических вентилей.

ТАБЛ. 3.5.

ОСТОРОЖНО!

Логические вентили КМОП 4000 серии
Номер

Описание

4001

4 вентиля с двумя входами OR (4 вентиля NOR)

4009

Шестнадцатеричный инвертор (6 вентилей NOT)

4011

4 вентиля с двумя входами NAND (4 вентиля NAND)

4030

4 вентиля с двумя входами XOR (4 вентиля XOR)

4071

4 вентиля OR с двумя входами (4 вентиля OR)

4077

4 вентиля с двумя входами XNOR (4 вентиля XNOR)

4081

4 вентиля с двумя входами OR (4 вентиля AND)

Логические схемы КМОП очень чувствительны к статическому электричеству. Поэтому при работе с ними необходимо соблюдать особые меры
предосторожности. Прежде чем прикоснуться к КМОП-микросхеме,
убедитесь, что вы должным образом разрядились, прикоснувшись к заземленной металлической поверхности. Для максимальной защиты
носите антистатический браслет на запястье. Дополнительные сведения о мерах предосторожности от статического электричества см.
в главе 4 части 1.
В остальных разделах этой главы описано несколько популярных микросхем серии 4000 и представлено несколько проектов с их использованием.

574

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Универсальные логические
вентили серии 4000
Логические микросхемы КМОП серии 4000 включают в себя несколько ИС, которые обеспечивают несколько логических вентилей в одном
корпусе. На рис. 3.10 показаны выводы шести популярных микросхем
серии 4000. Каждая содержит 4 логических вентиля с двумя входами
в 14-контактном корпусе DIP. Питание, которое может составлять
от +3 В до +15 В, подключено к выводу 14, а заземление — к выводу 7.

Рис. 3.10.
Схема выводов микросхем логических
четырехканальных вентилей с двумя входами
серии 4000

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

575

Обратите внимание, что микросхемы 4001 и 4011 содержат по четыре вентиля NOR и NAND. Поскольку NOR и NAND — универсальные вентили, вы можете использовать их в комбинации для создания
других типов вентилей. Если у вас есть запас микросхем 4001 или 4011,
сможете создать любой тип логической схемы.
Вот несколько советов по работе с микросхемами серии 4000.

»
»

576

При питании 9 В выходы могут выдавать до 10 мА. При напряжении 6 В максимальный ток составляет около 5 мА, это
достаточно, чтобы зажечь светодиод. Если выходной цепи
требуется больший ток, вы всегда можете использовать
транзистор. Просто подключите коллектор транзистора
к источнику положительного напряжения, а базу — к выходу логического вентиля. Затем подключите выходную цепь
к эмиттеру транзистора. Выходная цепь, конечно же, должна
быть соединена с землей, чтобы завершить схему.
Входные контакты микросхем КМОП-логики печально известны тем, что на них попадают паразитные сигналы в виде
электрических шумов. Хотя в экспериментальных схемах
на макетной плате в этом нет необходимости, в реальной
схеме вы должны подключить все неиспользуемые входные
выводы к положительному напряжению питания или к земле.
(Неиспользуемые выходы не нужно ни к чему подключать,
только входы.)
Неплохо разместить небольшой конденсатор (обычно
47 мкФ) через выводы питания (контакты 7 и 14). Конденсатор
поможет обеспечить постоянство напряжения питания.
Не забывайте, что чипы КМОП очень восприимчивы к повреждению от небольшого количества статического электричества. Прежде чем прикасаться к чипам КМОП, обязательно
заземлитесь, прикоснувшись к металлическому предмету.

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Создание проектов с использованием
четырехканального вентиля с двумя
входами NAND 4011
Четырехканальный вентиль с двумя входами 4011 NAND — это популярная микросхема с логическим вентилем КМОП. Как следует из названия, эта микросхема содержит четыре вентиля с двумя входами
NAND. Схема выводов этой микросхемы показана на рис. 3.10 вместе
со схемами выводов нескольких других микросхем с четырьмя двухвходовыми вентилями.
В главе 2 части 5 вы узнали, что вентили NAND (наряду с NOR) универсальны, а это значит, что вы можете построить любой другой тип
вентилей, используя только вентили NAND, скомбинированные различными способами. Проекты с 34 по 37 шаг за шагом проведут вас через процесс построения различных типов схем с использованием только вентилей NAND.
В Проекте 34 используется только один из вентилей NAND в 4011. Два
входа вентиля NAND подключены к кнопкам, а выход — к светодиоду.
Когда соберете этот проект, сможете наглядно представить себе работу вентиля NAND: светодиод будет гореть, если не нажать обе кнопки.

Рис. 3.11.
Схема вентиля
NAND с использованием
микросхемы
КМОП-логики
(Проект 34 )

На рис. 3.11 показан Проект 34, собранный на беспаечной макетной
плате. Этот рисунок даст хорошее представление о том, как подключать
компоненты к макетной плате. В самом описании проекта содержатся
подробные инструкции. Схемы Проектов 35, 36 и 37 достаточно похожи внешне, чтобы вы могли использовать рис. 3.11 как руководство

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

577

по общему виду ваших готовых проектов. (Различия заключаются только в расположении проводов-перемычек.)
В Проекте 35 используются два вентиля NAND на 4011 для создания вентиля AND. Поскольку NAND — это не что иное, как вентиль
AND, выход которого инвертирован, вы можете создать AND из вентиля NAND, инвертируя выход NAND. Эта инверсия работает благодаря одному из фундаментальных правил логики: если вы инвертируете
значение дважды, получите исходное значение. Таким образом, если
вы инвертируете вентиль AND один раз, получите вентиль NAND; если
инвертируете его снова — вернетесь к вентилю AND.
Если повезет, можете легко превратить вентиль NAND в инвертор
с одним входом (то есть вентиль NOT), подключив один вход к обоим
входам вентиля NAND. При таком подключении оба входа всегда будут одинаковыми: либо оба HIGH, либо оба LOW. В вентиле NAND,
если оба входа HIGH, на выходе LOW, а если оба входа LOW, на выходе HIGH. Таким образом, соединение входов вентиля NAND приводит к инвертированию входа.
В Проекте 36 вы научитесь создать вентиль OR с помощью трех вентилей NAND. В главе 2 части 5 я объяснял, что вентиль NAND — это
то же самое, что и вентиль OR, входы которого инвертированы. Таким
образом, чтобы создать вентиль OR с помощью вентилей NAND, нужно инвертировать два входа с помощью вентилей NAND, сконфигурированных как инверторы (то есть с их входами, соединенными вместе).
Выход этих инверторов подается на входы третьего вентиля NAND.
В последнем проекте этой главы в Проекте 37 используются все четыре вентиля NAND на микросхеме 4011 для создания вентиля NOR.
Вентиль NOR — это не что иное, как вентиль OR, выход которого инвертирован. Таким образом, сначала вы используете три вентиля NAND
для создания вентиля OR, используя технику, описанную в Проекте 36;
затем настраиваете четвертый вентиль NAND на микросхеме 4011 как
инвертор, чтобы инвертировать выход вентиля OR.
Поскольку каждый из последних трех проектов является развитием предыдущего, я рекомендую не разбирать макетную плату после завершения каждого проекта. Вместо этого вы можете использовать каждый
собранный проект в качестве отправной точки для следующего. Если
решите собирать проекты таким образом, можете просто просмотреть
шаги, чтобы увидеть, какие резисторы и перемычки нужно переставить
для каждого проекта. (Сама микросхема 4011, светодиод и два переключателя находятся в одних и тех же местах для всех четырех проектов.)

578

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Проект 34. КМОП-вентиль NAND
В этом проекте вы используете КМОП-чип 4011 для создания вентиля NAND. Как показано в табл. 3.6, на выходе вентиля NAND будет
LOW, если на обоих входах значение HIGH. В противном случае на выходе будет HIGH.
ТАБЛ. 3.6.

Таблица истинности вентиля NAND
Вход A

Вход B

Выход

Входные сигналы на этот вентиль подаются через две кнопки, установленные на макетной плате, а светодиод служит индикатором выхода.

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

579

Катод

Светодиод

Анод

Детали
» Одна 9-вольтовая батарейка.
» Один зажим для 9-вольтовой батарейки.
» Одна небольшая макетная плата без припоя.
» Две нормально открытые кнопки DIP на макетной плате.
» Один четырехканальный КМОП-вентиль NAND с двумя входами.
» Один 5 мм красный светодиод.
» Три резистора 1 кОм.
Порядок действий
1.

Вставьте микросхему 4011.
Вывод 1 должен быть в E10.

Вставьте резисторы R1, R2 и R3.
R1 (1 кОм): E6 к F6.
R2 (1 кОм): E21 к F21.
R3 (1 кОм): E20 к F20.

580 ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Вставьте светодиод LED1.
Катод (короткий вывод): шина заземления.
Анод (длинный провод): J20.

Вставьте переключатель SW1.
Штырьки вставьте в B4, D4, B6 и D6 так, чтобы переключатель размыкался и замыкался через ряды 4 и 6.

Вставьте переключатель SW2.
Штырьки вставьте в B21, D21, B23 и D23 так, чтобы переключатель размыкался и замыкался через ряды 21 и 23.

Вставьте провода-перемычки.
1. Положительная шина к A3.
2. Положительная шина к A4.
3. Положительная шина к A23.
4. Шина заземления на J6.
5. Шина заземления на J18.
6. Шина заземления на J21.
7. E3 к F3.
8. E18 к F18.
9. A6 к A10.
10. A11 к A21.
11. C16 к C18.
12. D12 к D20.
13. I3 к I10.

Подключите провода зажима батареи.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: шина заземления.

Протестируйте схему.
Вставьте батарейку. Светодиод загорится. Это происходит
потому, что обе кнопки разомкнуты (не отжаты) — на обоих
входах LOW. Следовательно, на выходе HIGH.
Нажмите первую кнопку. Светодиод остается включенным.
Когда только один из входов HIGH, выход вентиля NAND
остается HIGH.
Отпустите первую кнопку и нажмите вторую. Снова светодиод
остается включенным, потому что только один из входов HIGH.
Теперь нажмите одновременно обе кнопки. На обоих входах
станет HIGH, и в результате на выходе будет LOW, и светодиод погаснет.

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

581

Проект 35. КМОП вентиль AND
В этом проекте вы используете два вентиля NAND в КМОП-чипе 4011
для создания вентиля AND. Как показано в табл. 3.7, на выходе вентиля AND будет HIGH, если оба входа HIGH; в противном случае на выходе будет LOW.
ТАБЛ. 3.7.

Таблица истинности вентиля AND
Вход A

Вход B

Выход

Чтобы создать вентиль AND, передайте сигнал с выхода первого вентиля NAND на второй вентиль NAND, который сконфигурирован как
инвертор, соединив входы вместе. Инвертирование выхода вентиля
NAND создает вентиль AND.
Входы этого вентиля подаются через две кнопки, установленные на макетной плате, а выход отображается светодиодом.
Обратите внимание: единственное отличие этого проекта от Проекта 34 — в расположении нескольких проводов-перемычек.

582

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Катод

Светодиод

Анод

Детали
»
»
»
»
»

Одна 9-вольтовая батарейка.
Один зажим для 9-вольтовой батарейки.
Одна небольшая беспаечная макетная плата.
Две нормально открытые кнопки DIP на макетной плате.
Один 4011 КМОП четырехканальный с двумя входами, вентиль NAND.

» Один 5 мм красный светодиод.
» Три резистора по 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» 15 проводов-перемычек.
Порядок действий
1.

Вставьте микросхему 4011.
Вывод 1 должен быть в E10.

Вставьте резисторы R1, R2 и R3.
R1 (1 кОм): E6 — F6.
R2 (1 кОм): E21 — F21.
R3 (1 кОм): E20 — F20.

Вставьте светодиод 1.
Катод (короткий провод): шина заземления.
Анод (длинный провод): J20.

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

583

Вставьте SW1.
Штырьки должны быть вставлены в B4, D4, B6 и D6 так,
чтобы переключатель размыкался и замыкался через
ряды 4 и 6.

Вставьте SW2.
Штифты должны быть вставлены в B21, D21, B23 и D23
так, чтобы переключатель размыкался и замыкался через
ряды 21 и 23.

Подключите провода зажима батарейки.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: шина заземления.

Протестируйте схему.
Вставьте батарейку. Светодиод не загорится, так как
ни на одном из входов нет HIGH.
Нажмите первую кнопку. Светодиод остается выключенным.
HIGH на одном входе недостаточно для включения выхода
вентиля AND.
Отпустите первую кнопку и нажмите вторую. И снова светодиод останется выключенным, потому что HIGH только
на одном входе.
Теперь нажмите обе кнопки одновременно. В результате
на обоих входах будет HIGH, что приведет к переходу выхода
в HIGH, и в результате светодиод загорится.

584

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Проект 36. КМОП-вентиль OR
В этом проекте вы используете два вентиля NAND в КМОП-чипе 4011
для создания вентиля OR. Как показано в табл. 3.8, на выходе вентиля
OR будет HIGH, если на одном из входов (или на обоих) HIGH. Если
оба входа LOW, на выходе также LOW.

ТАБЛ. 3.8.

Таблица истинности вентиля OR
Вход A

Вход B

Выход

Чтобы создать вентиль OR, нужно просто инвертировать два входа в вентиль NAND. Таким образом, эта схема использует два вентиля NAND
на 4011 для инвертирования двух входов. Затем передает эти инвертированные входы на входы третьего вентиля NAND, чтобы завершить
работу вентиля OR.
Входы этого вентиля подаются через две кнопки, установленные на макетной плате, а выход отображается светодиодом.
Обратите внимание, что единственное отличие этого проекта от Проекта 35 заключается в размещении одного из резисторов и нескольких проводов-перемычек.

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

585

Катод

Светодиод

Анод

Детали
»
»
»
»
»

Одна 9-вольтовая батарейка.
Один зажим для 9-вольтовой батарейки.
Одна небольшая беспаечная макетная плата.
Две нормально открытые кнопки DIP на макетной плате.
Один 4011 четырехканальный КМОП-вентиль NAND с двумя
входами.

» Один 5 мм красный светодиод.
» Три резистора по 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» 20 проводов-перемычек.
Порядок действий
1.

Вставьте микросхему 4011.
Вывод 1 должен быть в E10.

Вставьте резисторы R1, R2 и R3.
R1 (1 кОм): E6 — F6.
R2 (1 кОм): E21 — F21.
R3 (1 кОм): H14 — H20.

Вставьте светодиод 1.
Катод (короткий вывод): шина заземления.
Анод (длинный провод): J20.

586

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Вставьте SW1.
Штырьки вставьте в B4, D4, B6 и D6 так, чтобы переключатель размыкался и замыкался через ряды 4 и 6.

Вставьте SW2.
Вставьте штырьки в B21, D21, B23 и D23 так, чтобы переключатель размыкался и замыкался через ряды 21 и 23.

Вставьте провода-перемычки.
1. Положительная шина к A3.
2. Положительная шина к A4.
3. Положительная шина к A23.
4. Шина заземления на J6.
5. Шина заземления на J18.
6. Шина заземления на J21.
7. E3 к F3.
8. E8 к F8.
9. E18 к F18.
10. E19 к F19.
11. A6 к A10.
12. A15 к A21.
13. B10 к B11.
14. B14 к B15.
15. C8 к C12.
16. C13 к C19.
17. D16 к D18.
18. G8 к G15.
19. G16 к G19.
20. I3 к I10.

Подключите провода зажима батарейки.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: шина заземления.

Протестируйте схему.
Вставьте батарейку. Светодиод не горит, поскольку на обоих
входах LOW.
Нажмите первую кнопку. Светодиод загорится. Так как есть
HIGH на одном из двух входов, на выходе будет HIGH, и светодиод загорится.
Отпустите первую кнопку и нажмите вторую. Светодиод снова загорится, на этот раз потому, что HIGH на другом входе.
Теперь одновременно нажмите обе кнопки. Когда на обоих
входах HIGH, светодиод горит в соответствии с таблицей истинности вентиля OR.

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

587

Проект 37. КМОП-вентиль NOR
В этом проекте вы используете все четыре вентиля NAND в КМОПчипе 4011 для создания вентиля NOR. Как показано в табл. 3.9, на выходе вентиля NOR будет LOW, если один из входов (или оба) HIGH.
Если на обоих входах LOW, на выходе HIGH.
ТАБЛ. 3.9.

Таблица истинности вентилей NOR
Вход A

Вход B

Выход

Вентиль NOR — это просто вентиль OR, выход которого инвертирован.
Таким образом, чтобы создать вентиль NOR, вы используете три вентиля
NAND на 4011, чтобы создать вентиль OR, как описано в Проекте 36.
Затем вы используете четвертый вентиль NAND для инвертирования
выхода вентиля OR.
Входы этого вентиля подаются через две кнопки, установленные на макетной плате, а светодиод служит индикатором его выхода.
Обратите внимание: единственное различие между этим проектом
и Проектом 36 — в размещении третьего резистора и добавлении двух
перемычек.

588 ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Катод
Светодиод
Анод

Детали
»
»
»
»
»

» Один 5 мм красный светодиод.
» Три резистора по 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» 22 провода-перемычки.
Порядок действий
1.

Вставьте микросхему 4011.
Вывод 1 должен быть в E10.

Вставьте резисторы R1, R2 и R3.
R1 (1 кОм): E6 — F6.
R2 (1 кОм): E21 — F21.
R3 (1 кОм): H13 — H20.

Вставьте светодиод LED1.
Катод (короткий вывод): шина заземления.
Анод (длинный провод): J20.

ГЛАВА 3.Работа с логическими схемами

589

Вставьте SW1.
Штырьки вставьте в B4, D4, B6 и D6 так, чтобы переключатель размыкался и замыкался через ряды 4 и 6.

Вставьте SW2.
Вставьте штырьки в B21, D21, B23 и D23 так, чтобы переключатель размыкался и замыкался через ряды 21 и 23.

Вставьте провода-перемычки.
1. Положительная шина к A3.
2. Положительная шина к A4.
3. Положительная шина к A23.
4. Шина заземления на J6.
5. Шина заземления на J18.
6. Шина заземления на J21.
7. E3 к F3.
8. E8 к F8.
9. E18 к F18.
10. E19 к F19.
11. A6 к A10.
12. A15 к A21.
13. B10 к B11.
14. B14 к B15.
15. C8 к C12.
16. C13 к C19.
17. D16 к D18.
18. G8 к G15.
19. G16 к G19.
20. H11 к H12.
21. I3 к I10.
22. I12 к I14.

Подключите провода зажима батареи.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: шина заземления.

Вставьте батарейку. Светодиод сразу же загорится. Если
на обоих входах LOW, на выходе вентиля NOR будет HIGH.
Все остальные комбинации входов в вентиле NOR приводят
к тому, что выход становится LOW, выключая светодиод.
Нажмите первую кнопку. Светодиод погаснет. Отпустите
первую кнопку и нажмите вторую. Снова светодиод гаснет.
Теперь нажмите обе кнопки одновременно. Если на обоих
входах HIGH, на выходе будет LOW, поэтому светодиод снова погаснет.

590 ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Одноступенчатые триггеры и синхронные триггеры по уровню

» Двухступенчатые триггеры
» Простые схемы с одно- и двухступенчатыми триггерами

Гл а в а 4

Работа с триггерами
та глава о шлепанцах (ﬂip-ﬂops), но не о тех, которые вы носите.
Мне было бы проще, если б она была о тех шлепанцах, которые у вас на ногах, особенно если б я случайно надел пару шлепанцев во время написания этой книги, потому что это могло бы означать, что я пишу ее на пляже, сидя в шезлонге и смотрю, как дети
играют с волнами.

Разве вам не нравится смотреть, как дети играют с волнами? Они хохочут, гоняясь за убегающей волной. Но когда набегает следующая, дети
разворачиваются и бегут, визжа от восторга, боясь, что волна может их
настигнуть, и они, чего доброго, намокнут.
Увы, эта глава не о том, какие шлепанцы вы носите на пляже. Вместо
этого речь пойдет о шлепающих триггерах, которые хранят данные.
Именно на триггерах построены современные компьютеры.
Не кажется ли вам странным, что один из фундаментальных строительных блоков современных мыслящих машин носит название, которое
говорит о том, что он не может определиться с выбором?
В этой главе вы узнаете, как работать с простыми схемами с двухступенчатыми триггерами, однако сначала я расскажу о более простых
одноступенчатых триггерах.

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

591

Одноступенчатые триггеры
Одноступенчатый триггер (latch) — это логическая схема с двумя входами и одним выходом. Один из входов называется входом SET, другой — входом RESET.
Схемы одноступенчатых триггеров могут быть как активными высокими, так и активными низкими. Разница определяется тем, какой сигнал подается на входы — HIGH или LOW. (Объяснение понятий HIGH
и LOW см. в главе 2 этой части.)

»
»

Активная высокая схема. Оба входа обычно привязаны
к земле (LOW), и триггер срабатывает при кратковременном
сигнале HIGH на любом из входов.
Активная низкая схема. Оба входа обычно HIGH, и защелка
срабатывает при кратковременном сигнале LOW на любом
из входов.

В активном высоком триггере оба входа SET и RESET обычно подключены к земле. Когда вход SET переходит в состояние HIGH, выход также переходит в состояние HIGH. Однако, когда вход SET возвращается
в состояние LOW, выход остается HIGH. Выход активного высокого
триггера остается HIGH до тех пор, пока вход RESET не станет HIGH.
Затем выход возвращается в состояние LOW и снова переходит в состояние HIGH только при повторном срабатывании входа SET.
Другими словами, защелка запоминает, что вход SET был активирован. Если вход SET хоть на мгновение становится HIGH, выход переходит в состояние HIGH и остается HIGH даже после того, как вход
SET возвращается в состояние LOW. Выход возвращается в состояние
LOW только тогда, когда вход RESET переходит в состояние HIGH.
С другой стороны, в активном низком триггере входные сигналы обычно удерживаются в состоянии HIGH. Когда вход SET кратковременно переходит в состояние LOW, выход переходит в состояние HIGH.
Затем выход остается HIGH до тех пор, пока вход RESET не станет LOW.
Обратите внимание, что большинство схем-защелок имеют второй
выход, который представляет собой просто инвертированный первый
выход. Другими словами, когда первый выход находится в состоянии
HIGH, второй — в состоянии LOW, и наоборот. Эти выходы обычно
называют Q и инвертированный Q̄.

592

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

ПРИМЕЧАНИЯ

Горизонтальная черточка в Q̄ над буквой Q — это обычное логическое
сокращение для обозначения инверсии. То есть инвертированный Q̄ —
это обратная величина по отношению к Q. Если Q — HIGH, инвертированный Q̄ — LOW, а если Q — LOW, инвертированный Q̄ — HIGH.
Вы можете легко создать активный высокий триггер из пары вентилей OR, как показано на рис. 4.1. (В главе 2 этой части увидите, что
у выхода вентиля NOR — значение HIGH, если оба входа LOW; в противном случае выход LOW.) В этой схеме вход RESET подключен к одному из входов первого вентиля NOR, а вход SET — к одному из входов второго вентиля NOR. Хитрость схемы одноступенчатого триггера
заключается в том, что выходы вентилей NOR перекрестно подключены к остальным входам вентилей NOR. Другими словами, выход первого вентиля NOR подключен к одному из входов второго NO, а выход второго вентиля NOR подключен к одному из входов первого NOR.

Рис. 4.1.
Схема активного
высокого одноступенчатого
триггера

Это может показаться немного запутанным, но в активном высоком
одноступенчатом триггере вход RESET находится в верхней части схемы, а вход SET подключен к вентилю в нижней части схемы. На первый
взгляд может показаться, что схема подключена вверх ногами. Но для
активного высокого одноступенчатого триггера это стандартный способ изображения схемы, где RESET вверху, а SET — внизу.
Схема активного высокого одноступенчатого триггера показана
на рис. 4.2. Как можно видеть, между этой схемой и схемой на рис. 4.1,
есть несколько отличий.

Рис. 4.2.
Схема активного
низкого одноступенчатого триггера

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

593

»
»
»

В активном низком одноступенчатом триггере вместо вентилей NOR используются вентили NAND.
Входы активные низкие, а не активные высокие, и поэтому называются инвертированным S̄ĒT̄ и инвертированным
R̄ĒS̄ĒT̄, а не SET и RESET.
Положение входов в схеме обратное: инвертированный S̄ĒT̄
подключен к первому вентилю NAND в верхней части схемы,
а инвертированный R̄ĒS̄ĒT̄ подключен ко второму вентилю
NAND в нижней части схемы.

Проекты 38 и 39 показывают, как построить простые схемы активного высокого и активного низкого одноступенчатого триггера, используя четырехканальные вентиль NOR 4001 с двумя входами и вентиль
NAND 4011 с двумя входами. Выходы Q и инвертированный Q̄ используются для управления светодиодами, чтобы вы могли видеть состояние одноступенчатого триггера, а оба входа управляются нормально
разомкнутыми кнопками, так что вы можете запустить триггер, нажав
на кнопки. На рис. 4.3 показан собранный одноступенчатый активный
высокий триггер, а на рис. 4.4 — собранный активный низкий одноступенчатый триггер.
Если сравнить схемы этих двух проектов, можно увидеть, что между
ними есть только два различия.

»
»

Логические вентили. В активной высокой схеме используется ИС 4001, содержащая вентили NOR, а в активной низкой —
ИС 4011, содержащая вентили NAND.
Положения резисторов и переключателей. Положения
R1 и R2, а также SW1 и SW2 изменены на противоположные.
В активной высокой схеме резисторы соединяют два входа
вентиля с землей, а переключатели замыкают входы вентиля
на +6 В. В активной низкой схеме резисторы соединяют входы вентиля с +6 В, а переключатели замыкают входы вентиля
на землю.

Обе эти схемы используют простые кнопочные переключатели для
обеспечения входов триггера. Однако можно легко представить себе
и другие источники импульса триггера. Например, в домашней системе
сигнализации вход SET в активном низком одноступенчатом триггере
может поступать от оконного переключателя, который размыкает контакт при открытии окна, а вход RESET может поступать от ключа замка
на панели управления системой сигнализации для сброса сигнализации.

594

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Рис. 4.3.
Собранный
одноступенчатый
активный
высокий
триггер
(Проект 38 )

Рис. 4.4.
Собранный
одноступенчатый
активный
низкий
триггер
(Проект 39 )

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

595

Прежде чем перейти к следующему разделу, необходимо знать еще
несколько вещей об одноступенчатых триггерах.

»
»

Одноступенчатый триггер с входами SET и RESET часто называют одноступенчатым триггером SR. Также используется
термин ""^
В некоторых случаях может потребоваться одноступенчатый триггер, в котором один из входов активен при HIGH,
а другой — при LOW. Например, ваша домашняя сигнализация
может посылать сигнал HIGH на вход SET при открытии окна,
но сигнал LOW — при необходимости сброса системы.
Это легко сделать, добавив инвертор к одному из входов, как
показано на рис. 4.5. Здесь я использовал вентили NOR для
создания активного высокого одноступенчатого триггера,
но добавил вентиль NOT для инвертирования входа RESET.
Строго говоря, вход RESET вентиля активно высокий, но изза инвертора схема ведет себя так, как если бы вход RESET
был активным низким.

Рис. 4.5.
Одноступенчатый триггер
в инвертированном
SET — активный низкий,
а RESET — активный
высокий

596

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Проект 38. Активный высокий
одноступенчатый триггер
В этом проекте вы используете два вентиля NOR в чипе КМОП 4001 для
построения активного высокого двухступенчатого триггера. Входы этого
триггера управляются двумя кнопками, установленными на макетной
плате. SW1 является входом RESET, а SW2 — входом SET. Выходы отображаются светодиодами. LED1 — это Q, а LED2 — инвертированный Q̄.

Катод
Светодиод
Анод

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

597

Детали
» Четыре батарейки AA.
» Один держатель для четырех батареек AA.
» Одна небольшая беспаечная макетная плата.
» Две нормально открытые кнопки DIP для макетной платы.
» Один 4001 CMOS четырехканальный КМОП-вентиль NOR
с двумя входами.

»
»
»
»

Два красных светодиода 5 мм.
Два резистора 10 кОм (коричневый-черный-оранжевый).
Два резистора 1 кОм (коричневый-черный-красный).
16 проводов-перемычек.

Порядок действий
1.

Вставьте микросхему 4001.
Контакт 1 должен находиться в E10.

Вставьте резисторы R1, R2, R3 и R4.
R1 (10 кОм): E20 до F20.
R2 (10 кОм): E7 до F7.
R3 (1 кОм): E18 до F18.
R4 (1 кОм): от E8 до F8.

Вставьте светодиоды LED1 и LED2.
LED1: от J18 до шины заземления.
LED2: от J8 до шины заземления.
Подключите катод (короткий провод) к шине заземления.

Вставьте SW1.
Штырьки вставьте в B5, D5, B7 и D7 так, чтобы переключатель
открывался и закрывался между рядами 5 и 7.

Вставьте SW2.
Штырьки вставьте в B20, D20, B22 и D22 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 20 и 22.

Вставьте перемычки.
1. Положительная шина к A4.
2. Положительная шина к A5.
3. Положительная шина к A22.

598

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

4. Шина заземления к J7.
5. Шина заземления к J19.
6. Шина заземления к J20.
7. E4 к F4.
8. E19 к F19.
9. A7 к A10.
10. A15 к A20.
11. B8 к B12.
12. B13 к B18.
13. C12 к C14.
14. D11 к D13.
15. D16 к D19.
16. G4 к G10.

Подключите перемычки держателя батареи.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: заземляющая шина.

Протестируйте схему.
Вставьте батарейки. В начальном состоянии Q, скорее всего,
будет LOW, а инвертированный Q̄ будет HIGH, поэтому LED1
не будет гореть, а LED2 будет. (В некоторых случаях может
быть и наоборот. Начальное состояние одноступенчатого
триггера SR нельзя узнать заранее.)
Независимо от того, горит ли светодиод LED1 или LED2 при
включении цепи, нажмите и отпустите кнопку сброса (SW1),
чтобы сбросить триггер. Q переходит в состояние LOW,
а инвертированный Q̄ — в состояние HIGH, поэтому светодиод LED1 гаснет, а светодиод LED2 загорается. На этом этапе вы можете нажимать кнопку сброса (SW1) несколько раз,
не изменяя состояние выхода.
Теперь нажмите и отпустите кнопку SET (SW2). Q переходит
в состояние HIGH, а инвертированный Q̄ — в состояние LOW,
поэтому светодиод LED1 загорается, а светодиод LED2 гаснет. Состояние выхода остается неизменным при отпускании
кнопки SET (SW2). Вы можете нажимать и отпускать кнопку SET несколько раз, не влияя на выход.
Наконец, снова нажмите и отпустите кнопку сброса (SW1),
чтобы сбросить защелку. Q переходит в состояние LOW,
а инвертированный Q̄ — в состояние HIGH, поэтому светодиод LED1 гаснет, а светодиод LED2 загорается, указывая, что
защелка сброшена. Вы можете повторить процесс, чтобы
убедиться: нажатие кнопки SET (SW2) устанавливает выход Q
в состояние HIGH, а нажатие кнопки RESET (SW1) сбрасывает
триггер, так что Q переходит в состояние LOW.

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

599

Проект 39. Активный низкий
одноступенчатый триггер
В этом проекте вы используете два вентиля NAND в микросхеме КМОП
4011 для построения активного низкого одноступенчатого триггера.
Входы этого триггера управляются двумя кнопками, установленными
на макетной плате (SW1 — инвертированный S̄ĒT̄, а SW2 — инвертированный R̄ĒS̄ĒT̄), а его выходы отображают светодиоды (LED1 — Q,
LED2 — инвертированный Q̄).

600 ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Катод
Светодиод
Анод

Детали
» Четыре батарейки AA.
» Один держатель для четырех батареек AA.
» Одна небольшая беспаечная макетная плата.
» Две нормально открытые кнопки DIP для макетной платы.
» Один четырехканальный КМОП-вентиль 4011 с двумя входами NAND.

»
»
»
»

Два красных светодиода 5 мм.
Два резистора 10 кОм (коричневый-черный-оранжевый).
Два резистора 1 кОм (коричневый-черный-красный).
18 соединительных проводов.

Порядок действий
1.

Вставьте микросхему 4011.
Штырек 1 должен быть в E10.

Вставьте резисторы R1, R2, R3 и R4.
R1 (10 кОм): A7 к положительной шине.
R2 (10 кОм): A20 к положительной шине.
R3 (1 кОм): E18 к F18.
R4 (1 кОм): E8 к F8.

Вставьте светодиоды LED1 и LED2.
LED1: J8 к шине заземления.
LED2: J18 к шине заземления.
Подключите катод (короткий провод) к шине заземления.

Вставьте SW1.
Штырьки должны быть вставлены в A4, C4, A6 и C6 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 4 и 6.

Вставьте SW2.
Штырьки вставьте в A21, C21, A23 и C23 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 21 и 23.

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

601

Вставьте перемычки.
1. Положительная шина к A3.
2. Шина заземления к J4.
3. Шина заземления к J19.
4. Шина заземления к J23.
5. E3 к F3.
6. E4 к F4.
7. E19 к F19.
8. E23 к F23.
9. B8 к B12.
10. B13 к B18.
11. C12 к C14.
12. C16 к C19.
13. D7 к D10.
14. D11 к D13.
15. D15 к D20.
16. E6 к E7.
17. E20 к E21.
18. G3 к G10.

Подключите провода держателя батареи.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: заземляющая шина.

Протестируйте схему.
Вставьте батарейки. В исходном состоянии Q находится в состоянии LOW, а инвертированный Q̄ — в состоянии HIGH, поэтому светодиод LED2 горит, а светодиод LED1 не горит.
Нажмите и отпустите кнопку SET (SW1), чтобы перевести
триггер в SET. Q переходит в состояние HIGH, а инвертированный Q̄ — в состояние LOW, поэтому светодиод LED1
включается, а светодиод LED2 выключается. Вы можете нажимать и отпускать SW1 несколько раз, не изменяя состояние выхода.
Теперь нажмите и отпустите кнопку сброса (SW2). Q возвратится в состояние LOW, а инвертированный Q̄ станет HIGH.
Можете нажимать и отпускать SW2 несколько раз, опять же
не влияя на выход. Но если вы нажмете SW1, триггер перейдет в SET, поэтому светодиод LED1 загорится, а светодиод LED2 погаснет.

602

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Рассмотрим триггерные защелки
Триггерные защелки (gated latch) — это одноступенчатый триггер, имеющий третий вход, который должен быть активен, чтобы входы SET
и RESET могли работать. Этот третий вход иногда называют ENABLE,
поскольку он включает работу входов SET и RESET.
Вход ENABLE может быть подключен к простому выключателю. Когда
выключатель замкнут, входы SET и RESET активируются; когда разомкнут, любые изменения во входах SET и RESET игнорируются.
В качестве альтернативы вход ENABLE можно подключить к тактовому импульсу. Например, можно подключить выход таймера 555 к входу ENABLE. Тогда входы защелки будут работать, когда выход таймера 555 в состоянии HIGH. Обратите внимание, что вход ENABLE часто
называют входом CLOCK. (Дополнительные сведения о таймерах 555
см. в главе 2 части 3.)
Вы можете легко добавить вход ENABLE к защелке, добавив пару элементов NAND, как показано на рисунке 4.6. Здесь входы SET и RESET
(SR latch) подключаются к одному из входов каждого из двух NANDэлементов. Вход ENABLE подключается к другому входу каждого
NAND-элемента. Затем выходы этих элементов используются как входы для базовой схемы защёлки.

Рис. 4.6.
Одноступенчатый
триггер SR
с вентилем

Другой распространенный тип одноступенчатого триггера с вентилем
называется одноступенчатым триггером D с вентилем, у которого
только два входа: DATA и ENABLE. Когда на входе ENABLE поступает сигнал HIGH, вход DATA копируется на выход. Даже если вход
ENABLE затем переходит в LOW, выход не изменяется. Выход не меняется, пока вход ENABLE не перейдет в HIGH.
Чтобы создать одноступенчатый триггер D с вентилем из одноступенчатого триггера SR с вентилем, просто соедините входы SET и RESET

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

603

через инвертор, как показано на рис. 4.7. Входы SET и RESET всегда
будут противоположны друг другу. Когда DATA находится в состоянии HIGH, вход SET — в состоянии HIGH, а вход RESET — в состоянии LOW. Когда вход DATA находится в состоянии LOW, вход SET —
в состоянии LOW, а вход RESET — в состоянии HIGH.

Рис. 4.7.
Одноступенчатый
триггер D
с вентилем

Проект 40 показывает, как собрать одноступенчатый триггер D с вентилем, используя два четырехканальных вентиля NAND 4011. Требуются
два чипа 4011, потому что для одноступенчатого триггера нужно в общей сложности пять вентилей (четыре вентиля NAND и один вентиль
NOT), а каждый 4011 обеспечивает только четыре. В главе 2 этой части
объясняется, что можно собрать вентиль NOT из вентиля NAND, просто соединив два входа вентиля NAND вместе. В этом проекте вы используете это решение для преобразования одного из вентилей NAND
микросхемы 4011 в вентиль NOT.

Рис. 4.8.
Собранный
одноступенчатый
D-триггер
с вентилем
(Проект 40 )

604

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

На рис. 4.8 показан собранный одноступенчатый D-триггер. В этой схеме кнопка входа ENABLE находится на верхней стороне макетной платы в столбцах B–D, а кнопка входа DATA — на нижней стороне макетной платы в столбцах F–G. Выход Q обозначен светодиодом в нижней
части макетной платы в H30 и I29, а выход Q̄ — светодиодом в верхней
части макетной платы в A28 и B29.
После сборки схемы вы можете управлять одноступенчатым триггером следующим образом:

Установите выход Q в состояние HIGH. Сначала нажмите
и удерживайте кнопку ввода DATA, а затем нажмите и отпустите кнопку ввода ENABLE, чтобы активировать триггер.
Затем отпустите кнопку ввода DATA. Светодиод Q загорается,
указывая, что выход находится в состоянии HIGH, и продолжает гореть, даже если отпустить кнопки ENABLE и DATA.
Светодиод Q продолжает гореть, потому что значение входа,
которое было считано при нажатии кнопки ENABLE, удерживается триггером.
Установите выход Q в состояние LOW (что устанавливает выход инвертированный Q̄ в состояние HIGH). Просто
нажмите и отпустите кнопку ENABLE, не нажимая кнопку
DATA. Светодиод Q гаснет, а светодиод инвертированного Q̄ загорается, когда нажмете кнопку ENABLE, если вход
на переключателе DATA был в состоянии LOW. Поэтому
выход Q станет LOW и останется LOW, когда отпустите
кнопку ENABLE.

Работа одноступенчатого D-триггера с вентилем может показаться запутанной, потому что нажатие кнопки ENABLE само по себе, кажется, сбрасывает триггер. На самом деле это не так. Вместо этого каждый
раз, когда вы нажимаете кнопку ENABLE, выход Q устанавливается
в соответствии со входом.
Чтобы понять, как работает одноступенчатый D-триггер с вентилем,
когда вход ENABLE подключен к часам, нажмите и быстро отпустите
кнопку ENABLE примерно раз в секунду, как если бы она была подключена к метроному. Каждое нажатие кнопки ENABLE представляет собой такт часов. Продолжая нажимать кнопку ENABLE, нажмите
и удерживайте кнопку DATA в течение нескольких нажатий ENABLE.
Обратите внимание: светодиод Q загорается, указывая, что выход HIGH
и остается высоким. Теперь отпустите кнопку DATA и продолжайте
нажимать кнопку ENABLE. Светодиод Q погаснет, указывая, что значение LOW на входе DATA было считано.

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

605

Проект 40. Одноступенчатый
триггер D с вентилем
В этом проекте вы используете пять вентилей NAND, предоставляемых двумя микросхемами КМОП 4011 для создания одноступенчатого триггера D с вентилем. Входы управляются двумя кнопками, установленными на макетной плате, а выходы отображаются светодиодами.

Катод
Светодиод
Анод

606

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Детали
» Четыре батарейки AA.
» Один держатель для четырех батареек AA.
» Одна небольшая беспаечная макетная плата.
» Две нормально открытые DIP-кнопки для макетной платы.
» Два 4011 четырехканальных КМОП-вентиля NAND с двумя
входами.

»
»
»
»

Два 5-миллиметровых красных светодиода.
Два резистора 10 кОм (коричневый-черный-оранжевый).
Два резистора 1 кОм (коричневый-черный-красный).
35 соединительных проводов.

Порядок действий
1.

Вставьте микросхемы 4011.
Для первой микросхемы штырек 1 должен быть в E10.
Для второй микросхемы — в E20.

Вставьте резисторы R1, R2, R3 и R4.
R1 (10 кОм): J8 к шине заземления.
R2 (10 кОм): J2 к шине заземления.
R3 (1 кОм): C23 к C28.
R4 (1 кОм): G28 к G30.

Вставьте светодиоды LED1 и LED2.
LED1: катод в I29, анод в H30.
LED2: катод в B29, анод в A28.

Вставьте SW1.
Штырьки вставьте в B4, D4, B6 и D6 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 4 и 6.

Вставьте SW2.
Штырьки должны быть вставлены в F5, H5, F7 и H7 так, чтобы
переключатель открывался и закрывался между рядами 5 и 7.

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

607

Вставьте перемычки.
1. Положительная шина к A3.
2. Положительная шина к A4.
3. Положительная шина к A9.
4. Шина заземления к J17.
5. Шина заземления к J27.
6. Шина заземления к J29.
7. E3 к F3.
8. E8 к F8.
9. E9 к F9.
10. E17 к F17.
11. E18 к F18.
12. E19 к F19.
13. E27 к F27.
14. E29 к F29.
15. A6 к C11.
16. A12 к A20.
17. A21 к A23.
18. B11 к B14.
19. B15 к B18.
20. От B22 к B24.
21. От C16 к C17.
22. От C19 к C22.
23. От D8 к D10.
24. От D13 к D25.
25. От D26 к D27.
26. От G2 к E6.
27. От G9 к G10.
28. От G11 к G12.
29. G13 к G18.
30. H8 к H12.
31. H19 к H28.
32. I7 к I8.
33. H19 к H28.
34. J3 к J5.
35. I10 к I20.

Подключите провода батарейки.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: заземляющая шина.

Проверьте цепь.
Подключите батарейки. В исходном состоянии входные данные не считываются. Выход Q находится в состоянии LOW,
поэтому светодиод Q не горит, а светодиод инвертированного Q̄ горит.

608 ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Нажмите и удерживайте кнопку INPUT и нажмите кнопку
ENABLE. При нажатии кнопки ENABLE вход будет считываться, и светодиод Q загорится. (Светодиод инвертированного Q̄ погаснет, чтобы показать обратное значение входных
данных.)
Нажмите кнопку ENABLE еще раз, не удерживая кнопку INPUT. Вход будет считан снова, и светодиод Q погаснет,
чтобы показать, что выход равен нулю. (Светодиод инвертированного Q̄ загорится, чтобы показать обратное значение
выхода.)

Двухступенчатые триггеры
Двухступенчатые триггеры — это особый тип одноступенчатых триггеров с вентилем. Отличие двухступенчатых триггеров от одноступенчатых с вентилем в том, что в первых входы активируются не просто при
наличии сигнала HIGH на входе CLOCK. Вместо этого входы активируются при переходе входа CLOCK. В момент перехода входа тактового генератора из LOW в HIGH входы на короткое время включаются.
Как только тактовый генератор стабилизируется в состоянии HIGH,
состояние выхода двухступенчатого триггера фиксируется до следующего тактового импульса.
Часто двухступенчатые триггеры называют триггерами по фронту, потому что именно фронт тактового сигнала запускает триггер. При использовании в тактовых компьютерных схемах фронтовое срабатывание
является важной характеристикой, поскольку помогает разработчикам
схем лучше контролировать синхронизацию в схемах, содержащих сотни или даже тысячи триггеров.
Схема, которая позволяет триггеру реагировать только на передний
фронт, может быть довольно сложной. Один из простейших методов
заключается в подаче тактового сигнала на вентиль NAND, пропуская
один из выводов через инвертор, как показано на рис. 4.9. Это работает, потому что во всех логических вентилях существует очень небольшая задержка между моментом поступления сигнала на вход и поступлением правильного сигнала на выход.
Рис. 4.9.
Схема,
обнаруживающая
переход
тактового
сигнала

ГЛАВА 4.Работа с триггерами 609

Здесь я расскажу вам, что происходит, когда тактовый сигнал переходит из состояния LOW в состояние HIGH на рис. 4.9.

Изначально входной тактовый сигнал находится в состоянии LOW. Инвертор вызывает переход первого входа вентиля NAND (обозначенного на рисунке цифрой 1) в состояние
HIGH, в то время как второй вход находится в состоянии
LOW. Поскольку оба входа не находятся в состоянии HIGH,
выход вентиля NAND в точке 2 на рисунке находится в состоянии HIGH. Второй инвертор инвертирует выход вентиля
NAND, поэтому конечный выход схемы в точке 3 находится
в состоянии LOW, как и тактовый вход.

Когда входной сигнал тактового генератора становится
HIGH, второй вход вентиля NAND немедленно становится
HIGH. Однако инвертор реагирует с задержкой в несколько миллисекунд, поэтому в течение этих нескольких миллисекунд на выходе инвертора остается HIGH. Таким образом, оба входа вентиля NAND находятся в состоянии HIGH
в течение нескольких миллисекунд, что приводит к тому, что
выход вентиля NAND в точке 2 на рисунке переходит в состояние LOW. Затем второй вентиль NOT инвертирует выход
вентиля NAND, в результате чего выход в точке 3 сигнала
на мгновение переходит в состояние HIGH.

Как только первый вентиль NOT догоняет и его выход переходит в состояние LOW (в точке 1 на рисунке), вентиль
NAND реагирует на входные сигналы LOW и HIGH, устанавливая свой выход в состояние HIGH в точке 2 на рисунке.
Затем второй вентиль NOT инвертирует этот выход
в точке 3 на рисунке.

В результате работы схемы, показанной на рис. 4.9, длинные тактовые
импульсы превращаются в короткие. Продолжительность между импульсами остается прежней, но часть импульса HIGH становится намного короче.
Триггеры предназначены для схем, в которых используются стабильные
тактовые импульсы. Простой способ обеспечить тактовые импульсы
для схемы триггера — использовать таймер IC 555, как описано в главе 2
части 3. Однако источником входного сигнала для входа CLOCK триггера не обязательно должен быть реальный тактовый генератор; им
также может быть однократный входной сигнал, запускаемый кнопкой.

610

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Как и в случае с защелками, существует несколько различных типов
триггеров. Назову наиболее распространенные.

Двухступенчатый SR-триггер. Аналогичен одноступенчатому SR-триггеру. Помимо входа CLOCK, у двухступенчатого
SR-триггера два входа, обозначенных как SET и RESET. Если
SET в состоянии HIGH при запуске тактового генератора,
выход Q переходит в состояние HIGH. Если вход RESET в состоянии HIGH при запуске тактового генератора, выход Q
переходит в состояние LOW.
Обратите внимание: в двухступенчатом SR-триггере входы
SET и RESET не должны быть оба в состоянии HIGH при запуске тактового генератора. Это считается недействительным
состоянием входа, и в результате при возникновении такого
состояния выходной сигнал будет непредсказуемым.

Двухступенчатый D-триггер. Только один вход в дополнение
к входу CLOCK. Этот вход называется входом DATA. Когда
запускается такт, выход Q согласовывается с входом DATA.
Таким образом, если вход DATA в состоянии HIGH, выход Q
переходит в состояние HIGH, а если вход DATA в состоянии
LOW, выход Q переходит в состояние LOW.
Большинство двухступенчатых триггеров типа D также
включают входы S и R, которые позволяют устанавливать
или сбрасывать триггер. Обратите внимание, что входы S и R
двухступенчатого триггера D игнорируют вход CLOCK. Таким
образом, если вы подадите сигнал HIGH на S или R, триггер
будет немедленно установлен или сброшен — без ожидания
тактового импульса.

Двухступенчатый JK-триггер. Распространенная разновидность двухступенчатого SR-триггера. У двухступенчатого
JK-триггера два входа, обозначенных J и K. Вход J соответствует входу SET в SR-триггере, а вход K — входу RESET.
Разница между JK-триггером и SR-триггером в том, что в JKтриггере оба входа могут быть в состоянии HIGH. Когда J и K
в состоянии HIGH, выход Q 6 C он чередуется
между состояниями HIGH и LOW. Например, если выход Q
в состоянии HIGH при срабатывании тактового импульса, а J
и K — в состоянии HIGH, выход Q устанавливается в состояние LOW. Если тактовый импульс срабатывает снова, а J и K
остаются в состоянии HIGH, выход Q снова устанавливается
в состояние HIGH — и т. д. При этом выход Q переключается
из состояния HIGH в состояние LOW при каждом тактовом
импульсе.

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

611

Двухступенчатый T-триггер. Это просто JK-триггер, в котором выход чередуется между HIGH и LOW с каждым тактовым импульсом. Переключатели широко используются
в логических схемах, поскольку их можно комбинировать для
формирования счетных схем, которые считают количество
полученных тактовых импульсов.
Вы можете создать двухступенчатый триггер T из двухступенчатого триггера D, подключив выход инвертированного Q̄ непосредственно к входу D. Таким образом, при каждом
получении тактового импульса текущее состояние выхода Q
инвертируется (это и есть выход инвертированный Q̄) и подается обратно на вход D. Это приводит к тому, что выход
чередует состояния HIGH и LOW.
Вы также можете создать двухступенчатый триггер T из двухступенчатого триггера JK, просто подключив входы J и K
к HIGH. Когда J и K в состоянии HIGH, двухступенчатый триггер JK действует как переключатель.

Хотя вы можете создать свои собственные схемы двухступенчатых триггеров, используя вентили NAND, гораздо проще использовать интегральные схемы, содержащие двухступенчатые триггеры. Распространенный
пример — двухступенчатый триггер 4013 Dual D Flip-Flop. Этот чип содержит два двухступенчатых триггера типа D в 14-контактном корпусе DIP. Расположение выводов приведено в табл. 4.1.

СОВЕТ

При использовании одного из двухступенчатых триггеров в микросхеме 4013 обязательно подключите все неиспользуемые входы к земле.
Все неиспользуемые входы в логических микросхемах КМОП должны
быть подключены к земле, но для простых схем на макетной плате подключение к земле обычно не требуется. Однако входы DATA и CLOCK
триггера 4013 не будут работать должным образом, если не подключить
входы SET и RESET к земле.
Проект 41 показывает, как использовать микросхему 4013 для создания
базового двухступенчатого D-триггера. Эта схема работает почти так
же, как одноступенчатый D-триггер, которую вы создали в Проекте 40.
Однако для нее требуется только одна микросхема, а не две, и схема
подключения намного проще. Это потому, что инженеры, разработавшие микросхему 4013, сгруппировали все соединения между отдельными вентилями NAND в микросхеме, поэтому не нужно соединять
вентили на макетной плате. Вместо этого нужно только подключить
входы и выходы и посмотреть, как работает схема. На рис. 4.10 показана собранная схема.

612

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

ТАБЛ. 4.1.

Расположение выводов для микросхемы
4013 Dual D Flip-Flop IC xxx

Штырек Название Описание
1

Штырек Название Описание

Выход Q три- 8
ггера 1

SET2

Вход SET
триггера 2

Инверти- Выход инвер- 9
рованный тированный Q̄
¯
Q̄1
триггера 1

DATA2

Вход DATA
триггера 2

CLOCK1

Вход CLOCK
триггера 1

RESET2

Вход RESET
триггера 2

RESET1

Вход RESET
триггера 1

CLOCK2

Вход CLOCK
триггера 2

DATA1

Вход DATA
триггера 1

Q̄2̄

Выход Q̄
триггера 2

SET

Вход SET
триггера 1

Выход Q
триггера 2

GND

Заземление

VDD

От +3 до 15 В

Рис. 4.10.
Собранная схема
двухступенчатого
D-триггера
(Проект 41 )

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

613

Проект 41. Триггер D
В этом проекте вы построите схему, демонстрирующую работу двухступенчатого триггера D. В этой схеме используется один из двух двухступенчатых триггеров микросхемы 4013 Dual D Flip-Flop. Входы данных
и тактовой частоты управляются с помощью кнопок, установленных
на макетной плате, выход Q подключен к светодиоду, а инвертированный Q̄ не подключен.

614

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Катод
Светодиод
Анод

Детали
» Четыре батарейки AA.
» Один держатель для четырех батареек AA.
» Одна небольшая беспаечная макетная плата.
» Две нормально открытые DIP-кнопки для макетной платы.
» Один 4013 CMOS Dual D Flip-Flop.
» Один красный светодиод 5 мм.
» Два резистора 10 кОм (коричневый-черный-оранжевый).
» Один резистор 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» 15 проводов-перемычек.
Порядок действий
1.

Вставьте микросхему 4013.
Контакт 1 должен находиться в E10.

Вставьте резисторы R1, R2 и R3.
R1 (10 кОм): E20 до F20.
R2 (10 кОм): E6 до F6.
R3 (1 кОм): E8 до F8.

Вставьте светодиод LED1.
Катод (короткий вывод): шина заземления.
Анод (длинный вывод): J8.

Вставьте SW1.
Штырьки вставьте в B20, D20, B22 и D22 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 20 и 22.

Вставьте SW2.
Штырьки должны быть вставлены в B4, D4, B6 и D6 так, чтобы переключатель открывался и закрывался между рядами 4 и 6.

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

615

Вставьте перемычки.
1. Положительная шина к A3.
2. Положительная шина к A4.
3. Положительная шина к A22.
4. Шина заземления к J6.
5. Шина заземления к J18.
6. Шина заземления к J20.
7. E3 к F3.
8. E18 к F18.
9. A6 к A12.
10. A14 к A20.
11. B13 к B18.
12. C15 к C18.
13. D8 к D10.
14. D16 к D18.
15. G3 к G10.

Подключите провода аккумулятора.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: заземляющая шина.

Проверьте схему.
Вставьте батарейки. Нажмите и удерживайте кнопку DATA,
чтобы указать вход HIGH; затем нажмите и отпустите кнопку CLOCK, чтобы прочитать вход. Светодиод загорится, указывая, что выход установлен в состояние HIGH.
Теперь нажмите и отпустите кнопку CLOCK, не нажимая
кнопку DATA.
На этот раз входной сигнал LOW, поэтому светодиод выключается, указывая на новое состояние выхода.

616

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Проект 42 показывает, как построить двухступенчатый T-триггер, в котором при каждом нажатии кнопки светодиод на выходе попеременно
включается и выключается. В этом проекте выход Q̄ подключен к входу DATA. Затем, каждый раз, когда вход CLOCK переходит в состояние HIGH, инвертированный выход с выхода Q̄ подается на вход DATA.
Это приводит к инвертированию выхода Q. На рис. 4.11 показана собранная схема.

Рис. 4.11.
Собранная
схема двухступенчатого
счетного
T-триггера
(Проект 42 )

Проект 42. Двухступенчатый
счетный T-триггер
В этом проекте вы построите двухступенчатый T-триггер, используя
ИС 4013 Dual D Flip-Flop. Тактовый вход подключен к кнопке, установленной на макетной плате, а выход Q подключен к светодиоду.
Выход Q̄ подключен к входу DATA, поэтому выход Q инвертируется
при каждом тактовом импульсе.

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

617

Катод
Светодиод
Анод

Детали
» Четыре батарейки AA.
» Один держатель для четырех батареек AA.
» Одна маленькая беспаечная макетная плата.
» Одна нормально разомкнутая кнопка DIP на макетной плате.
» Один 4013 CMOS Dual D Flip-Flop.
» Один 5 мм красный светодиод.
» Один резистор 10 кОм (коричневый-черный-оранжевый).
» Один резистор 1 кОм (коричневый-черный-красный).
» 15 проводов-перемычек.

618

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Порядок действий
1.

Вставьте микросхему 4013.
Штырек 1 должен быть в E10.

Вставьте резисторы R1 и R2.
R1 (10 кОм): E6 — F6.
R2 (1 кОм): E8 — F8.

Вставьте светодиод LED1.
Катод (короткий провод): шина заземления.
Анод (длинный провод): J8.

Вставьте SW1.
Штырьки вставьте в B4, D4, B6 и D6 так, чтобы переключатель размыкался и замыкался через ряды 4 и 6.

Вставьте провода-перемычки.
1. Положительная шина к A3.
2. Положительная шина к A4.
3. Шина заземления к J6.
4. Шина заземления на J18.
5. E3 к F3.
6. E18 к F18.
7. A6 к A12.
8. B13 к B18.
9. C15 к C18.
10. D8 к D10.
11. D11 к D14.
12. D16 к D18.
13. G3 к G10.

Подключите провода батарейки.
Красный провод: положительная шина.
Черный провод: шина заземления.

Протестируйте цепь.
Вставьте батарейки. Нажмите и отпустите кнопку. Загорится
светодиод, указывающий на то, что на выходе HIGH. Нажмите
и отпустите кнопку еще раз, чтобы выключить светодиод.
При каждом нажатии кнопки выход переключается с LOW
на HIGH или с HIGH на LOW.

ГЛАВА 4.Работа с триггерами

619

Дребезг тактового входа
Когда вы используете механический переключатель для запуска тактового входа двухступенчатого триггера, скорее всего, будет происходить
некоторый дребезг из-за того, что контакты переключателя замыкаются не полностью, а немного отскакивают при первом соприкосновении. Этот дребезг обычно происходит с интервалом в несколько миллисекунд, он может сбить двухступенчатый триггер с толку, поскольку тот
считает, что каждый дребезг контактов переключателя — это отдельное
нажатие кнопки. Таким образом, вместо того чтобы просто переключить светодиод, подключенный к выходу Q, с выключенного на включенный, одно нажатие кнопки может переключить его с выключенного на включенный, затем снова выключить, затем включить, затем
снова выключить и т. д., пока переключатель не установится в полностью закрытое положение.
Существует несколько способов устранить дребезг механического переключателя, то есть устранить эффект дребезга. Самый простой — подключить механический переключатель к схеме однотактного таймера,
который использует RC-сеть для создания очень короткого временного интервала, например 10 или 20 мс. Хотя этот интервал и мал, его достаточно, чтобы устранить отрицательный эффект дребезга.

620

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Микроконтроллеры и принципы их
работы

» Программирование
микроконтроллеров

» Цифровые выводы ввода/вывода
микроконтроллеров

Гл а в а 5

Знакомство
с микроконтроллерами
первые я узнал о микроконтроллерах много лет назад, когда хотел
сделать автоматизированную игрушку для Хэллоуина. Игрушка
представляла собой похожее на Франкенштейна существо, которое было прикреплено к пневматически открывающемуся механизму. Ничего не подозревающие любители фокусов заходили в лабораторию Франкенштейна, где существо сидело на большом рабочем столе.
Через несколько мгновений раздавался голос: «Оно живое! Оно живое! Оно живое!» — и начинали мигать огоньки. Затем существо начинало подергиваться, а потом выскакивало с криком puttin' on the Ritz! 1
Когда существо выскакивало, его освещал яркий прожектор. Через несколько секунд свет гас, и существо ложилось обратно.

Я задумался, как создать электронную схему для управления игрушкой. Это можно было сделать с помощью старого компьютера и реле,
которое подключалось бы к параллельному порту компьютера. Но потом я понял, что интереснее и не сильно дороже сделать эту игрушку с помощью микроконтроллера, а не старого ноутбука и платы реле
с параллельным портом. Поэтому я решил сделать реквизит с помощью микроконтроллера. Микроконтроллер будет управлять всей последовательностью освещения и движения игрушки и даже сможет

Puttin’ on the Ritz — это название популярной джазовой песни 1929 года, написанной Ирвингом
Берлином. Во многих англоязычных странах, а особенно после сцены из комедийного фильма
«Молодой Франкенштейн» (1974), эта фраза ассоциируется с неожиданными, забавными или
абсурдными танцевальными номерами, исполняемыми вроде бы «страшными» персонажами. —
Прим. ред.

ГЛАВА 5.Знакомство с микроконтроллерами

621

воспроизводить звуки, когда существо начнет просыпаться, а затем
наконец всплывет.
В двух словах, микроконтроллер — это небольшой компьютер на одной
плате. В этой главе вы познакомитесь с некоторыми базовыми понятиями микроконтроллеров. Затем в двух следующих частях узнаете, как
пользоваться популярными микроконтроллерами Arduino и Raspberry Pi.
В этой главе вы узнаете несколько основных понятий, применимых
к микроконтроллерам всех типов: что они собой представляют, как их
программируют и как их можно подключить к внешнему миру с помощью цифровых выводов ввода/вывода. Специфику работы с микроконтроллерами Arduino и Raspberry Pi вы узнаете в частях 6 и 7.

Знакомство с микроконтроллерами
Микроконтроллер — это полноценный компьютер на одном кристалле.
Как и все компьютерные системы, микрокомпьютеры состоят из нескольких основных подсистем.

Центральный процессор (ЦП). Мозг микропроцессора. ЦП
выполняет инструкции, которые передаются программой.
Центральный процессор может выполнять основные арифметические действия, другие операции, необходимые для
правильного функционирования компьютера (перемещение
данных из одного раздела памяти в другой или получение
данных на вход из внешнего мира).
Процессор микроконтроллера обычно намного проще, чем
процессор настольного компьютера. Однако концептуально он очень похож. Фактически процессоры, используемые
во многих современных микроконтроллерах, настолько же
совершенны, как и процессоры, использовавшиеся в настольных компьютерах всего несколько лет назад.

» Часы. Центральный процессор и другие компоненты микро-

контроллера управляются тактовым генератором, который
обеспечивает синхроимпульсы, управляющие темпом выполнения программных инструкций по мере их поочередного выполнения центральным процессором. В большинстве
микроконтроллеров тактовая частота составляет несколько
миллионов тактов в секунду. В отличие от этого, часы, управляющие обычным настольным компьютером, тикают со скоростью несколько миллиардов тиков в секунду.

622

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Оперативная память с произвольным доступом (Random
access memory, RAM). Обеспечивает место для хранения
данных, над которыми работает компьютер. Например, если
вы хотите, чтобы компьютер определил результат вычисления (например, 2 + 2), нужно указать место в оперативной
памяти, где компьютер сможет сохранить результат.
В настольном компьютере объем доступной оперативной памяти измеряется в миллиардах байт (ГБ — гигабайт).
У микроконтроллеров обычно гораздо меньше доступной
им оперативной памяти. Например, у типичного процессора
Arduino есть 2 КБ оперативной памяти, а у некоторых версий
BASIC Stamp — всего 32 байта оперативной памяти. Одна
из проблем программирования микроконтроллеров — это
придумать, как ваша программа сможет работать, используя
так мало памяти.

EEPROM. Специальный тип памяти, в которой хранится программа, выполняемая микроконтроллером. EEPROM расшифровывается как Electrically Erasable Programmable Read-Only
Memory.
EEPROM — это память
. а это значит, что
после сохранения данных в EEPROM они не могут быть изменены программой, запущенной на процессоре микроконтроллера. Однако можно записать данные в память EEPROM,
подключив ее к компьютеру через порт USB. Затем компьютер может отправить данные в EEPROM.
Как программируются микроконтроллеры. С помощью
специального программного обеспечения на ПК вы создаете
программу, которую хотите запустить на микроконтроллере. Затем подключаете микроконтроллер к компьютеру
и передаете программу с компьютера на микроконтроллер.
И микроконтроллер выполняет инструкции, изложенные
в программе.
У большинства микроконтроллеров память EEPROM объемом
несколько тысяч байт, что вполне достаточно для хранения
относительно сложных программ, загруженных с ПК.
Одна из важнейших особенностей памяти EEPROM в том, что
она не теряет свои данные при отключении питания. После
переноса программы из ПК в EEPROM микроконтроллера
она остается в нем до тех пор, пока ее не заменить другой
программой. Вы можете выключить микроконтроллер и положить его на полку шкафа на долгие годы, а когда снова
включите, программа, записанная много лет назад, снова
заработает.

ГЛАВА 5.Знакомство с микроконтроллерами

623

Штырьки (контакты) ввода/вывода. Одна из важнейших
характеристик микроконтроллера — его контакты ввода/
вывода, которые позволяют микроконтроллеру общаться
с внешним миром. Хотя некоторые микроконтроллеры имеют
отдельные входные и выходные контакты, у большинства общие контакты ввода/вывода, которые могут использоваться
как для ввода, так и для вывода.
Обычно контакты ввода/вывода используют базовый логический интерфейс TTL, который я описываю в этой части:
HIGH (логическая 1) представлено +5 В, а LOW (логический 0)
представлено 0 В.
Большинство микроконтроллеров могут работать
с небольшим током, проходящим непосредственно через
контакты ввода/вывода. Обычно это от 20 мА до 25 мА.
Этого достаточно, чтобы зажечь светодиод, но схемы,
требующие большего тока, должны изолировать нагрузку
с большим током от выводов ввода/вывода микроконтроллера. Обычно это делается с помощью транзисторного
драйвера.

Программирование микроконтроллера
Если вы никогда раньше не занимались программированием, вас ждет
веселое и увлекательное приключение, в ходе которого вы узнаете
много нового о том, как на самом деле работают компьютеры. В двух
словах, компьютерная программа — это набор письменных инструкций, которые компьютер умеет читать, интерпретировать и выполнять.
Инструкции написаны на языке, который могут читать и люди, и компьютеры. Язык этих инструкций достаточно похож на английский, чтобы знающие английский могли понять, что они означают.
(Существуют языки программирования, основанные на других языках народов мира, но англоязычные языки программирования — самые популярные во всем мире.)
Компьютерные программы хранятся в текстовых файлах, состоящих
из одной или нескольких строк письменных инструкций. В большинстве случаев каждая строка компьютерной программы содержит одну
инструкцию. Каждая инструкция говорит компьютеру сделать что-то
определенное, например, сложить два числа или считать состояние
определенного входного контакта.

624

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

Хитрость компьютерного программирования в том, чтобы собрать нужные инструкции в правильной последовательности, чтобы программа
сделала именно то, что вы от нее хотите. Конечно, для этого нужно хорошо понимать, что именно вы хотите, чтобы программа делала, и хорошо разбираться в разнообразии инструкций, которые вам доступны.
Также необходимо учитывать ресурсы конкретного микроконтроллера,
с которым вы работаете, и то, какие схемы или устройства подключены к микроконтроллеру.
Самый распространенный способ программирования микроконтроллеров — это подключение микроконтроллера к компьютеру через USBкабель, написание программы с помощью специального программного
обеспечения интегрированной среды разработки (integrated development
environment, IDE) и последующая загрузка программы в микроконтроллер с помощью IDE.
Когда вы загружаете программу в микроконтроллер, она переносится
в EEPROM микроконтроллера и затем выполняется. После того как
программа окажется в EEPROM, можете отключить микроконтроллер от компьютера. Если выключите микроконтроллер или отключите от него питание, программа будет храниться в EEPROM до тех пор,
пока не включите микроконтроллер снова. Другими словами, микроконтроллер сохранит программу в EEPROM, чтобы ее можно было
запускать снова и снова, даже когда микроконтроллер не подключен
к компьютеру. Как это сделать для Arduino и Raspberry Pi, я рассказываю в частях 6 и 7 соответственно.

Использование контактов ввода/вывода
У большинства микроконтроллеров несколько выводов ввода/вывода,
к которым можно подключать внешние цепи. Точное их количество
зависит от конкретного микроконтроллера.
В выводах ввода/вывода используются стандартные соглашения цифровой логики, о которых я рассказывал в предыдущих главах этой части. Так, положительный уровень напряжения 5 В считается HIGH,
а уровень 0 В ― LOW.
Выводы ввода/вывода большинства микроконтроллеров способны выдержать ток около 20 мА, поэтому в схемах нужно обязательно использовать токоограничивающие резисторы, чтобы избежать перегрузки
схемы и возможного повреждения микроконтроллера.

ГЛАВА 5.Знакомство с микроконтроллерами

625

На рис. 5.1 показана простая схема цепи, которая управляет светодиодом от контакта ввода/вывода микроконтроллера. Обратите внимание, на этой схеме вывод представлен простой пятигранной фигурой.
Обычно в схемах не рисуют микроконтроллер в виде одного прямоугольника, как в других интегральных схемах. Вместо этого каждое соединение ввода/вывода в схеме изображается как разъем в виде пятигранника. Это правило дает вам большую свободу действий при
оформлении схемы цепи.

Рис. 5.1.
Схема подключения
светодиода к контакту ввода/вывода
микроконтроллера

626

ЧАСТЬ 5. Осваиваем цифровую электронику

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ARDUINO

Краткое оглавление

628

ГЛАВА 1

Знакомство с Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609

ГЛАВА 2

Создание эскизов Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .625

ГЛАВА 3

Другие приемы программирования Arduino . . . . . .

ГЛАВА 4

Датчик приближения на Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .675

ГЛАВА 5

Добавление звука и движения в проекты
Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690

ГЛАВА 6

Клавиатуры и клавиатуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

658

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Различные модели микроконтроллеров Arduino

» Изучение UNO, самого популярного
микроконтроллера Arduino

» Программирование Arduino
» Простой проект с использованием
Arduino

Гл а в а 1

Знакомство с Arduino
rduino (произносится как ар-дуи-но) — одна из самых популярных микропроцессорных систем, используемых сегодня.
Arduino появилась в 2005 году в итальянском городе Ивреа и сегодня широко используется по всему миру. Платы Arduino можно недорого купить в Интернете.

Официально Arduino называется Arduino Project, потому что Arduino —
это проект с открытым исходным кодом Open Source. В результате несколько различных компаний производят микропроцессорные платы,
совместимые с Arduino. Платы Arduino можно приобрести во многих
тематических интернет-магазинах.

Представляем Arduino UNO
На данный момент существует около трех десятков различных вариантов плат Arduino, у каждого из которых свои возможности. Например,
некоторые платы Arduino поставляются со встроенными адаптерами
проводной или беспроводной сети, а другие предназначены для использования в роботах или игровых контроллерах.

ГЛАВА 1.Знакомство с Arduino

629

Рис. 1.1.
Arduino UNO

Разъем
питания

Разъем USB

Кнопка
Reset
Светодиоды
TX и RX
Светодиод
на выводе 13

Прочие
выводы

Прочие
выводы
Цифровые
выводы
ввод/вывод
Аналоговые
входные
контакты

Микропроцессор Atmega 328P
Рис. 1.2.
Компоненты
Arduino UNO

630

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Светодиодный индикатор питания

Самая популярная плата Arduino называется UNO (см. рис. 1.1). Эта
часть посвящена UNO, но практически все, что вы узнаете здесь об UNO,
применимо и к другим моделям Arduino. Кроме того, глава 6 этой части
посвящена другой модели Arduino под названием Leonardo.
Несколько производителей выпускают совместимые версии платы
UNO. Вы можете создавать проекты, используя любую из этих совместимых плат UNO.
СОВЕТ

На рис. 1.2 показано расположение компонентов на плате UNO. Вот
ее основные характеристики.

»
»

Одночиповый микропроцессор Atmel ATmega328P с 2 килобайтами оперативной памяти для хранения данных, 1 кБ
памяти EEPROM для хранения программ, 32 кБ флеш-памяти,
а также множество полезных возможностей ввода и вывода,
которые используются платой UNO.
Разъем питания от 6 В до 20 В, который можно использовать
для питания устройства от батареи или настенного адаптера.
Встроенные стабилизаторы 5 В и 3,3 В понижают напряжение до уровня, необходимого для Arduino. (Обратите внимание, что устройство также может питаться от разъема USB
Type B.)
Светодиодный индикатор питания, который показывает состояние питания UNO.
Разъем USB Type B, который используется для подключения
UNO к компьютеру для программирования. (Разъем Type B —
это квадратный тип USB-разъема, который часто используется для подключения принтера.) При подключении UNO
получает питание непосредственно от USB-разъема, поэтому
отдельное подключение питания не требуется.

» Четырнадцать цифровых выводов ввода/вывода, обозначен-

ных на плате как D0 — D13. (На всех платах Arduino цифровые
выводы нумеруются, начиная с нуля.)

»
»

Встроенный светодиод, подключенный к выводу 13. Этим
светодиодом можно управлять с помощью программ, которые вы загружаете в UNO с компьютера.
Шесть аналоговых входных контактов, обозначенных как
A0 — A5. (Как и цифровые, аналоговые выводы нумеруются,
начиная с нуля.) Обратите внимание, что при желании аналоговые выводы можно использовать в качестве дополнительных цифровых выводов. В этом случае аналоговые выводы
обозначаются как цифровые выводы с 14 по 19. (A0 становится D14, A1 — D15.)

ГЛАВА 1.Знакомство с Arduino

631

»
»
»

Разъемы питания, обеспечивающие доступ к 5 В, 3,3 В и земле для внешних схем.
Встроенные светодиоды TX и RX, которые показывают, когда
плата обменивается данными с компьютером через порт USB.
Кнопка Reset, которая прерывает выполнение текущей программы и перезапускает UNO.

ПОДНИМАЙТЕ ЩИТЫ!
Одна из самых интересных и полезных функций микроконтроллеров
Arduino — дополнительные платы, A (shields). Они могут устанавливаться поверх платы Arduino и предоставлять дополнительные
возможности. Например, вы можете приобрести шилды, которые позволят вашему проекту Arduino подключаться к Интернету, управлять
моторами или генерировать человеческий голос.
Самое лучшее в шилдах Arduino — их можно размещать один над
другим, объединив два или более в стек поверх платы Arduino, чтобы
обеспечить несколько функций. Например, для создания автономного
робота можно использовать шилд беспроводных сетей, шилд драйверов двигателей и шилд GPS. Или объединить шилд генератора голоса
с шилдом распознавания голоса, чтобы создать проект, который
может и слушать, и говорить.
Можно приобрести платы для создания прототипов шилдов, которые позволят использовать собственные схемы в качестве шилдов.
Некоторые из этих плат поставляются с макетными платами для
создания прототипов схем. Когда вы разберетесь с ошибками и ваша
схема заработает, сможете припаять компоненты непосредственно
к шилду, чтобы сделать схему более стабильной.
Большинство шилдов поставляется с библиотекой программирования,
которую придется изучить, чтобы включить функции шилда в свои
эскизы. Если вы создаете свой собственный шилд, используя один
из прототипов, вам придется самостоятельно разобраться с программированием, что может быть довольно сложно, но в то же время очень
интересно.
На самом деле, большая часть удовольствия от работы с Arduino
заключается в использовании шилдов. Поэтому после того, как вы
разберетесь с основами, вам захочется начать работать с шилдами.
В этой части вы узнаете о нескольких типах шилдов. Для начала
в большинстве проектов используется A L
. который

632

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

устанавливается поверх платы Arduino UNO и обеспечивает небольшую область беспаечной макетной платы припоя для сборки базовых
схем. В главе 5 этой части вы также узнаете, как использовать аудиошилд, воспроизводящий звуковые файлы MP3.
Если поискать в Интернете по ключевым словам Arduino shield 1, вы
быстро найдете десятки других типов шилдов, с которыми можно
поэкспериментировать. Веселитесь!

Покупка стартового набора UNO
Хотя вы можете приобрести одну плату Arduino UNO, имеет смысл
купить ее в составе стартового набора, включающего в себя множество других компонентов, которые пригодятся при создании проектов.
СОВЕТ

Предлагаю начать с недорогого набора, такого как Elegoo UNO Project
Super Starter Kit, в который входит совместимая плата UNO, небольшое
руководство, а также множество деталей (макетная плата, ЖК-дисплей,
сервоприводы и шаговые двигатели, несколько проводов-перемычек,
светодиоды, резисторы, кнопки и т. д.). В наборе достаточно деталей
для создания различных проектов UNO.
Я также предлагаю вам приобрести один или несколько шилдов Prototype,
чтобы собрать схемы для проектов в последующих главах. Самый популярный из них производится компанией Adafruit и называется Proto
Shield. Подробнее об этом полезном шилде я рассказываю в главе 2 этой
части. Вы можете найти и купить его в тематических интернет-магазинах.
Не забудьте, что вам также понадобится короткий USB-кабель mini-B, чтобы подключить плату UNO к компьютеру для программирования платы.

Инсталляция Arduino IDE
Arduino IDE — программное обеспечение, которое вы будете использовать на своем компьютере для создания программ, загружаемых
с компьютера на плату Arduino. Это программное обеспечение можно бесплатно получить на сайте Arduino. Просто перейдите по адресу:
www.arduino.cc и нажмите на меню Software, затем загрузите пакет
1

Или «шилд Arduino». — Прим. науч. ред.

ГЛАВА 1.Знакомство с Arduino

633

IDE для используемой вами операционной системы. (IDE поставляется в отдельных версиях для Windows, Mac и Linux.)
Если вы используете Windows, следует выбрать Windows Installer,
а не zip-версию. Версия Windows Installer установится прямо на ваш
компьютер, и вы сможете запустить ее из меню Пуск.
Если вы пользователь Mac, скачайте программу Arduino IDE. Затем скопируйте загруженную программу в папку Applications. Наконец, чтобы
было проще запустить программу, перетащите ее из папки Applications
в Dock в нижней части экрана.
Когда программа будет установлена, запустите ее, выбрав Arduino IDE
в меню Пуск (Windows) или в Dock (Mac). На рис. 1.3 показано, как выглядит пользовательский интерфейс IDE при первом запуске на ПК
с Windows.

Рис. 1.3.
IDE
Arduino

Подключение к UNO
Прежде чем использовать IDE для программирования Arduino, необходимо подключить Arduino к компьютеру. С UNO это легко сделать:
просто подключите квадратный конец USB-кабеля к USB-разъему

634

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

на плате UNO, а затем подключите обычный USB-разъем на другом
конце кабеля к любому свободному USB-порту на вашем компьютере.
На UNO загорится светодиод питания, а среда Arduino IDE автоматически распознает UNO в USB-порту.
Чтобы убедиться в правильности подключения Arduino, откройте программное обеспечение IDE и выполните следующие действия:

В IDE выберите Tools > Board и убедитесь, что выбран
пункт Arduino UNO.
Если нет, выберите Tools > Board > Arduino UNO.

Выберите Tools > Port и убедитесь, что выбран порт USB.
Если это не так, выберите USB-порт вручную.
Убедившись, что UNO подключен, можете приступить к загрузке своей первой программы в UNO.

Рассмотрим простой эскиз Arduino
В мире Arduino программа называется эскизом (sketch), однако вопреки тому, что подразумевает этот красивый термин, в эскизе Arduino нет
ничего художественного или визуального: это просто программа, написанная на продвинутом языке программирования C++. Называя программу эскизом, а не программой, вы просто снижаете уровень своей
защиты от сложной задачи научиться программировать.
Практически в любой книге по языкам программирования сначала
разбирается простая программа Hello World, которая выводит на экран
строку Hello, World!, демонстрируя, как выглядит самая простая из возможных программ.
Хотя теоретически такая программа возможна и в Arduino, но с нее
не получится начать его изучение: в отличие от большинства компьютеров, микропроцессоры, такие как Arduino, не имеют встроенной консоли, которая могла бы отображать текст Hello, World!
Мы начнем с простой программы, которая заставляет мигать встроенный светодиод, подключенным к выводу 13. Эта программа просто
включает и выключает светодиод несколько раз, пока программа запущена — другими словами, пока вы не выключите UNO. Программа
включает светодиод на одну секунду, затем выключает на одну секунду, затем включает на одну секунду и т. д. до бесконечности.

ГЛАВА 1.Знакомство с Arduino

635

Давайте пройдемся по шагам, которые должна выполнить программа.

Сначала программа должна назначить контакт 13 ввода/вывода как контакт для вывода. Для этого используется команда pinMode.

Далее необходимо включить светодиод. Для этого используется команда digitalWrite, которая записывает значение
HIGH на вывод 13.

Затем программа ждет, пока пройдет одна секунда. Для этого используется команда delay. Во время этой задержки светодиод продолжает гореть, так как состояние вывода 13 — HIGH.

По истечении секундной задержки снова используется команда digitalWrite, на этот раз для выключения светодиода
путем записи значения LOW на вывод 13.

Затем программа снова использует задержку, чтобы подождать одну секунду. Во время этой задержки светодиод
остается выключенным, так как состояние выхода на контакте 13 — LOW.

Теперь программа повторяет шаги со 2 по 5, последовательно, снова и снова, пока UNO не выключится.

Фактическая программа Arduino для реализации этих шагов показана в Листинге 1.1.

ЛИСТИНГ 1.1.

Программа Blink
void setup() {
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(13, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(13, LOW);
delay(1000);
}
Если вы новичок в программировании, в этом Листинге есть много деталей, которые, как я полагаю, вы пока не поймете. Не волнуйтесь, я объясню их все в следующей главе. Пока же хочу, чтобы вы просто просмотрели код и отметили, что программа использует команды
pinMode, digitalWrite и delay.

636

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Команды в программе Blink сгруппированы в две функции, которые
представляют собой просто участки кода, собранные в единое целое.
Эти две функции следующие:

ЗАПОМНИТЕ

setup. Команды функции настройки выполняются один раз
в самом начале программы. Другими словами, функция setup
запускается один раз при включении UNO или при нажатии
кнопки Reset. В программе Blink функция setup содержит
только одну команду — pinMode, которая переводит вывод 13
в режим OUTPUT.
loop. После завершения функции настройки команды
в функции loop выполняются несколько раз, пока UNO
не будет выключен или сброшен. Эти команды включают
светодиод, ждут одну секунду, выключают светодиод, затем
ждут еще одну секунду. В результате при каждом выполнении функции loop выполняется один цикл мигания: светодиод
загорается на одну секунду, а затем гаснет на одну секунду.

Все программы Arduino — от самых простых до самых сложных — состоят из двух основных функций: setup, которая выполняется один раз
при запуске программы, и loop, которая выполняется несколько раз,
пока программа не остановится.

Запуск программы Blink
Чтобы запустить программу Blink, описанную в предыдущем разделе,
на вашем Arduino UNO, выполните следующие действия:

Подключите Arduino UNO к компьютеру.
С помощью USB-кабеля подключите USB-порт на UNO
к USB-порту компьютера.

Откройте программу Arduino IDE на компьютере.
На компьютере с Windows выберите Arduino IDE в меню
Пуск. На компьютере Mac дважды щелкните по значку
Arduino IDE в Dock или откройте его из папки Applications.

Выберите команду Файл > Новый.
Появится окно нового эскиза. Обратите внимание, что этот
эскиз уже содержит наброски для функций setup и loop.

ГЛАВА 1.Знакомство с Arduino

637

Отредактируйте программу так, чтобы она выглядела точно
так же, как в Листинге 1.1.
Редактор IDE работает так же, как и любой другой текстовый
редактор, с которым вы работали. Если хотите, можете начать
с выделения всего содержимого окна редактора и нажатия
клавиши Delete. Затем просто напечатайте программу в точности так, как показано в Листинге 1.1 в окне редактирования.

Сохраните эскиз.
Выберите Файл > Сохранить, введите имя $(1L и нажмите
кнопку Save.
Когда вы создадите и сохраните программу, окно редактора
должно выглядеть так, как показано на рис. 1.4.

Рис. 1.4.
Программа
Blink готова
к запуску

Выберите Sketch > Upload.
Программа загружается в UNO. Светодиоды TX и RX на плате
UNO будут мигать в течение нескольких секунд, пока программа загружается в UNO. После завершения загрузки программы
светодиод на плате начнет мигать с интервалом в одну секунду.

СОВЕТ

Встроенный светодиод очень маленький — вам придется прищурить глаза, чтобы увидеть его. Но постоянное включение/
выключение его мигания — верный признак, что ваша программа запущена.
Поздравляем! Вы написали свою первую программу
для Arduino и открыли для себя мир программирования
микроконтроллеров!

638

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Использование цифрового вывода ввода/
вывода для управления светодиодом
Теперь, когда вы написали эскиз Arduino, который заставляет мигать встроенный светодиод, подключенный к выводу 13, следующий
шаг — подключиться к выводу 13 на плате UNO, чтобы зажечь внешний светодиод.
Плата UNO имеет в общей сложности 14 цифровых выводов ввода/вывода, которые для вашего удобства промаркированы на плате. Доступ
к контактам осуществляется через два набора контактных заголовков
(обычно их называют просто заголовками). Заголовки — это распространенный способ подключения к цифровым печатным платам. Заголовки
на плате UNO — гнездовые, с расстоянием между контактами 0,1 дюйма. Если вы возьмете плату в руки так, чтобы разъемы питания и USB
находились сверху, увидите два ряда гнезд: один на левом краю платы,
другой — на правом. На рис. 1.5 показаны все контакты на этих разъемах.
Цифровые контакты с 0 по 13 находятся на заголовке с правой стороны
UNO. Снизу они обозначены от D0 до D13. Непосредственно над выводом D13 находится заземление, обозначенное как GND. Этот вывод

Рис. 1.5.
Заголовки
на плате
UNO

ГЛАВА 1.Знакомство с Arduino

639

используется для завершения цепи для каждого цифрового контакта
ввода/вывода. Над выводом GND есть еще несколько дополнительных
выводов, но в этой части я не буду их использовать.
Для справки в табл. 1.1 перечислены все контактные соединения, доступные через разъемы платы UNO.
Как и в большинстве микроконтроллеров, цифровые контакты ввода/
вывода на UNO работают со стандартным напряжением логического
уровня, поэтому +5 В подается на вывод, когда он в состоянии HIGH,
и 0 В — когда в состоянии LOW. На UNO контакты ввода/вывода способны выдавать ток 20 мА, поэтому потребуется токоограничивающий
резистор, чтобы не перегорел светодиод. В этом примере используем
резистор 470 Ом.

ТАБЛ. 1.1.

640

Разъемы заголовков платы UNO
Метка

Предназначение

Дополнительная информация

D0→RX

Цифровой ввод/
вывод контакт 0

Также используется для последовательной связи (RX)

D1←TX

Цифровой ввод/
вывод 1

Также используется для последовательной передачи данных (TX)

Цифровой ввод/
вывод 2

~D3

Цифровой ввод/
вывод 3

Цифровой ввод/
вывод 4

~D5

Цифровой ввод/
вывод 5

Может использовать широтноимпульсную модуляцию (ШИМ)

~D6

Цифровой ввод/
вывод 6

Может использовать широтноимпульсную модуляцию (ШИМ)

Цифровой ввод/
вывод 7

Цифровой ввод/
вывод 8

~D9

Цифровой ввод/
вывод 9

Может использовать широтноимпульсную модуляцию (ШИМ)

~D10

Цифровой ввод/
вывод 10

Может использовать широтноимпульсную модуляцию (ШИМ)

~D11

Цифровой ввод/
вывод 11

Может использовать широтноимпульсную модуляцию (ШИМ)

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Может использовать широтноимпульсную модуляцию (ШИМ)

Метка

Предназначение

Дополнительная информация

D12

Цифровой ввод/
вывод 12

Используется для соединений по
двухпроводному интерфейсу (TWI),
не рассматривается в этой книге

D13

Цифровой ввод/
вывод 13

Используется для подключения
двухпроводного интерфейса (TWI),
не рассматривается в этой книге

GND

Земля

AREF

Опорное
аналоговое
напряжение

SDA

Используется для соединений по
двухпроводному интерфейсу (TWI),
не рассматривается в этой книге

SCL

Используется для соединений по
двухпроводному интерфейсу (TWI),
не рассматривается в этой книге

Аналоговый входной контакт 0

Может использоваться как цифровой
ввод/вывод контакт 14

Аналоговый входной контакт 1

Может использоваться как цифровой
ввод/вывод контакт 15

Аналоговый входной контакт 2

Может использоваться как цифровой
ввод/вывод контакт 16

Аналоговый входной контакт 3

Может использоваться как цифровой
ввод/вывод контакт 17

Аналоговый входной контакт 4

Может использоваться как цифровой
ввод/вывод контакт 18

Аналоговый входной контакт 5

Может использоваться как цифровой
ввод/вывод контакт 19

VIN

Входное питание
(6-20 В)

Может использоваться для питания
Arduino

GND

Заземление

GND

Заземление

+5 V

Обеспечивает регулируемое напряжение +5 В для внешних схем (максимум 400 мА)

+3.3 V

Обеспечивает регулируемое напряжение +3,3 В для внешних схем
(максимум 50 мА)

RESET

Сброс

Не рассматривается в этой книге

IOREF

Опорное напряжение

Не рассматривается в этой книге

ГЛАВА 1.Знакомство с Arduino

641

На рис. 1.6 показана схема этой цепи. Как видите, она очень проста:
вывод 13 подключается к резистору 470 Ом, который, в свою очередь,
подключается к аноду светодиода. Катод подключается к земле. Хотя
на схеме это не указано, мы используем один из двух контактов заземления на плате UNO для этого соединения с землей.

Рис. 1.6.
Добавление
внешнего
светодиода
на плату
UNO

В Проекте 43 показано, как собрать этот проект, используя макетную
плату для размещения светодиода и резистора, а также перемычки для
подключения макетной платы к плате UNO. На рис. 1.7 показано, как
выглядит проект после завершения.
Обратите внимание, что в проекте используется тот же эскиз Arduino,
что и в Проекте 42. Это работает потому, что внутренний светодиод,
который использовался в Проекте 42, подключен к цифровому выводу
ввода/вывода 13, который используется в Проекте 43. Для Проекта 43
не нужно перепрограммировать Arduino.

Рис. 1.7.
Собранная
схема светодиода Arduino
(Проект 43 )

642

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Проект 43. Мигающий с помощью
Arduino UNO светодиод
В этом проекте вы подключите внешний светодиод к плате Arduino
UNO, а затем с помощью простого эскиза будете включать и выключать светодиод с интервалом в одну секунду.

Катод
Светодиод
Анод

Детали
»
»
»
»

Один компьютер с инсталлированным Arduino IDE.
Одна плата Arduino UNO.
Один кабель USB.
Одна маленькая беспаечная макетная плата.

ГЛАВА 1.Знакомство с Arduino

643

»
»
»

Один красный светодиод.
Один резистор 470 Ом.
Два провода-перемычки (male to male).

Порядок действий
1.

Вставьте резистор R1.
R1 (470 ОМ): H5 — H9.

Вставьте светодиод LED1.
Катод (короткий вывод): шина заземления.
Анод (длинный провод): J5.

Подключите шину заземления к заземлению платы UNO.
С помощью перемычки соедините любое отверстие шины
заземления на макетной плате с любым из трех контактов
GND на плате UNO.

Подключите контакт 13 на плате UNO к разъему J9
на макетной плате.

Подключите UNO к компьютеру.
Используйте разъем USB.

Загрузите программу Blink (см. Листинг 1.1) в UNO, если она
еще не загружена.
Это программа, которая использовалась для w.
Поскольку светодиод на макетной плате уже подключен
к цифровому выводу 13, перепрограммирование не требуется.
Когда программа загрузится в Arduino, светодиод на макетной плате будет мигать и гаснуть с интервалом в одну секунду. Обратите внимание, что светодиод на макетной плате будет мигать синхронно со встроенным светодиодом
на плате UNO.

СОВЕТ

644

Если светодиод на макетной плате не мигает, еще раз проверьте соединения. Скорее всего, вы вставили светодиод
в обратном порядке. Помните, что короткий провод (катод)
должен быть подключен к шине заземления на макетной плате.

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Основы языка Arduino
» Работа с переменными
» Добавление операторов if в ваши
программы

» Использование циклов while и for
» Создание собственных функций
» Использование платы для создания
прототипов

Гл а в а 2

Создание эскизов Arduino
обро пожаловать в мир программирования! Эта глава — краткое введение в язык программирования, который используется для разработки эскизов Arduino. Если вы никогда раньше
не занимались компьютерным программированием, вас ждет интересное и увлекательное путешествие. Поначалу разобраться в тонкостях
компьютерного программирования может быть непросто, но освоив
некоторые базовые понятия, сможете с помощью Arduino выполнять
различные задачи.

ПРИМЕЧАНИЯ

Язык Arduino — стандартный язык программирования, известный как
C++. C++ — это усовершенствованная версия более простого языка под названием C. Поскольку большинство простых программ для
Arduino не используют никаких дополнительных возможностей, можете считать, что язык Arduino — просто C. В этой главе я называю язык
Arduino просто C, а не C++. Возможно, в какой-то момент вам захочется программировать Arduino на C++, но программирование на C++
выходит за рамки этой скромной книги.

Знакомство с языком программирования C
С помощью Arduino IDE вы создаете эскизы и загружаете их в свой
Arduino. Эскиз — это и есть Arduino для обозначения программы, написанной на языке C.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

645

Если не ясно, как создать и загрузить эскиз в Arduino, прочитайте главу 1 этой части. Вы не сможете далеко продвинуться в программировании Arduino, не написав несколько реальных программ, не загрузив
их в Arduino и не понаблюдав за тем, как они работают.
Прежде чем мы начнем, я напомню программу, которая была представлена в главе 1. Для вашего удобства программа повторена в Листинге 2.1.

ЛИСТИНГ 2.1.

Программа Blink
void setup()
pinMode(13, OUTPUT);
}

→1
→2
→3

void loop() {
digitalWrite(13, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(13, LOW);
delay(1000);
}

→4
→5
→6
→7
→8
→9

Вот некоторые важные детали этой программы, которые необходимо
понять, чтобы создавать другие, более сложные эскизы.
→ 1 В первой строке программы объявляется функция setup.
Далее вы узнаете из главы 1, что функция — это набор программных инструкций, собранных вместе и получивших имя.
Здесь это всего лишь одна инструкция (инструкция pinMode
в строке 2). Функция setup вызывается Arduino один раз, как
только Arduino запускается или сбрасывается. Эта функция
обычно используется для выполнения инструкций, которые
должны быть выполнены только один раз — например, инструкция pinMode устанавливает, будет ли конкретный вывод
работать как входной или выходной.
В этой строке есть еще несколько деталей, на которые следует обратить внимание.

•

646

Строка начинается со слова void. В языке C все функции могут
возвращать значение. То есть, когда функция завершает выполнение, она может вернуть значение, которое может быть использовано в другом месте программы. Однако не все функции
возвращают значения. Если функция не возвращает значение, ее
объявление должно начинаться со слова void. Это просто указывает на то, что функция setup не возвращает значения.

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

•

За именем функции setup следует пара круглых скобок, между
которыми нет никаких знаков. В языке C данные можно передавать в функцию с помощью так называемых аргументов. Эти
аргументы должны быть перечислены в круглых скобках после
имени функции. В случае с функцией setup аргументы не требуются. Однако круглые скобки всегда обязательны; следовательно, после setup всегда должен следовать набор пустых круглых
скобок.
За круглыми скобками следует левая фигурная скобка. Она
обозначает начало инструкций по программированию, которые
содержатся в функции setup. Все, что находится между этой
левой фигурной скобкой и соответствующей правой фигурной
скобкой (которая находится в строке 3), принадлежит функции.
Это только одна инструкция — та, что находится в строке 2.

→ 2 Эта строка устанавливает режим ввода/вывода контакта 13. Она делает это, вызывая встроенную функцию pinMode.
Функция pinMode — такая же функция, как и функция setup,
за исключением того, что она предопределена Arduino как
часть библиотеки стандартных функций — коллекции многих стандартных функций, которые вы можете использовать в своих программах Arduino. Функция pinMode просто
определяет, будет ли определенный контакт ввода/вывода
использоваться как входной или как выходной.
Как и большинство стандартных библиотечных функций
и в отличие от функции setup, функция pinMode требует
аргументов. На самом деле, она требует два аргумента. Эти
аргументы должны быть заключены в круглые скобки.

•
•

Первый аргумент указывает на контакт, для которого вы хотите
установить режим. В данном случае мы устанавливаем режим
для вывода 13.
Второй аргумент указывает, каким должен быть режим. В данном
случае устанавливаем режим работы вывода как выходного.

Возможно, интересно, почему слово OUTPUT написано заглавными буквами. Это потому, что слово OUTPUT — это то, что
в языке Си называется константой. Константа — слово, которое определяется в программе на языке C как символ, обозначающий некоторое предопределенное значение. Здесь
константа OUTPUT определена той же стандартной библиотекой, которая определяет функцию pinMode. Другая константа,
определенная этой библиотекой, — INPUT, которую можно
использовать вместо OUTPUT, чтобы обозначить контакт как
входной.
И последнее, очень важное замечание по поводу этой
строки: она заканчивается точкой с запятой. В языке C
все утверждения должны заканчиваться точкой с запятой.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

647

В общем случае утверждение — это инструкция, которая
направляет программу на выполнение какого-либо действия.
В данном случае оператор указывает программе выполнить
функцию pinMode, чтобы определить режим работы вывода 13. Первая строка программы не требует точки с запятой,
потому что она не указывает программе что-либо делать; она
просто отмечает начало функции настройки.
→ 3 Эта закрывающая (правая) фигурная скобка совмещена
с открывающей (левой) фигурной скобкой в конце строки 1,
чтобы отметить конец функции настройки. Таким образом,
эта скобка и скобка в строке 1 заключают в себе инструкции
функции установки.
→ 4 Эта строка обозначает начало функции loop. Как видите, она очень похожа на строку 1, которая отмечает начало
функции setup. Как и функция setup, функция loop не возвращает значения, поэтому она начинается со слова void.
Как и функция setup, функция loop не использует никаких
аргументов, поэтому она включает пустой набор круглых
скобок. И эта строка заканчивается открывающей фигурной
скобкой, чтобы отметить начало операторов, которые будут
выполняться, когда Arduino вызовет функцию цикла.
→ 5 Эта строка вызывает функцию digitalWrite, еще одну
стандартную функцию библиотеки Arduino. Эта функция
посылает выходные данные на пин. Два аргумента указывают пин, на который должны быть отправлены данные,
и значение данных, которое должно быть отправлено на пин.
В данном случае на вывод 13 отправляется значение HIGH,
что приводит к повышению уровня напряжения на выводе 13
до +5 В, тем самым зажигая светодиод. Как вы уже догадались, HIGH — это еще одна константа, определенная стандартной библиотекой. Заметьте, строка заканчивается точкой
с запятой, чтобы отметить конец оператора.
→ 6 Эта строка вызывает еще одну встроенную функцию,
которая называется delay. Функция delay принимает один
аргумент, который представляет собой количество миллисекунд, на которое программа должна сделать паузу. В данном случае в качестве аргумента указано 1000 миллисекунд;
это приостанавливает работу программы на одну полную
секунду. Обратите внимание, что запятая не используется
в значении аргумента 1000. Обратите внимание также, что
это утверждение заканчивается точкой с запятой.
→ 7 После того как светодиод на выводе 13 был включен в течение одной секунды, эта строка выключает его, снова вызвав digitalWrite. Для этого в качестве данных, посылаемых

648

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

на вывод, используется константа LOW. В результате на выводе 13 устанавливается LOW, поэтому светодиод выключается.
→ 8 Теперь программа снова вызывает delay, чтобы приостановить работу программы еще на 1000 миллисекунд, поэтому
светодиод не горит еще одну секунду.
→ 9 Последняя закрывающая (правая) скобка отмечает конец
функции loop. Таким образом, функция loop включает в себя
четыре оператора: два, которые записывают данные на вывод 13, и два, которые приостанавливают работу программы.
Поскольку функция loop вызывается Arduino многократно,
она заставляет светодиод мигать до тех пор, пока программа
продолжает выполняться.

Работа с шилдом для прототипов
В следующем разделе я покажу, как собрать тестовую схему, которую
вы сможете использовать для экспериментов с основами программирования Arduino. В тестовой схеме и во всех остальных проектах UNO
в этой части используется шилд для прототипов Arduino, который вставляется в верхнюю часть Arduino UNO и представляет собой небольшую
макетную плату, где можно собирать простые схемы.
Многие производители выпускают шилды для прототипов. Я использую шилд для прототипов компании HiLetgo (www.hiletgo.com).
Вот основные характеристики шилда для создания прототипов.

»
»
»

Стекируемые разъемы, которые вставляются в разъемы
на плате UNO, чтобы передать функции каждого из выводов
разъема UNO.
Область для создания прототипа с предварительно просверленными отверстиями и паяльными площадками для
добавления компонентов.
Маленькая макетная плата (так называемая A
), на которой можно собирать простые
схемы. У нее клейкая основа, поэтому ее можно постоянно
размещать над областью для прототипов. Во всех примерах
для сборки схем я использую макетную плату, а не область
для прототипов.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

649

Рис. 2.1.
Шилд для прототипов, вставленный в
верхнюю часть
Arduino UNO

На рис. 2.1 показан шилд для прототипов в действии, прикрепленный
к верхней части платы UNO. На этом снимке видно, как штырьки для
подключения платы для прототипов обеспечивают доступ к штырькам для подключения платы UNO. Также вы можете увидеть крошечную макетную плату, которую можно использовать для сборки схем.
На рис. 2.2 показана схема элементов прототипа шилда. Заголовки слева и справа на шилде-прототипе обеспечивают доступ к выводам ввода/вывода на плате UNO. Заголовки в нижней части платы обеспечивают ряд из пяти выводов GND и пяти выводов +5 В.

650

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

На макетной плате 17 рядов по десять отверстий, разделенных на две
группы по пять. В каждом ряду пять отверстий слева соединены между собой внутри, и пять отверстий справа также соединены между собой. Как и в других макетных платах, отверстия не имеют внутреннего соединения через центральный зазор.
Строки и столбцы на большинстве миниатюрных макетных плат никак
не обозначены. Для удобства я обозначаю строки цифрами от 1 до 17,
а столбцы — буквами от A до J, как показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2.
Схема соединений на шилде
для создания
прототипов

Создание тестовой схемы
Проект 44 представляет собой простую тестовую среду, которая будет
полезна при изучении основ программирования Arduino. В этом проекте восемь светодиодов и восемь токоограничивающих резисторов размещаются на макетной плате и подключаются к цифровым выводам
с 0 по 7 на Arduino. После сборки этой схемы вы создадите несколько
эскизов Arduino, которые используют различные методы программирования, чтобы светодиоды мигали, образуя причудливые узоры.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

651

На рис. 2.3 показана готовая схема, ее можно использовать для тестирования программ, которые вы будете писать по ходу работы над этой
главой.

Рис. 2.3.
Arduino UNO с
восемью светодиодами на шилде
для прототипов
(Проект 44 )

Проект 44. Тестовая схема для
светодиодов Arduino
В этом проекте вы собираете схему с восемью светодиодами на шилде
для прототипов, подключая светодиоды к цифровым портам с 0 по 7.
Можете использовать эту тестовую схему для проверки программ, показанных в этой главе.

652

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Анод

Катод

Детали
»
»
»
»
»
»
»

Один компьютер с установленной Arduino IDE.
Один USB-кабель A-B (USB-кабель, который используется
для принтеров).
Одна плата Arduino UNO.
Один шилд для прототипов.
Восемь красных светодиодов.
Восемь резисторов 470 Ом.
Шестнадцать проводов-перемычек.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

653

Порядок действий
1.

654

Вставьте резисторы.
Резистор

От

R1 (470 Ом)

R2 (470 Ом)

R3 (470 Ом)

R4 (470 Ом)

R5 (470 Ом)

R6 (470 Ом)

E11

F11

R7 (470 Ом)

E13

F13

R8 (470 Ом)

E15

F15

Вставьте светодиоды.
Светодиод

Анод

Катод

LED1

LED2

LED3

LED4

LED5

D10

LED6

D11

D12

LED7

D13

D14

LED8

D15

D16

Используйте кабели-перемычки для подключения цифровых выводов к макетной плате.
Цифровой контакт

Разъем контактной платы

J11

J13

J15

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

5.
6.

Используйте кабели-перемычки для завершения цепи
заземления.
От

GND 1

A10

B10

B12

A12

A14

B14

B16

Подключите шилд для прототипов к Arduino UNO.
Подключите UNO к компьютеру.
Используйте USB-разъем type-B.

Загрузите в UNO программу LED Flasher (см. Листинг 2.2
в следующем разделе).
Светодиоды на макетной плате будут включаться и выключаться с интервалом в одну секунду.

Мигание светодиодов
Мы рассмотрели программу, которая включает и выключает мигание
одного светодиода на выводе 13. Далее я покажу несколько вариантов
этой программы, где мигают восемь светодиодов в тестовом проекте
(Проект 44) в различных последовательностях. Попутно можете добавить в свой репертуар дополнительные операторы C, чтобы обеспечить
все более и более сложные способы управления миганием.

ЗАПОМНИТЕ

Если вы можете включить или выключить светодиод с помощью эскиза Arduino, тогда можете и управлять всем, что может быть подключено к порту цифрового ввода/вывода Arduino. Сама Arduino не знает
и не заботится о том, какую схему вы подключаете к цифровому контакту ввода/вывода. Все, что она знает, — это что по вашей команде Arduino переводит порт ввода/вывода в состояние HIGH или LOW.
Внешняя схема, подключенная к выводу, определяет, что произойдет,
когда вывод станет HIGH.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

655

Единственное ограничение заключается в том, что сама Arduino может пропускать через свои контакты ввода/вывода ток только около
20 мА. Если схема, подключенная к выводу, требует большего тока, чем
20 мА, необходимо изолировать часть схемы с более сильным током
от Arduino. Самый простой способ сделать это — использовать транзисторный драйвер или реле.
В Листинге 2.2 показана простая программа, которая включает и выключает все восемь светодиодов с интервалом в полсекунды. В этой
программе используются только функции pinMode, digitalWrite
и delay — о них вы уже знаете. Программа включает все восемь светодиодов, делает паузу 500 мс (полсекунды), выключает светодиоды,
ждет еще полсекунды, а затем возвращается на метку Main, чтобы начать весь процесс сначала.
ЛИСТИНГ 2.2.

Программа светодиодной мигалки LED Flasher
void setup() {

→1

pinMode(0,
pinMode(1,
pinMode(2,
pinMode(3,
pinMode(4,
pinMode(5,
pinMode(6,
pinMode(7,

→2

OUTPUT);
OUTPUT);
OUTPUT);
OUTPUT);
OUTPUT);
OUTPUT);
OUTPUT);
OUTPUT);

}
→3

void loop() {
digitalWrite(0,
digitalWrite(1,
digitalWrite(2,
digitalWrite(3,
digitalWrite(4,
digitalWrite(5,
digitalWrite(6,
digitalWrite(7,

HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);

→5

delay(500);
digitalWrite(0,
digitalWrite(1,
digitalWrite(2,
digitalWrite(3,

656

→4

LOW);
LOW);
LOW);
LOW);

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

→6

digitalWrite(4,
digitalWrite(5,
digitalWrite(6,
digitalWrite(7,

LOW);
LOW);
LOW);
LOW);
→7

delay(500);
}

В следующих пунктах кратко описана работа этой программы:
→ 1 Начало функции setup, которая запускается один раз при
запуске или сбросе UNO.
→ 2 Следующие восемь строк восемь раз вызывают функцию
setMode, чтобы установить режим ввода/вывода для выводов
с 0 по 7 в OUTPUT.
→ 3 Начало функции loop, которая вызывается несколько раз
во время работы UNO.
→ 4 Следующие восемь строк восемь раз вызывают функцию
digitalWrite, чтобы установить состояние выводов с 0 по 7
в HIGH, тем самым включив все восемь светодиодов.
→ 5 Эта строка вызывает функцию delay, чтобы приостановить выполнение программы на 500 миллисекунд.
→ 6 Следующие восемь строк вызывают функцию
digitalWrite, чтобы установить состояние выводов с 0 по 7
в LOW, тем самым выключив все восемь светодиодов.
→ 7 Эта строка вызывает функцию задержки, чтобы приостановить выполнение программы на 500 миллисекунд.

Использование комментариев
Комментарий — это фрагмент текста, который поясняет ваш код.
Arduino полностью игнорирует комментарии, поэтому можете поместить в комментарий любой текст. Не ленитесь писать комментарии
к вашим программам, это поможет разобраться, что делает программа и как она работает.

ЗАПОМНИТЕ

Чтобы создать комментарий, поставьте в начале строки две прямые косые черты. Когда C видит две косые черты, она игнорирует остальную
часть строки. Таким образом, если вы поставите косую черту в начале строки, вся строка будет считаться комментарием. Если поместите

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

657

комментарий в середине строки (например, после оператора), все, что
находится после косой черты, будет проигнорировано.
Обычно в программировании принято начинать программу с группы комментариев, в которых указывается, что делает программа, кто
и когда ее написал. Этот блок комментариев может также указывать,
какие устройства ввода/вывода должны быть подключены к Arduino.
В Листинге 2.3 показана версия программы LED Flasher, содержащая
оба типа комментариев.

ЛИСТИНГ 2.3.

Программа LED Flasher с комментариями
// The LED Flasher Program
// Doug Lowe
// December 2, 2021
//

// through 7 at half-second intervals.
void setup() {
// Set pins 0 through 7 to OUTPUT
pinMode(0, OUTPUT);
pinMode(1, OUTPUT);
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
}
void loop() {
// Turn all LEDs on
digitalWrite(0, HIGH);
digitalWrite(1, HIGH);
digitalWrite(2, HIGH);
digitalWrite(3, HIGH);
digitalWrite(4, HIGH);
digitalWrite(5, HIGH);
digitalWrite(6, HIGH);
digitalWrite(7, HIGH);
// Wait a bit

658

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

delay(500);
// Turn all LEDs off
digitalWrite(0, LOW);
digitalWrite(1, LOW);
digitalWrite(2, LOW);
digitalWrite(3, LOW);
digitalWrite(4, LOW);
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(6, LOW);
digitalWrite(7, LOW);
// Wait a bit
delay(500);
}

Создание идентификаторов
Идентификатор — слово, которое вы придумываете для обозначения
элемента программы. Хотя идентификаторы можно присваивать многим типам элементов, чаще всего они используются для следующих:

»
»
»

Имена функций, например setup и pinMode.
Переменные и поля, в которых хранятся данные, используемые в вашей программе.
Аргументы, которые передают значения данных функциям.

При создании идентификаторов необходимо соблюдать несколько
простых правил.
ЗАПОМНИТЕ

»
»
»

Идентификаторы учитывают регистр буквы. Поэтому
SalesTax и salesTax — это разные идентификаторы.
Идентификаторы могут состоять из заглавных и строчных
букв, цифр, символов подчеркивания (_) и знаков доллара ($). Таким образом, идентификаторы могут иметь такие
имена, как Port1, SalesTax$ и Total_Sales.
Все идентификаторы должны начинаться с буквы. Таким
образом, a15 — это правильный идентификатор, а 13Unlucky —
нет (потому что он начинается с цифры).

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

659

Использование переменных
Переменная — имя, которое присваивается определенному биту данных в вашей программе. Переменные необходимы почти во всех серьезных программах для Arduino, потому что они позволяют отслеживать
данные, выполнять вычисления и принимать решения на их основе.
В языке C переменная может хранить четыре различных типа данных:

»
»
»
»

int: тип int хранит целые значения, то есть целые числа.
: в типе хранятся числа с плавающей запятой,
то есть числа с десятичными точками.
double: в типе double хранятся так называемые числа с плавающей точкой двойной точности, то есть числа с десятичными
точками, в которых хранится вдвое больше цифр, чем в обычной переменной .
: тип char хранит один байт данных.

Вы должны определить переменную, прежде чем использовать ее в программе Arduino. Самая простая форма объявления переменной выглядит следующим образом:
type name;
Вот несколько примеров:
int time;

char status;
Обратите внимание, что в языке C объявление переменной считается утверждением, поэтому за ним должна следовать точка с запятой.
Создав переменную, вы можете использовать ее в операторе присваивания, чтобы присвоить ей значение. Оператор присваивания состоит из имени переменной, за которым следует знак равенства, а затем
значение, которое должно быть присвоено. Например, этот оператор
присваивания присваивает переменной time значение 500:
time = 500

660

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Вы можете объединить объявление переменной и присвоение значения в одном операторе, как показано ниже:
int time = 500;
Здесь переменная time объявляется и присваивается значению 500
в одном операторе.
Значение в правой части знака равенства может быть арифметическим
вычислением. Например:
time = 500 + 10
В этом примере переменной с именем time присваивается значение 510.
Нет особого смысла выполнять арифметические действия, используя
только цифры. В конце концов, вы можете просто выполнить вычисления самостоятельно. Таким образом, предыдущий пример можно
записать следующим образом:
time = 510
Настоящая мощь присвоения переменных проявляется, когда вы используете переменные в правой части знака равенства. Например, следующий оператор увеличивает значение переменной time на 10:
time = time + 10
В этом примере предыдущее значение time увеличивается на 10.
Например, если до выполнения этого оператора значение переменной
time было 150, то после него оно будет равно 160.
Важно знать, что переменные можно объявлять как внутри функции,
так и вне ее. Если вы объявляете переменную внутри функции, она может быть использована только в этой функции. Однако если вы объявляете переменную вне функции, она может использоваться в любой
из функций программы. Такую переменную иногда называют глобальной, поскольку она может использоваться глобально во всей программе.
Хотя это и не обязательно, принято объявлять все переменные в функции в самом начале функции, перед любыми другими операторами
в функции. Для глобальных переменных принято определять их в самом начале программы, перед любыми функциями.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

661

Математические расчеты
Как вы уже видели, язык C позволяет выполнять сложение, вычитание, умножение и деление с помощью символов (называемых операторами) +, ‒, * и /. Например:
int x = 10;
int y;
y = x * 3;
В этом примере переменной y будет присвоено значение 30.
Вот несколько тонкостей, которые нужны при программировании на C
математических операций:

В C используется обычный порядок операций, принятый
в математике. Так, умножение и деление выполняются перед
сложением и вычитанием. Например:
int x = 10;
int y;
y = x + 5 * 3.
Этот оператор присваивает y значение 25, потому что сначала 5 умножается на 3, а затем результат прибавляется к 10.

Вы можете использовать круглые скобки, чтобы заставить сначала вычислить определенную часть формулы.
Например:
int x = 10;
int y;
y = (x + 5) + 3.
Здесь C сначала выполняет вычисления внутри круглых скобок, получая результат 15. Затем он прибавляет 3 к 15, чтобы
получить окончательный результат — 18.

Когда вы выполняете деление с целыми числами, дробная
часть ответа отбрасывается, и результатом является целое
число. Например:
int x = 8 / 3.
Это выражение присваивает x значение 2. Это происходит потому, что 8 делится на 3, получается 2 с остатком 2.
Остаток отбрасывается.

662

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Программа, использующая переменные
и математические вычисления
На Листинге 2.4 показана программа, которая использует глобальную
переменную для изменения частоте мигания светодиодов при каждом
вызове функции loop. Как видно из Листинга, переменная с именем
Time используется для определения количества миллисекунд, на которые
функция задержки приостанавливается при каждом вызове. Каждый
раз при выполнении цикла значение переменной Time увеличивается
на 10. Таким образом, при первом запуске программы светодиоды мигают очень быстро, но по мере выполнения цикла мигание замедляется.
ЛИСТИНГ 2.4.

Программа LED Flasher с переменной
// The LED Flasher Program
// Doug Lowe
// December 2, 2021
//

// through 7 at half-second intervals.
// The Time variable
int Time;
void setup() {
// Set pins 0 through 7 to OUTPUT
pinMode(0, OUTPUT);
pinMode(1, OUTPUT);
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
// Initialize the Time variable
Time = 10;
}
void loop() {
// Turn all LEDs on
digitalWrite(0, HIGH);

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

663

digitalWrite(1,
digitalWrite(2,
digitalWrite(3,
digitalWrite(4,
digitalWrite(5,
digitalWrite(6,
digitalWrite(7,

HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);

Использование операторов If
Оператор if позволяет добавлять в программы условное тестирование.
Другими словами, позволяет выполнять определенные операторы только при выполнении определенного условия. Этот тип условной обработки — важная часть любой, кроме самой тривиальной, программы.
Каждый оператор if должен содержать условное выражение, которое
задает логический тест для определения истинности или ложности условия. Например:
x > 5
Это условие истинно, если значение переменной x больше 5. Если x
имеет значение, равное или меньшее 5, условие ложно.

664

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Одна из странностей языка программирования C заключается в том,
что для проверки равенства необходимо использовать два знака равенства. Например:
x == 5
Это условие истинно, если значение переменной x равно 5. Если значение не равно 5, условие ложно.
Основная форма оператора if выглядит следующим образом:
if ()

Обратите внимание, что условие должно быть заключено в круглые
скобки.
Вот простой пример:
if (Time == 500)
Time = 1000;
Этот оператор if смотрит на значение переменной Time и меняет его
на 1000, если текущее значение равно 500.
Операторная часть оператора if может быть как одним оператором C,
так и группой операторов. Если вы используете группу операторов,
нужно заключить их в фигурные скобки. Например:
if (Time == 500)
{
Time = 1000;
Counter = 0;
}
В этом примере два оператора выполняются, если значение переменной Time равно 500.
Оператор if может также включать компонент else, который содержит
один или несколько операторов, выполняемых, если условие не является истинным. Например:
if (Time == 500)
Time = 1000;
else
Time = 500;

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

665

В этом примере произойдет одно из двух событий: если переменная
Time имеет значение 500, значение переменной Time устанавливается
в 1000; если же переменная Time имеет значение, отличное от 500, значение переменной Time устанавливается в 500.
Как и в компоненте if, компонент else может содержать более одного утверждения. В этом случае утверждения должны быть ограничены
скобками, как показано здесь:
if (Timer
{
Timer =
Counter
}
Else
{
Timer =
Counter
}

== 500)
1000;
= 0;

500;
= Counter + 1;

И последнее, что нужно знать об операторах if: один оператор if может содержаться внутри другого. Такой порядок называется вложенным, и он очень полезен для реализации сложных решений.
Программа, показанная на Листинге 2.5, умело использует вложенный
оператор if для попеременного мигания светодиодов: сначала три короткие вспышки, за которыми следуют три более длинные вспышки.
Программа использует переменную Time для управления интервалом
задержки (250 для быстрых вспышек, 500 для более длительных) и вторую переменную Counter для подсчета количества вспышек светодиодов. Вложенный оператор if выглядит следующим образом:
if (Counter == 3)
{
if (Time = 250)
{
Time = 500;
}
else
{
Time = 250;
}
Counter = 0;
}
Здесь первый оператор if используется для изменения переменной
Time и сброса переменной Counter в нуль всякий раз, когда переменная

666

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Counter достигает 3. Внутри этого оператора if второй оператор if
проверяет значение переменной Time и устанавливает его равным 500,
если текущее значение переменной равно 250; в противном случае переменная Time устанавливается равной 500. По сути, этот внутренний
оператор if переключает переменную Time между 250 и 500 каждый раз,
когда переменная Counter достигает 3.

ЛИСТИНГ 2.5.

Программа LED Flasher с оператором IF
// The LED Flasher Program
// Doug Lowe
// December 2, 2021
//

!
// times, then more slowly 3 times.
// The Time and Counter variables
int Time;
int Counter;
void setup() {
// Set pins 0 through 7 to OUTPUT
pinMode(0, OUTPUT);
pinMode(1, OUTPUT);
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
// Initialize the Time and Counter variables
Time = 500;
Counter = 0;
}
void loop() {
// Turn all LEDs on
digitalWrite(0, HIGH);
digitalWrite(1, HIGH);
digitalWrite(2, HIGH);
digitalWrite(3, HIGH);

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

667

digitalWrite(4,
digitalWrite(5,
digitalWrite(6,
digitalWrite(7,

HIGH);
HIGH);
HIGH);
HIGH);

// Wait a bit
delay(Time);
// Turn all LEDs off
digitalWrite(0, LOW);
digitalWrite(1, LOW);
digitalWrite(2, LOW);
digitalWrite(3, LOW);
digitalWrite(4, LOW);
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(6, LOW);
digitalWrite(7, LOW);
// Wait a bit
delay(Time);
// Determine the correct wait time
if (Counter == 3)
{
if (Time == 250)
{
Time = 500;
}
else
{
Time = 250;
}
Counter = 0;
}
// Increment the counter
Counter = Counter + 1;
}

668

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Использование циклов While
Как вы уже знаете, основной частью любой программы для Arduino является функция loop, которую Arduino вызывает многократно, пока выполняется программа. Таким образом, вы уже знакомы с базовой концепцией циклов, неотъемлемым элементом почти всех компьютерных
программ, независимо от используемого языка программирования или
типа устройства, на котором выполняется программа.
В дополнение к базовому механизму циклов, обеспечиваемому методом loop, вы можете создать дополнительные формы циклов в методах setup или loop. Язык C предоставляет несколько способов создания программных циклов. Самый простой называется циклом while.
Это просто цикл, который повторяется до тех пор, пока выполняется
некоторое условие.
Базовая форма цикла while выглядит следующим образом:
while ()
statement
Обратите внимание, что операторная часть цикла while может быть как
одним оператором, так и серией операторов, заключенных в скобки.
Вот пример цикла while, который инициализирует выводы с 0 по 7 как
выводы OUTPUT:
int pin = 0;
while (pin < 8)
{
pinMode(pin, OUTPUT);
pin = pin + 1;
}
При каждом выполнении этого цикла вызывается метод setMode, который устанавливает режим работы вывода, обозначенного переменной pin, в OUTPUT. Затем значение переменной pin увеличивается на 1.
Таким образом, при первом выполнении цикла устанавливается режим вывода 0. Во второй раз устанавливается режим вывода 1. И т. д.,
пока не будет установлен пин 7. На этом выполнении цикла переменная pin увеличивается до 8. Затем, при следующем выполнении цикла, условие становится ложным, и цикл завершается.

ПРИМЕЧАНИЯ

Прибавление единицы к переменной в цикле — дело настолько обычное, что в языке программирования C есть полезное сокращение, называемое оператором инкремента. Оператор инкремента — это просто

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

669

два знака плюс подряд, которые вы пишете после имени переменной,
а не перед ним. Например:
pin++;
Вот как выглядит полный цикл с использованием оператора инкремента:
int pin = 0;
while (pin < 8)
{
setMode(pin, OUTPUT);
pin++;
}
В Листинге 2.6 показана версия LED ﬂasher, которая мигает светодиодами по очереди в течение половины секунды каждый, начиная со светодиода на выводе 0 и заканчивая светодиодом на выводе 7. Обратите
внимание, что из-за оператора while внутри функции цикла программа фактически мигает всеми восемью светодиодами при каждом выполнении функции цикла.

ЛИСТИНГ 2.6.

LED Flasher с циклом while
// The LED Flasher Program
// Doug Lowe
// December 2, 2021
//

"
" "
// second each.
// The Time and Pin variables
int Time;
int Pin;
void setup() {
// Set pins 0 through 7 to OUTPUT
Pin = 0;
while (Pin < 8)
{
pinMode(Pin, OUTPUT);
Pin++;
}

670

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

// Initialize the Time variable
Time = 500;
}
void loop() {
Pin = 0;
while (Pin < 8)
{
digitalWrite(Pin, HIGH);
delay(Time);
digitalWrite(Pin, LOW);
Pin++;
}
}

Использование циклов For
Цикл for — особый тип циклического оператора, который автоматически сохраняет переменную счетчика. Цикл for идеально подходит
для выполнения цикла определенное количество раз или для выполнения действия на нескольких контактах ввода/вывода.
Основная структура цикла for выглядит следующим образом:
for (initialize; test; increment)
statement
В следующих параграфах описывается, что делают три части в круглых скобках.

» Часть initialize инициализирует цикл и устанавливает пере-

менную счетчика, которая будет использоваться. Переменная
может уже существовать или может быть объявлена в части
initialize. Как правило, здесь переменной присваивается
начальное значение.

» Часть test представляет собой тест условия, который ис-

пользуется, чтобы определить момент завершения цикла. Обычно условие проверяет определенное значение
переменной counter. Цикл выполняется до тех пор, пока
условие истинно. Когда условие становится ложным, цикл
завершается.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

671

» Часть increment используется для увеличения
переменной-счетчика.

Вот пример, который устанавливает режим работы выводов с 0 по 7
на OUTPUT:
for (int Pin = 0; Pin < 8; Pin++)
{
pinMode(Pin, OUTPUT);
}
В этом примере Pin объявляется в цикле for как переменная-счетчик
и получает начальное значение нуль. Цикл продолжает выполняться
до тех пор, пока переменная Pin меньше 8, и после каждого выполнения цикла переменная Pin увеличивается на 1. Таким образом, цикл
устанавливает режим для выводов с 0 по 7.
Одна из интересных особенностей цикла for: вы можете вести обратный отсчет. Самый простой способ сделать это — использовать оператор decrement, который похож на оператор increment, о котором говорилось ранее в этой главе, но в нем используются два знака минус
вместо двух знаков плюс. Как вы уже догадались, оператор decrement
вычитает единицу, а не прибавляет ее.
Для обратного отсчета необходимо установить начальное значение переменной счетчика на то значение, с которого вы хотите начать, и проверить нижнее предельное значение в условии. Например:
for (int Pin = 7; Pin >= 0; Pin--)
{
digitalWrite(Pin, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(Pin, LOW);
}
В этом примере светодиоды мигают в обратном порядке, от вывода 7
к выводу 0. (Обратите внимание на тест условия >=, который проверяет True, если значение переменной Pin либо больше, либо равно нулю.)
Пропустить счет можно и с помощью цикла for. Например, в следующем цикле мигает каждый второй светодиод (то есть светодиоды
на контактах 0, 2, 4 и 6):
for (int Pin = 0; Pin < 8; Pin = Pin + 2)
{
digitalWrite(Pin, HIGH);
delay(500);

672

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

digitalWrite(Pin, LOW);
}
В Листинге 2.7 показана версия программы LED Flasher, которая использует пару циклов for для мигания светодиодов сначала в одном,
а затем в противоположном направлении. Это создает эффект, похожий
на жуткие электронные глаза злобных сайлонов в старом телесериале
Battlestar Galactica 1. (Чтобы добиться угрожающего эффекта сайлонов,
я ускорил цикл, уменьшив переменную Time с 500 до 50 миллисекунд.)
В функции setup используется цикл for для инициализации выходных контактов. Затем, в функции loop, используются два цикла for.
Первый цикл for последовательно мигает светодиодами с выводов 0 по 7.
Второй цикл мигает светодиодами в обратном порядке, с выводов 6 по 1.
Обратите внимание, что второй цикл не мигает всеми восемью выводами. Если бы это было так, то контакты 0 и 7 мигали бы дважды при каждом вызове функции цикла, что нарушило бы синхронизацию эффекта.

ЛИСТИНГ 2.7.

Программа LED Flasher с циклами for
// The LED Flasher Program
// Doug Lowe
// December 2, 2021
//

" # "

// backward, each for half a second.
// The Time variable
int Time;
void setup() {
// Set pins 0 through 7 to OUTPUT
for (int Pin = 0; Pin < 8; Pin++)
{
pinMode(Pin, OUTPUT);
}
// Initialize the Time variable
Time = 50;

В российском эфире телесериал выходил под названием «Звездный крейсер "Галактика"». —
Прим. ред.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

673

}
void loop() {
// Flash pins 0 through 7 forward
for (int Pin = 0; Pin < 8; Pin++)
{
digitalWrite(Pin, HIGH);
delay(Time);
digitalWrite(Pin, LOW);
}
// Flash pins 6 through 1 backward
for (int Pin = 6; Pin > 0; Pin--)
{
digitalWrite(Pin, HIGH);
delay(Time);
digitalWrite(Pin, LOW);
}
}

Создание собственных функций
В предыдущих разделах я объяснил, как создать функции setup и loop,
которые необходимы каждой программе Arduino, и как использовать
стандартные библиотечные функции, такие как pinMode, digitalWrite
и delay. В последнем разделе этой главы я рассказываю, как создавать
собственные функции, которые можно вызывать из функций setup или
loop, чтобы упростить свой код.
Зачем вам это нужно? Вот простой пример: в Листинге 2.7 вы могли заметить, что в двух циклах for, используемых в функции loop, повторяются одни и те же три строки кода. Вместо того чтобы повторять эти
три строки кода, вы можете создать собственную функцию, содержащую эти строки. Можно назвать эту функцию . Тогда в цикле
for нужно будет вызывать только функцию .
Чтобы создать функцию, вы должны объявить ее точно так же, как объявляете функции setup и loop. Главное отличие в том, что при создании собственных функций вам, скорее всего, придется передавать им
данные через аргументы. Например, в функцию нужно передать номер вывода. Также в качестве аргумента можно передать время задержки.

674

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Вот пример функции, которая включает светодиод, ждет определенное
время, а затем выключает его:
% &'? @
{
digitalWrite(Pin, HIGH);
delay(Time);
digitalWrite(Pin, LOW);
}
Как видите, в первой строке функции аргументы объявляются аналогично тому, как объявляются переменные. Первый аргумент имеет тип
int и назван Pin, второй аргумент также имеет тип int, но назван Time.
В Листинге 2.8 показана версия программы Cylon-eyes, в которой используется функция для мигания каждого светодиода. Обратите внимание, что в этой версии программы нет глобальной переменной Time,
поскольку длительность вспышки передается функции в качестве параметра.

ЛИСТИНГ 2.8.

Программа LED Flasher с функцией
// The LED Flasher Program
// Doug Lowe
// November 7, 2021
//

" # "

// backward, each for half a second.
void setup() {
// Set pins 0 through 7 to OUTPUT
for (int Pin = 0; Pin < 8; Pin++)
{
pinMode(Pin, OUTPUT);
}
}
void loop() {
// Flash pins 0 through 7 forward
for (int Pin = 0; Pin < 8; Pin++)
{

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

675

&'?A@
}
// Flash pins 6 through 1 backward
for (int Pin = 6; Pin > 0; Pin--)
{
&'?A@
}
}
% &'? @
{
digitalWrite(Pin, HIGH);
delay(Time);
digitalWrite(Pin, LOW);
}
Помимо приема аргументов, функция может также возвращать значение. В программах, которые просто мигают светодиодами, функции,
возвращающие значения, не слишком нужны, поэтому давайте рассмотрим другой пример. Предположим, в вашем проекте Arduino требуется вычислить площадь прямоугольника, у которого высота и ширина представлены значениями int. Вы можете вычислить площадь
следующим образом:
int
int
int
a =

width = 5;
height = 10;
a;
width * height;

Другой способ сделать это — создать функцию, которая принимает
в качестве аргументов ширину и высоту и возвращает площадь прямоугольника. Вот как можно написать эту функцию:
int area(int width, int height)
{
int area;
area = width * height;
return area;
}
В этом примере функции area присвоен тип возврата int, что означает, что при вызове функция вернет целочисленное значение. Затем
в теле функции используется оператор return для завершения функции и предоставления возвращаемого значения.

676

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Вот как можно использовать эту функцию для вычисления площади:
int
int
int
a =

x = 5;
y = 10;
a;
area(x, y);

Важно отметить, что имена переменных, которые вы указываете в качестве аргументов при вызове функции, не обязательно должны совпадать с именами аргументов, указанных внутри функции. Вместо этого аргументы являются позиционными: первый аргумент, который вы
передаете функции, будет использоваться в качестве ширины, а второй — в качестве высоты.

ГЛАВА 2.Создание эскизов Arduino

677

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Считывание состояния кнопок
» Генерация случайных чисел
» Использование потенциометра в качестве входного сигнала

Гл а в а 3

Другие приемы
программирования Arduino
В этой главе вы узнаете о дополнительных приемах программирования Arduino, которые будут очень полезны в ваших проектах Arduino.
В частности, узнаете, как работать с входными данными в виде кнопок,
как генерировать случайные числа, которые сделают ваши программы
интереснее, добавив в них некоторую долю случайности, и как считывать значение потенциометра.

Использование кнопки с Arduino
В главе 2 этой части объясняется, как подключить светодиод к контакту
ввода/вывода Arduino и включить или выключить светодиод с помощью
функции digitalWrite в программе Arduino. Функция digitalWrite
использует контакты ввода/вывода в качестве выходных, устанавливая состояние контакта ввода/вывода в HIGH или LOW, чтобы внешняя
схема (например, светодиод) могла реагировать на состояние контакта.
Но что, если вы хотите использовать вывод I/O не как выход, а как вход?
Другими словами, что надо сделать, если вам нужно, чтобы Arduino реагировала на состояние внешней схемы, а не наоборот? Самый простой способ — подключить кнопку к контакту ввода/вывода. Затем вы
можете добавить команды в программу Arduino, чтобы определить, нажата ли кнопка.

678

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Существуют два способа подключения кнопки к контакту ввода/вывода Arduino:

»
»

Активный высокий: при таком подключении на контакт ввода/
вывода подается +5 В, когда кнопка нажата. Когда кнопка
отпускается, на контакте ввода/вывода появляется 0 В.
Активный низкий: когда кнопка не нажата, на этот вывод подается напряжение +5 В. Когда вы нажимаете кнопку, напряжение +5 В снимается, и на контакте ввода/вывода не появляется напряжение.

На рис. 3.1 показаны примеры кнопок с активным высоким и активным низким напряжением. В схеме с активным высоким уровнем напряжения вывод ввода/вывода подключен к земле через резистор R1,
когда кнопка не нажата. Таким образом, напряжение на выводе I/O
равно 0. Когда кнопка нажата, вывод I/O подключается к +5 В через
резистор R1, в результате чего на выводе I/O появляется напряжение
+5 В. В результате вывод I/O находится в состоянии LOW, когда кнопка
не нажата, и в состоянии HIGH, когда кнопка нажата.

Рис. 3.1.
Входные цепи с активным высоким (сверху)
и активным низким
уровнем сигнала (снизу)

ГЛАВА 3.Другие приемы программирования Arduino

679

В схеме с активным низким напряжением вывод ввода/вывода подключен к напряжению +5 В через R1, в результате чего на выводе ввода/
вывода появляется напряжение HIGH. Но когда кнопка нажата, ток замыкается на землю через R1, в результате чего напряжение на выводе
I/O падает до нуля. Таким образом, вывод I/O находится в состоянии
HIGH, когда кнопка не нажата, и в состоянии LOW, когда кнопка нажата.
Обратите внимание, что в обеих схемах R1 подключен между +5 В и землей для предотвращения короткого замыкания. Без этого резистора
Arduino, скорее всего, был бы поврежден при нажатии кнопки.
ОСТОРОЖНО!

ПРИМЕЧАНИЯ

В схеме с активным высоким уровнем R1 называется подтягивающим
резистором, поскольку оттягивает ток от вывода ввода/вывода до нуля,
когда кнопка не нажата. В схеме с активным низким уровнем R1 называется подтягивающим резистором, поскольку он подтягивает напряжение на выводе ввода/вывода к Vdd (+5 В), когда кнопка не нажата.

Проверка состояния
переключателя в Arduino
После подключения переключателя к контакту ввода/вывода Arduino
необходимо выяснить, как программа Arduino может определить, разомкнут или замкнут переключатель. Самый простой способ сделать это — сначала обозначить контакт как входной, вызвав функцию
pinMode, а затем проверить состояние входного контакта, вызвав функцию digitalRead. Функция digitalRead возвращает 0 или 1 в зависимости от текущего состояния входного контакта.
Например, можно обозначить вывод 10 как входной следующим образом:
pinMode(10, INPUT);
Затем, чтобы получить статус пина, можно вызвать digitalRead так:
int Pin10Status;
Pin10Status = digitalRead(10);
Функция digitalRead возвращает текущее состояние вывода 10 и сохраняет его в переменной int с именем Pin10Status. Затем вы можете
проверить состояние контакта в операторе if:
if (Pin10Status == 1)
{
BJKQJVXYZ[Z\Z]^`jqQZ^V|~KJ]JZ
}

680 ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Во многих случаях можно сократить код, отказавшись от переменной
для хранения результата функции pinRead, например, так:
if (digitalRead(10))
{
BJKQJVXYZ[Z\Z]^`jqQZ^V|~KJ]JZ
}
Обратите внимание, что в предыдущем выражении if необходимо поставить две правые скобки подряд. Первая закрывает список аргументов, передаваемых функции digitalRead, вторая — выражение в операторе if.
Если хотите, можете использовать переменные bool для определения
состояния контактов. Переменная bool может иметь значение true или
false. (Слово bool — это сокращение от Boolean 1.) Используя переменную bool, вы можете проверить состояние переключателя вот так:

СОВЕТ

bool Pin10Status;
Pin10Status = digitalRead(10);
if (Pin10Status == true)
{
BJKQJVXYZ[Z\Z]^`jqQZ^V &|~KJ]Y\J|ZX@
}
Вот пример программы, которая включает светодиод на выводе 0, если
пользователь нажимает кнопку на выводе 10, и выключает светодиод,
когда кнопка отпущена:
if (digitalRead(10))
{
digitalWrite(0, HIGH);
}
Else
{
digitalWrite(0, LOW);
}
Здесь светодиод на выводе 0 становится HIGH, если кнопка нажата, и LOW,
если кнопка не нажата.

Слово Boolean переводится на русский язык как «логический», т. е. логическая переменная. —
Прим. пер.

ГЛАВА 3.Другие приемы программирования Arduino

681

ЗАПОМНИТЕ

Помните, что при проверке состояния входного контакта, подключенного к переключателю, определить, нажал ли пользователь на переключатель, — это зависит от того, настроен переключатель на Active
High или на Active Low. В схеме с активным высоким уровнем функция
digitalRead вернет значение HIGH, если пользователь нажмет на переключатель. В схеме с активным низким уровнем LOW будет возвращаться при нажатии на переключатель.
В Листинге 3.1 показана интересная программа, которая работает
с Arduino, использующим кнопочный переключатель, подключенный
к выводу 10, и светодиоды, подключенные к выводам 0 и 1. Программа
мигает светодиодом, подключенным к выводу 0, с интервалом в четверть секунды, пока кнопочный переключатель не будет нажат. Затем
мигает светодиод на выводе 1. Программа предполагает, что кнопка
подключена к активной высокой цепи Active High.

ЛИСТИНГ 3.1.

Программа для работы с кнопкой
// The LED Flasher Program with a Push Button
// Doug Lowe
// December 3, 2021
//

"#
// pins 0 and 1, depending on whether the push button on
// pin 10 is pressed.
void setup() {
pinMode(0, OUTPUT);
pinMode(1, OUTPUT);
pinMode(10, INPUT);
}
void loop() {
if (digitalRead(10) == 1)
{
digitalWrite(1, HIGH);
delay(250);
digitalWrite(1, LOW);
delay(250);
}
else
{
digitalWrite(0, HIGH);
delay(250);
digitalWrite(0, LOW);

682

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

// Button is pressed

// Button is not pressed

delay(250);
}
}
В Проекте 45 демонстрируется построение простой схемы, которую
можно использовать для тестирования программы из Листинга 3.1,
а на рис. 3.2 показана готовая схема.

Рис. 3.2.
Схема для тестирования кнопочного
переключателя с
активной высокой
частотой (Проект 45 )

Проект 45. Кнопочный переключатель
Arduino LED Flasher
В этом проекте вы подключаете макетную плату с двумя светодиодами
и кнопкой к плате Arduino UNO.

ГЛАВА 3.Другие приемы программирования Arduino

683

Анод

Катод

Детали
»
»
»
»
»
»
»
»
»
684

Один компьютер с инсталлированной Arduino IDE.
Одна плата Arduino UNO.
Один кабель USB A-B.
Один экран для прототипов UNO.
Два красных светодиода.
Одна нормально открытая кнопка DIP на макетной плате.
Два резистора 470 Ом (желтый-фиолетовый-коричневый).
Один резистор 10 кОм.
Восемь проводов-перемычек.

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Порядок действий
1.

Вставьте светодиоды
Светодиод

Анод

Катод

LED1

LED2

Вставьте резисторы.
Резистор

От

R1 (470 Ом)

R2 (470 Ом)

R3 (10 кОМ)

Вставьте кнопку.
Штырьки вставьте в G7, I7, G9 и F9 так, чтобы переключатель
размыкался и замыкался через ряды 7 и 9.

Подсоедините провода-перемычки.
От

Заголовок GND

Заголовок +5 В

Цифровой контакт D0

Цифровой контакт D1

Цифровой контакт D10

Подключите собранный шилд для прототипов к Arduino
UNO.

Подключите UNO к компьютеру.
Используйте разъем USB Type B.

Загрузите в UNO программу Flashing LED (см. Листинг 3.1).
Светодиод LED1 будет мигать с интервалом в четверть секунды. Если нажмете на кнопку, вместо нее будет мигать светодиод LED2.

ГЛАВА 3.Другие приемы программирования Arduino

685

Рандомизация программ
Многие приложения, управляемые компьютером, требуют определенной
степени случайности в своей работе. Классический пример — аттракцион «Индиана Джонс» в Диснейленде. Каждый раз, когда вы отправляетесь на этот аттракцион, приключение немного отличается. В самом
начале есть три двери, через которые может проехать ваш автомобиль;
какая именно дверь будет выбрана для поездки, определяется случайным образом. И многие другие детали аттракциона меняются случайным образом, чтобы приключение каждый раз было немного другим.
Вы можете добавить немного случайности в свои собственные программы Arduino, используя функцию random. Она возвращает случайное число, значение которого лежит в диапазоне, заданном вами с помощью пары аргументов.
Первый аргумент указывает минимальное значение, которое вы хотите вернуть. Второй аргумент, как ни странно, на единицу больше нужного вам максимального значения. Например, если нужно получить
значение в диапазоне от 1 до 10, вы вызовете функцию random следующим образом:
random(1,11);
В Листинге 3.2 показан пример программы, которая включает светодиод LED1 (вывод 0) до тех пор, пока не будет нажата кнопка на выводе 14. Затем она выключает светодиод 1 и мигает светодиодом 2 (вывод 1) случайное число раз (от 1 до 10). Затем снова переключается
на светодиод 1. Эта программа будет работать со схемой, которую вы
собрали для проекта 45.

ЛИСТИНГ 3.2.

Программа рандомизации
// Random Program
// Doug Lowe
// December 3, 2021
//
// This program turns on the LED at pin 0. When the user
// presses the button at pin 10, the LED at pin 0 is
""
// random number of times (between 1 and 10).
// Then the LED at pin 0 is turned on again.
void setup() {
pinMode(0, OUTPUT);

686

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

pinMode(1, OUTPUT);
digitalWrite(0, HIGH);
digitalWrite(1, LOW);
}
void loop() {
if (digitalRead(10) == 1)
{
digitalWrite(0, LOW);
int rnd = random(1, 11);
for (int i = 1; i < rnd; i++)
{
digitalWrite(1, HIGH);
delay(250);
digitalWrite(1, LOW);
delay(250);
}
digitalWrite(0, HIGH);
}
}
Каждый раз, когда вы нажимаете кнопку в этой программе, светодиод
на выводе 1 загорается на разное время от 1 до 5 секунд.

ПРИМЕЧАНИЯ

Оказывается, функция random на самом деле не такая уж и случайная.
Она применяет сложный математический расчет для создания последовательности чисел, которые кажутся случайными. Но эти числа не случайные. Так происходит потому, что при запуске программы в генератор случайных чисел закладывается начальное значение
по умолчанию, и функция random будет генерировать одну и ту же последовательность чисел.
Таким образом, программа в Листинге 3.2 всегда генерирует одну и ту
же последовательность случайных задержек. В частности, последовательность для первых десяти нажатий кнопок всегда будет следующей:

» Первое нажатие: 7 вспышек.
» Второе нажатие: 9 вспышек.
» Третье нажатие: 3 вспышки.
» Четвертое нажатие: 8 вспышек.
» Пятое нажатие: 2 секунды.
» Шестое нажатие: 4 вспышки.
» Седьмое нажатие: 8 вспышек.
ГЛАВА 3.Другие приемы программирования Arduino

687

»
»
»

Восьмое нажатие: 3 вспышки.
Девятое нажатие: 9 вспышек.
Десятое нажатие: 5 вспышек.

Эта последовательность кажется случайной, но каждый раз, когда вы
перезагружаете программу и начинаете заново, последовательность
будет идентичной.
Вы можете обойти этот недостаток истинной случайности, вызвав
функцию randomSeed, чтобы задать начальное значение для функции
random. Начальное значение обеспечивает отправную точку в последовательности случайных чисел, генерируемых функцией random. Если
при каждом запуске программы использовать разное начальное значение, каждый раз будет получаться разная случайная последовательность.
Как же использовать другое начальное значение? Это можно сделать
достаточно просто, используя функцию millis: она возвращает количество миллисекунд, в течение которых выполнялась программа. Если
вызывать функцию millis, когда нажимаете кнопку, и использовать
ее возвращаемое значение для вычисления случайных чисел, вы получите действительно случайный результат.
В Листинге 3.3 показана улучшенная версия программы random, которая использует эту технику для создания действительно случайной задержки. Оказывается, для правильной рандомизации задержки требуется всего одна дополнительная строка кода:
randomSeed(millis());
Эта строка перезагружает генератор случайных чисел каждый раз, когда нажимается кнопка, и генерируется истинно случайное значение.

ЛИСТИНГ 3.3.

Усовершенствованная версия программы Random
// Improved Random Program
// Doug Lowe
// December 3, 2021
//
// This program turns on the LED at pin 0. When the user
// presses the button at pin 10, the LED at pin 0 is
""
// random number of times (between 1 and 10).
// Then the LED at pin 0 is turned on again.
// The random seed is reset each time the

688

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

// button is pressed.
void setup() {
pinMode(0, OUTPUT);
pinMode(1, OUTPUT);
digitalWrite(0, HIGH);
digitalWrite(1, LOW);
}
void loop() {
if (digitalRead(10) == 1)
{
randomSeed(millis());
digitalWrite(0, LOW);
int rnd = random(1, 11);
for (int i = 1; i < rnd; i++)
{
digitalWrite(1, HIGH);
delay(250);
digitalWrite(1, LOW);
delay(250);
}
digitalWrite(0, HIGH);
}
}

Считывание значения с потенциометра
Потенциометр — это переменный резистор с ручкой, которую можно
поворачивать для изменения сопротивления. Потенциометры различных типов часто используются как устройства ввода в проектах Arduino.
Например, вы можете использовать простой потенциометр для управления скоростью пары мигающих светодиодов: когда поворачиваете ручку потенциометра — и скорость мигания светодиодов меняется.
Arduino может считывать значение потенциометра напрямую, используя любой из шести портов аналогового ввода. На плате Uno эти порты
расположены на шестиконтактном разъеме, который находится на противоположной стороне от цифровых портов. Каждый из них преобразует уровень напряжения между 0 В и опорным напряжением в целое
число от 0 до 1023. Хотя вы можете изменить опорное напряжение для
аналогового порта, мы будем использовать стандартное опорное напряжение +5 В.

ГЛАВА 3.Другие приемы программирования Arduino

689

На рис. 3.3 показано, как просто подключить потенциометр к Arduino.
Здесь две внешние клеммы потенциометра подключены к земле
и +5 В соответственно, а средняя клемма — к порту аналогового ввода.

Аналоговый
вход

Рис. 3.3.
Подключение потенциометра к контакту
ввода/вывода Arduino

Чтобы прочитать значение аналогового входа в программе Arduino, вы
используете функцию analogRead. Эта функция принимает в качестве
аргумента номер считываемого порта и возвращает число от 0 до 1023,
указывающее на напряжение на входе относительно опорного напряжения +5 В. Таким образом, если напряжение равно 2,5 В, функция
analogRead вернет 511.
В Листинге 3.4 показана простая программа, которая поочередно мигает
светодиодами, подключенными к выводам 0 и 1. Скорость мигания задается потенциометром на аналоговом выводе 0. Программа использует значение, возвращаемое функцией analogRead, в качестве задержки
между вспышками. Когда пользователь поворачивает ручку потенциометра, частота вспышек изменяется от 0 до чуть более одной секунды.

ЛИСТИНГ 3.4.

Программа мигания светодиодов,
использующая потенциометр
// Variable Rate Flasher
// Doug Lowe
// December 3, 2011
//

"
// at a rate set by a potentiometer on analog input pin
// 0.
int Rate;
void setup() {
pinMode(4, OUTPUT);

690

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

pinMode(6, OUTPUT);
}
void loop() {
Rate = analogRead(0);
digitalWrite(4, LOW);
digitalWrite(6, HIGH);
delay(Rate);
digitalWrite(6, LOW);
digitalWrite(4, HIGH);
delay(Rate);
}

В Проекте 46 показано, как собрать схему с потенциометром 10 МОм,
чтобы протестировать код в Листинге 3.4. На рис. 3.4 показана готовая схема.

Рис. 3.4.
Схема, использующая
потенциометр для
управления мигающими светодиодами
(Проект 46 )

ГЛАВА 3.Другие приемы программирования Arduino

691

Проект 46. Светодиодная мигалка
с переменной частотой мигания
В этом проекте вы подключаете макетную плату к двум мигающим
светодиодам и потенциометру, который регулирует скорость мигания
светодиодов.

Анод

Катод

692

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Детали
»
»
»
»
»
»
»
»

Один компьютер с установленной Arduino IDE.
Одна плата Arduino UNO.
Один кабель USB A-B.
Один шилд для прототипов UNO.
Два красных светодиода.
Один резистор 470 Ом (желтый-фиолетовый-коричневый).
Один потенциометр 10 МОм.
Семь проводов-перемычек.

Порядок действий
1.

Вставьте светодиоды.
Светодиод

Анод

Катод

LED1

LED2

Вставьте резистор.
Резистор

От

R1 (470 :)

Подсоедините провода-перемычки.
От

Заголовок GND

Аналоговый вывод A0

Заголовок +5 В

Цифровой вывод D6

Цифровой вывод D4

Вставьте потенциометр.
Штырьки должны быть вставлены в B1, B3 и B5.

ГЛАВА 3.Другие приемы программирования Arduino

693

Подключите собранный шилд для прототипов к Arduino
UNO.

Подключите UNO к компьютеру.
Используйте разъем USB Type-B.

Загрузите в UNO программу Variable-Rate Flasher (см.
Листинг 3.4).
Светодиоды будут попеременно мигать с частотой, определяемой потенциометром. Когда вы поворачиваете ручку потенциометра, частота мигания будет увеличиваться или
уменьшаться.

694

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Подключение ультразвукового дальномера к Arduino

» Вывод информации на ЖК-дисплей
» Использование новых команд
Arduino для работы с дальномером
и ЖК-дисплеем

» Создание простого датчика

Гл а в а 4

приближения

Датчик приближения
на Arduino
В этой главе вы узнаете о двух новых устройствах, которые можно легко подключить к Arduino. Первое — это ультразвуковой дальномер,
использующий короткий ультразвуковой импульс, чтобы определить
расстояние до близлежащего объекта. Второе — жидкокристаллический дисплей (ЖК), на который выводится информация от Arduino.
Затем создадите проект, который использует эти два устройства вместе для отображения расстояния между Arduino и близлежащим объектом. Удачи!

Использование ультразвукового
дальномера
Ультразвуковой дальномер — это устройство, которое определяет расстояние до близлежащего объекта, отражая от него ультразвуковые
волны. Вкратце, дальномер испускает короткий всплеск ультразвука
(звук в диапазоне частот, который человек не может услышать), а затем слушает звук, отраженный от объекта. По времени между первоначальным всплеском и отражением можно определить, насколько далеко объект от дальномера.

ГЛАВА 4.Датчик приближения на Arduino

695

Обзор дальномера HC-SR04
На рис. 4.1 — широко используемый ультразвуковой дальномер HC-SR04.

Рис. 4.1.
Дальномер HC-SR04

HC-SR04 собран на небольшой печатной плате (около 2 дюймов в длину и ¾ дюйма в высоту) с четырехконтактным разъемом, который легко крепится к макетной плате. HC-SR04 включает в себя передатчик,
генерирующий ультразвук, приемник, воспринимающий ультразвук,
и схему, измеряющую время между передачей звукового импульса
и приемом его эха.
В табл. 4.1 — описание четырех выводов HC-SR04.

ТАБЛ. 4.1.

Расположение выводов
ультразвукового дальномера HC-SR04
Контакт

Название

Функция

VCC

Питание 5 В

TRIG

Запускает генерацию ультразвукового
импульса для измерения расстояния до
близлежащего объекта

ECHO

После запуска импульса генерирует
эхо-импульс, длительность которого
соответствует расстоянию до объекта

GND

Заземление

Чтобы подключить HC-SR04 к Arduino, сначала подключите контакты 1 и 4 к питанию и земле соответственно. Затем подключите контакты 2 и 3 к любому из цифровых вводов/выводов Arduino.

696

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

После подключения HC-SR04 к Arduino вы можете проверить диапазон, отправив короткий импульс HIGH на контакт TRIG. Это заставит HC-SR04 сгенерировать короткий ультразвуковой импульс через
передатчик и затем прослушать эхо на приемнике. Когда эхо получено, HR-SR04 посылает импульс на контакт ECHO. Длительность импульса — время для получения ультразвукового эха.
По длительности импульса ECHO можно определить расстояние до объекта, отразившего ультразвуковой импульс. Придется немного посчитать, но ничего сложного.
В следующих разделах я объясню, как сгенерировать триггерный импульс для HC-SR04, как считать длительность эхо-импульса и как рассчитать расстояние до объекта по длительности эхо-импульса.

Генерирование триггерного импульса
Для определения дальности HC-SR04 требуется короткий импульс
на контакте TRIG. Он должен быть не менее 10 микросекунд, но обычно это 100 микросекунд.
Чтобы сгенерировать импульс на цифровом выводе ввода/вывода
Arduino, достаточно установить выходной контакт в положение HIGH,
сделать задержку на нужную длительность импульса, затем установить вывод в положение LOW. К сожалению, функция задержки (см.
главу 1 этой части) работает с миллисекундной точностью (миллисекунда — одна тысячная секунды), а не с микросекундной (микросекунда — одна миллионная секунды), поэтому чтобы создать задержку короче 1 миллисекунды, нужно использовать функцию delayMicroseconds.
Вот полный фрагмент кода, который генерирует 100-микросекундный
импульс на выводе 9:
digitalWrite(9, LOW);
delayMicroseconds(20);
digitalWrite(9, HIGH);
delayMicroseconds(100);
digitalWrite(9, LOW);
Этот код начинается с установки выходного пина в LOW и ожидания
в течение 20 микросекунд. Это действие дает импульсу чистый старт.
Затем вывод 9 устанавливается в состояние HIGH на 100 микросекунд,
после чего возвращается в состояние LOW.
Если предположить, что вывод 9 подключен к выводу TRIG устройства
HC-SR04, этот код инициирует проверку диапазона.

ГЛАВА 4.Датчик приближения на Arduino

697

Чтение импульса на входе
В библиотеку программирования Arduino входит функция pulseIn,
которая считывает входной импульс на цифровом входе и возвращает
длительность импульса в виде целого числа. Функция pulseIn принимает два аргумента. Первый указывает на вывод для считывания (который предварительно сконфигурирован как входной). Второй аргумент указывает, какой импульс вы хотите прочитать — HIGH или LOW.
Необязательный третий аргумент задает значение тайм-аута; если
импульс не был получен до истечения значения тайм-аута, функция
pulseIn возвращает 0.
Функция pulseIn ожидает начала импульса и начинает отсчет микросекунд до его окончания. Затем она возвращает посчитанную длительность импульса.
Вот пример ее использования, если предположить, что вывод 9 подключен к выводу TRIG, а вывод 8 — к выводу ECHO:
int duration;
pinMode(8, INPUT);
pinMode(9, OUTPUT);

// ECHO pin
// TRIG pin

q[K]qZQ\YZ\
digitalWrite(9, LOW);
delayMicroseconds(20);
digitalWrite(9, HIGH);
delayMicroseconds(100);
digitalWrite(9, LOW);
BjYQ~|qZY[^K
duration = pulseIn(8, HIGH)
Предыдущий код начинается с установки режима ввода/вывода для
выводов TRIG и ECHO. Затем он посылает 100-микросекундный триггерный импульс на вывод TRIG, считывает эхо-импульс на выводе
ECHO. По завершении работы этого кода переменная duration будет
содержать длительность эхо-импульса в микросекундах.

698

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Расчеты
Получив длину эхо-импульса от HC-SR04, можете использовать полученный результат, чтобы рассчитать расстояние до объекта, отразившего ультразвуковой сигнал дальномера.
Сначала вам нужно решить, какую единицу измерения вы хотите использовать. Измерьте расстояние в сантиметрах. Вы можете работать в дюймах и футах, но математика намного проще, если работать
в сантиметрах.
Чтобы преобразовать длительность эхо-импульса в расстояние в сантиметрах, нужно знать один ключевой факт: звук распространяется со скоростью примерно 340 метров в секунду — при условии, что это обычный
воздух и температура окружающей среды 20 °C. Для наших целей разница между более высокими и низкими температурами несущественна.
В одном метре — 100 сантиметров, поэтому звук проходит около 34 000 см
в секунду. Длина импульса измеряется в микросекундах (миллионных
долях секунды), поэтому разделите 34 000 на 1 миллион, чтобы получить 0,034. Таким образом, каждая микросекунда эхо-импульса означает, что звук прошел 0,034 сантиметра. Если умножить длительность
импульса на 0,034, результат покажет, какое расстояние прошел звук.
Однако не забывайте, что звук прошел путь от импульсного излучателя до близлежащего объекта, а затем эхо вернулось обратно к импульсному детектору. Таким образом, фактическое расстояние между детектором дальности и объектом — половина.
Вот уравнение для расчета расстояния на основе длительности импульса (переменная pulseLength):
distance = pulseLength * 0.017;
Предыдущий оператор сохранит расстояние в сантиметрах до объекта в distance.
Прежде чем вы соберете все это в единую программу, обращу ваше внимание на второй важный компонент проекта дальномера в этой главе — ЖК-дисплей, который вы будете использовать для отображения
расстояния, определенного дальномером.

ГЛАВА 4.Датчик приближения на Arduino

699

Использование ЖК-дисплея
Для проектов Arduino доступно множество различных типов устройств
отображения информации. На рис. 4.2 показан один из самых распространенных: небольшой жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей),
который может отображать две строки по 16 символов, управляемый
популярным ЖК-контроллером Hitachi HD44780.

Рис. 4.2.
Типичный ЖКдисплей 2 x 16

В этом разделе я покажу вам, как подключить ЖК-дисплей этого типа
к плате Arduino и как использовать ЖК-дисплей в ваших скетчах Arduino.

Подключение ЖК-дисплея к Arduino
У ЖК-дисплея типа HD44780 16-контактный разъем, который можно
подключить непосредственно к макетной плате. В табл. 4.2 перечислены
названия и функции каждого из 16 выводов интерфейса ЖК-дисплея.
Модуль ЖК-дисплея может работать в двух основных режимах:

700

8-битный: в 8-битном режиме для передачи одного байта
данных на ЖК-дисплей используются все восемь битовых
контактов. Этот режим эффективен и прост в использовании, но требует, чтобы вы подключили все восемь контактов
к цифровым выводам ввода-вывода на Arduino, оставляя
только несколько контактов доступными для других целей.
4-битный: в 4-битном режиме для передачи каждого байта
данных используются только четыре контакта (с 11 по 14).
Поскольку каждый байт данных состоит из восьми битов, для
передачи полного байта требуются два считывания четырех
битов данных. Это усложняет программирование, но уменьшает количество используемых выводов Arduino. (Обратите внимание, что в 4-битном режиме используются последние четыре
бита данных, а не первые четыре бита данных. Таким образом,
в 4-контактном режиме используются биты данных с 4 по 7.)

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

К счастью, сложности, связанные с использованием ЖК-дисплея
в 4-битном режиме, — это не ваши проблемы. Arduino поставляется
со специальной библиотекой функций, которые справляются со всеми этими сложностями, поэтому вы почти всегда будете использовать
ЖК-дисплей в 4-битном режиме.
В дополнение к четырем битам данных, к цифровым входам/выходам
Arduino необходимо подключить еще два вывода: вывод RS (вывод 4)
и вывод CLOCK (вывод 6). И снова библиотека программирования
ЖК-дисплея позаботится обо всех деталях правильного использования этих выводов для отображения данных на ЖК-дисплее, поэтому
не нужно беспокоиться о деталях работы этих выводов.

ТАБЛ. 4.2.

Выводы для ЖК-дисплея типа HD44780
Контакт

Название

Функция

GND

Заземление.

VSS

Регулирует контрастность дисплея. Обычно
подключается к центральному полюсу потенциометра.

Используется для указания того, передаются
ли данные или команда на устройство.

Чтение/запись, почти всегда подключается
к земле.

CLOCK

Также называется Enable или просто E.
Используется для инициирования чтения контактов данных.

Бит данных 0. (Не используется в четырехбитовом режиме.)

Бит данных 1. (Не используется в четырехбитовом режиме.)

Бит данных 2. (Не используется в четырехбитовом режиме.)

Бит данных 3. (Не используется в четырехбитовом режиме.)

Бит данных 4.

+5 В.

Бит данных 5.

Бит данных 6.

Бит данных 7.

LED+

Подсветка +5 В.

LED-

Заземление подсветки.

ГЛАВА 4.Датчик приближения на Arduino

701

Выводы 1 и 2 должны быть подключены к земле и +5 В соответственно, чтобы обеспечить основное питание ЖК-дисплея, а выводы 15 и 16
обычно также подключаются к питанию и земле соответственно, чтобы
включить подсветку, которая делает ЖК-дисплей удобным для чтения.
Вывод 3 обычно используется для регулировки контрастности дисплея.
Обычно подключается к центральному полюсу потенциометра (подходит 1 MΩ или около того), а внешние полюса потенциометра подключаются к +5 В и земле.

Программирование ЖК-дисплея
Arduino предоставляет целую библиотеку функций, предназначенных
для работы непосредственно с ЖК-дисплеем HD44780. В табл. 4.3
перечислены некоторые из функций, доступных в этой библиотеке.
(Для получения полного списка перейдите по ссылке www.arduino.cc/
" .)

ТАБЛ. 4.3.

Выводы для ЖК-дисплея HD44780
Функция
&@

Функция
Создает переменную типа LiquidCrystal, которую затем можно использовать для вызова
других функций. Аргументы, передаваемые в
эту функцию, определяют контакты Arduino,
которые используются для различных функций ЖК-дисплея.

begin()

Эту функцию нужно вызвать для инициализации ЖК-дисплея, прежде чем на него
будет записана какая-либо информация.
Аргументы указывают, сколько столбцов и
строк символов может быть отображено на
ЖК-дисплее.

clear()

Стирает ЖК-дисплей.

home()

Перемещает курсор в верхнюю левую часть
дисплея.

setCursor()

Перемещает курсор в определенную позицию строки и столбца.

print()

Отображает текст на ЖК-дисплее.

Чтобы использовать любую из функций, перечисленных в табл. 4.3,
ваша программа должна содержать следующее выражение:

702

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Этот оператор необходим, чтобы сделать функции библиотеки
доступными для вашей программы.
Далее программа должна создать переменную типа .
Создание переменной библиотечного типа аналогично созданию переменной встроенного типа (int или ), за исключением того, что
в объявлении переменной можно указывать аргументы. В случае с типом данных вы указываете шесть аргументов, представляющих цифровые контакты ввода/вывода, которые будут использоваться для выводов RS, ENABLE, D4, D5, D6 и D7. Например:
&?????@
В этом примере переменная называется lcd; выводы 6 и 7 Arduino используются для RS и ENABLE; выводы 9, 10, 11 и 12 — для ввода данных.
После того как вы назначили контакты цифрового ввода/вывода для
ЖК-дисплея, не нужно напрямую обращаться к этим контактам в вашей
программе. Вместо этого другие функции библиотеки
будут использовать эти выводы для управления ЖК-дисплеем.
Создав переменную lcd, инициализируйте ее с помощью функции
begin, как показано ниже:
lcd.begin(16, 2);
Здесь ЖК-дисплей инициализируется для отображения двух строк
по 16 символов в каждой.
Затем вы можете вывести данные на ЖК-дисплей, как показано ниже:
lcd.print("Hello, World!");
Здесь на ЖК-дисплей выводится текст Hello, World!
В некоторых случаях вы хотите контролировать, где именно должен
отображаться текст. Для этого можно использовать функцию setCursor,
а затем функцию print. Например, если хотите вывести на экран текст
Hello, World!, начинающийся в столбце 5 второй строки, используйте следующий код:
lcd.setCursor(4, 1);
lcd.print(«Hello, World!»);

ГЛАВА 4.Датчик приближения на Arduino

703

Обратите внимание: и строки, и столбцы нумеруются, начиная с 0,
а не с 1. Таким образом, пятый столбец — это столбец 4, а вторая строка — это строка 1.
Наконец, может понадобиться стереть все содержимое ЖК-дисплея.
Для этого воспользуйтесь функцией clear:
lcd.clear();
Стирается весь ЖК-экран.
Теперь рассмотрим проект, в котором дальномер совмещен с ЖКдисплеем, чтобы отображать расстояние до близлежащего объекта и зажигать светодиод, если объект приближается слишком близко.

Создание датчика приближения
В этом разделе вы создадите простой датчик приближения, использующий ультразвуковой дальномер HC-SR04 и ЖК-дисплей, совместимый
с HD44780. Ультразвуковой дальномер используется для отслеживания расстояния до близлежащих объектов; это расстояние отображается на ЖК-дисплее. Если объект приближается ближе, чем на 10 см,
загорается светодиод, указывающий, что объект рядом.
На рис. 4.3 показан собранный проект. Детали сборки, включая принципиальную схему, приведены в разделе Проект 47, а полная программа для запуска проекта — в Листинге 4.1. Наслаждайтесь!

Рис. 4.3.
Собранный датчик
приближения
Arduino (Проект 47 )

704

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Проект 47. Датчик приближения Arduino
В этом проекте вы собираете датчик приближения, который отображает расстояние до близлежащего объекта на ЖК-панели и мигает светодиодом, когда объект находится ближе 10 см.

ЖКдисплей

Ультразвуковой
дальномер

Анод

Катод

ГЛАВА 4.Датчик приближения на Arduino

705

Детали
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»

Один компьютер с инсталлированной Arduino IDE.
Одна плата Arduino UNO.
Один кабель A-B USB.
Один экран для прототипов UNO.
Один красный светодиод.
Один ультразвуковой дальномер типа HC-SR04.
Один HD44780-совместимый 16 x 2 LCD.
Один резистор 470 Ом (желтый-фиолетовый-коричневый).
Один подстроечный потенциометр 1 M:.
20 проводов-перемычек.

Порядок действий
1.

Вставьте светодиод.
Анод (длинный провод) вставляется в C11, катод (короткий
провод) — в C10.

Вставьте резистор.
Выводы резистора входят в E8 и E11.

706

Вставьте провода-перемычки.
От

+5 на левом заголовке

A15

1-й GND на левом заголовке

A13

2-й GND на левом заголовке

A10

Аналоговый A0 на левом заголовке

Аналоговый A1 на левом заголовке

Аналоговый A2 на левом заголовке

GND на нижнем заголовке

E14

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

От

+5 В на нижнем выводе

Цифровой вывод 6 на правом заголовке

Цифровой вывод 7 на правом заголовке

Цифровой вывод 9 на правом заголовке

J11

Цифровой вывод 10 на правом заголовке

J12

Цифровой вывод 11 на правом заголовке

J13

Цифровой вывод 12 на правом заголовке

J14

GND на правом заголовке

J16

Вставьте подстроечный резистор.
У подстроечного резистора три штифта: два по краям одной
стороны и один в середине противоположной. Два штырька, расположенные на одной стороне, должны входить в B13
и B15. Один штырек на противоположной стороне — в D14.

5.
6.

Прикрепите шилд прототипа к UNO.
Вставьте ЖК-дисплей.
Ориентируйте ЖК-дисплей так, чтобы вывод 1 был вставлен
в G1, а вывод 16 — в G16.
ЖК-дисплей будет выходить за верхние столбцы H, I и J
на макетной плате и за правую сторону платы прототипа.

Вставьте ультразвуковой дальномер.
Ориентируйте дальномер так, чтобы вывод 1 (Vcc) был
подключен к разъему B4, а вывод 4 (Gnd) — к разъему B1.
Передатчик и приемник дальномера должны быть обращены
влево, в сторону от макетной платы.

Подключите UNO к компьютеру.
Используйте разъем USB Type-B.

Загрузите в UNO программу Proximity Sensor
(см. Листинг 4.1).
На ЖК-дисплее будет отображаться расстояние до ближайшего объекта. При необходимости отрегулируйте подстроечный резистор, чтобы можно было прочитать показания дисплея. Когда расстояние меньше 10 см, загорится светодиод.

ГЛАВА 4.Датчик приближения на Arduino

707

ЛИСТИНГ 4.1.

Датчик приближения (Проект 47 )
// Proximity Sensor
// Doug Lowe
// December 3, 2021
//
//
//
//
//
//

This program uses an HC-SR04 Ultrasonic Range
Detector and an HD44780-compatible LCD to detect and
display proximity of nearby objects. The distance to
the object is displayed on the LCD, and the cycle repeats
every 50 milliseconds. If the object is closer than 10 cm,
the LED comes on.

// Arduino Digital Pin Constants
int
int
int
int
int
int
int
int
int

US_Trig = 15;
US_Echo = 16;
LED = 14;
LCD_Reset = 6;
LCD_Enable = 7;
LCD_D4 = 9;
LCD_D5 = 10;
LCD_D6 = 11;
LCD_D7 = 12;

//
//
//
//
//
//
//
//
//

Ultrasonic Trigger
Ultrsonic Echo
LED
LCD Reset
LCD Enable/Clock
LCD Data Pin 4
LCD Data Pin 5
LCD Data Pin 6
LCD Data Pin 7

// Create the LCD and assign the interface pins
&? ??A?
D6, LCD_D7);
int close = 10;

// The distance that triggers the LED

void setup() {
// Initialize the LCD and display the headings
lcd.begin(16, 2);
lcd.print("Proximity Sensor");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Range: ");

// Set the pin modes
pinMode(US_Trig,OUTPUT);
pinMode(US_Echo, INPUT);
pinMode(LED, OUTPUT);

708

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

// Trigger pin
// Echo pin
// LED pin

}
void loop() {

int pulseLength;
// Send the trigger pulse to start the echo ranging
digitalWrite(US_Trig, LOW);
delayMicroseconds(20);
digitalWrite(US_Trig, HIGH);
delayMicroseconds(100);
digitalWrite(US_Trig, LOW);
// Get the echo pulse and calculate the distance
pulseLength = pulseIn(US_Echo, HIGH);
distance=pulseLength * 0.017;
// Show the distance and erase the rest of the line
lcd.setCursor(7,1);
lcd.print(distance);
lcd.print("
");
// Turn on the LED if the object is close
if (distance < close)
{
digitalWrite(LED, HIGH);
}
else
{
digitalWrite(LED, LOW);
}
delay(50);
}

ГЛАВА 4.Датчик приближения на Arduino

709

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Создание звуков с помощью
динамика

» Использование команды TONE для
создания частот

» Использование MP3-шилда для воспроизведения звуковых эффектов
и музыки

» Создание движения с помощью
сервопривода

Гл а в а 5

Добавление звука
и движения в проекты
Arduino
В этой главе объясняется, как создать устройства, добавляющие звук
и движение в проекты Arduino. Чтобы создать звук, нужно добавить динамик для создания звуковых сигналов на выходе. Это полезно в ситуациях, когда вашей программе Arduino нужно привлечь чье-то внимание или когда хотите создать звуковой эффект. Для более реалистичных
звуковых эффектов и музыки можете добавить к Arduino шилд для воспроизведения MP3-файлов, хранящихся на карте micro-SD. Для создания движения можете добавить полезное устройство — сервопривод,
который позволяет управлять механическим движением с помощью
программы Arduino.

Использование динамика с Arduino
Недорогой способ добавить звук в проект Arduino — подключить динамик 8 Ом к контакту цифрового выхода. Вы сможете быстро переключать вывод между HIGH и LOW, чтобы создать на выводе сигнал
квадратной волны, который динамик будет воспроизводить как звук.
Частота этой квадратной волны будет определять высоту звука.

710

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

В качестве альтернативы динамику можно использовать пьезоэлектрический зуммер (пьезозуммер). Он похож на динамик, но не способен
воспроизводить сложные формы волны, такие как голос или музыка.
Пьезозуммеры и маленькие динамики, по сути, взаимозаменяемы, если
подключены непосредственно к контакту цифрового выхода. На рис. 5.1
показаны небольшой динамик (справа) и пьезозуммер (слева). Любое
из этих устройств подойдет для предстоящего Проекта 48.

Рис. 5.1.
Пьезоэлектрический
динамик, поставляемый с набором
Arduino Activity Kit

Обратите внимание, что динамик поляризован, поэтому при подключении его к выводу ввода/вывода обязательно подключите + к выводу ввода/вывода, а другой вывод — к Vss (земля), как показано на схеме на рис. 5.2.

Динамик
или
пьезозуммер
Рис. 5.2.
Подключение динамика или зуммера к
выводу цифрового
выхода Arduino

Земля

Использование функции tone
Программирование динамика удивительно просто. В Arduino C есть
команда tone, которая посылает выбранную вами частоту на выходной

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

711

контакт. Таким образом, можете создать звуковой сигнал на динамике
с помощью команды tone, используя следующий синтаксис:
tone(pin, frequency, duration)
Вот как работает этот синтаксис:

»
»
»

pin — номер вывода, на который хотите послать частоту.

— частота в герцах (Гц), которую хотите
сгенерировать.
— длительность в миллисекундах, которая будет
воспроизводиться. Обратите внимание, что если вы опустите
длительность, тон будет воспроизводиться бесконечно, пока
не дадите команду остановиться, вызвав функцию noTone
(подробнее об этом позже).

Например, следующая команда генерирует частоту 2000 Гц в течение
пяти секунд на выводе 8:
tone(8, 2000, 5000);
Функция tone возвращается немедленно, она не ждет завершения генерации тона. Таким образом, во время воспроизведения тона программа может выполнять другую работу.
Вы можете легко создать звуковой сигнал, попеременно посылая в динамик короткие импульсы определенной частоты с последующей короткой паузой. Например, вот функция, которую можно вызвать, чтобы подать звуковой сигнал на динамик, подключенный к указанному
контакту цифрового выхода, определенное количество раз:
void beep(int pin, int count)
{
for(int i=0; i < count; i++)
{
tone(8, 1000, 250);
delay(500);
}
}
Чтобы послать три звуковых сигнала на цифровой вывод 8, вызовите
функцию так:
beep(8, 3);

712

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

В функции beep цикл for обрабатывает подсчет звуковых сигналов.
При каждом проходе через цикл for звуковой сигнал звучит в течение
250 миллисекунд. Задержка в 500 мс учитывает 250 мс, в течение которых звучит сигнал, и еще 250 миллисекунд тишины. В результате получается приятный звук бип-бип-бип.
Вы можете опустить аргумент duration при вызове функции tone —
и звук будет продолжаться бесконечно долго, пока не вызовете функцию noTone, она выключит звук. Вот версия функции beep, в которой
аргумент duration опущен:
void beep(int pin, int count)
{
for(int i=0; i < count; i++)
{
tone(8, 1000);
delay(250);
noTone(8);
delay(250);
}
}
В цикле for на вывод 8 подается сигнал 1000 Гц. Программа задерживается на 250 мс, и сигнал прекращается. Затем программа снова задерживается на 250 мс. В результате звуковой сигнал включается на четверть секунды, а затем выключается на четверть секунды.

Подключение динамика к Arduino
Как показано на рис. 5.2, динамик или пьезозвуковой зуммер подключаются к Arduino через вывод GND и вывод цифрового выхода.
Концептуально это просто. Но на практике все сложнее, потому что
динамики и пьезозвуковые генераторы обычно имеют выводы, сделанные из многожильного, а не одножильного провода. Из-за этого
их сложнее вставить в контакты заголовка на Arduino или в отверстия
на беспаечной макетной плате.
Вот несколько способов решения этой проблемы.

Отделите около 3/8 дюйма изоляции и аккуратно скрутите
отдельные провода. Затем аккуратно вставьте скрученные
концы в соответствующий заголовок Arduino или в отверстие
на макетной плате. Этот прием сработает только в том случае, если провода скручены аккуратно и плотно друг к другу.

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

713

»
»
»

Прежде чем скручивать провода, отделите примерно 1/3 нитей
и отрежьте их. Затем аккуратно и чисто скрутите оставшиеся
провода. Когда скрутка будет сделана, нанесите небольшое
количество припоя, чтобы скрутить провода вместе. Это требует некоторого навыка пайки, в результате спаянный конец
провода должен быть гладким, чтобы хорошо входить в отверстие в головке или макетной плате. (Именно этот метод
я использую для проектов, описанных в этой главе.)
Прикрепите штырьки заголовка к концам проводов динамика или зуммера. Вы можете приобрести наборы с деталями
штырьков и обжимным инструментом для создания штырьков.
Используйте двухконтактный винтовой соединительный
блок. Вы можете закрепить блок разъемов на макетной плате,
а затем использовать винтовой разъем для подключения
многожильных проводов динамиков.
Используйте /

L
для Arduino (показан на рис. 5.3). Эти колодки обеспечивают винтовой разъем для каждого из контактов разъема
UNO. Просто прикрепите экран к Arduino UNO, а затем подключите многожильные провода динамиков к соответствующим винтовым клеммам.

Рис. 5.3.
Разветвительные шилды
с винтовыми клеммами,
позволяющие легко
подключать многожильные провода к заголовкам Arduino

714

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

В следующем разделе вы подключите динамик непосредственно к Arduino UNO, чтобы протестировать различные способы генерации тональных сигналов. На рис. 5.4 показан собранный проект.

Рис. 5.4.
Динамик,
подключенный
к Arduino
(Проект 48 )

Проект 48. Создание звука
с помощью динамика
В этом проекте вы подключаете динамик к Arduino UNO, чтобы запустить программы, генерирующие звук. Проект очень прост, поскольку единственный компонент, кроме UNO, — динамик.

Динамик
или
пьезозуммер

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

715

Динамик
8 Ом

Детали
»
»
»
»

Один компьютер с инсталлированным программным обеспечением Arduino IDE.
Один Arduino UNO.
Один кабель USB type-B для подключения UNO
к компьютеру.
Один динамик 8 Ом (как альтернативу можно использовать
пьезозуммер).

Порядок действий
1.

Подготовьте провода динамиков.
Снимите около 3/8 дюйма изоляции. Отделите около
1
/3 отдельных жил в каждом проводе и обрежьте их. Затем
аккуратно скрутите оставшиеся витки проводов вместе.
Нанесите небольшое количество припоя, чтобы удержать отдельные жилы вместе.

716

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Вставьте динамик.
Динамик не поляризован, поэтому подключите один из выводов к контакту 8, а другой — к любому из трех контактов GND
на UNO.

3.
4.
5.

Откройте редактор Arduino.
Подключите Arduino UNO к компьютеру.
Наберите в редактор Arduino следующий эскиз:
void setup() {
[JZKQYQZK`q]JXqKQ\J]Y?jQJ~q[KQYQZJ
JYX\q
pinMode(8, OUTPUT);
}
void loop() {
[JZKQYQZK`qJKXJ|XJ]J?jQJ~q[K]qQZJ
XJJ]\qQXJ
tone(8, 1000);
delay(250);
noTone(8);
delay(250);
}

Нажмите кнопку Upload.
Программа скомпилируется и будет загружена в UNO. Если
все работает, вы услышите из динамика ровное /L/L/

Теперь попробуйте программы из Листингов 5.1, 5.2 и 5.3.
Эти программы по-разному изменяют тональный сигнал, демонстрируя универсальность функции тонального сигнала.

Подача сигнала тревоги
с помощью азбуки Морзе
Листинг 5.1 представляет собой программу для Arduino, которая подает знакомый сигнал экстренного вызова SOS с помощью азбуки
Морзе. Код Морзе для SOS — три точки, три тире и три точки. Эта
программа просто подает сигнал частотой 1000 Гц по знакомой схеме:
точка-точка-точка-точка-точка-точка-точка-точка-точка-точка-точка.
Правильное произношение азбуки Морзе — dit для точек и dah для
тире, поэтому правильно произносить SOS в азбуке Морзе: dit dit dit
dah dah dah dah dit dit dit dit.
ПРИМЕЧАНИЯ

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

717

Согласно правилам азбуки Морзе, тире в три раза длиннее точки, промежуток между буквами в три раза длиннее точки, а промежуток между
словами в семь раз длиннее точки. Однако в особом случае кода SOS
пробелы между буквами пропускаются.
Программа использует переменную pace, чтобы установить темп звучания азбуки Морзе. Эта переменная имеет значение 60, что довольно
хороший темп для чтения азбуки Морзе. (Темп 60 мс на точку соответствует 20 словам в минуту. Мировой рекорд составляет 75,2 слова в минуту, что соответствует темпу 16 мс на точку. Ради интереса попробуйте
запустить программу с переменной pace, установленной на 16. Результат
покажется мне тарабарщиной. Если вы можете разобрать отдельные
точки и тире, значит, ваш слух намного лучше моего!)
Программа использует четыре функции для озвучивания каждого из четырех элементов азбуки Морзе:

»
»
»
»
ЛИСТИНГ 5.1.

soundDot: озвучивает точку, используя одну единицу темпа,
а затем делает паузу на одну единицу темпа.
: озвучивает точку, используя три единицы темпа,
а затем делает паузу на одну единицу темпа.
: делает задержку на три единицы темпа.
(Обратите внимание, эта функция не вызывается в программе, поскольку SOS не требует межбуквенных пробелов.)

: задержка на семь единиц темпа.

SOS!
// SOS Program
// Doug Lowe
// December 3, 2021
// This program sounds the alert by playing SOS in Morse Code
// on a speaker or piezo buzzer connected to pin 8.

718

int pin = 8;

// The speaker pin.

int pace = 60;

//
//
//
//
//
//
//
//

Sets the speed at which SOS is sounded.
Morse code standards spell out the
duration of each element of the coded
signal:
A dot is one unit.
A dash is three units.
The gap between dots and dashes is one
unit.

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

// The gap between letters is three units.
// However the gap is skipped for the

// The gap between words is seven units.

void setup() {
pinMode(8, OUTPUT);
}
void loop() {
// Sound SOS
soundDots(3);
soundDashes(3);
soundDots(3);
soundWordGap();
}
void soundDots(int count) {
for(int i=0; i < count; i++)
{
tone(pin, 1000);
delay(pace);
noTone(pin);
delay(pace);
}
}
void soundDashes(int count) {
for(int i=0; i < count; i++)
{
tone(pin, 1000);
delay(pace * 3);
noTone(pin);
delay(pace);
}
}
void soundLetterGap() {
delay(pace * 3);
}
void soundWordGap() {
delay(pace * 7);
}

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

719

Воспроизведение сирены
Листинг 5.2 показывает, как можно использовать tone в паре циклов
for для создания непрерывно повышающегося и понижающегося тона,
похожего на полицейскую сирену. Первый цикл for изменяет высоту
тона от низкого значения до высокого, а второй цикл for — наоборот.
Звуковые характеристики сирены задаются четырьмя переменными:

»
»
»
»

ЛИСТИНГ 5.2.

low (низкий): устанавливает низкую границу частотного диапазона. Эта переменная установлена на 300, но вы можете
изменить ее, чтобы начать с более низкой или более высокой
частоты.
high (высокий): устанавливает высокий конец диапазона
частот. Эта переменная установлена на 1000, но вы можете
изменить ее по своему усмотрению.
(увеличение): устанавливает величину, которая
прибавляется или отнимается от частоты при каждом проходе через циклы for. Увеличение этого значения ускоряет
сирену.
(скорость): устанавливает длительность воспроизведения каждого тона. Увеличьте это значение, чтобы сделать сирену медленнее. Если увеличить значение достаточно сильно
(например, до 100 или 150), вы будете слышать отдельные
звуки отдельно.

Создание эффекта сирены
// Siren Program
// Doug Lowe
// December 3, 2021
// This program generates a siren sound on a speaker or piezo
// buzzer connected to Pin 8.
int pin = 8;
#¡!
¡
int increment = 5;
int pace = 10;

720

// The speaker pin.
¢ " # "
// siren.
¢ " "
// siren.
// The amount added or subtracted from the
// pitch each time through the for loop.
// The speed at which the pitch changes.

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

void setup() {
pinMode(8, OUTPUT);
}
void loop() {
for (int f = low; f < high; f = f+increment)
{
tone(pin, f);
delay(pace);
}
for (int f = high; f > low; f = f-increment)
{
tone(pin, f);
delay(pace);
}
}

Воспроизведение песни
В Листинге 5.3 показана программа, которая воспроизводит песню
Mary Had a Little Lamb 1.
Чтобы упростить код, генерирующий музыкальные ноты, в программе
определено несколько констант, которые представляют собой частоту для каждой из нот. Например, константа NoteC4 равна 262 — это частота в герцах средней ноты C на клавиатуре фортепиано. Константы
охватывают одну полную октаву, что вполне достаточно для Mary Had
a Little Lamb.
Программа также устанавливает константы для четверти, половины
и целой ноты. Константы позволяют легко задать определенную высоту тона для определенной длительности в тональной команде.
Для воспроизведения музыки используются две функции:

»
»

: принимает в качестве аргументов высоту тона
и длительность ноты. Чтобы ноты отличались друг от друга,
используется небольшая хитрость: 10% длительности каждой
ноты используется в качестве промежутка между ними.
: принимает значение длительности и просто делает
задержку на указанную длительность.

Песня Mary Had a Little Lamb («У Мэри был маленький ягненок») — американская детская песенка XIX века, написанная Сарой Джозефой Хейл в 1830 году.

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

721

Таким образом, воспроизведение мелодии сводится к написанию последовательности вызовов этих двух функций для воспроизведения
нужных нот с нужной длительностью в нужном порядке. Как видите,
я добавил комментарий к каждому вызову playNote, чтобы вы могли
видеть, какая часть песни воспроизводится.
ЛИСТИНГ 5.3.

Создание музыки с помощью Arduino
// Mary Had a Little Lamb
// Doug Lowe
// December 3, 2021
// This program plays Mary Had a Little Lamb on a speaker or
// piezo buzzer connected to Pin 8.
int pin = 8;
int tempo = 100;

// The speaker pin.
// The speed at which the pitch changes.

// Note pitch constants for the Key of C
// (Starting at Middle C)
const int Note_C4 = 262;
const int Note_D4 = 294;
const int Note_E4 = 330;
const int Note_F4 = 349;
const int Note_G4 = 392;
const int Note_A4 = 440;
const int Note_B4 = 494;
const int Note_C5 = 523;
// Note duration constants
¡!
"¡ ¤
# ¡ ¤
void setup() {
pinMode(8, OUTPUT);
}
void

722

loop() {
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
& @

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

@
@
@
@
@
@
@

¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
& @
¥ &¥ ?
¥ &¥ §?
¥ &¥ §?
& @
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
¥ &¥ ?
playNote(Note_C4, half);
playRest(half);
playRest(whole);
}

@
@
@

@
@
@
@
@
@
@
@
@
@
@
@

¨
¢
©
©
ª
// Snot

void playNote(int pitch, int duration){
¡ ¤
tone(pin, pitch);
delay(duration — phrasing);
noTone(pin);
delay(phrasing);
}
void playRest(int duration) {
delay(duration);
}

Использование MP3-шилда
Функция тонального сигнала в сочетании с динамиком или пьезозуммером достаточна для простых звуков. Но что, если вам нужны более
сложные звуковые эффекты? Arduino не воспроизводит аудиофайлы
в распространённом аудиоформате MP3, но вы можете легко добавить
эту возможность в Arduino, добавив в свой проект MP3-шилд.

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

723

Существует множество MP3-шилдов — просто наберите в Интернете
Arduino MP3 shield, и вы найдете множество вариантов. В этой главе
я использую популярный MP3-шилд от Adafruit (www.adafruit.com) под
названием Music Maker Shield (см. рис. 5.5).
Шилд Music Maker выпускается в двух версиях. В одной только линейный выход, который можно использовать для наушников или в качестве входа для внешнего усилителя, в другой — встроенный 3-ваттный
стереоусилитель, позволяющий подключать небольшие колонки. Я использую со встроенным усилителем.

Рис. 5.5.
Шилд Adafruit
Music Maker

Шилд Music Maker включает в себя следующие функции:

»
»
»
»

724

Устройство для чтения карт памяти micro-SD, в которое можно вставить карту с аудиофайлами.
Встроенный чип аудиодекодера, который может воспроизводить файлы MP3, а также несколько других форматов, включая WAV и MIDI.
Стандартный 1/8-дюймовый стереофонический аудиоразъем
для подключения наушников или внешнего усилителя.
Винтовые клеммы для подключения внешних динамиков.
Шилд будет работать с динамиками 4 Ом или 8 Ом. Выход
не очень громкий: 3 Вт — не мощный усилитель, но это подходит, когда не нужна большая громкость.

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

»
»

Библиотека программирования, позволяющая легко воспроизводить аудиофайлы, хранящиеся на карте micro-SD.
Семь дополнительных цифровых выводов ввода/вывода,
доступ к которым можно получить через библиотеку Music
Maker. (Чтобы получить доступ к этим выводам, нужно припаять дополнительные штырьки к экрану Music Maker.)

Сборка шилда Music Maker
Приобретенный шилд Music Maker требует небольшой дополнительной сборки: основная плата шилда полностью собрана, но нужно будет припаять к ней контакты заголовков (входят в комплект). Пайка
довольно проста и займет около 15 минут.

Подготовка карты micro-SD
Шилд Music Maker считывает аудиофайлы со встроенного устройства
чтения карт micro-SD. Прежде чем использовать шилд Music Maker,
нужно скопировать хотя бы один аудиофайл на карту micro-SD.
Если вы никогда раньше не пользовались картами micro-SD, будете
удивлены, насколько они малы. У большинства компьютеров, оснащенных мультиформатными устройствами для чтения карт памяти,
нет слота, достаточно маленького для карт micro-SD. Однако к картам
micro-SD обычно прилагается адаптер, который позволяет использовать ее в стандартном устройстве чтения карт SD. Просто вставьте карту micro-SD в адаптер, а затем адаптер — в устройство чтения SD-карт
вашего компьютера. Через несколько мгновений Windows распознает
карту micro-SD, и можно скопировать на нее файлы.
При сохранении аудиофайлов на карту micro-SD следует знать одно важное предостережение: шилд Music Maker не распознает имена файлов
длиннее восьми символов, а расширения файлов могут состоять только из трех символов. Так что имя файла Puff the Magic Dragon.mp3
не подойдет, придется сократить имя до чего-то вроде Puff.mp3.
Для проекта этой главы скопируйте на карту только один MP3-файл
и назовите его TRACK01.mp3. Это может быть любой аудиофайл — ваша
любимая песня, звуковые эффекты с криком совы или воем оборотня.
Если файл будет называться TRACK01.mp3, программа в предстоящем
проекте сможет его воспроизвести.

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

725

Программирование шилда Music Maker
Adafruit поставляет библиотеку программирования с шилдом Music
Maker, что позволяет легко воспроизводить отдельные аудиофайлы
из ваших эскизов Arduino. Прежде чем использовать эту библиотеку,
загрузите и установите ее в Arduino IDE. Для этого выполните следующие шаги.

1.
2.

Откройте среду разработки Arduino IDE.
Выберите Tools > Manage Libraries.
Появится диалоговое окно, показанное на рис. 5.6.

Рис. 5.6.
Диалоговое окно
Library
Manager

Введите !" в поле поиска в верхней части
Library Manager.
Library Manager найдет эту библиотеку в облаке.

Выберите самую последнюю версию в раскрывающемся
списке Select Version.

Нажмите Install.
Библиотека инсталлирована.
Готово!

726

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

После установки библиотеки можете использовать ее для воспроизведения звуковых файлов на карте micro-SD, установленной в шилд.
Для воспроизведения звуковых файлов на шилде Music Maker используются четыре контакта:
Название Назначение

Цифровой контакт
по умолчанию

MCS

Контакт выбора микросхемы

DCS

Контакт выбора данных

CCS

Контакт выбора карты

DREQ

Контакт запроса прерывания

Обычно не имеет смысла менять эти контакты по умолчанию, не нужно беспокоиться о деталях того, что эти контакты на самом деле делают. Однако следует помнить, что они используются Music Maker Shield,
вы не можете использовать их для других целей в своей программе.
Обычно в начале эскиза Arduino, использующего Music Maker Shield,
эти настройки контактов задаются как константы. Например:

& @

Чтобы воспроизвести файл, записанный на карте micro-SD, сначала
нужно создать эскиз объекта медиаплеера. Обычно это делается перед
функцией настройки, чтобы он был доступен всем функциям в программе, например:
Adafruit_VS1053_FilePlayer mediaPlayer =
Adafruit_VS1053_FilePlayer(
????ª@
Не стоит слишком много внимания уделять деталям этого оператора.
Просто запомните, что он необходим для создания переменной с именем mediaPlayer, которую вы сможете использовать для воспроизведения звуковых дорожек.

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

727

В функции setup необходимо вызвать функцию begin для медиаплеера и для SD-карты. Обе функции возвращают false, если произошла
ошибка, поэтому можете использовать эти операторы для подтверждения того, что шилд Music Maker установлен на UNO и что карта вставлена в устройство чтения карт micro-SD:
if (mediaPlayer.begin() == false)
{
while (true); // Don't do anything -- Shield is missing
}
if (SD.begin(CARDCS) == false)
{
while (true); // Don't do anything -- SD card is missing
}
Обратите внимание: оба оператора if выполняют команду while (true)
при обнаружении ошибки. Оператор while (true) просто зацикливается до бесконечности, не давая программе ничего сделать, если шилд
или карта отсутствуют.
После того как вы убедились, что шилд и карта micro-SD на месте, можете воспроизвести аудиофайл с карты следующим образом:
mediaPlayer.playFullFile("TRACK01.mp3");
В этом выражении указывается имя аудиофайла. Если на карте памяти есть файл с именем TRACK01.mp3, шилд Music Maker будет воспроизводить его.
Еще один оператор, который вам может понадобиться, — setVolume,
который регулирует громкость левого и правого каналов воспроизведения. Используйте нули, чтобы установить максимальную громкость:
mediaPlayer.setVolume(0, 0);

728

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Создание музыкального
проигрывателя Arduino
В этом разделе вы создадите простой проект Arduino, который использует шилд Music Maker для воспроизведения файлов MP3. На рис. 5.7
показан готовый проект.

Рис. 5.7.
Музыкальный проигрыватель Arduino
(Проект 49 )

Проект 49. Использование шилда Music
Maker для воспроизведения звуков
В этом проекте используется шилд Adafruit Music Maker, чтобы добавлять звуковые эффекты или музыку в проекты на Arduino.
Шилд Adafruit Music Maker

Динамики
8 Ом

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

729

Детали
»
»
»
»
»
»

Один компьютер с инсталлированным программным обеспечением Arduino IDE.
Один Arduino UNO.
Один кабель USB type-B для подключения UNO
к компьютеру.
Один Adafruit Music Maker Shield.
Одна карта памяти micro-SD.
Два динамика 8 Ом (как вариант, можно использовать гарнитуру с 1/8-дюймовым аудиоразъемом).

Порядок действий
1.

Соберите шилд Adafruit Music Maker.
Внимательно следуйте инструкциям, прилагаемым к шилду.
(Для выполнения этого шага вам понадобится паяльник и немного припоя. Также пригодятся лупа или очки.)

Подготовьте карту памяти micro-SD.
Скопируйте любой MP3-файл в корневую папку SD-карты.
Измените имя MP3-файла на TRACK01.mp3.

3.
4.
5.

Откройте редактор Arduino.

6.
7.

Подключите Arduino UNO к компьютеру.

Подсоедините Music Maker Shield к Arduino UNO.
Подключите провода от двух динамиков к клеммным колодкам на Music Maker Shield.

Введите в редактор Arduino эскиз, показанный
на Листинге 5.4.
Нажмите кнопку Upload.
Программа скомпилируется и будет загружена в UNO.
Вскоре услышите, как ваш MP3-файл зазвучит в динамиках.
Когда MP3-файл закончится, он снова заиграет после паузы
в 5 секунд.

730

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

ЛИСТИНГ 5.4.

Воспроизведение дорожки MP3
// MP3 Program
// Doug Lowe
// December 3, 2021
// This program uses an Adafruit Music Player shield
¦'! ª¯ !
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_VS1053.h>
#include <SD.h>

ª
!

& @

Adafruit_VS1053_FilePlayer mediaPlayer =
ª " ±A!¢' &????ª@
void setup() {
if (mediaPlayer.begin() == false)
{
while (true);
// Don't do anything -- Music Maker shield
// is missing
}
if (SD.begin(CARDCS) == false)
{
while (true);
// Don't do anything -- SD card is missing
}
mediaPlayer.setVolume(0,0);
}
void loop() {
mediaPlayer.playFullFile("TRACK01.mp3");
delay(5000);
}

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

731

Использование сервопривода с Arduino
В предыдущих разделах этой главы рассмотрены два способа создания
проектов Arduino, которые издают звуки. Вы добавите элемент движения, используя сервопривод.
Сервопривод — это особый тип двигателя, который предназначен для
поворота в определенное положение и удержания этого положения
до тех пор, пока ему не дадут команду повернуться в другое положение.
Сервоприводы часто используются в радиоуправляемых машинах (самолеты, лодки и автомобили), но есть и множество других применений сервоприводов. Например, я часто использую их в реквизите для
Хэллоуина, чтобы добавить движения, например глаза или рот.
На рис. 5.8 показан типичный сервопривод для хобби.

Рис. 5.8.
Типичный сервопривод для любителей

732

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Подключение сервопривода к Arduino
Сервоприводы используют специальный трехжильный кабель для подачи питания и управляющего сигнала, который сообщает сервоприводу, в какое положение он должен переместиться и удерживаться. Три
провода кабеля окрашены в красный, черный и белый цвета и выполняют следующие функции:

Красный: подает напряжение, необходимое для работы сервопривода. Для большинства сервоприводов это напряжение
может находиться в диапазоне от +4 В до +9 В. На Arduino его
следует подключить к одному из выводов +5 В.

» Черный: соединение с землей. В Arduino его следует подключить к одному из контактов GND.

Белый: управляющий провод. Он подключается к одному
из контактов цифрового ввода/вывода Arduino.

На рис. 5.9 показано, как эти провода должны быть подключены в схеме Arduino.

Цифровой
контакт
ввода/вывода

Сервопривод

Рис. 5.9.
Подключение сервопривода к Arduino

Управляющий провод контролирует положение сервопривода, посылая серию импульсов с интервалом примерно 20 мс. Длительность
каждого из этих импульсов определяет положение сервопривода (поворот, удержание).

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

733

У большинства сервоприводов для хобби диапазон движения — 180°,
то есть половина полного оборота. Полный диапазон длительностей
импульсов — от 0,5 мс до 2,5 мс, где импульсы длительностью 0,5 мс
переводят сервопривод в минимальное положение (0°), а импульсы
длительностью 2,5 мс — в максимальное (180°). Чтобы удержать сервопривод в центральной точке этого диапазона (90°), длительность импульсов должна составлять 1,5 мс.
К счастью, для Arduino разработана библиотека функций для программирования сервоприводов, которая устраняет все нюансы, связанные
с длительностью импульсов. С помощью этой библиотеки вы просто
указываете сервоприводу, в какое положение хотите его переместить,
и библиотека перемещает сервопривод в это положение и удерживает его там, пока вы не скажете ей обратное. Используя эту библиотеку, очень просто программировать управление сервоприводом Arduino.
Чтобы подключить сервопривод к Arduino, используйте переходник
с трехконтактным разъемом (рис. 5.10). Такой переходник нужен потому,
что у выводов сервопривода гнездовые штырьковые соединения, такие
же, как разъемы Arduino или на макетной плате. Переходник адаптирует гнездовой заголовок на выводах сервопривода, чтобы они могли
правильно подключаться. Подключите трехконтактный адаптер к макетной плате, а затем — выводы сервопривода к адаптеру.

Рис. 5.10.
Адаптер с трехконтактным заголовком для
подключения сервопривода к Arduino

Программирование сервопривода
Для программирования сервоприводов Arduino разработана библиотека
функций, которая упрощает использование сервопривода. Поскольку
сервоприводы используются часто, библиотека сервоприводов автоматически устанавливается в интегрированную среду разработки (IDE)
Arduino, и вам не нужно делать ничего особенного, чтобы использовать библиотеку.

734

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

В большинстве программ для программирования сервопривода необходимо выполнить четыре шага:

Включите библиотеку сервоприводов, чтобы программа
могла использовать ее функции.
Для этого добавьте следующую строку в начало вашей
программы:
#include <Servo.h>.
Arduino C важен регистр, поэтому слово Servo здесь нужно
писать с заглавной буквы.

ЗАПОМНИТЕ

Создайте переменную Servo.
Servo — специальный тип переменной, определяемый библиотекой сервоприводов. Вам понадобится переменная этого
типа, чтобы ссылаться на сервопривод. Самый простой способ сделать это — создать переменную вне функций setup()
или loop(), например, так:
Servo Servo1;
Здесь я создал переменную сервопривода с именем Servo1.

Подключите к переменной сервопривода пин.
Обычно это делается в функции setup() с помощью такой
строки:
Servo1.attach(2);
Если вы создали константу для номера контакта сервопривода, то вместо этого вы используете:
Servo1.attach(ServoPin);
где ServoPin — созданная вами константа.

Поверните сервопривод.
Чтобы установить сервопривод в определенное положение,
используйте такую строку:
Servo1.write(90);
В этом примере сервопривод поворачивается на 90°. После
этого сервопривод останется там до тех пор, пока вы не воспользуетесь функцией write, чтобы повернуть сервопривод
в новое положение.

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

735

В Листинге 5.5 показана вся программа, которая перемещает сервопривод в зависимости от состояния двух кнопочных переключателей,
доступных программе. Переключатели обозначены как SW1 на выводе 10 и SW2 на выводе 11. Сам сервопривод находится на контакте 2.
При нажатии на SW1 сервопривод поворачивается на 0°. При нажатии
на SW2 — на 180°. Если нажать обе кнопки одновременно, программа
переводит сервопривод в среднее положение (90°).

ЛИСТИНГ 5.5.

Программа управления сервоприводом
// Servo Program
// Doug Lowe
// December 5, 2021
#include <Servo.h>
% '
©
©
#'
¦'
'

Servo Servo1;
int ServoPos = MidPos;
void setup() {
pinMode(SW1, INPUT);
pinMode(SW2, INPUT);
Servo1.attach(ServoPin);
Servo1.write(ServoPos);
}
void loop() {
bool sw1HIGH = digitalRead(SW1);
bool sw2HIGH = digitalRead(SW2);
if (sw1HIGH & sw2HIGH)
ServoPos = MidPos;

736

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

else if (sw1HIGH)
ServoPos = LowPos;
else if (sw2HIGH)
ServoPos = HighPos;
Servo1.write(ServoPos);
delay(100);
}

Проект сервопривода
Проект 50 показывает, как построить схему, в которой используются
сервопривод и две кнопки. Она способна выполнять программу, показанную в Листинге 5.4. На рис. 5.11 показан собранный проект.

Рис. 5.11.
Проект Arduino,
управляющий
сервоприводом
(Проект 50 )

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

737

Проект 50. Использование
сервопривода с Arduino
В этом проекте вы подключаете сервопривод к Arduino. Схема также
включает две кнопки (на контактах 10 и 11), которые можно использовать для управления сервоприводом.

Детали
»
»
»
»
»
»
»
»
»

Один компьютер с инсталлированным программным обеспечением Arduino Editor.
Одна Arduino UNO.
Один шилд для прототипов.
Один кабель USB.
Одна сервопривод для хобби.
Один трехконтактный разъем «папа-папа».
Две нормально открытые кнопки.
Два резистора по 1,4 кОм.
Десять проводов-перемычек.

Порядок действий
1.

Вставьте провода-перемычки.
От

B11

GND на левом нижнем выводе

H12

Цифровой контакт 11 на правом выводе

J14

Цифровой контакт 10 на правом выводе

J10

Цифровой контакт 2 на правом выводе

+5 В на правом нижнем выводе

738

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

3-контактный блок заголовков
для сервопривода

ГЛАВА 5.Добавление звука и движения в проекты Arduino

739

Вставьте резисторы.
Резистор

От

R1 (470 Ом)

A14

R2 (470 Ом)

A10

Вставьте переключатели.
Резистор

От

SW1

E8 и F8

E10 и F10

SW2

E12 и F12

E14 и F14

Убедитесь, что переключатели расположены правильно, как
показано на схеме макетной платы.

Вставьте трехконтактный разъем «папа-папа».
Три контакта должны быть вставлены в H1, H2 и H3.

Подключите сервопривод.
Вставьте трехконтактный разъем сервопривода в трехконтактный разъем «папа-папа». Убедитесь, что управляющий
провод (обычно белого цвета) подключен к H3.

6.
7.

Откройте редактор Arduino.
Подключите Arduino к компьютеру и идентифицируйте его
в редакторе Arduino.
Для получения дополнительной информации о том, как это
сделать, см. главу 1 этой части.

Введите и запустите следующую программу, чтобы проверить работу сервопривода:
#include <Servo.h>
Servo Servo1;
void setup() {
Servo1.attach(2);
}
void loop() {
Servo1.write(45);
delay(500);
Servo1.write(135);
delay(500);
}

Теперь попробуйте программу из Листинга 5.4.
Эта программа использует переключатели для управления
сервоприводом.

740

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Общие сведения о цифровой
клавиатуре

» Изучение принципа работы цифровой клавиатуры

» Использование библиотеки Keypad
для упрощения программирования
цифровой клавиатуры

» Обучение Arduino имитации компьютерной клавиатуры

Гл а в а 6

Клавиатуры
и клавиатуры
этой главе рассказывается, как использовать для ввода данных
обычную цифровую клавиатуру, а также как использовать уникальные функции некоторых плат Arduino, в том числе популярной Leonardo, для передачи информации на компьютер — так, чтобы
Arduino работала как клавиатура.

Использование цифровой клавиатуры
Цифровая клавиатура — это распространенный вид устройства ввода для устройств, построенных на базе микроконтроллеров, таких как
Arduino. Вероятно, вы лучше всего знакомы с цифровыми клавиатурами из таких устройств, как калькуляторы и телефоны — они состоят
из массива кнопок, расположенных в рядах и столбцах.
На рис. 6.1 показана типичная цифровая клавиатура с четырьмя рядами по четыре кнопки в каждом.

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

741

Рис. 6.1.
Типичная
цифровая
клавиатура

Рис. 6.2.
Как подключаются
кнопки на
клавиатуре

742

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Как работает цифровая клавиатура
Если каждая кнопка на цифровой клавиатуре использовала бы два
провода, то клавиатура 4×4 имела бы 32 провода. Даже если бы клавиатура использовала общий провод заземления для всех 16 кнопок, потребовалось бы в общей сложности 17 проводов, которые заняли бы
16 цифровых портов ввода/вывода на Arduino. При таком подключении цифровая клавиатура 4×4 использовала бы почти все доступные
порты ввода-вывода UNO.
К счастью, придумали более эффективный способ подключения клавиатуры. Он основан на том, что кнопки на клавиатуре расположены
в массиве, с рядами и столбцами, поэтому их можно подключить с помощью одного провода для каждого ряда и одного провода для каждого столбца — клавиатура 4×4 может быть подключена с помощью всего восьми проводов, а клавиатура 3×3 требует шести.
На рис. 6.2 показано, как работает подключение цифровой клавиатуры 4×4. Как видите, один провод соединяет все кнопки в каждом отдельном ряду, один провод соединяет все кнопки в каждом отдельном
столбце. Когда нажимается любая из кнопок, замыкается цепь между проводом, подключенным к ряду кнопки, и проводом, подключенным к столбцу кнопки.
Например, если нажата кнопка с маркировкой 6, замыкается цепь между проводом в ряду 2 (R2) и проводом в столбце 2 (C3).

Подключение цифровой клавиатуры к Arduino
Подключение цифровой клавиатуры к Arduino — простая задача, но в зависимости от количества строк и столбцов на клавиатуре может потребоваться много цифровых контактов ввода/вывода. Для клавиатуры
4×4 требуется в общей сложности восемь цифровых контактов ввода/
вывода: четыре для контактов строк и четыре для контактов столбцов.
Хотя это и не обязательно, для клавиатуры обычно используются последовательные контакты, причем контакты с меньшими номерами
используются для столбцов, а контакты с большими номерами — для
строк. Избегайте контактов 0 и 1, так как они часто используются для
последовательной связи.

СОВЕТ

Если у вас нет других устройств, самый простой способ подключить
цифровую клавиатуру 4×4 — использовать контакты 2, 3, 4 и 5 для
строк и контакты 6, 7, 8 и 9 для столбцов. Для клавиатуры 3×4 используйте контакты 2, 3 и 4 для строк и контакты 5, 6, 7 и 8 для столбцов.

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

743

Провода на клавиатуре обычно имеют разъемы-гнезда. Это означает,
что для подключения их к клеммным колодкам Arduino или к макетной плате без пайки понадобятся переходники «папа-папа». Для цифровой клавиатуры 4×4 понадобится восьмиконтактный переходник,
а для клавиатуры 3×4 — шестиконтактный.

ЗАПОМНИТЕ

Самое важное в подключении цифровой клавиатуры к Arduino — четко
понимать, какие выводы клавиатуры предназначены для строк, а какие — для столбцов. Если ошибетесь, клавиатура будет работать хаотично, возвращая значения, отличные от меток нажатых кнопок. В этом
случае нужно перевернуть разъем клавиатуры, чтобы исправить ошибку.

Программирование цифровой клавиатуры
После подключения цифровой клавиатуры к Arduino нужно будет добавить в эскиз код для распознавания нажатий кнопок. Программирование
этой функции может быть сложноватым, но есть библиотеки, которые
упрощают программирование.

Сложный способ: выполнение вручную
Прежде чем мы рассмотрим библиотеку Keypad, полезно иметь общее
представление, как библиотека Keypad может определять нажатие клавиши. Вот вкратце, как это работает.

Настройте все цифровые входы/выходы для строк как выходы, а все входы/выходы для столбцов — как INPUT_PULLUP.
Будет использоваться логика переключателя Active-Low,
а внутренние подтягивающие резисторы Arduino позволяют
использовать внешние резисторы.

Убедитесь, что все выходные контакты установлены в положение HIGH.

Установите значение выхода контакта ввода/вывода
для строки 1 в положение LOW; затем проверьте каждый
из входных контактов на наличие значения LOW.
Если обнаружите значение LOW, вы нашли строку и столбец
для нажатой кнопки.

744

Повторите шаг 3 для каждой оставшейся строки, установив
контакт ввода/вывода для строки в состояние LOW и проверяя, есть ли LOW на всех входных выводах.

Если не обнаружите LOW ни на одном из входных выводов,
это означает, что ни одна кнопка не нажата. Начните заново со строки 1.

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Вот как это может работать в реальном коде Arduino. Шаги 1 и 2 выполняются в функции setup:
void setup() {
for (int row = 2; row<6; row++)
// Set the row pins to OUTPUT
{
pinMode(row, OUTPUT);
digitalWrite(row, LOW);
}
for (int col = 6; col<10; col++)
// Set the column pins to INPUT
{
pinMode(col, INPUT_PULLUP);
// Use INPUT_PULLUP so external resistors

}
}
Шаги с 3 по 5 выполняются в функции loop:
void loop() {
// Look for a completed circuit
String ButtonPushed = "NONE";
for (int row = 2; row<6; row++)
{
digitalWrite(row, LOW);
// Set the row to LOW
for (int col = 6, col<10)
// Test each column
{
If (digitalRead(col) == LOW) // Button is pressed!
{
ButtonPushed = 'R' + row + 'C' + col;
// Save the row and column
delay(50);
// Debounce the button
}
}
digitalWrite(row, HIGH);
// Set the row to HIGH
}
}
После одного прохода через функцию loop переменная ButtonPushed
String указывает состояние клавиатуры. Если ни одна кнопка не была
нажата, ButtonPushed будет NONE. Но если была нажата, ButtonPushed
укажет строку и столбец кнопки. Например, значение R2C3 указывает,
что была нажата кнопка в строке 2 и столбце 3.

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

745

Простой способ: использование библиотеки Keypad
К счастью, вам не нужно писать весь этот код каждый раз, когда хотите использовать клавиатуру. Можете использовать одну из нескольких
библиотек, которые обрабатывают все детали за вас. Библиотека, которую я представляю в этой главе, называется Keypad. Вы можете инсталлировать ее, выполнив следующие действия:

Откройте интегрированную среду разработки (IDE)
Arduino.

Выберите Tools > Manage Libraries.
Появится диалоговое окно Library Manager, показанное
на рис. 6.3.

Рис. 6.3.
Диалоговое окно
Library
Manager

Введите Keypad в поле поиска в верхней части Library
Manager и нажмите Enter.
Программа Library Manager выполняет поиск в своем обширном хранилище библиотек и отображает все библиотеки,
в которых встречается слово keypad.

Выберите библиотеку Keypad.
Прокрутите список библиотек, пока не найдете ту, которая
обозначена просто как Keypad.

Выберите текущую версию.
Используйте раскрывающийся список Select Version, чтобы
выбрать версию, которую хотите установить.
На момент написания этой статьи текущая версия была 3.1.0.

746

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Нажмите Install.
Библиотека установлена.
Готово!

После установки библиотеки Keypad вы можете использовать ее для доступа к матричным клавиатурам. Для этого вам нужно включить следующую строку в верхней части эскиза:
#include <keypad.h>

Настройка цифровой клавиатуры
После установки и подключения библиотеки Keypad вы можете написать код, необходимый для определения характеристик цифровой клавиатуры. Нужно определить пять параметров:

»
»
»
»
»

Количество строк на клавиатуре.
Количество столбцов на клавиатуре.
Цифровые контакты ввода/вывода, подключенные к строкам
клавиатуры.
Цифровые контакты ввода/вывода, подключенные к столбцам клавиатуры.
H A. которая предоставляет значение для каждой
кнопки на клавиатуре.

После настройки этих параметров можно создать переменную типа
Keypad, которую затем можно использовать для считывания нажатий
клавиш на клавиатуре.
Все эти элементы, включая переменную Keypad, обычно лучше всего
размещать вне функций setup или loop. Таким образом, они будут доступны на протяжении всего эскиза.
СОВЕТ

Определение количества строк и столбцов
Чтобы определить количество строк и столбцов на клавиатуре, просто
создайте пару переменных int, которые представляют количество строк
и количество столбцов на клавиатуре, например так:
int rows = 4;
int cols = 4;

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

747

Определение контактов строк и столбцов
Чтобы определить контакты, используемые для подключения строк
и столбцов клавиатуры, необходимо использовать функцию программирования Arduino, называемую массивом (array). Массив — это переменная, которая может содержать более одного значения. Массив
контактов строк содержит одно значение для каждой строки на клавиатуре, а массив контактов столбцов — одно значение для каждого
столбца. Тип данных этих массивов должен быть byte.
Отдельные значения в массиве идентифицируются с помощью целого
числа, известного как индекс. Значение индекса заключается в квадратные скобки после имени переменной, например: rowPins[0]. Значения
индекса всегда начинаются с нуля, поэтому rowPins[0] относится к первому значению в массиве с именем rowPins.
Чтобы создать массив, необходимо объявить его, используя тип данных, имя переменной и количество значений в массиве. Например:
byte rowPins[4];
byte colPins[4];
В предыдущем примере определены два массива — один для хранения
контактов строк, а другой для хранения контактов столбцов. Оба массива будут содержать четыре байтовых значения.
Вы можете присвоить все значения как часть объявления массива следующим образом:
byte colPins[4] = {6, 7, 8, 9};
byte rowPins[4] = {2, 3, 4, 5};
В предыдущем примере значения colPins равны 6, 7, 8 и 9, а значения
rowPins — 2, 3, 4 и 5. Эти значения соответствуют цифровым выводам
ввода/вывода Arduino, к которым будут подключены выводы строк
и столбцов клавиатуры.

Определение карты клавиш
Карта клавиш использует более сложный тип массива, называемый двумерным массивом, также известный как матрица. Для доступа к значению этого типа массива требуются два индекса: первый индекс — индекс строки, а второй — индекс столбца.

748

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

СОВЕТ

Карта клавиш использует значения char, а не значения int или byte.
Значение char — это один символ, заключенный в одинарные кавычки.
Важно помнить, что значение char '4' не является тем же, что и значение int 4. Значение int 4 представляет количество четыре. Значение
char '4' представляет цифру 4, которая просто символ и не представляет количество.
Это вариант специального синтаксиса, используемого для инициализации значений простого массива, также с двумерным массивом,
например:
char keymap[rows][cols] = {
{'1','2','3','A'},
{'4','5','6','B'},
{'7','8','9','C'},
{'*','0','#','D'}
};
Как видите, матрица значений клавиш очень похожа на физическое
расположение клавиш на цифровой клавиатуре 4×4.

Использование переменной Keypad
Переменная Keypad позволяет программе определять нажатия клавиш
на цифровой клавиатуре. Перед тем как считывать состояние цифровой клавиатуры, необходимо определить и инициализировать эту переменную. Ниже приведен пример, в котором определяется и инициализируется переменная Keypad с именем kp.
Keypad kp = Keypad(makeKeymap(keymap), rowPins, colPins,
rows, cols);
Переменная Keypad инициализируется с использованием переменных
keymap, rowPins, colPins, rows и cols, которые вы создали, как описано в предыдущих разделах.

Обнаружение нажатия клавиши
После создания переменной Keypad (см. предыдущий раздел) вы можете использовать эту переменную для считывания состояния клавиатуры, вызвав функцию waitForKey переменной Keypad. Эта функция
ждет, пока не будет нажата одна из клавиш на клавиатуре. Затем она
возвращает значение char, соответствующее нажатой клавише, в соответствии с массивом Keymap.

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

749

Вы можете вызвать функцию waitForKey где-нибудь в функции loop,
например так:
void loop() {
char key = kp.waitForKey();
// Do something based on which key was pressed.
}
Вот простой пример, который отображает значение клавиши на последовательном порте. Его можно просмотреть, открыв Serial Monitor
в интегрированной среде разработки (IDE) Arduino:
void loop() {
char key = kp.waitForKey();
Serial.println(key);
}
Обратите внимание: для работы этого кода необходимо инициализировать последовательный порт и указать скорость передачи данных.
Обычно это делается в функции setup с помощью следующей строки:
Serial.begin(9600);
Если вы откроете Serial Monitor в IDE (выберите Tools > Serial Monitor),
увидите символ, соответствующий каждой нажатой кнопке на клавиатуре.

ПРИМЕЧАНИЯ

Основной недостаток метода waitForKey: эскиз не может выполнять
никаких других действий, пока ожидает нажатия клавиши. Библиотека
Keypad предоставляет несколько альтернативных методов обнаружения нажатий клавиш, которые не задерживают выполнение основной
программы в ожидании нажатия. Рекомендую изучить документацию
по библиотеке Keypad, если хотите узнать больше (см. www.arduino.cc/
reference/en/libraries/keypad).

Создание схемы цифровой клавиатуры
В этом разделе вы создадите простой проект, в котором цифровая клавиатура 4×4 подключается к Arduino UNO. Нажатия клавиш отображаются в последовательном порту, который можно контролировать
из Arduino IDE с помощью Serial Port Monitor.
Подробности создания проекта представлены в Проекте 51, а полная
программа для запуска проекта показана в Листинге 6.1.

750

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Проект 51. Использование клавиатуры
В этом проекте вы подключите цифровую клавиатуру 4×4 к Arduino
UNO и узнаете, как разрабатывать эскизы, которые ее используют.

8-контактный разъем для клавиатуры

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

751

Детали
»
»
»
»
»
»
»

Один компьютер с инсталлированной средой разработки
Arduino IDE.
Одна плата Arduino UNO.
Один кабель USB-B.
Один шилд для прототипов UNO.
Одна матричная цифровая клавиатура 4×4.
Один восьмиконтактный разъем «папа-папа».
Восемь коротких (3/8 дюйма) проводов-перемычек.

Порядок действий
1.

2.
3.

Вставьте перемычки в макетную плату прототипируемого
шилда.
От

Цифровой вывод D2 на правом разъеме

Цифровой вывод D3 на правом разъеме

Цифровой вывод D4 на правом разъеме

Цифровой вывод D5 на правом разъеме

Цифровой вывод D6 на правом разъеме

Цифровой вывод D7 на правом разъеме

Цифровой вывод D8 на правом разъеме

Цифровой вывод D9 на правом разъеме

Присоедините шилд для прототипов к UNO.
Вставьте восьмиконтактный разъем в шилд для прототипов.
Разъем должен быть вставлен в контакты H1–H8.

Подключите клавиатуру к восьмиконтактному разъему.
Контакт для столбца 1 должен находиться на стороне
H1 разъема.

Подключите UNO к компьютеру.
Используйте разъем mini-B USB.

6.
752

Загрузите программу тестирования клавиатуры (см.
Листинг 6.1) на UNO.

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Откройте последовательный монитор, выбрав Tools > Serial
Monitor в Arduino IDE.

Нажмите каждую кнопку на клавиатуре.
При нажатии каждой кнопки последовательный монитор будет отображать нажатую кнопку (см. рис. 6.4).

Рис. 6.4.
Мониторинг
последовательного вывода из программы цифровой
клавиатуры

ЛИСТИНГ 6.1.

Тестирование цифровой клавиатуры
// Keypad Tester
// Doug Lowe
// December 5, 2021
#include <Keypad.h>
const byte rows = 4;
const byte cols = 4;
char keymap[rows][cols] = {
{'1','2','3','A'},
{'4','5','6','B'},
{'7','8','9','C'},
{'*','0','#','D'}
};
byte colPins[rows] = {6, 7, 8, 9};
byte rowPins[cols] = {2, 3, 4, 5};
Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keymap), rowPins, colPins,
rows, cols);
void setup() {
Serial.begin(9600);

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

753

}
void loop() {
char x = keypad.waitForKey();
Serial.println(x);
}

Использование Arduino для ввода
с компьютерной клавиатуры
Все платы Arduino имеют USB-порт, который используется для загрузки на Arduino эскизов с компьютера с Windows. Но было бы здорово,
если бы вы могли писать эскизы, которые обращают поток этого USBпорта, отправляя данные обратно на компьютер с Windows?
С UNO это невозможно, но некоторые платы Arduino предоставляют
такую возможность. Самая популярная — Arduino Leonardo, показанная на рис. 6.5.

Рис. 6.5.
Плата
Arduino
Leonardo

Leonardo очень похож на UNO. В частности, разъемы ввода/вывода одинаковы — большинство программ и схем, которые работают на UNO, будут работать и на Leonardo. Все проекты из этой части взаимозаменяемы
между UNO и Leonardo. Другими словами, любая из прототипных плат,
построенных для проектов, может быть подключена к Leonardo вместо
UNO, и любой из эскизов может быть запущен на Leonardo вместо UNO.

754

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Одно существенное отличие: плата Leonardo содержит ту же микросхему USB, что и большинство компьютерных клавиатур. В результате Leonardo может эмулировать стандартную компьютерную клавиатуру, то есть вы можете писать эскизы, которые отправляют нажатия
клавиш на компьютер с Windows. Программа, которая в данный момент запущена на компьютере, будет получать эти нажатия клавиш
и действовать так, как если бы вы набрали их на обычной клавиатуре.
Этот тип проекта Arduino может быть невероятно полезен. Например,
вы можете адаптировать Проект 47 (см. главу 4 части 6) для отправки информации о диапазоне на компьютер. Если на компьютере открыт Excel, данные диапазона заполнят строки электронной таблицы.
В этом разделе я покажу, как создать проект Leonardo, который использует цифровую клавиатуру 4×4 для отправки сочетаний клавиш
Windows на компьютер, чтобы использовать клавиатуру для блокировки или разблокировки компьютера, сворачивания окон для отображения рабочего стола или запуска программ из панели задач.
Еще одно отличие между Leonardo и UNO — тип USB-порта, установленного на плате. UNO использует устаревший разъем USB-B, такой
же, как обычно используется на принтерах. Leonardo, напротив, использует более современный и компактный разъем USB-C. Вам понадобится кабель USB-C для подключения Leonardo к компьютеру,
чтобы загружать эскизы в Leonardo и передавать ввод с клавиатуры
с Leonardo на компьютер.

Использование библиотеки Keyboard
Секрет эмуляции компьютерной клавиатуры на плате Leonardo заключается в библиотеке Keyboard. Эта библиотека входит в стандартный набор
Arduino IDE, поэтому устанавливать ее через Library Manager не нужно.
Однако вам необходимо указать в Arduino IDE, что вы работаете именно с платой Leonardo, а не с UNO. Если вы забудете это сделать, компилятор не сможет распознать вызовы функций библиотеки Keyboard.
Библиотека Keyboard включает следующие функции, которые позволяют скетчам отправлять ввод с клавиатуры на компьютер, подключённый через USB-порт:

»
»

# $%$ & запускает сеанс эмуляции клавиатуры.
Обычно эту функцию вызывают из функции настройки
эскиза.
# $% завершает сеанс клавиатуры. Возможно, вам
это не понадобится, но если вы хотите, чтобы Leonardo

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

755

иногда работал как клавиатура, а иногда нет, можете использовать ее Keyboard.end для отключения клавиатуры.

»
»
»
»
»
»

ОСТОРОЖНО!

# $% отправляет всю строку, как если бы вы набрали ее на компьютере.
# $% работает так же, как Keyboard.print,
но также отправляет клавишу Enter в конце строки.
# $%' отправляет одно нажатие клавиши.
# $% нажимает и удерживает клавишу.
Клавиша не отпускается, пока вы не вызовете функцию
Keyboard.release или Keyboard.releaseAll.
# $% отпускает определенную клавишу.
# $% отпускает все клавиши, которые в данный момент нажаты.

Вы должны учитывать последствия отправки клавиатурного ввода
на компьютер из эскиза Arduino без обеспечения того, чтобы эти нажатия клавиш вызывались каким-либо другим видом входного сигнала в вашем эскизе. В частности, вы никогда не должны использовать
какие-либо функции клавиатуры, которые отправляют нажатия клавиш (такие как Keyboard.println) безоговорочно в функции цикла вашего эскиза. Если вы это сделаете, Leonardo начнет отправлять нажатия клавиш на ваш компьютер в тот момент, когда вы подключите его
к USB-порту компьютера. Единственный способ остановить это — отключить Leonardo. Что еще хуже, вы потеряете возможность загружать
другие эскизы на Leonardo. Это потому, что Leonardo будет слишком
занят отправкой нажатий клавиш на компьютер, чтобы принять новый
эскиз. Arduino IDE не сможет нормально взаимодействовать с Leonardo.
Вы фактически испортите Leonardo. (Можете найти способы исправить
это, поискав в Интернете, но процесс сложен, и вам, возможно, лучше
просто купить другой Leonardo.)
С учетом этого предупреждения давайте посмотрим на некоторый код.
Чтобы использовать библиотеку Keyboard, вы должны включить ее.
Используйте эту команду в начале вашего эскиза:
#include <Keyboard.h>
Затем используйте такую команду в функции настройки, чтобы запустить сеанс клавиатуры:
void setup() {
Keyboard.begin();
}

756

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Отправка строки через клавиатуру
Вот фрагмент кода из функции loop, которая ожидает нажатия клавиши на клавиатуре. Затем программа вводит одно из четырех ругательств из пьес Шекспира в зависимости от того, какая клавиша была
нажата на клавиатуре:
char x = keypad.waitForKey();
if (x=='A')
{
Keyboard.println("Thine face is not worth sunburning.");
}
if (x=='B')
{
Keyboard.println("Would thou were clean enough to spit
upon.");
}
if (x=='C')
{
Keyboard.println("I'd beat thee, but I would infect my
hands.");
}
if (x=='D')
{
Keyboard.println("The tartness of his face sours ripe
grapes.");
}

Использование оператора switch
для упрощения выбора
Ввод с цифровой клавиатуры требует более простого способа определения нажатой клавиши, чем последовательность операторов if.
К счастью, язык Arduino предоставляет такое упрощение с помощью
оператора switch. Оператор switch проверяет значение одной переменной и предоставляет несколько различных результатов в зависимости от этого значения.
Фрагмент кода в предыдущем разделе, который генерировал ругательства из пьес Шекспира на основе нажатия клавиши, можно написать
с помощью оператора switch следующим образом:
char x = keypad.waitForKey();
switch (x)
{

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

757

case 'A':
Keyboard.println("Thine face is not worth sunburning.");
break;
case 'B':
Keyboard.println("Would thou were clean enough to spit
upon.");
break;
case 'C':
Keyboard.println("I'd beat thee, but I would infect my
hands.");
break;
case 'D':
Keyboard.println("The tartness of his face sours ripe
grapes.");
break;
}
Вот важные правила, которые необходимо соблюдать при составлении операторов switch:

»
»
»
»
»

758

Ключевое слово switch называет переменную в круглых
скобках, после чего следует одно или несколько выражений
case, заключенных в фигурные скобки.
Каждый оператор case содержит значение, которое сопоставляется с переменной. Значение не заключено в круглые
скобки. За значением следует двоеточие.
Операторы после двоеточия выполняются, если переменная
соответствует значению. Как и другие, эти операторы должны заканчиваться точкой с запятой.
После оператора case можно написать сколько угодно операторов. Вы также можете использовать другие структурные
операторы, такие как операторы if или циклы for.
Используйте оператор break, чтобы отметить конец группы
операторов, которые должны быть выполнены для каждого
значения case. Когда выполняется оператор break, весь оператор switch завершается, и никакие другие операторы case
не обрабатываются.
Если переменная не совпадает со значением первого оператора case, выполняется следующий оператор case. Если
и оно не совпадает, оценивается следующий за ним оператор
case — и так до тех пор, пока не будут проверены все операторы case.

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

СОВЕТ

Шекспир действительно был одним из величайших авторов ругательств,
когда-либо бравших в руки перо. Наберите в Интернете Shakespearean
insults, чтобы понять, что я имею в виду. Вы даже можете найти генераторы шекспировских оскорблений, которые создадут индивидуальное ругательство специально для вас!

Нажатие и удержание клавиш
Одна из важных особенностей стандартной клавиатуры — использование клавиш в комбинации. Например, нажатие Ctrl+Alt+Del вызывает меню, в котором можно выбрать такие действия, как блокировка
компьютера, выход из системы, переключение пользователей или вызов диспетчера задач Windows.
Функция Keyboard.press позволяет использовать клавиши в комбинации, нажимая и удерживая одну или несколько клавиш, а затем используя Keyboard.print или Keyboard.write для отправки нажатий вместе с клавишами-модификаторами.
Чтобы облегчить эту задачу, в языке Arduino определен набор констант,
которые представляют клавиши-модификаторы. Эти константы перечислены здесь. Обратите внимание: у некоторых клавиш две версии —
одна на левой стороне клавиатуры, другая на правой.
KEY_LEFT_CTRL
KEY_LEFT_SHIFT
KEY_LEFT_ALT
KEY_LEFT_GUI
KEY_RIGHT_CTRL
KEY_RIGHT_SHIFT
KEY_RIGHT_ALT
KEY_RIGHT_GUI
KEY_UP_ARROW
KEY_DOWN_ARROW
KEY_LEFT_ARROW
KEY_RIGHT_ARROW
KEY_BACKSPACE
KEY_TAB
KEY_RETURN
KEY_ESC
KEY_INSERT
KEY_DELETE

KEY_PAGE_UP
KEY_PAGE_DOWN
KEY_HOME
KEY_END
KEY_CAPS_LOCK
KEY_F1
KEY_F2
KEY_F3
KEY_F4
KEY_F5
KEY_F6
KEY_F7
KEY_F8
KEY_F9
KEY_F10
KEY_F11
KEY_F12

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

759

Вот пример фрагмента кода, который набирает последовательность
клавиш Windows+L, блокирующую компьютер:
Keyboard.press(KEY_LEFT_GUI);
Keyboard.print("l");
Keyboard.releaseAll();
В этом примере функция Keyboard.press вызывается для нажатия
и удерживания левой клавиши графического интерфейса пользователя (GUI), которая является клавишей Windows. Затем посылается
буква l. Наконец, все клавиши отпускаются. В результате компьютер
немедленно блокируется.

Создание гаджета клавиатуры Windows
В завершение этой главы расскажу о проекте, в котором используется цифровая клавиатура 4×4 для создания удобных сочетаний клавиш,
часто используемых в Windows. Здесь используется та же макетная плата, что и в Проекте 51. Единственное отличие — макетная плата установлена на Leonardo, а не на UNO, и используется другая программа.
Этот гаджет выполняет следующие функции:
Нажатие клавиши Функция Windows

760

Блокировка компьютера.

Разблокировка компьютера вводом
PIN-кода или пароля.

Свернуть все окна.

Развернуть все окна.

1–9

Открывает одну из программ, закрепленных на панели задач. (Программы открываются в том порядке, в котором они отображаются на панели задач.)

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

Проект 52. Гаджет с клавиатурой
для Windows
В проекте вы подключите цифровую клавиатуру 4 × 4 к Arduino Leonardo
и узнаете, как использовать ее для передачи нажатий клавиш на компьютер с Windows.

8-контактный разъем для клавиатуры

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

761

Детали
»
»
»
»

Один компьютер с установленной Arduino IDE.
Одна Arduino Leonardo.
Один кабель USB-C.
Собранный шилд для прототипов из Проекта 51, включая
цифровую клавиатуру 4×4.

Порядок действий
1.

Если вы еще не сделали этого, выполните действия, описанные в Проекте 51, чтобы собрать шилд для прототипов
и клавиатуру.

2.
3.

Прикрепите собранный шилд для прототипов к Leonardo.
Подключите Leonardo к компьютеру.
Используйте USB-разъем USB-C.

Загрузите программу Keypad Gadget (Листинг 6.2)
в Leonardo.
Чтобы функция разблокировки работала, вам
нужно изменить PIN-код или пароль, указанный в программе,
на PIN-код или пароль вашего компьютера.

Нажмите каждую кнопку на клавиатуре.
При нажатии каждой кнопки вызываются сочетания клавиш
Windows.

ЛИСТИНГ 6.2.

Эскиз гаджета клавиатуры Windows
// Windows Keypad Gadget
// Doug Lowe
// December 10, 2021
#include <Keyboard.h>
#include <Keypad.h>
// Keypad setup
const byte rows = 4;
const byte cols = 4;
byte colPins[rows] = {6, 7, 8, 9};
byte rowPins[cols] = {2, 3, 4, 5};

762

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

char keymap[rows][cols] = {
{'1','2','3','A'},
{'4','5','6','B'},
{'7','8','9','C'},
{'*','0','#','D'}
};
Keypad kp = Keypad( makeKeymap(keymap), rowPins, colPins,
rows, cols);
void setup() {
Keyboard.begin();
}
void loop() {
char x = kp.waitForKey();
int number = 0;
switch(x) {
case 'A':
// Lock computer
Keyboard.press(KEY_LEFT_GUI);
Keyboard.print("l");
Keyboard.releaseAll();
break;
case 'B':
// Unlock computer
Keyboard.press(KEY_LEFT_CTRL);
Keyboard.press(KEY_LEFT_ALT);
Keyboard.press(KEY_DELETE);
Keyboard.releaseAll();
delay(100);
Keyboard.println("******"); // Use your PIN here!
break;
case 'C':
// Minimize all windows
Keyboard.press(KEY_LEFT_GUI);
Keyboard.print("m");
Keyboard.releaseAll();
break;
case 'D':
// Restore all windows
Keyboard.press(KEY_LEFT_GUI);
Keyboard.press(KEY_LEFT_SHIFT);
Keyboard.print("m");
Keyboard.releaseAll();
break;

ГЛАВА 6.Клавиатуры и клавиатуры

763

case '1':
OpenProgram(1);
break;
case '2':
OpenProgram(2);
break;
case '3':
OpenProgram(3);
break;
case '4':
OpenProgram(4);
break;
case '5':
OpenProgram(5);
break;
case '6':
OpenProgram(6);
break;
case '7':
OpenProgram(7);
break;
case '8':
OpenProgram(8);
break;
case '9':
OpenProgram(9);
break;
}
delay(200);
}
void OpenProgram(int num) {
Keyboard.press(KEY_LEFT_GUI);
Keyboard.press(KEY_LEFT_SHIFT);
Keyboard.print(num);
Keyboard.releaseAll();
}

764

ЧАСТЬ 6. Использование Arduino

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
RASPBERRY PI

Краткое оглавление

766

ГЛАВА 1

Знакомство с Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747

ГЛАВА 2

Программирование на Python

ГЛАВА 3

Считывание цифровых и аналоговых
входных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .769

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Общая информация о Raspberry Pi
» Разные версии Raspberry Pi
» Сборка компонентов Raspberry Pi
» Инсталляция операционной системы
Raspberry Pi OS

Гл а в а 1

» Знакомство с Raspberry Pi OS
» Ваша первая программа на Python

Знакомство с Raspberry Pi

части 6 вы узнали, как использовать очень популярные микропроцессоры Arduino. В этой части рассказывается, как работать
с Raspberry Pi, популярной альтернативой Arduino.

Физически Raspberry Pi очень похож на Arduino. Однако Raspberry Pi —
это гораздо больше, чем микроконтроллер, это полноценная компьютерная система, реализованная на одной маленькой плате. Фактически
Raspberry Pi обладает большинством функций, которые обычно есть
у настольных ПК и ноутбуков. Однако, помимо небольшого размера,
у Raspberry Pi есть функции, которых обычно нет у ПК: возможность
прямого управления цифровыми входами/выходами. Вы можете использовать Raspberry Pi с внешними устройствами (светодиоды, кнопки, потенциометры, различные типы датчиков, а также сервоприводы
или шаговые двигатели).
Самое большое отличие между Raspberry Pi и Arduino в том, что
у Raspberry Pi есть своя операционная система. Arduino — это фактически работающий под управлением одной программы компьютер, не имеющий своей операционной системы. Вы просто загружаете программу на Arduino, и она запускается. Raspberry Pi работает под
управлением модификации операционной системы Linux, известной
как Raspberry Pi OS.
Операционная система Raspberry Pi во многом похожа на Microsoft
Windows или Apple macOS, поэтому Raspberry Pi может выполнять многие из тех задач, которые выполняет настольный компьютер или ноутбук. Поддержка таких устройств, как мониторы, клавиатуры, мыши,
сеть и звук, — это встроенная функция Raspberry Pi.

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

767

В этой главе вы узнаете, что такое Raspberry Pi, как его купить, как подключить и как запустить. Затем я объясню, как писать программы для
Raspberry Pi и добавлять внешние компоненты.

Введение в Raspberry Pi
Raspberry Pi (иногда сокращенно называемый Pi) — это очень маленький компьютер. Он содержит большинство компонентов, которые есть в традиционном настольном компьютере, но все они сжаты
на небольшой плате размером с колоду игральных карт. Новейшая версия Raspberry Pi, называемая Raspberry Pi 4, показана на рис. 1.1. Эта
версия Raspberry Pi включает следующие компоненты, размещенные
на одной плате:

»
»
»
»
»
»
»
»
»
»

768

Процессор. Четырехъядерный 64-разрядный микропроцессор ARM Cortex-A72 с тактовой частотой 1,5 ГГц.
Оперативная память. 2, 4 или 8 Гбайт.
Порты USB. Два порта USB 2.0, два порта USB 3.0. Эти порты
USB-A стандартного размера можно использовать для подключения любых USB-устройств, включая клавиатуру, мышь
или флеш-накопитель.
Видео. Встроенный графический процессор, поддерживающий два монитора с разрешением 4K (3840 x 2160).
HDMI. Два разъема micro HDMI, установленные на плате для
подключения видеомониторов.
Последовательный интерфейс дисплея (DSI). Интерфейс
дисплея, предназначенный для подключения к небольшим
ЖК-дисплеям через 15-контактный ленточный кабель.
Карта MicroSDHC. Карта MicroSDHC работает как дисковод
компьютера. Операционная система (Linux) устанавливается
на карту MicroSD вместе с любым другим программным обеспечением, которое вы хотите использовать.
Сеть Ethernet. Встроенный разъем RJ-45 для подключения
к сети Ethernet 1 Гбит/с.
Беспроводная сеть 802.11n. Встроенное подключение
к беспроводной сети. Антенна встроена в саму плату, поэтому внешняя антенна не требуется.
Bluetooth. Встроенный адаптер Bluetooth для подключения
беспроводных устройств (клавиатуры, мыши и наушников).

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Рис. 1.1.
Raspberry Pi 4

»
»
»
»

ОСТОРОЖНО!

Camera serial interface (CSI). Специальный интерфейс,
предназначенный для подключения к камере с помощью
15-контактного ленточного кабеля.
Аудио. 3,5-мм аудиоразъем для звуковых приложений.
Питание. Raspberry Pi питается от источника напряжением
5 В, подключенного к плате через разъем USB-C.
Разъем GPIO. Для энтузиастов электроники в Raspberry Pi
наиболее интересен 40-контактный разъем GPIO, который
обеспечивает доступ к различным функциям, в том числе
к 26 контактам общего назначения ввода-вывода (GeneralPurpose Input-Output, GPIO). Эти контакты работают так же,
как цифровые контакты ввода-вывода на микропроцессорах
Arduino, и к ним можно получить доступ через программы,
которые вы пишете для Raspberry Pi. Вы можете использовать эти контакты GPIO в качестве выходных контактов для
подключения к таким устройствам, как светодиоды, сервоприводы и шаговые двигатели и т. д., или в качестве входных
контактов для считывания входных сигналов от внешних
переключателей, потенциометров или других типов датчиков.
В отличие от цифровых выходов/входов микропроцессоров
Arduino, выходы GPIO Raspberry Pi работают при напряжении 3,3 В, а не 5 В для обозначения сигналов HIGH. Нужно
будет соответствующим образом настроить ваши схемы для
работы с меньшими уровнями входного и выходного напряжения. В частности, если подадите 5 В на входной вывод GPIO, Raspberry Pi может сгореть!

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

769

Версии Raspberry Pi
С момента выхода оригинальной версии Raspberry Pi в 2012 году выпущено много версий этого микропроцессора. Raspberry Pi прошел четыре поколения, известные как 1, 2, 3 и 4. Каждое новое поколение —
новые функции.
Raspberry Pi 2 представлен в 2015 году. Он был усовершенствован
по сравнению с Raspberry Pi 1 за счет использования более мощного
процессора и дополнительного объема оперативной памяти, при этом
цена осталась прежней. Важно отметить, что в Raspberry Pi 2 увеличено количество портов GPIO с 17 до 26. К сожалению, при этом изменили конфигурацию контактов GPIO. Это означает, что проекты, созданные для Raspberry Pi 1, несовместимы с проектами, созданными
для Raspberry Pi 2.
В 2016 году был представлен Raspberry Pi 3. Его усовершенствовали
по сравнению с Raspberry Pi 2, добавив более мощный процессор, более быструю оперативную память и встроенный адаптер беспроводной
сети. (Для подключения к беспроводной сети Raspberry Pi 2 обычно использовался беспроводной USB-адаптер.)
Четвертое поколение Raspberry Pi 4 представлено в 2019 году. Там более быстрый процессор и больше оперативной памяти — вы можете
выбрать 2, 4 или 8 гигабайт. Raspberry Pi 4 поддерживает два монитора и разрешение 4K.
Цена всех четырех версий Raspberry Pi — 35 долларов, хотя недавний
дефицит чипов привел к росту цен, особенно на версии Pi 4. Все проекты в этой книге используют Raspberry Pi 4, но они также будут работать на Raspberry Pi 3 или даже Pi 2.
Raspberry Pi 1 первого поколения был доступен в двух моделях: Model A
и Model B. Версия Model A была упрощенной версией Model B, с меньшим объемом памяти и меньшим количеством опций ввода-вывода,
но с меньшим энергопотреблением. В 2014 году эти две модели были
заменены на Model A+ и Model B+, которые получили дополнительные возможности.

ПРИМЕЧАНИЯ

Оригинальные модели Raspberry Pi 1 имели меньше выводов GPIO, чем
новые версии. Оригинальные версии имели 26-контактный блок заголовка, который обеспечивал доступ к 17 портам GPIO. В более новых
версиях 40-контактный заголовок обеспечивает доступ к 26 портам GPIO.
Все проекты, представленные в этой книге, будут работать с Raspberry
Pi 2, 3 или 4. Если у вас еще нет Raspberry Pi, я советую приобрести

770

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Raspberry Pi 4 с 4 Гбайт оперативной памяти в составе набора, включающего материалы, которые понадобятся вам для начала работы.
В этих наборах — блок питания для питания Raspberry Pi, карта памяти microSD с операционной системой и небольшая книга для начала
работы. Некоторые наборы — с дополнительными элементами (кабель
HDMI для подключения Raspberry Pi к монитору и, возможно, светодиоды, резисторы, кабели-перемычки и макетная плата).

Настройка Raspberry Pi
Прежде чем запустить Raspberry Pi и приступить к созданию проектов,
необходимо выполнить некоторые базовые настройки. Начните с настройки оборудования. Для настройки Pi, чтобы можно было программировать его для проектов, представленных в этой книге, вам понадобятся следующие детали:

»
»

»
»
»
»

Raspberry Pi 2, 3 или 4.
Подходящий источник питания. Raspberry Pi требует источника питания 5 В, подключаемого через разъем USB-C
на карте. Для Raspberry Pi 4 следует использовать источник
питания минимум 3 А. Старые версии, такие как Pi 3 или Pi 2,
могут использовать источники питания меньшей мощности
(2,5 А для Pi 3 или 2,0 А для Pi 2).
Монитор. Вам не нужен огромный монитор, но я рекомендую как минимум 17 дюймов. Также не нужно разрешение 4K,
но рекомендую как минимум 1920 x 1080.
Кабель HDMI. Если у вашего монитора разъем HDMI, понадобится кабель с полноразмерным разъемом HDMI на одном
конце и разъемом micro-HDMI на другом. Если у монитора
другой тип разъема, например DVI или VGA, нужен адаптер
для подключения монитора к разъему HDMI Pi.
USB-клавиатура. Подойдет любая клавиатура
с разъемом USB.
USB-мышь. Подойдет любая мышь с разъемом USB.
Карта microS. Используется как дисковый накопитель для
Raspberry Pi. Минимальный размер — 8 Гбайт, но лучше — карта емкостью 16 Гбайт или даже 32 Гбайт.
Сетевой адаптер. Подключение к сети необходимо для загрузки нескольких пакетов поддержки, которые понадобятся

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

771

для проектов, описанных в этой книге. Вы можете подключить Pi к сети одним из двух способов:

•
•

если у вас Raspberry Pi 3 или 4, можете использовать встроенный адаптер Wi-Fi для подключения к беспроводной сети.
использовать стандартный кабель Ethernet для подключения
Raspberry Pi 2, 3 или 4 к проводной сети, если рядом есть маршрутизатор или коммутатор со свободным сетевым портом.

Инсталляция операционной
системы Raspberry Pi
Хотя на Raspberry Pi можно запустить любую версию Linux, официальная версия, разработанная специально для Raspberry Pi, называется Raspberry Pi OS. (Раньше она называлась Raspian, но несколько
лет назад название изменили.) Ниже — инструкции по инсталляции
Raspberry Pi OS.

Вставьте пустую карту micro-SD в компьютер с Windows.
Вам понадобится адаптер для карт micro-SD, большинство
карт micro-SD поставляются с этим адаптером.

Откройте веб-браузер (например, Google или Microsoft
Edge) и перейдите по адресу www.raspberrypi.com/software.

Загрузите программу Raspberry Pi Imager.
Для Windows нажмите Download for Windows. (Если вы используете Mac, вы можете выбрать Download for macOS.
Остальные шаги этой процедуры предназначены для
Windows, но шаги для macOS аналогичны.)

По завершении загрузки запустите загруженный файл.
Обратите внимание, что во всех браузерах файл загружается
в папку ".
Если не знаете, как запустить загруженный файл в браузере, всегда можете открыть окно
и перейти в папку ". Затем дважды щелкните файл imager_1.6.2.exe,
чтобы запустить его. (1.6.2 — это номер версии; если у вас более поздняя версия, увидите другой номер.)

Нажмите Install, чтобы установить программу.
Установка займет менее минуты.

6.
772

По завершении установки нажмите Finish.

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Рис. 1.2.
Программа
Raspberry Pi
Imager

Откроется программа Raspberry Pi Imager, как показано
на рис. 1.2. Как видите, отображаются две кнопки: Choose OS
и Choose Storage.

Нажмите Choose OS.
Появится список вариантов операционных систем, как показано на рис. 1.3. Просмотрите этот список чтобы получить
представление об операционных системах, которые можно
установить на Raspberry Pi.
После того как вы приобретете некоторый опыт работы
с Raspberry Pi, возможно, захотите попробовать другую операционную систему.

Нажмите Raspberry Pi OS (32- bit).
Это действие выбирает стандартную ОС Raspberry Pi.

Рис. 1.3.
Выбор операционной
системы

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

773

Рис. 1.4.
Выберите
SD-карту

Щелкните Choose Storage.
Появится список доступных устройств хранения, как показано на рис. 1.4. (В большинстве случаев вы увидите только
один вариант.)

10. Щелкните устройство хранения, на которое вы хотите
установить ОС Raspberry Pi.
Вы вернетесь в программу Imager. Теперь будет видна третья
кнопка с надписью Write.

11.

Щелкните Write.
Надо подтвердить, что хотите продолжить.

12.

Щелкните Yes.
Операционная система будет инсталлирована на карту micro-SD. Это займет одну-две минуты. По окончании появится сообщение, что можно извлечь карту SD
из кардридера.

13.
14.

Извлеките карту SD и нажмите Continue.
Закройте программу Raspberry Pi Imager.
Программу Imager можно найти в меню , если вам понадобится использовать ее снова.

774

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Запуск Raspberry Pi
После инсталляции операционной системы на карту micro-SD можно запустить Raspberry Pi. Возьмите Raspberry Pi и выполните следующие действия:

Вставьте карту micro-SD в слот для карт.
Слот для карт находится в нижней части Raspberry Pi, на стороне, противоположной USB-портам.

Подключите мышь и клавиатуру к USB-портам.
Если вы используете беспроводную мышь/клавиатуру, просто подключите USB-адаптер к одному из USB-портов Pi.
Подключите монитор.
Если вы используете Raspberry Pi 4, понадобится кабель
micro-HDMI. Для более ранних версий Pi — обычный кабель
HDMI.

Подключите Raspberry Pi к источнику питания по USB
Type C.
После этого Raspberry Pi загрузится непосредственно в ОС
Raspberry Pi. Через несколько секунд вы увидите экран, показанный на рис. 1.5.

Рис. 1.5.
Начальная
конфигурация для ОС
Raspberry Pi

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

775

Выполните первоначальную настройку ОС Raspberry Pi.
Мастер настройки проведет вас через следующие опции
настройки:

•
•
•
•
•

Страна, язык и часовой пояс.
Пароль для учетной записи пользователя по умолчанию, которая
называется pi.
Настройка экрана, которая подтверждает, что панель задач
Linux помещается на экране.
Пароль сети Wi-Fi, чтобы Pi мог подключиться к Интернету.
Обновления программного обеспечения.

По завершении настройки ОС Raspberry Pi предложит вам
перезагрузить Pi, чтобы изменения вступили в силу.

Нажмите Restart, чтобы перезагрузить Pi.
После перезагрузки Pi отобразится рабочий стол
Raspberry Pi, как показано на рис. 1.6.

Рис. 1.6.
Рабочий стол
Raspberry Pi

776

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Общие сведения о файловой системе
Если вы раньше не работали с Linux, файловая система Raspberry Pi OS
может показаться немного странной. Все операционные системы Linux,
включая Raspberry Pi OS, организуют файлы и каталоги немного иначе,
чем файловая система Windows, к которой вы, вероятно, привыкли. Три
наиболее очевидных различия на самом деле являются второстепенными,
но они могут сбить с толку, поэтому не стоит обращать на них внимание.

»
»

Linux использует косые черты вместо обратных косых черт
для разделения каталогов. Таким образом, /home/pi является
действительным путем в Linux. (Если вы раньше не использовали Linux, у вас могут возникнуть проблемы с поиском
клавиши косой черты. Она находится на клавише с вопросительным знаком рядом с клавишей Shift в правой части
клавиатуры.)
Имена файлов в Linux не используют расширения. Вы
можете использовать точки в имени файла, но, в отличие
от Windows, конечная точка не обозначает расширение
файла.
Linux чувствителен к регистру. В Windows заглавные
и строчные буквы не имеют значения в именах файлов или
папок. Таким образом, # и © ¢ являются взаимозаменяемыми. В Linux это не так: # и © ¢ относятся к двум разным папкам.

Помимо этих несущественных различий, основное отличие между файловыми системами Linux и Windows в том, что Linux рассматривает все
в системе как файлы и организует их в одно гигантское дерево каталогов, которое начинается с единственного корневого каталога.
Когда я говорю: всё рассматривается как файл, имею в виду, что аппаратные устройства (дисководы, последовательные порты, Ethernet-адаптеры
и даже контакты GPIO) на Raspberry Pi рассматриваются как файлы.
Корень всей файловой системы Linux — каталог верхнего уровня
микро-SD карты, с которой загружается Raspberry Pi. Если вставить
USB-флешку или USB-диск в один из USB-портов Raspberry Pi, диск
будет вставлен в дерево как каталог, называемый точками монтирования. Таким образом, каталог в файловой системе Linux может на самом деле быть устройством.
Каталоги корневого уровня в файловой системе Linux перечислены
в табл. 1.1. Если открыть диспетчер файлов, щелкнув значок файлового шкафа в верхней части экрана, увидите именно эти каталоги.

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

777

ТАБЛ. 1.1.

Каталоги корневого уровня в файловой системе Linux
Каталог Описание
/bin

Основные бинарные файлы команд

/boot

Статические файлы загрузчика

/dev

Устройства

/etc

Файлы конфигурации для локального компьютера

/home

Домашние каталоги пользователей

/lib

Общие библиотеки и модули ядра

/media

Точка монтирования для съемных носителей,
например, для USB-накопителей

/mnt

Точка монтирования для несъемных файловых систем

/proc

Важные файлы ядра и процессов

/opt

Дополнительные приложения и пакеты

/root

Домашний каталог пользователя root

/sbin

Основные системные бинарные файлы

/srv

Данные сервера (веб-страницы, FTP-файлы и т. д.)

/tmp

Временные файлы

/usr

Общие файлы, доступные только для чтения, такие
как бинарные файлы для пользовательских команд
и библиотеки

/var

Файлы переменных данных

Рис. 1.7.
IDE
Thonny
Python

778

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Ваша первая программа для Raspberry Pi
Операционная система Raspberry Pi поставляется со встроенным Python
и интегрированной средой разработки (IDE) Thonny. Чтобы запустить
эту программу, щелкните значок Raspberry Pi (показанный на полях),
а затем выберите Programming > Thonny Python IDE. Thonny запускается, как показано на рис. 1.7.

СОВЕТ

По умолчанию Thonny открывается в упрощенном режиме (называется
простым режимом). Упрощенный режим включает в себя простую панель инструментов, которая обеспечивает доступ к большинству функций, необходимых для разработки базовых программ на Python, одним
щелчком мыши. При желании можете переключиться в обычный режим, в котором добавляется меню с полным набором опций программирования на Python, как показано на рис. 1.8.

Рис. 1.8.
Thonny
в обычном
режиме
с меню!

В нижней части экрана Thonny (как в простом, так и в обычном режиме) найдете область с названием Shell. Вы можете запускать операторы Python непосредственно в оболочке, не создавая программу. Когда
вводите оператор Python в оболочке и нажимаете клавишу Enter, оператор выполняется немедленно, и все результаты, которые он генерирует, отображаются в оболочке.
Например, введите в командной строке shell следующее:
& ?©

· @

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

779

Shell в ответ выведет ?©

Если сделаете ошибку, shell сразу же сообщит об этом. Например, попробуйте ввести следующее:
& ?©

·@

Обратите внимание, что после текста ?© · отсутствует закрывающая кавычка. Shell ответит на это так:

¢ ?
& ?© ·@

¸
¹
#
Этот несколько загадочный ответ указывает, что вы допустили ошибку в Python, а именно, Python достиг конца строки (EOL — end of line),
не найдя закрывающей кавычки.
Чтобы создать программу на Python, которая выводит сообщение ?
© ·, выполните следующие действия:

Нажмите кнопку New (показана на полях).
Также можно выбрать File > New.
Обратите внимание, что этот шаг можно пропустить, если
в Thonny уже отображается новое окно с названием
<untitled>.

2.
3.

Введите текст &º ?© ·¼@.
Нажмите кнопку Save (показана на полях).
В качестве альтернативы выберите File > Save As.
В любом случае появится диалоговое окно @ .
По умолчанию диалоговое окно Save As открывается в домашнем каталоге текущего пользователя (/home/pi).

Я предлагаю вам создать новую папку с именем Python.
Для этого нажмите значок New Folder в диалоговом окне
Save As (показанном на полях). Затем введите Python и нажмите кнопку Create.

Введите в качестве имени файла, а затем нажмите OK.
Файл будет сохранен с именем . На рис. 1.9 показано,
как выглядит программа после сохранения.

780

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Рис. 1.9.
Программа
hello.py

Выберите «Run» > «Run Module» (или нажмите F5).
Это действие запускает программу hello.py. Результат работы программы (то есть сообщение “Hello, World!”) отображается в окне Python Shell, как показано на рис. 1.10.

Готово!
Поздравляем! Вы успешно написали свою первую программу на Python.

Рис. 1.10.
Программа
“Hello, World!”
в действии

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

781

Изучение портов GPIO
Порты общего назначения ввода-вывода (GPIO) делают Raspberry Pi
гораздо больше, чем просто очень маленьким компьютером. Порты
GPIO позволяют управлять собственными электронными схемами непосредственно с Pi. 40-контактный разъем GPIO на Raspberry Pi 2 и 3
обеспечивает доступ к 17 портам GPIO, которые можно управлять с помощью программ, написанных на Python или других языках.
Чтобы использовать порт GPIO, необходимо сначала настроить его для
ввода или вывода. При настройке для вывода порт GPIO может быть
установлен в состояние HIGH (+3,3 В) или LOW (0 В) с помощью ваших программ. При настройке для ввода программа может легко определить текущее состояние (HIGH или LOW).
На рис. 1.11 перечислены функции каждого контакта на 40-контактном разъеме Raspberry Pi. (Обратите внимание, эта схема применима
к версиям Raspberry Pi 2, 3 и 4. У старой версии Raspberry Pi 1 было другое расположение контактов.)
К сожалению, контакты на разъеме не имеют никаких обозначений
на плате Raspberry Pi. Если расположить плату так, чтобы USB-порты
находились внизу, разъем будет находиться на правом крае платы, чуть
выше USB-портов. Тогда контакты 1 и 2 будут находиться в верхней
части разъема. Нечетные контакты (начиная с верхнего контакта 1) находятся на левой стороне разъема; четные контакты (начиная с верхнего контакта 2) находятся на правой стороне.
Вы, вероятно, уже заметили, что контакты на блоке разъемов не расположены в каком-либо особом логическом или функциональном порядке: порты GPIO разбросаны по разъему беспорядочно, перемежаясь
с контактами 3,3 В, 5 В и заземления, казалось бы, в случайных местах.
Чтобы избежать путаницы при программировании проектов Raspberry Pi,
люди обычно нумеруют порты GPIO, используя номера контактов разъема, а не номера портов GPIO. Например, порт GPIO 19 может называться контактом 10 в программе Python. Когда вы пишете программы
таким образом, можете игнорировать номер порта GPIO, вместо этого
ссылаясь на порт GPIO с помощью его номера контакта. Единственный
нюанс: не все контакты 40-контактного разъема используются для портов
GPIO. В качестве портов GPIO следует использовать только те номера
контактов, которые обозначены как порты GPIO на рис. 1.11. (Пример
такой нумерации вы увидите в реальной программе позже в этой главе.)

ОСТОРОЖНО!

782

Порты GPIO на Raspberry Pi рассчитаны на ток около 16 мА каждый,
с общим током 40 мА для всех портов GPIO вместе. При проектировании

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

схем, которые взаимодействуют с портами GPIO, учитывайте это ограничение. Убедитесь, что используете резисторы с достаточным ограничением тока, чтобы не сжечь Pi.
ОСТОРОЖНО!

Рис. 1.11.
Контакты
разъема
Raspberry Pi

Подключение светодиода к порту GPIO
Если вы настроите порт GPIO как порт вывода, его можно использовать
для управления светодиодом. Для этого понадобятся светодиод и резистор, ограничивающий ток. На рис. 1.12 показана типичная схема.
Здесь светодиод подключен к контакту GPIO на Pi. Резистор 330 Ом
используется для ограничения тока, протекающего через светодиод,
а катод светодиода подключен к земле.

Рис. 1.12.
Подключение
светодиода к
порту GPIO

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

783

Один момент, о котором следует помнить: в блоке разъемов на Raspberry Pi используются штыревые контакты, а не гнездовые разъемы, как
на Arduino и микроконтроллерах. Чтобы подключить схему макетной
платы к контактам на Raspberry Pi, понадобятся перемычки со штырьковыми контактами на одном конце (для подключения к отверстию
макетной платы) и гнездовыми разъемами на другом конце (для подключения к штырьковым контактам на разъеме Raspberry Pi). Вы можете приобрести эти перемычки во многих интернет-магазинах, просто наберите в поисковике перемычки Raspberry Pi, и вы найдете, что
вам нужно. Нужные провода обычно называются female/male extension
jumper wires или перемычки (мама-папа).

Мигание светодиода в Python
Теперь, когда вы знаете, как подключить светодиод к порту GPIO Raspberry Pi, рассмотрим, как с помощью Python можно включать и выключать светодиод. В главе 2 этой части я больше расскажу о языке программирования Python, а пока бегло рассмотрим программу на Python,
которая заставляет мигать светодиод, подключенный к порту GPIO 2,
который является физическим выводом 3 на Pi. Светодиод будет включаться и выключаться поочередно с интервалом в полсекунды. Полная
программа приведена в Листинге 1.1.

ЛИСТИНГ 1.1.

Программа для мигания светодиода на Python
'§'¨ §'¨

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨&!?§'¨¾@

#
§'¨ &!?§'¨¨§@
&A@
§'¨ &!?§'¨©@
&A@

Давайте рассмотрим эту программу построчно:

784

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Строка программы

Действие

import RPi.GPIO as GPIO

Сообщает Python, что программе требуется пакет функций под
названием RPi.GPIO и что программа
будет обращаться к функциям в этом
пакете, используя сокращение GPIO.
Пакет RPi.GPIO содержит функции
для работы с портами GPIO.

import time

Сообщает Python, что программе
требуется пакет функций под названием time. Пакет необходим, чтобы
программа могла контролировать
время мигания светодиода.

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

Указывает, что программа будет обращаться к портам GPIO, используя
номера выводов на плате Raspberry
Pi, а не внутренние номера портов
GPIO.

GPIO.setup(3, GPIO.OUT)

Указывает, что программа будет
использовать порт GPIO на выводе 3
в качестве порта вывода.

while True:

Устанавливает бесконечный цикл.
Все операторы с отступами после
этой строки выполняются последовательно снова и снова, пока
программа не будет остановлена
пользователем.

GPIO.output(3, GPIO.HIGH)

Устанавливает состояние порта на
выводе 3 в HIGH. Этот оператор
включает светодиод.

time.sleep(0.5)

Приостанавливает выполнение программы на полсекунды. Это позволяет светодиоду оставаться включенным в течение полсекунды.

GPIO.output(3, GPIO.LOW)

Устанавливает состояние порта на
выводе 3 в LOW, чтобы выключить
светодиод.

time.sleep(0.5)

Приостанавливает выполнение
программы на полсекунды, чтобы
светодиод горел полсекунды.

Пока программа работает, четыре оператора, идущие с отступом под
оператором #, будут выполняться снова и снова в порядке, указанном в списке. Сначала светодиод включается на полсекунды, затем
выключается на полсекунды. Мигание продолжается до тех пор, пока
пользователь не остановит программу.

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

785

Светодиодная мигалка
на базе Raspberry Pi
В Проекте 51 показано, как создать простую макетную плату, которая подключает светодиод к Raspberry Pi через порт GPIO на выводе 3
разъема. На рис. 1.13 показан готовый проект.

Рис. 1.13.
Светодиодная вспышка
Raspberry Pi
(Проект 51 )

Проект 51. Светодиодная мигалка
на базе Raspberry Pi
В этом проекте вы подключаете внешний светодиод к Raspberry Pi, а затем с помощью простого эскиза включаете и выключаете светодиод
с интервалом в 0,5 секунды.
Анод

Катод

786

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Детали
»
»
»
»
»

Один Raspberry Pi (предпочтительнее 4, но подойдут и Pi 2
или 3) с установленной ОС Raspberry Pi, подключенный
к монитору, клавиатуре, мыши и питанию.
Одна небольшая беспаечная макетная плата.
Один светодиод.
Один резистор 330 Ом (оранжевый-оранжевый-коричневый).
Два провода-перемычки (M/F).

ГЛАВА 1.Знакомство с Raspberry Pi

787

Порядок действий
1.

Вставьте резистор R1.
R1 (330 :): E1 — E3.

Вставьте светодиод LED1.
Катод (короткий вывод): шина заземления.
Анод (длинный провод): A3.

Подключите шину заземления макетной платы к контакту 6
Raspberry Pi.
С помощью перемычки соедините любое отверстие в шине
заземления макетной платы с выводом 6, который является
заземлением на Pi.

Подключите вывод 3 на Raspberry Pi к C1 на макетной
плате.
Контакт 3 на Pi — это GPIO 2.

Откройте редактор THONNY и создайте новый файл, нажав
кнопку New (показана на полях).

Создайте и сохраните эскиз, показанный в Листинге 1.1,
используя имя файла LedBlink.

Запустите программу LedBlink, нажав кнопку Run (показана на полях).
Светодиод на макетной плате будет включаться и выключаться с интервалом в полсекунды.

788

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Основы языка Python
» Работа с переменными и константами
» Создание собственных определений
функций

» Работа с логикой if
» Использование списков
» Работа с циклами for

Гл а в а 2

Программирование
на Python
предыдущей главе вы узнали, как создать простую программу
на Python, которая зажигает светодиод, подключенный к одному
из портов цифрового вывода Raspberry Pi. Правильная настройка среды программирования Python — немалое достижение, с чем я вас
и поздравляю!

Однако умения включать светодиод недостаточно, чтобы считать себя
программистом на Raspberry Pi. В этой главе вы узнаете о мощных возможностях программирования на Python, которые позволят создавать
действительно полезные вещи. Узнаете, как работать с основными
функциями программирования на Python (переменные, определения
функций, операторы if, циклы и списки).
Эта глава — не исчерпывающее руководство по программированию
на Python. Если вам нужен учебник по программированию на Python,
я рекомендую Beginning Programming with Python For Dummies Джона
Пола Мюллера (John Paul Mueller)1. Вы также можете найти много хорошей информации о программировании на Python в Интернете, начиная с официального сайта Python Software Foundation (www.python.org).

Мюллер Дж. Python для чайников // Диалектика. — 2020. — 2-е изд.

ГЛАВА 2.Программирование на Python

789

Взгляд на Python поближе
Как вы узнали из главы 1 этой части, Python — это один из нескольких
языков программирования, которые можно использовать для создания
программ, запускаемых на Raspberry Pi.
Вы уже видели короткую программу на Python, которая включает и выключает светодиод каждые полсекунды. Эта программа проста, но она
знакомит со многими базовыми понятиями, их необходимо знать для
создания программ на Python.

Python — это язык, который в мире компьютерного программирования называют . Это
означает, что, когда вы запускаете программу на Python,
оболочка Python считывает текст вашего файла программы на Python, а затем интерпретирует и запускает каждое
утверждение по очереди. Фактически, вы можете запускать утверждения Python, даже не создавая сохраненную
программу Python, просто вводя утверждение в оболочку
Python. Например, когда вы вводите print("Hello, World!")
в оболочке и нажимаете Enter, оболочка Python интерпретирует введенное вами утверждение и выполняет его, выводя
на консоль текст ?© ·
Это отличается от большинства других языков программирования, в которых утверждения перед выполнением обрабатываются специальной программой ( ).
Компилятор преобразует текст программы в машинные инструкции, которые может выполнить компьютер. В этом типе
программ, называемом " . вся
программа компилируется за один раз, а затем она выполняется. В интерпретируемом языке, напротив, текст программы
интерпретируется и выполняется по одной строке за раз.

В отличие от большинства других языков программирования, Python использует отступы для обозначения того, как
программные утверждения объединяются в блоки. В таких
языках, как C++ или Java, блоки связанных утверждений
обозначаются открывающими и закрывающими фигурными
скобками.
В Python это не так. В Python строки, отступы которых находятся на одном уровне, считаются частью одного блока.

790

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Вы уже видели это в примере программы, показанном в предыдущей главе:
#
§'¨ &!?§'¨¨§@
&A@
§'¨ &!?§'¨©@
&A@
Здесь четыре оператора, расположенные с отступом под
оператором #, считаются частью оператора #.
Предыдущий код будет интерпретирован совершенно иначе,
если его написать так:
#
§'¨ &!?§'¨¨§@
&A@
§'¨ &!?§'¨©@
&A@
В этом случае последняя строка — &A@ — /
считаться частью того же блока, что и три утверждения
перед ней. В результате она не будет выполнена в цикле,
на который указывает оператор #.

Python очень свободно относится к тому, как вы используете переменные. В отличие от C++ или Java, в программах
на Python не нужно объявлять переменные или присваивать
переменным типы данных. Python сам определит, исходя
из контекста, какой тип данных хранится в каждой переменной, которую вы используете.

Python назван вовсе не в честь гигантской змеи. Создатели Python очень
любили британский телесериал Летающий цирк Монти Пайтона
и назвали язык в честь комедийной труппы. IDLE, стандартная среда
разработки для Python, формально расшифровывается как Integrated
DeveLopment Environment 1, но это также кивок в сторону одного из основателей Monty Python Эрика Айдла (Eric Idle).

Интегрированная среда разработки. – Прим. пер.

ГЛАВА 2.Программирование на Python

791

Построение тестовой схемы
Все программы в этой главе предназначены для работы со схемой, показанной в Проекте 56, которая подключает восемь светодиодов к Raspberry Pi через восемь портов GPIO.
Все программы в этой главе предполагают, что светодиод подключен
к следующим выходным контактам:
Светодиод Контакт

Светодиод Контакт

LED1

LED5

LED2

LED6

LED3

LED7

LED4

LED8

В программах эти выводы будут обозначаться переменными LED1 —
LED8.
На рис. 2.1 показана готовая схема, которую можно использовать для
тестирования программ, которые вы будете писать по ходу работы над
этой главой.

Рис. 2.1.
Тестовая схема
Raspberry Pi
с восемью светодиодами (Проект 52 )

792

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Проект 52. Плата для тестирования
светодиодов Raspberry Pi
В этом проекте вы подключаете макетную плату с восемью светодиодами к портам GPIO на Raspberry Pi. Затем можете использовать эту
плату для тестирования программ, показанных в этой главе.

Анод

Катод

ГЛАВА 2.Программирование на Python

793

Детали
»
»
»
»
»

Один Raspberry Pi 4 с установленной ОС Raspberry Pi, подключенный к монитору, клавиатуре и питанию (Raspberry Pi 2
или 3 также подойдет).
Одна небольшая беспаечная макетная плата.
Восемь красных светодиодов.
Восемь резисторов 330 Ом
(оранжевый-оранжевый-коричневый).
Девять проводов-перемычек (M/F).

Порядок действий
1.

794

Вставьте резисторы.
Резистор

От

R1 (330 ОМ)

R2 (330 ОМ)

R3 (330 ОМ)

R4 (330 ОМ)

R5 (330 ОМ)

E11

F11

R6 (330 ОМ)

E13

F13

R7 (330 ОМ)

E15

F15

R8 (330 ОМ)

E17

F17

Вставьте светодиоды.
Светодиод

Анод

Катод

LED1

Ground

LED2

Ground

LED3

Ground

LED4

Ground

LED5

J11

Ground

LED6

J13

Ground

LED7

J15

Ground

LED8

J17

Ground

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Подключите макетную плату проводами-перемычками
к контактам GPIO на Raspberry Pi.
Макетная плата Контакт GPIO

A11

A13

A15

A17

Подключите шину заземления к контакту 39
на Raspberry Pi.
Теперь вы можете использовать программы, описанные
в этой главе.

Мигание светодиодов
В предыдущей главе я показал программу, которая включает и выключает один светодиод. В этой главе будет несколько вариантов этой
программы, которые мигают восемью светодиодами в тестовом проекте в различных последовательностях. Попутно вы сможете добавить
в свой репертуар больше операторов Python, чтобы обеспечить все более сложные способы управления миганием.

ЗАПОМНИТЕ

Помните: если вы можете включить или выключить светодиод с помощью программы на Python, то можете и управлять всем, подключено к порту GPIO. Сам Raspberry Pi не знает и не заботится о том, какую схему вы подключаете к порту GPIO: просто по вашему указанию
Raspberry Pi переводит порт в состояние HIGH или LOW. Именно
внешняя схема, подключенная к порту, определяет, что произойдет,
когда порт станет HIGH.
Единственное ограничение — сам Raspberry Pi может пропустить через свои порты GPIO только около 16 мА. Если схема, подключенная
к порту, требует большего тока, чем 16 мА, вы должны изолировать
часть схемы с большим током от Raspberry Pi. Самый простой способ
сделать это — использовать транзисторный драйвер или реле.

ГЛАВА 2.Программирование на Python

795

В Листинге 2.1 показана простая программа, которая включает и выключает все восемь светодиодов с интервалом в полсекунды. Она похожа на программу, представленную в предыдущей главе, с той лишь
разницей, что она мигает восемью светодиодами, а не одним.

ЛИСТИНГ 2.1.

Программа светодиодной мигалки LED Flasher
'§'¨ §'¨

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&!!?§'¨¾@
§'¨&!A?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&!²?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@

#
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &!?§'¨¨§@
§'¨ &!!?§'¨¨§@
§'¨ &!A?§'¨¨§@
§'¨ &!?§'¨¨§@
§'¨ &!?§'¨¨§@
§'¨ &!²?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@

&A@

§'¨ &?§'¨©@
§'¨ &!?§'¨©@
§'¨ &!!?§'¨©@
§'¨ &!A?§'¨©@
§'¨ &!?§'¨©@
§'¨ &!?§'¨©@
§'¨ &!²?§'¨©@
§'¨ &?§'¨©@

&A@

796

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

КАК ОТКЛЮЧИТЬ ЛИШНИЕ
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ GPIO
Запустив программу из Листинга 2.1, вы можете заметить, что на панели Shell в Thonny появляется множество предупреждающих сообщений. Эти сообщения выглядят примерно так:
' A ©
? # ¾§'¨# &¢ @
#
§'¨&?§'¨¾@
' ©
? # ¾§'¨# &¢ @
#
§'¨&!?§'¨¾@
' ©
? # ¾§'¨# &¢ @
#
§'¨&!!?§'¨¾@
' ² ©
? # ¾§'¨# &¢ @
#
§'¨&!A?§'¨¾@
' ©
? # ¾§'¨# &¢ @
#
§'¨&!?§'¨¾@
' ©
? # ¾§'¨# &¢ @
#
§'¨&!?§'¨¾@
' ©
? # ¾§'¨# &¢ @
#
§'¨&!²?§'¨¾@
' ©
? # ¾§'¨# &¢ @
#
§'¨&?§'¨¾@
Если прочитать эти сообщения внимательно, увидите: они предупреждают о том, что каждый из восьми цифровых выходных портов
(в сообщениях они называются каналами channel) используется,

ГЛАВА 2.Программирование на Python

797

но программа все равно будет продолжена. Затем в каждом сообщении указывается, что вы можете отключить предупреждающие сообщения с помощью команды §'¨# &¢ @ из Python.
Эти сообщения не мешают работе программы, но они раздражают, поэтому рекомендую всегда включать следующую строку в код
запуска, прежде чем использовать §'¨ для инициализации
портов GPIO:
§'¨#

&¢ @

С помощью этой строки можно отключить лишние предупреждения.
Все остальные программы в этой и следующей главах используют эту
команду для отключения предупреждающих сообщений.

Использование комментариев
Комментарий — это текст, который поясняет ваш код. Python полностью игнорирует комментарии, поэтому вы можете написать в комментарии любой текст. Использование большого количества комментариев в своих программах, чтобы объяснить, что делает ваша программа
и как она работает, — это хорошая практика программирования.
Python позволяет использовать два различных типа комментариев:

Однострочные комментарии. Однострочный комментарий
начинается с символа хэша (#) и продолжается до конца
текущей строки. Python игнорирует все, что вы вводите
в строке, следующей за хэш-символом. Вот пример:
§'¨

Вы можете поместить однострочный комментарий в конец
оператора Python, как в этом примере:
§'¨ &?§'¨¨§@
Здесь я использовал комментарий, чтобы указать, что вывод 29 — это светодиод LED1.

798

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Многострочные комментарии. Многострочный комментарий — это комментарий, занимающий более одной строки.
Он начинается с группы из трех соседних кавычек и продолжается до тех пор, пока не будет найдена другая группа
из трех кавычек. Вот пример многострочного комментария:
¢
% "

"""
Хотя это и не обязательное условие, все программы
на Python принято начинать с многострочного комментария, содержащего основную информацию о том, что делает
программа.

В Листинге 2.2 показана версия программы LED Flasher, содержащая
оба типа комментариев.

ЛИСТИНГ 2.2.

Программа LED Flasher с комментариями
¢
% "

"""

'§'¨ §'¨

§'¨
§'¨ &§'¨½ª@
§'¨# &¢ @
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&!!?§'¨¾@!
§'¨&!A?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@A
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&!²?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@²

§'¨ &?§'¨¨§@

ГЛАВА 2.Программирование на Python

799

§'¨ &!?§'¨¨§@
§'¨ &!!?§'¨¨§@!
§'¨ &!A?§'¨¨§@
§'¨ &!?§'¨¨§@A
§'¨ &!?§'¨¨§@
§'¨ &!²?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@²

""
§'¨ &?§'¨©@
§'¨ &!?§'¨©@
§'¨ &!!?§'¨©@!
§'¨ &!A?§'¨©@
§'¨ &!?§'¨©@A
§'¨ &!?§'¨©@
§'¨ &!²?§'¨©@
§'¨ &?§'¨©@²

Создание идентификаторов
В Python идентификатор — это имя, которое используется для обозначения таких элементов, как переменные или имена функций. При написании программ на Python вам часто придется создавать собственные идентификаторы. При этом необходимо следовать следующим
простым правилам:

»
»

Имена идентификаторов могут содержать прописные или
строчные буквы, цифры от 0 до 9 или символ подчеркивания (_). Обратите внимание, что подчеркивание — единственный разрешенный специальный символ; другие знаки препинания в идентификаторе использовать нельзя.
Идентификатор должен начинаться с буквы или символа подчеркивания. Идентификатор не может начинаться
с цифры.
Python чувствителен к регистру, поэтому ElapsedTime
и elapsedtime — это два разных идентификатора. Это правило может быть раздражающим источником ошибок, поэтому,

800 ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

если ваша программа работает не так, как вы ожидаете, проверьте регистр всех идентификаторов, которые использует
программа.

Использование констант
Константа — это идентификатор, которому присвоено фиксированное значение, не изменяющееся в течение всего выполнения программы, что позволяет использовать имя константы, а не само значение.
В дальнейшем, если вы решите изменить значение, не придется рыться
в программе, чтобы найти каждое вхождение константы. Вместо этого
вы просто измените строку, определяющую константу. В Python имена констант обычно пишутся заглавными буквами.
Чтобы создать константу в Python, вы используете знак равенства, чтобы присвоить константе значение, например, так:
¡
Здесь я создал константу , которой присвоено значение 29. Могу
использовать эту константу в программе, например, так:
§'¨ &?§'¨¨§@
Использование константы таким образом облегчает отслеживать
номера выводов из портов GPIO, используемых в программе.
В Листинге 2.3 показана полная программа, в которой используются
константы для отслеживания номеров выводов.

ЛИСТИНГ 2.3.

Программа LED Flasher с константами
!½
% "

"""

'§'¨ §'¨

ГЛАВА 2.Программирование на Python

801

¡!
!¡!!
¡!A
A¡!
¡!
¡!²
²¡

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨# &¢ @
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&A?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&²?§'¨¾@

#
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &!?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &A?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &²?§'¨¨§@

&A@

802 ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Использование переменных
Переменная — это идентификатор, ссылающийся на ячейку памяти, значение которой может меняться в процессе работы программы. Например,
предположим, я хочу изменить частоту мигания светодиодов в программе LED Flasher, начав с частых вспышек и постепенно увеличивая паузы между ними. Я мог бы легко добиться этого, используя переменную для представления количества времени ожидания между каждой
вспышкой и увеличивая значение переменной при каждом повторении цикла # программы.
Первый шаг к этому — создание переменной. Вы делаете это так же,
как создаете константу — по сути, константа — это просто переменная, значение которой не меняется во время выполнения программы.
Например:
¡?A
Здесь я создаю переменную с именем и присваиваю ей начальное значение 0,05.
Вы можете использовать эту переменную при вызове функции ,
как показано ниже:
& @
Это приведет к тому, что программа задержится на количество секунд,
указанное переменной — в данном случае на пять сотых.
Позже в программе можете изменить значение переменной. Например,
добавить 0,05 к значению переменной:
¡ ¿?A
При первом выполнении этого оператора переменная будет
установлена в значение 0,1, то есть 0,05 + 0,05. При втором выполнении оператора значение устанавливается 0,15; каждый раз
оно увеличивается на 0,05.
Обратите внимание, что при желании можно использовать и другие
способы вычислений. Например:
¹¡
¡¹¤!

ГЛАВА 2.Программирование на Python 803

В этом примере значение переменной x умножается на 3, а результат
присваивается переменной y. Таким образом, переменной y будет присвоено значение 30.
Вот несколько вещей, которые нужно знать о математике в Python:

В Python используется обычный порядок операций, характерный для арифметических расчетов. Умножение и деление
выполняются перед сложением и вычитанием. Например:
¹¡
¡¹¿A¤!
Этот оператор присваивает y значение 25, потому что сначала 5 умножается на 3, а затем результат прибавляется к 10.

Вы можете использовать круглые скобки, чтобы изменить
порядок вычислений. Например:
¹¡
¡&¹¿A@¤!
Здесь Python сначала выполняет вычисления внутри круглых
скобок, получая результат 15. Затем умножает 3 на 15, чтобы
получить окончательный результат — 45.

В Листинге 2.4 показана программа, которая использует переменную
для изменения скорости мигания светодиодов каждый раз, когда оператор # заставляет программу зациклиться. Как видите, переменная используется, чтобы задать время задержки. Каждый раз
при выполнении цикла значение переменной увеличивается на 0,05. Таким образом, при первом запуске программы светодиоды мигают очень быстро, но по мере выполнения программы мигание
становится все медленнее.

ЛИСТИНГ 2.4.

Программа LED Flasher с переменной
½
% "
#
"""

'§'¨ §'¨

804 ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

¡
¡!
!¡!!
¡!A
A¡!
¡!
¡!²
²¡

¡A

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨# &¢ @
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&A?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&²?§'¨¾@

#
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &!?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &A?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &²?§'¨¨§@

& @

¡ ¿A

ГЛАВА 2.Программирование на Python 805

Создание собственных функций
Вы уже видели, как использовать функции, входящие в состав библиотек, которые можно импортировать в программу на Python. Например,
оператор &@ вызывает функцию с именем , чтобы задержать выполнение программы на одну секунду.
Эквивалентные операторы в других языках программирования (язык
эскизов Arduino и BASIC) измеряют временные задержки в миллисекундах, а не в микросекундах.
ПРИМЕЧАНИЯ

В Python также можно создавать собственные функции. Это особенно полезно, если есть длинная последовательность утверждений, которая должна повторяться. Можно поместить их в функцию и вызывать ее всякий раз, когда эти утверждения нужны. Например, можно
создать функцию, которая будет включать все восемь светодиодов.
Пишете оператор ", в котором указываете имя функции, перечисляете все утверждения, в нее входящие — с отступом после утверждения ", как показано ниже:
"&@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &!?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &A?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &?§'¨¨§@
§'¨ &²?§'¨¨§@
Обратите внимание, что в операторе " указано имя функции (),
за которым следует пустой набор круглых скобок и двоеточие. О пустых
скобках я расскажу чуть позже. Двоеточие указывает: последующие строки
с отступами будут выполняться всякий раз, когда вызывается функция.

Чтобы вызвать функцию, просто набираете ее имя, как если бы это был
любой другой оператор Python. Например:
&@
Когда встречается это утверждение, выполняются утверждения, определенные для функции , что приводит к включению всех
восьми светодиодов.
При определении и вызове функций следует обратить внимание на две
важные детали:

806 ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

»
»

Операторы, составляющие функцию, на самом деле не выполняются оператором ". Оператор " .
но функцию.
Оператор " для функции должен появляться в вашей программе любым оператором, вызывающим функцию.

Теперь перейдем к пустым круглым скобкам, которые следуют за именем
функции в операторе ". Функция может иметь один или несколько
аргументов, они передаются ей при вызове. Вы уже видели несколько
таких примеров. Например, функция принимает аргумент,
задающий количество секунд сна, а функция §'¨ принимает два аргумента: первый указывает на выходной контакт, а второй —
на выходное значение.
Пустые круглые скобки означают, что определяемая функция не использует никаких аргументов. Однако вы можете легко добавить один
или несколько аргументов в определение функции, перечислив имена
аргументов в круглых скобках.
Предположим, вы хотите создать функцию с именем , которая
может устанавливать значения светодиодов в HIGH или LOW. В этом
случае можете определить функцию следующим образом:
"&% @
§'¨ &?%
§'¨ &?%
§'¨ &!?%
§'¨ &?%
§'¨ &A?%
§'¨ &?%
§'¨ &?%
§'¨ &²?%

@
@
@
@
@
@
@

Чтобы включить светодиоды, нужно вызвать функцию :
&§'¨¨§@
Чтобы выключить их, вызовите функцию так:
&§'¨©@
В Листинге 2.5 показана версия программы мигания светодиодов LED
ﬂashing, где для мигания светодиодов используется функция .
Как видите, использование функции упрощает цикл #
программы:

ГЛАВА 2.Программирование на Python

807

ЛИСТИНГ 2.5.

Программа LED flashing с функцией
A½
% "
""
"""
'§'¨ §'¨

¡
¡!
!¡!!
¡!A
A¡!
¡!
¡!²
²¡

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨# &¢ @
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&A?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&²?§'¨¾@

"&± @
§'¨ &?±
§'¨ &?±
§'¨ &!?±
§'¨ &?±
§'¨ &A?±
§'¨ &?±
§'¨ &?±
§'¨ &²?±

@
@
@
@
@
@
@
@

808 ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Использование операторов if
Оператор if позволяет добавлять в программы условное тестирование.
Другими словами, позволяет выполнять определенные операторы только при выполнении определенного условия. Этот тип условной обработки — важная часть любой, кроме самой тривиальной, программы.
Каждый оператор if должен содержать условное выражение, которое
задает логический тест для определения истинности или ложности условия. Например:
¹À A
Это условие истинно, если значение переменной x больше 5. Если x
имеет значение, равное или меньшее 5, условие ложно.
Одна общая черта Python с другими языками, такими как C или Java,
заключается в том, что он требует использовать два знака равенства для
проверки равенства. Например:
¹¡¡A
Это условие истинно, если значение переменной x равно 5. Если значение не равно 5, условие ложно.
Основная форма оператора if выглядит следующим образом:
"

Обратите внимание, что за условием следует двоеточие, а все операторы, которые выполняются, если условие истинно, должны быть с одинаковым отступом под оператором if.
Вот простой пример:
" ¡¡A
¡
Этот оператор if смотрит на значение переменной и меняет его на 1,0, если текущее значение равно 0,5.
Оператор if может включать предложение , которое содержит один
или несколько операторов, выполняемых, если условие не является
истинным. Например:

ГЛАВА 2.Программирование на Python 809

" ¡¡A
¡

¡A
В этом примере происходит одно из двух: если переменная
имеет значение 0,5, значение переменной будет установлено
в 1,0. Если же переменная имеет значение, отличное от 0,5,
значение переменной будет установлено в 0,5.
Помните, что в частях if и может быть более одного оператора.
В этом случае отступы должны быть сохранены, как в этом примере:
" ¡¡A
¡
¡

¡A
¡ ¿
И последнее, что нужно знать об операторах if: один оператор if может
содержаться внутри другого. Такое расположение называется вложенностью и очень полезно для реализации сложных решений. Отступы становятся особенно важными, когда операторы if вложены друг в друга.
В Листинге 2.6 показана программа, в которой с помощью вложенного
оператора if светодиоды мигают попеременно: три быстрые вспышки,
затем три более длинные. Программа использует переменную
для управления интервалом задержки (0,1 для частых вспышек, 0,5 для
более редких) и вторую переменную для подсчета количества вспышек. Вложенный оператор if выглядит следующим образом:
" ¡¡!
¡
" ¡¡
¡A

¡
Здесь первый оператор if используется для проверки значения переменной . Если оно 3, переменная обнуляется. Затем
второй оператор if используется для установки переменной
в значение 0,1 или 0,5. По сути, этот внутренний оператор if переключает переменную между 0,1 и 0,5 каждый раз, когда переменная достигает значения 3.

810

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

ЛИСТИНГ 2.6.

Программа LED Flasher с оператором if
¢
% "
¨"
#
"""

'§'¨ §'¨

¡
¡!
!¡!!
¡!A
A¡!
¡!
¡!²
²¡

¡
¡

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨# &¢ @
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&A?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&²?§'¨¾@

"&± @
§'¨ &?±
§'¨ &?±
§'¨ &!?±
§'¨ &?±
§'¨ &A?±
§'¨ &?±
§'¨ &?±
§'¨ &²?±

@
@
@
@
@
@
@
@

ГЛАВА 2.Программирование на Python

811

¡ ¿
" ¡¡!
¡
" ¡¡
¡A

Использование циклов While
До сих пор все программы на Python, которые мы рассматривали, использовали следующий оператор #, чтобы заставить основную
часть программы повторять цикл до тех пор, пока программа будет
выполняться:
#
Возможно, вас не удивит, если узнаете, что полный синтаксис оператора # выглядит следующим образом:
#

Здесь может быть тем же типом проверки условий, которая используется в операторе if. Указать только слово в качестве условного теста — это особая форма оператора #, которая повторяется
вечно, потому что проверка условий , как следует из ее названия,
всегда оценивается как .
Обратите внимание, что операторная часть цикла # может быть
как одним оператором, так и серией операторов, заключенных в фигурные скобки.
Вот пример цикла #, который трижды мигает светодиодами в течение 0,1 секунды:

812

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

¡
# !
&§'¨¨§@
&@
&§'¨©@
&@
¡ ¿
При каждом выполнении этого цикла функция вызывается
дважды, чтобы включить и выключить светодиоды. Затем переменная
увеличивается на 1. Переменная начинается с нулевого значения, а условие в операторе # гласит, что цикл будет повторяться до тех пор, пока переменная будет меньше 3. Таким
образом, цикл выполняется три раза: в первый раз значение
равно нулю; во второй — 1; в третий раз значение равно 2.
Как и операторы if, циклы # могут быть вложенными. В Листинге 2.7
показана версия светодиодной мигалки, в которой используются два
цикла #, чтобы мигать светодиодами по схеме: три раза по одной десятой секунды, затем три раза по одной половине секунды. Эти два цикла
# вложены внутрь цикла # , поэтому схема три коротких, три
длинных повторяется бесконечно, пока программа не будет остановлена.

ЛИСТИНГ 2.7.

LED Flasher с вложенными циклами while
½
% "
#
#
"""
'§'¨ §'¨

¡
¡!
!¡!!
¡!A
A¡!
¡!
¡!²
²¡

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨# &¢ @
§'¨&?§'¨¾@

ГЛАВА 2.Программирование на Python

813

§'¨&?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&A?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&²?§'¨¾@

"&± @
§'¨ &?± @
§'¨ &?± @
§'¨ &!?± @
§'¨ &?± @
§'¨ &A?± @
§'¨ &?± @
§'¨ &?± @
§'¨ &²?± @

Использование циклов For
В большинстве языков программирования есть цикл for, который предназначен для выполнения серии операторов с увеличением переменной — счетчика в заданном диапазоне, например, от 1 до 3.
В Python этот тип цикла for выглядит следующим образом:
"

814

&count@

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Операторы, расположенные с отступом под циклом for, будут выполняться столько раз, сколько указано в . При каждом выполнении
цикла переменная будет увеличиваться на единицу, начиная с нуля при
первом прохождении цикла.
Например, рассмотрим следующий оператор for:
" ¹ &!@
&¹@
В результате в окне Python Shell появится следующий вывод:

1
2
Функция range на самом деле сложнее, чем может показаться на первый взгляд. На самом деле range может принимать до трех аргументов:
start, stop и .
Если вы используете только один аргумент, он принимается за аргумент stop, и на практике аргумент stop — это подсчет количества возвращаемых значений, начиная с нуля при первом проходе цикла.
Если вы используете два аргумента, первый является аргументом start,
второй — аргументом stop. В этом случае аргумент start задает значение переменной на первой итерации цикла, а аргумент stop на единицу
больше, чем значение переменной при последнем проходе через цикл.
Например, рассмотрим этот оператор for:
" ¹ &A?@
&¹@
При выполнении этого оператора на экран будет выведено следующее сообщение:
A
6

²
Здесь цикл выполняется в общей сложности четыре раза. Начальное
значение равно 5, а конечное — на единицу меньше 9.
Третий аргумент позволяет вести подсчет по значению, отличному
от 1. Например:

ГЛАВА 2.Программирование на Python

815

" ¹ &A?A?A@
&¹@
Вывод, созданный этим циклом for, следующий:
A

Вы можете заставить оператор for считать в обратном направлении,
используя отрицательное значение . Например:
" ¹ &A??@
&¹@
Это создает следующий вывод:
A

!
2
1
Все остальные языки программирования (программировал я на многих!), используют термин step вместо . Возможно, это просто
дань уважения скетчу Monty Python Ministry of Silly Walks. Значение
по умолчанию 1 — это обычный шаг. Любое другое значение может
быть глупым шагом.

СОВЕТ

В Листинге 2.8 показана версия программы LED Flasher, в которой с помощью пары операторов for светодиоды мигают три раза с небольшой
задержкой, а затем три раза с большей задержкой.

ЛИСТИНГ 2.8.

Программа светодиодной мигалки
LED Flasher с циклами FOR
²½
% "
"
#

816

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

'§'¨ §'¨

¡
¡!
!¡!!
¡!A
A¡!
¡!
¡!²
²¡

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨# &¢ @
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&!?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&A?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&²?§'¨¾@

"&± @
§'¨ &?± @
§'¨ &?± @
§'¨ &!?± @
§'¨ &?± @
§'¨ &A?± @
§'¨ &?± @
§'¨ &?± @
§'¨ &²?± @

ГЛАВА 2.Программирование на Python

817

Списки List в Python
Последняя функция Python, которую я хочу показать вам в этой главе, —
это, возможно, одна из самых интересных функций Python: функция
. В Python список — это последовательность значений, которые можно обрабатывать по отдельности или как единое целое. Можно
добавлять в список любые данные.
Обычно списки представляются как последовательность значений, разделенных запятыми и заключенных в квадратные скобки. Например,
здесь представлен список строковых значений:
¡Á
' Ã

? ? §

? ¨ ? Â ?

Вы можете использовать список в операторе for, например, так:
"
& @
Этот пример выводит следующий результат:

§
¨
Â
'
Я должен отметить, что функция range (см. предыдущий раздел) —
это функция, которая просто возвращает список. Например, функция &!@ возвращает список Á??Ã. Поэтому следующие два
цикла for эквивалентны:
" ¹ &!@
&¹@

" ¹Á??Ã
&¹@
Вы можете использовать списки для упрощения программы мигания
светодиодов, используя список для хранения номеров выводов восьми
портов GPIO, подключенных к светодиодам, например, так:
¡Á?!?!!?!A?!?!?!²?Ã

818

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Затем заменить восемь строк кода, которые устанавливают порты GPIO
в режим вывода, простым циклом for:
"
§'¨&?§'¨¾@
И переписать свою функцию следующим образом:
"&± @
"
§'¨ &?± @
В Листинге 2.9 показана версия программы LED Flasher, в которой для
упрощения программы используются списки.

ЛИСТИНГ 2.9.

Программа LED Flasher с использованием списков
½
% "

"""

'§'¨ §'¨

¡Á?!?!!?!A?!?!?!²?Ã

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨# &¢ @

"
§'¨&?§'¨¾@
"&± @
"
§'¨ &?± @

ГЛАВА 2.Программирование на Python

819

" &!@
&§'¨¨§@
&A@
&§'¨©@
&A@
Вы можете обращаться к элементам списка по отдельности, используя номер индекса. В Python это называется нарезкой . Например,
чтобы получить доступ к первому элементу списка, нарежьте список
с помощью индекса 0:
ÁÃ
Здесь выводится первый элемент списка с именем .
Вы можете получить доступ к элементам в конце списка, используя
отрицательный индекс. Этот пример отсекает только последний элемент списка :
ÁÃ
Чтобы получить доступ к диапазону элементов, укажите значения начального и конечного индексов, разделенные двоеточием. Например,
чтобы вырезать первые три значения в :
Á!Ã
Наконец, можно указать и значение . Например:
ÁÃ
Этот пример печатает каждый второй элемент списка, начиная с первого. Обратите внимание, что вы можете опустить начальный или конечный индексы:
ÁÃ
В этом примере также печатаются все остальные элементы списка, начиная с первого. Если вы опускаете значение start или stop, необходимо включить двоеточие для пропущенного значения.
Чтобы вывести элементы списка в обратном порядке, используйте –1
в качестве значения :
ÁÃ

820 ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

В Листинге 2.10 показана еще одна версия программы LED Flasher. В ней
используется фрагмент в цикле for, чтобы светодиоды мигали сначала
в одном, а затем в противоположном направлении. Это создает эффект,
похожий на жуткие электронные глаза злобных сайлонов в старом телесериале Battlestar Galactica. Первый цикл for мигает всеми восемью светодиодами. Затем второй цикл for мигает средними шестью
светодиодами в обратном порядке с помощью следующего фрагмента:
" ÁÃ
Этот фрагмент выбирает светодиоды в обратном порядке, начиная
с предпоследнего элемента и заканчивая вторым.

ЛИСТИНГ 2.10.

LED Flasher Сайлона
¢
% "
""
?

'§'¨ §'¨

¡Á?!?!!?!A?!?!?!²?Ã

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨# &¢ @

"
§'¨&?§'¨¾@

ГЛАВА 2.Программирование на Python

821

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Считывание состояния портов GPIO
» Построение аналого-цифрового
преобразователя

» Использование показаний потенцио-

Гл а в а 3

метра как сигнала на входе

Считывание цифровых
и аналоговых
входных сигналов

предыдущей главе я объяснил, как можно использовать порты
GPIO Raspberry Pi в режиме вывода, посылая цифровые сигналы
HIGH и LOW на порты вывода с помощью функции §'¨ .

Теперь переверну ситуацию и использую порты GPIO в качестве входов. Объясню, как считать цифровой входной сигнал с порта GPIO, что
очень просто, поскольку цифровой входной сигнал — это просто HIGH
или LOW. Также объясню, как сделать кое-что более сложное: считать
аналоговый вход через цифровой порт. Это может быть полезно, например, если хотите использовать потенциометр в качестве входа для
Raspberry Pi. В отличие от Arduino, Raspberry Pi не имеет встроенной
возможности считывать аналоговый вход. В результате придется создать
внешнюю схему для преобразования аналогового сигнала — например,
уровня напряжения, проходящего через потенциометр, — в цифровое
значение, которое сможет использовать Pi. В этой главе я расскажу, как
создать и использовать аналого-цифровой преобразователь.

Использование порта GPIO
для цифрового ввода
В главе 2 этой части я объяснил, как подключить светодиод к порту GPIO и включить или выключить светодиод с помощью функции
§'¨ в программе на Python. Функция §'¨ использует

822

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

порты GPIO в качестве выходных контактов, устанавливая состояние
порта GPIO в HIGH или LOW, чтобы внешняя схема (например, светодиод) могла реагировать на состояние контакта. Прежде чем использовать §'¨ , необходимо сконфигурировать порт как выход, вызвав
§'¨ и указав §'¨¾ в качестве режима ввода/вывода порта.
Но что, если вы хотите использовать порт GPIO для ввода, а не для вывода? Другими словами, что если вы хотите, чтобы Raspberry Pi реагировала
на состояние внешней схемы, а не наоборот? Самый простой способ сделать это — подключить кнопку к порту GPIO, а затем с помощью Python
запрограммировать порт как входной, а не как выходной. Затем вы можете использовать функцию §'¨ для считывания состояния порта.

ОСТОРОЖНО!

В отличие от других цифровых схем, представленных в этой книге,
включая схемы Arduino, порты GPIO Raspberry Pi рассчитаны на работу при напряжении 3,3 В, а не 5 В. Если вы по ошибке подключите
цифровую схему с напряжением 5 В к порту ввода GPIO, можете повредить порт и, возможно, вывести из строя всю Raspberry Pi. Поэтому
будьте осторожны при работе с портами ввода и убедитесь, что подключаете только входы 3,3 В.
Ух ты, сразу два предупреждения подряд! Подчеркну важность предупреждения 3,3 В против 5 В, напомнив, что 40-контактный блок заголовка GPIO на Raspberry Pi имеет контакты +3,3 В и +5 В, а также
что ни один из контактов блока заголовка не промаркирован на плате. Источники питания +5 В расположены на контактах 2 и 4, поэтому будьте осторожны и никогда не используйте эти контакты в схемах,
подключенных к портам ввода GPIO. Вместо этого используйте контакты 1 или 17, которые обеспечивают напряжение +3,3 В каждый.
После всех предостережений давайте рассмотрим два разных способа работы с цифровыми входами, подключенными к переключателям.

»
»

Активный высокий. При таком подключении на входной порт
подается напряжение +3,3 В, когда кнопка нажата. Когда
кнопка отпускается, на входном порту появляется 0 В.
Активный низкий. При этом типе подключения на входной
порт подается напряжение +3,3 В, когда кнопка не нажата. Когда нажимаете кнопку, напряжение +3,3 В снимается,
и на входном контакте появляется 0 В.

Другими словами, схема с активным высоким напряжением имеет
высокий уровень, когда кнопка нажата. Активная низкая схема имеет
LOW, когда кнопка нажата. Ни один из вариантов не лучше другого,
но программа, работающая с входным портом, должна знать, является ли вход активным высоким или активным низким.

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

823

На рис. 3.1 показаны примеры кнопок с активным высоким и активным низким уровнем. В схеме с активным высоким уровнем входной
порт соединен с землей через резисторы R1 и R2, когда кнопка не нажата. Таким образом, напряжение на входе равно 0. Когда кнопка нажата, входной порт подключается к +3,3 В через R1, в результате чего
на входе появляется напряжение +3,3 В. В результате входной порт находится в состоянии HIGH, когда кнопка нажата, и в состоянии LOW,
когда кнопка не нажата.

Рис. 3.1.
Входные цепи
с активным HIGH
и активным LOW

В схеме активный низкий входной порт подключен к +3,3 В через резисторы R1 и R2, в результате чего входной порт находится в состоянии HIGH. Когда кнопка нажата, ток от источника +3,3 В замыкается
на землю через R2 — и напряжение на входном порте падает до нуля.
Таким образом, входной контакт в состоянии LOW, когда кнопка нажата, и в состоянии HIGH, когда не нажата.

ПРИМЕЧАНИЯ

824

В схеме с активным высоким уровнем резистор R1 называют подтягивающим к нулю (pull-down), потому что он стягивает ток с вывода
входа-выхода до нуля, когда кнопка не нажата.

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

В схеме с активным низким уровнем R1 называют подтягивающим
к питанию (pull-up), поскольку он подтягивает напряжение на выводе входа-выхода до +3,3 В, когда кнопка не нажата.
ПРИМЕЧАНИЯ

ОСТОРОЖНО!

ПРИМЕЧАНИЯ

Обратите внимание, что в обеих схемах резистор R2 подключен между
+3,3 В и землей, чтобы предотвратить короткое замыкание при нажатии кнопки. Без этого резистора Raspberry Pi, скорее всего, будет повреждена при нажатии кнопки.
Вы можете спросить, зачем вообще нужны резисторы R1 и R2 в активновысокой схеме. Почему бы просто не подключить входной порт через
кнопку напрямую к питанию +3,3 В? Таким образом, когда кнопка нажата, +3,3 В поступает на входной порт, регистрируя состояние HIGH,
а когда кнопка не нажата, на входном порту ничего нет, что будет интерпретироваться как LOW. На это есть две причины:

Если входной порт вообще ни к чему не подключен, нет никакой гарантии, что Pi интерпретирует это как состояние LOW.
Активный вход, который вообще ни к чему не подключен,
называется 6. Плавающий вход нельзя однозначно считать HIGH или LOW.
Резисторы необходимы для ограничения силы тока, что, в свою
очередь, предотвращает повреждение входного порта или всей
платы. По этой причине при подключении такого входа, как
кнопка, к порту GPIO всегда следует использовать резисторы.

Проверка состояния переключателя
с помощью Python
После подключения переключателя к порту GPIO вам нужно знать,
как определить, открыт или закрыт переключатель в программе Python.
Для этого нужно сначала назначить порт входным, вызвав функцию
§'¨. Затем можете проверить состояние порта ввода, вызвав
функцию §'¨. Функция §'¨ возвращает §'¨© или
§'¨¨§ в зависимости от текущего состояния входного контакта.

ЗАПОМНИТЕ

В Python вы можете обозначить порт GPIO, используя либо номер его
внутреннего порта, либо номер его вывода. Например, порт GPIO 2
на самом деле подключен к контакту 3. В этой главе я предполагаю,
что в своих программах вы будете использовать номера контактов,
а не внутренние номера портов. Чтобы указать эту возможность, поместите следующую строку в свою программу перед любыми другими
операторами, которые ссылаются на порты:

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

825

§'¨

&§'¨½ª@

Чтобы назначить порт входным, используйте функцию §'¨, как
показано ниже:
§'¨&!?§'¨¨¥@
Затем, чтобы получить статус порта, вы можете вызвать §'¨
с помощью строки:
§'¨&!@
Состояние порта ввода можно проверить в операторе if командой:
"§'¨&!@¡¡§'¨¨§
¨¨§

¨©
Вот пример, который зажигает светодиод на выводе 5 (порт GPIO 3),
если пользователь нажимает кнопку на выводе 3 (порт GPIO 2) и выключает светодиод, когда кнопка отпущена:
"§'¨&!@¡¡§'¨¨§
§'¨ &A?¨§@

§'¨ &A?©@
В Листинге 3.1 показана интересная программа, работающая с Raspberry Pi, которая с активным высоким кнопочным переключателем,
подключенным к выводу 33, и светодиодами, подключенными к выводам 35 и 37. Программа включает и выключает светодиод, подключенный к выводу 35, с интервалом в полсекунды, пока кнопочный переключатель не будет нажат. Затем мигает светодиод на выводе 37 до тех
пор, пока кнопка удерживается. Когда отпускаете кнопку, программа
возвращается к миганию светодиода на выводе 35.

ЛИСТИНГ 3.1.

Программа для кнопочного выключателя
'§'¨ §'¨

½¥¡!!
¡!A
¡!

826

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨&½¥?§'¨¨¥@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@

В Проекте 53 показано, как построить простую схему, которую можно
использовать для тестирования программы из Листинга 3.1, а на рис. 3.2
показана готовая схема.

Рис. 3.2.
Схема для тестирования активного
высокого кнопочного переключателя (Проект 53 )

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

827

Проект 53. Кнопочный
переключатель светодиодной
мигалки на базе Raspberry Pi
В этом проекте вы подключаете макетную плату с двумя светодиодами
и кнопкой к плате Raspberry Pi.

828

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Анод

Катод

Детали
»
»
»
»
»
»
»
»

Один Raspberry Pi с установленным программным обеспечением, подключенный к монитору, клавиатуре и мыши.
Одна небольшая макетная плата без припоя.
Два красных светодиода диаметром 5 мм.
Одна нормально открытая кнопка DIP на макетной плате.
Два резистора 330 Ом (желтый-фиолетовый-коричневый).
Один резистор 10 кОм (коричневый-черный-оранжевый).
Один резистор 1 кОм (коричневый-черный-красный).
6 проводов-перемычек.

Порядок действий
1.

Вставьте резисторы.
Резистор

От

R1 (330 Ом)

A13

Земля

R2 (330 Ом)

A17

Земля

R3 (10 кОм)

Земля

R4 (1 кОм)

Вставьте светодиоды.
Светодиод

Анод

Катод

LED1

D11

D13

LED2

D15

D17

Вставьте кнопку.
Штырьки вставьте в C3, E3, C5 и E5 так, чтобы переключатель
размыкался и замыкался через ряды 3 и 5.

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

829

Подключите перемычку от A3 к положительной шине напряжения на макетной плате.

Подключите перемычки с макетной платы к контактам
GPIO на Raspberry Pi.
Макетная плата

GPIO Raspberry Pi Pin

A11

A15

Шина заземления

Положительная шина 1

С помощью Thonny введите и запустите программу Flashing
LED (см. Листинг 3.1).
Светодиод LED2 будет включаться и выключаться с интервалом в полсекунды. Если нажмете на кнопку, вместо нее будет
мигать светодиод LED1.

Считывание аналогового входа
Raspberry Pi — это чисто цифровая машина. В отличие от многих микропроцессоров, включая Arduino, у Raspberry Pi нет встроенной функции чтения аналогового ввода, поэтому нельзя напрямую считывать
что-то вроде уровня напряжения с такого компонента, как потенциометр, фотоэлемент, датчик температуры или джойстик.
Чтобы обойти это ограничение, необходимо использовать схему, которая преобразует аналоговые данные в цифровые. Такая схема называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Существует множество способов создания схемы АЦП, но самый простой — это позволить
кому-то другому собрать схему за вас. Вы можете использовать недорогую микросхему MCP3008. Эта удобная микросхема позволяет преобразовывать до восьми различных аналоговых входов в цифровой выход, который может быть считан вашей Raspberry Pi.
Как показано на рис. 3.3, MCP3008 размещен в стандартном 16-контактном корпусе. В табл. 3.1 более подробно описаны 16 выводов.

830 ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Рис. 3.3.
Распиновка выводов аналого-цифрового преобразователя MCP3008

ТАБЛ. 3.1.

Распиновка выводов аналого-цифрового
преобразователя MCP3008
Контакт

Название Что делает контакт

CH0

Аналоговый входной канал 0

CH1

Аналоговый входной канал 1

CH2

Аналоговый входной канал 2

CH3

Канал аналогового ввода 3

CH4

Канал аналогового ввода 4

CH5

Канал аналогового ввода 5

CH6

Канал аналогового ввода 6

CH7

Канал аналогового ввода 7

DGND

Земля для цифровых цепей

Выбор микросхемы

DIN

Цифровые последовательные данные

DOUT

Выход цифровых последовательных
данных

CLK

Последовательный тактовый генератор

AGND

Земля для аналоговых входов

VREF

Вход опорного напряжения

VDD

Источник питания (от +2,7 В до 5,5 В)

Функции каждого из 16 выводов, описанных в табл. 3.1, станут более
понятными, когда поймете, что делает MCP3008 и как вы можете это
использовать.

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

831

»
»

832

К MCP3008 можно подключить до восьми входных напряжений, каждое на контакты с 1 по 8. Например, предположим, вы хотите использовать потенциометр в качестве входа
для канала 0. Для этого подключите одну сторону потенциометра к любому из выводов +3,3 В Pi, а другую — к любому
из выводов заземления Pi. Затем подключите центральный
вывод потенциометра к выводу 1 на MCP3008. При вращении вала потенциометра напряжение, подаваемое на канал 0
MCP3008, будет изменяться от нуля до +3,3 В.
Вывод 15 обеспечивает опорное напряжение, которое
определяет диапазон напряжений для каналов аналогового
ввода. Обычно вы подключаете его к питанию +3,3 В, обеспечиваемому Pi. Таким образом, максимальное напряжение
аналогового входа будет соответствовать опорному напряжению: +3.3 V.
У всех каналов аналогового ввода общая земля на выводе 14. Обычно он подключается к одному из контактов заземления Pi, как и цифровая земля на контакте 9 MCP3008.
MCP3008 преобразует уровень напряжения на аналоговом входе в 10-битное двоичное число. 10-битное двоичное
число может иметь максимальное десятичное значение 1023.
Таким образом, MCP3008 преобразует аналоговое входное
напряжение в целое число от 0 до 1023.
MCP3008 использует специальную форму последовательного обмена данными, называемую N N (SPI), чтобы сообщить
Raspberry Pi, какие уровни напряжения на аналоговых
входах. Для работы SPI требуются четыре цифровых порта,
поэтому MCP3008 свяжет четыре порта GPIO на вашем Pi.
Процессоры ARM в Raspberry Pi версий 2, 3 и 4 имеют встроенные возможности SPI, поэтому не нужно беспокоиться
о деталях работы SPI. Вместо этого просто подключаете
MCP3008 к нужным контактам GPIO и используете специальные функции в Python для чтения данных с MCP3008.
По умолчанию SPI взаимодействует через порты GPIO
на выводах 19, 21, 23 и 24. Хотя можно перенести SPIкоммуникации на другие выводы, для большинства проектов
в этом нет смысла. Поэтому, если в вашем проекте требуется
аналоговый ввод, следует зарезервировать порты 19, 21, 23
и 24 в качестве коммуникационных портов для MCP3008.

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Если интересно, вот четыре вывода, используемые в SPI для
выполнения следующих функций:

•
•
•
•
»

Вывод 24 — это / . который используется для инициирования разговора между MCP3008 и Pi.
Вывод 23 —
вывод, который обеспечивает синхронизацию при передаче данных между MCP3008 и Pi.
Вывод 19 подключается к MCP3008
и используется для передачи данных по одному биту от Pi
к MCP3008.
Вывод 21 подключается к MCP3008
и используется для передачи данных по одному биту
от MCP3008 к Pi.

MCP3008 выдает приблизительное значение фактического
напряжения на аналоговом входном канале. Точность оценки зависит от ряда сложных факторов. Хотя для большинства
целей это приближение достаточно близко, я бы, наверное,
не стал использовать его для наведения лазера, которым
делают операцию на глазах!

Рис. 3.4.
Использование
MCP3008 для
подключения
потенциометра
к Raspberry Pi

На рис. 3.4 показана типичная схема, в которой используется микросхема MCP3008 для подключения потенциометра к Raspberry Pi. Здесь
резистор потенциометра подключен к каналу аналогового входа 0
(вывод 1), а четыре вывода SPI микросхемы MCP3008 — к четырем
стандартным портам SPI на Pi. Вариант этой схемы, использованный
в реальном проекте, вы увидите далее в этой главе.

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

833

Включение SPI на вашем Raspberry Pi
Хотя у Raspberry Pi встроенная поддержка интерфейса SPI, используемого микросхемой аналого-цифрового преобразователя MCP3008,
в ОС Raspberry Pi эта поддержка по умолчанию отключена. Поэтому,
прежде чем использовать MCP3008, включите поддержку SPI в ОС
Raspberry Pi, выполнив такие шаги:

Щелкните значок Terminal (показан на полях), расположенный в строке меню в верхней части рабочего стола
Raspbian.
Откроется окно терминала.

Введите команду sudo raspi-config.
Откроется окно Raspberry Pi Software Configuration Tool, показанное на рис. 3.5. (На этом рисунке я дважды нажал клавишу со стрелкой вниз, чтобы выделить Interface Options.)

Рис. 3.5.
Инструмент
настройки
конфигурации
программного
обеспечения
Raspberry Pi

834

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Выберите Interface Options (параметры интерфейса) и нажмите Enter.
Откроется страница Interface Options, показанная
на рис. 3.6.

Рис. 3.6.
Страница
Interface
Options
(Параметры
интерфейса)

4.
5.

Прокрутите вниз до пункта SPI Enter.
На вопрос о включении интерфейса SPI (if you would like
the SPI interface to be enabled) выберите Yes и нажмите
Enter.
На экране подтверждения появится сообщение о том, что интерфейс SPI включен.

6.
7.

Нажмите Enter.
Выберите Finish, а затем нажмите Enter.
Вы перейдете в командную строку окна терминала.

8.
9.

Закройте окно терминала.
На рабочем столе Raspberry Pi OS выберите Menu >
Shutdown, выберите Logout, а затем Shutdown.
Ваш Pi перезагрузится. Когда Raspberry Pi OS снова запустится, SPI будет включен.

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

835

Использование MCP3008 в Python
В Python нет встроенной поддержки микросхемы аналого-цифрового
преобразователя MCP3008, но вы можете скачать и установить удобный пакет функций !², который позволяет считывать аналоговые значения с микросхемы MCP3008 с помощью всего одной строки кода на Python. Установка этого пакета требует нескольких шагов,
но не слишком сложна.
Во-первых, нужно убедиться, что некоторые ключевые элементы вашей среды программирования Python обновлены и правильно установлены. Убедитесь, что Pi подключен к Интернету; затем откройте окно
терминала, нажав на значок Terminal в строке меню в верхней части
рабочего стола Raspberry Pi OS (показано на полях), и введите следующие команды:

!
После установки нужных пакетов введите команду, чтобы загрузить
и установить пакет !²:

!² !² Ä

Обратите внимание, что команду нужно вводить в одну строку, без разрывов строк. (Последняя часть команды, которая следует за завершающим прямым слешем, должна быть !² Ä.)
После загрузки и установки пакета !² можете обращаться
к MCP3008 из ваших программ на Python.

836

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Использование пакета mcp3008
Пакет !² предоставляет функции, позволяющие определить значения любого или всех входных портов микросхемы MCP3008. Чтобы
их использовать, нужно включить следующую строку в начало вашей
программы:
!²
Перед тем как читать данные с MCP3008, необходимо выполнить еще
одну небольшую работу: создать переменную, которая будет использоваться для доступа к чипу MCP3008, как показано ниже:
¡ !²¦'!²
Этот оператор создает переменную с именем , которую вы можете
использовать для доступа к MCP3008.
В пакете !² определены восемь постоянных значений, которые
используются для обозначения восьми каналов аналогового ввода:
!²
!²
!²
!²!
!²
!²A
!²
!²
Функция используется для считывания значения одного или нескольких портов аналогового ввода. Эта функция использует список
портов для чтения в качестве аргумента, это означает, что вы должны
заключить константы входных каналов в квадратные скобки при вызове функции. Например, чтобы прочитать значение входного канала 0:

¡ &Á !²Ã@

Здесь переменная будет установлена в целое число от 0 до 1023,
соответствующее напряжению, считанному аналоговым входным каналом относительно опорного напряжения.

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

837

Вы можете считывать данные с нескольких входных каналов, например, так:

¡ &Á !²? !²Ã@

В этом примере считываются значения каналов 0 и 1. В результате получается список из двух значений, которые затем сохраняются в переменной . Чтобы получить эти значения по отдельности, их нужно нарезать. Например:

¡
¡

ÁÃ
ÁÃ

После выполнения этих операторов переменная будет установлена в значение аналогового канала 0, а — в значение
аналогового канала 1.
При желании можете прочитать все восемь аналоговых каналов сразу,
вызвав функцию , как показано ниже:

¡ &@

Эта команда просто возвращает список, содержащий значения для всех
восьми аналоговых каналов.
В Листинге 3.2 показана простая программа, которая поочередно мигает светодиодами, подключенными к выводам 38 и 40. Частота мигания светодиодов задается потенциометром, подключенным к аналоговому каналу 0 микросхемы MCP3008. Как видите, программа делит
значение, возвращаемое функцией чтения, на 1023, а затем использует
полученный результат в качестве интервала между вспышками. Таким
образом, по мере того как пользователь поворачивает ручку потенциометра, частота вспышек изменяется от 0 до одной секунды.

ЛИСТИНГ 3.2.

Программа мигания светодиодов
с использованием потенциометра
'§'¨ §'¨

!²

¡!²
¡

838 ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

§'¨ &§'¨½ª@
§'¨&?§'¨¾@
§'¨&?§'¨¾@

¡ !²¦'!²

¡ &Á !²Ã@
¡ !

& @

Проект 54 показывает, как собрать схему с потенциометром 1 МОм,
чтобы вы могли протестировать код Листинга 3.2. На рис. 3.7 показана готовая схема.

Рис. 3.7.
Использование
потенциометра
для управления
мигающими
светодиодами
(Проект 54 )

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

839

Проект 54. Светодиодная мигалка
с переменной частотой мигания
В этом проекте вы подключаете макетную плату с двумя мигающими
светодиодами и потенциометром, который управляет частотой мигания светодиодов. Для подключения потенциометра к Raspberry Pi используется микросхема аналого-цифрового преобразователя MCP3008.

840 ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

Анод

Катод

Детали
»
»
»
»
»
»
»

Один Raspberry Pi с инсталлированным программным обеспечением, подключенный к монитору, клавиатуре и мыши.
Одна небольшая беспаечная макетная плата.
Одна микросхема аналого-цифрового преобразователя
MCP3008.
Два светодиода.
Один потенциометр 1 МОм.
Два резистора 330 Ом (желтый-фиолетовый-коричневые).
Провода-перемычки.

Порядок действий
1.

Вставьте микросхему MCP3008.
Расположите ее так, чтобы вывод 1 был в E18, а вывод 16 —
в F18.

Вставьте резисторы.
Резистор

От

R1 (330 Ом)

Земля

R2 (330 Ом)

Земля

Вставьте светодиоды.
Светодиод

Анод

Катод

LED1

G10

LED2

Вставьте потенциометр.
Штырьки должны быть вставлены в гнезда A26, A28 и A30.

ГЛАВА 3.Считывание цифровых и аналоговых входных сигналов

841

Вставьте перемычки.
От

D18

D28

E26

F26

E30

F30

J18

Положительная шина

J19

Положительная шина

J20

Шина заземления

J25

Шина заземления

J26

Положительная шина

J30

Шина заземления

Подключите перемычки с макетной платы к контактам
GPIO на Raspberry Pi.
Макетная плата

GPIO Raspberry Pi Pin

J10

J21

J22

J23

J24

Шина заземления

Положительная шина

С помощью Thonny введите и запустите программу Flashing
LED (см. Листинг 3.2).
Светодиоды будут попеременно включаться и выключаться
с частотой, определяемой потенциометром. Если повернуть
ручку потенциометра, скорость мигания будет увеличиваться
или уменьшаться.

842

ЧАСТЬ 7. Использование Raspberry Pi

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ЭФФЕКТЫ

Краткое оглавление
ГЛАВА 1

Создание светового органа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ГЛАВА 2

Анимация праздничных огней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .837

ГЛАВА 3

Создание контроллера для аниматроники . . . . . . . . .861

ГЛАВА 4

Как сделать голову научно-фантастического
робота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

825

893

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Создание искусственной грозы
» Питание освещения от старого
генератора

» Как заставить биться сердце скелета

Гл а в а 1

Создание светового органа
Диснейленде длинная очередь на аттракцион может доставить
почти столько же удовольствия, сколько и сам аттракцион. Один
из лучших примеров этого феномена — знаменитое Приключение
Индианы Джонса: Храм запретного глаза. Прямо у входа в древний
храм вы проходите мимо дребезжащего парового генератора, который едва работает. Щелкающий звук генератора становится то громче, то тише, когда генератор работает на пределе мощности и грозит
заглохнуть. Войдя в храм, вы проходите через узкие туннели и жуткие пещеры, освещенные сверху лампами, которые, похоже, питаются от этого дребезжащего генератора. Лампы мерцают и тускнеют, затем на мгновение становятся ярче, а потом снова мерцают и тускнеют
в такт с работающим генератором.

В этой главе вы узнаете, как построить электронную схему, с помощью
которой можно создать эту жутковатую подсветку. Я ее использовал для
разных целей, включая и освещение на Хэллоуин узких коридоров в моей
собственной населенной привидениями гробнице. Я также использовал ту же схему для грозы перед моим домом, добавляющей нужную
атмосферу моему населенному привидениями кладбищу на Хэллоуин.
И та же самая схема создает жутковатое биение красноватого сердца
в груди пластикового скелета, который стоит на страже над сценой.

ГЛАВА 1.Создание светового органа

845

Схема называется световым органом, и у нее очень простой принцип
работы: она преобразует громкость аудиовхода в выходное напряжение, которое становится выше, когда источник звука становится громче. Если вы подключите свет к выходу, он будет светиться ярче, когда
аудиовход громче, и тусклее, когда вход тише.

ОСТОРОЖНО!

Как и в большинстве глав этой части, я должен начать с предупреждения о том, что схема использует напряжение электросети (120 В переменного тока), поэтому она потенциально опасна. Схема разработана с учетом мер безопасности, но вы должны их строго соблюдать.
Необходимо проверять проект при каждом использовании, чтобы убедиться: ни один из проводов не отсоединился и не износился, и не работать со схемой, когда она подключена к источнику питания.

Изучение проекта Световой орган
Готовый световой орган, описанный в этой главе, показан на рис. 1.1.
Проект размещен в коробке размером 2×3×6 дюймов, включает в себя
вилку питания, соединяющую схему с розеткой, розетку, к которой можно подключить лампу (максимум 120 Вт), разъем для наушников RCA,
к которому можно подключить источник звука (до 60 Вт), ручку для
регулировки чувствительности и выключатель питания.

Рис. 1.1.
Готовый проект
светового органа

846

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Лампа (макс. 120 Вт)
Световой
орган

Рис. 1.2.
Подключение
светового органа
к источнику света
и источнику звука

Настенная
розетка

Стерео с выходом для динамиков

Чтобы упростить проект, вы можете собрать электронику с помощью
недорогого набора, например, набора Velleman MK110 Simple One
Channel Light Organ. Этот набор можно купить через Интернет не больше чем за 10 долларов; просто введите в поисковике Velleman MK110,
и вы найдете несколько источников.
На рис. 1.2 показано, как можно подключить устройство Световой
орган, чтобы создать свет, яркость которого меняется в зависимости
от источника звука. Понадобится источник звука, например, музыкальный центр или другая звуковая система с внешними выходами для динамиков, к которым можно подключиться.
Обратите внимание, что на схеме на рис. 1.2 не показаны детали подключения звуковой системы к световому органу и динамикам. Самый
простой способ подключить — просто заменить один из динамиков
световым органом. Таким образом, световой орган будет реагировать
на один из стереоканалов, а динамик — воспроизводить звук, поступающий с другого стереоканала. Для такого подключения вам понадобится всего один кабель с разъемом RCA на одном конце (для подключения к световому органу) и соответствующим разъемом на другом
конце для подключения к выходу динамика звуковой системы.
Также понадобится подходящая запись для источника звука. Например,
если хотите использовать световой орган для создания эффекта грозы,
нужна запись грозы, чтобы красный мигал в такт с сердцебиением, понадобится запись сердцебиения. В Интернете полно таких звуковых эффектов, поэтому не должно возникнуть проблем с поиском и загрузкой звукового эффекта. Хотите изменить звуковой эффект — загрузите бесплатный
аудиоредактор Audacity с сайта www.sourceforge.net/projects/audacity.

ГЛАВА 1.Создание светового органа

847

Принципы работы светового органа
Существует несколько способов проектирования схемы светового органа. Большинство основаны на использовании специального типа
электронного компонента — триака, который, по сути, транзистор,
предназначенный для работы с переменным током. У него три вывода, из которых два — аноды A1 и A2, а третий — вентиль. Напряжение
на вентиле — положительное или отрицательное — позволяет анодам
проводить ток. Аноды подключены к линейной нагрузке, а напряжение вентиль получает от аудиовхода.
Однако аудиовход не подключается напрямую к вентилю триака. Вместо
этого в большинстве световых органов используется один из двух методов для изоляции аудиовхода от стороны линейного напряжения
схемы. Один — использование трансформатора, а другой — оптоизолятора (отдельный компонент, состоящий из инфракрасного светодиода и фотодиода или другого светочувствительного полупроводника). Напряжение на светодиоде заставляет его излучать свет, который
детектируется фотодиодом и передается на выходную цепь.
На рис. 1.3 показана упрощенная схема цепи, используемой в наборе Velleman MK110. Аудиовход подключен к светодиодному выводу
оптоизолятора, управляемому потенциометром, который позволяет
регулировать чувствительность цепи. Выход оптоизолятора подключен к вентилю триака, аноды которого соединены с цепью линейного
напряжения. Таким образом, громкость аудиовхода напрямую управляет напряжением выходной схемы.
Оптоизолятор

Рис. 1.3.
Упрощенная схема
светового
органа

Аудиовход

Триак

Нагрузка

Сеть (~170 В)

Что нужно для создания светового органа
Помимо самого набора Velleman, большинство материалов, необходимых для создания светового органа, можно приобрести в магазине или
у любого поставщика электронных компонентов. В следующей таблице перечислены необходимые материалы.

848 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Кол-во

Описание

Комплект Velleman MK110 Simple One Channel Light
Organ (простой одноканальный световой орган)

Пластиковый корпус размером 2×3×6 дюймов

20-миллиметровые стойки для печатной платы

Разъем RCA

Регулирующая ручка ¾ дюйма

Держатель для предохранителя 1¼×¼ дюйма

Быстродействующий предохранитель 1 А, 250 В,
1¼×¼ дюйма

⁄8-дюймовый винт 4-40 и гайка (для крепления
держателя предохранителя)

Кулисный переключатель SPST

Винтовые соединители проводов

⁄8-дюймовые прокладки

5 дюймов Многожильный соединительный провод
20 калибра (0,8 мм)
1

Удлинитель для использования в помещении

Сборка светового органа
Вам понадобятся следующие инструменты:

»
»
СОВЕТ

Паяльник, желательно с настройками 20 и 40 Вт.
Припой.
Используйте более толстый припой для проводов линейного
напряжения и тонкий припой для сборки комплекта MK110.

» Увеличительные очки.
» Крестовая отвертка.
» Маленькая ювелирная отвертка с плоским концом.
» Кусачки.
» Кусачки для зачистки.
» Плоскогубцы.
» Тиски для хобби.
» Дрель с / -дюймовыми, / -дюймовыми, ¼-дюймовыми,
1

/16-дюймовыми, /8-дюймовыми и ¾-дюймовыми сверлами.

ГЛАВА 1.Создание светового органа

849

Вот шаги по созданию этого проекта:

Соберите набор Velleman MK110.
В комплект набора входят простые, но точные инструкции,
вы просто устанавливаете и припаиваете все компоненты
на печатную плату. Обратите особое внимание на цветовые
коды резисторов и ориентацию диода.
На рис. 1.4 показан готовый набор MK110.
При сборке этого набора лучше всего закрепить плату в хороших тисках для хобби и использовать зажим или
малярный скотч, чтобы удерживать компоненты на месте
во время пайки.

Рис. 1.4.
Собранный
набор
Velleman
MK110

Рис. 1.5.
Просверлите
отверстия,
как указано
на этой
схеме

850 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Просверлите все монтажные отверстия в проектной коробке, кроме отверстия для регулятора чувствительности
на левой стороне коробки.
На рис. 1.5 показана ориентация примерного расположения
монтажных отверстий.
Используйте собранную печатную плату, чтобы определить
точные места сверления четырех отверстий для крепления
печатной платы. Расположение остальных отверстий не критично, за исключением отверстия для ручки потенциометра.
Не сверлите это отверстие до шага 4.

Установите четыре стойки в четыре отверстия для крепления печатной платы MK110.
Используйте четыре винта из комплекта поставки.

Просверлите отверстие для потенциометра печатной
платы.
Установите печатную плату на четыре стойки, чтобы определить точное местоположение этого отверстия.

Вставьте две резиновые прокладки в два отверстия размером 3⁄8 дюйма.
Их трудно протиснуть в отверстие, но поработайте над этим,
и они войдут. При необходимости используйте маленький
край плоской отвертки, чтобы протолкнуть резиновые края
в отверстия.

Дальше вы соберете все детали в коробку проекта. Используйте рис. 1.6
в качестве руководства для правильного размещения каждой детали.
СОВЕТ

Рис. 1.6.
Как собрать
детали вместе
внутри коробки
проекта

Розетка Штекер

ГЛАВА 1.Создание светового органа

851

Отрежьте удлинительный шнур.
Сначала отрежьте конец удлинителя, оставив около 12 дюймов провода, прикрепленного к розетке. Затем отрежьте конец вилки, оставив около 3 или 4 футов провода, прикрепленного к вилке. Останется несколько футов провода;
отложите, пригодятся потом.

Проденьте шнуры питания через гермовводы и завяжите
узел внутри коробки.
Он будет туго затянут, но шнуры поместятся. Протяните около фута шнура с подключенной вилкой через ближайшее
к выключателю отверстие. Затем завяжите его узлом, плотно затяните узел и потяните вилку так, чтобы узел плотно прилегал к гермовводу. Узел предназначен для разгрузки
от натяжения.
Повторите тот же процесс со шнуром, подключенным к розетке: пропустите его через другой гермоввод, завяжите тугой узел и подтяните узел к гермовводу.
Когда оба шнура питания будут на месте, отделите два провода каждого шнура внутри проектной коробки и снимите
около 3/8 дюйма изоляции с каждого провода.

Отрежьте два куска провода удлинителя длиной 1½ дюйма
и припаяйте их к клеммам выключателя.
Вам нужно снять около 3/8 дюйма изоляции с каждого конца
обоих проводов. Поставьте паяльник на настройку High и используйте толстый припой. Отложите выключатель в сторону, когда припой застынет.

Отрежьте два провода удлинителя длиной 1½ дюйма и припаяйте их к клеммам на держателе предохранителя.
Вам опять нужно будет снять около 3/8 дюйма изоляции
с каждого конца обоих проводов и припаять их с помощью
сильного нагрева.

Отрежьте два 2½-дюймовых отрезка провода для подключения и снимите с их концов 3/8 дюйма изоляции.

Припаяйте один из проводов к центральной клемме разъема для наушников RCA, а другой — к клемме заземления.
На этом работа с паяльником закончена, поэтому его можно
выключить.

852

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Установите разъем для наушников RCA в ¼-дюймовое отверстие в коробке проекта.
Чтобы установить разъем, сначала снимите с него гайку, клемму заземления и стопорную шайбу. Затем пропустите провод, подключенный к центральной клемме разъема для наушников, через ¼-дюймовое отверстие, а затем
вставьте резьбовой конец разъема для наушников в отверстие. Наденьте стопорную шайбу, клемму заземления и гайку
на провод, подключенный к центральной клемме, а затем накрутите их на резьбовую часть разъема. Затяните гайку с помощью игольчатых плоскогубцев.

СОВЕТ

На следующих этапах вы присоедините провода к печатной плате MK110.
Пока не закрепляйте печатную плату на стойках. Вам будет легче подключить провода, если плата будет свободна. После того как все провода подключены, установите плату.

Подключите разделенные провода шнура, подключенного
к розетке, к двум клеммам с надписью Load на задней панели печатной платы MK110.
С помощью маленькой плоской отвертки затяните клеммы.
Убедитесь, что провода надежно соединены.

Подключите один из проводов, прикрепленных к держателю предохранителя, к одной из сетевых клемм на задней
панели печатной платы MK110.

Подключите один из проводов удлинителя, прикрепленный к вилке, к другой сетевой клемме на задней панели печатной платы MK110.

Подключите два провода от разъема для наушников
к входным клеммам на передней панели платы MK110.
Входные клеммы обозначены на плате как LS. Чтобы затянуть
эти клеммы, понадобится очень маленькая плоская отвертка.

Установите печатную плату MK110 на стойки.
Для установки платы нужно будет немного наклонить
ее, чтобы просунуть вал потенциометра через отверстие
5
/16 дюймов. Как только вал пропущен, установите плату
на стойки и закрепите ее оставшимися четырьмя винтами, которые поставляются вместе с стойками.

Используйте 3/8-дюймовый винт 4-40 и гайку для крепления держателя предохранителя.
Проденьте винт через 5/32-дюймовое отверстие в нижней части проектной коробки. Затем пропустите винт через

ГЛАВА 1.Создание светового органа

853

отверстие в центре держателя предохранителя и закрепите
гайкой. Затяните гайку с помощью отвертки.

Установите выключатель.
Чтобы установить выключатель, сначала снимите пластиковую гайку с резьбового конца. Затем пропустите провода
и резьбовой конец выключателя через отверстие диаметром
¾ дюйма в боковой стенке проектной коробки. Наденьте гайку на провода и затяните ее на выключателе.

Подключите выключатель к шнуру питания
и предохранителю.
С помощью одного из навинчивающихся коннекторов соедините один из проводов выключателя с неподключенным проводом на держателе предохранителя. Затем с помощью другого соединителя подсоедините другой провод выключателя
к неподключенному проводу, ведущему к вилке питания.

Вставьте предохранитель в держатель предохранителя.
Угадайте, что вы почти закончили! На рис. 1.7 показан проект
со всеми собранными деталями.

10. Прикрепите ручку к валу потенциометра, выступающему
из коробки.
С помощью маленькой плоской отвертки затяните установочный винт на ручке.

11.

Установите на коробку крышку и закрепите ее винтами.
Теперь вы действительно закончили!

Рис. 1.7.
Световой
орган почти
готов

854

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Использование светового органа
Вы закончили собирать световой орган. Пришло время использовать
его для создания интересных звуковых и световых эффектов. Для этого придется подключить к световому органу лампы и аудиосистему.
Процедура использования светового органа довольно проста:

Подключите фонарь к разъему удлинителя светового
органа.

Подключите аудиовход уровня громкоговорителя к разъему RCA.

3.
4.
5.
6.

Подключите разъем удлинителя к розетке.

Включите световой орган.
Воспроизведите звук.
Поверните ручку на световом органе, чтобы настроить
чувствительность.
Если индикатор не загорается, попробуйте увеличить выходную громкость на стереосистеме.

Световой орган может работать с выходной цепью мощностью 120 Вт,
поэтому нужно быть осторожным, чтобы не перегрузить цепь. Можете
использовать один светильник заливного света мощностью 100 Вт или
несколько ламп мощностью 60 Вт, либо использовать несколько ниток
рождественских гирлянд или других маломощных лампочек.
Самый простой способ подключить световой орган к звуковой системе — заменить один из динамиков на световой орган. Тип кабеля, который понадобится для этого, зависит от того, как колонки подключаются к звуковой системе. Если с помощью простых штыревых разъемов,
понадобится кабель с оголенным проводом на одном конце и RCAразъемом на другом, а если колонки подключаются с помощью разъемов RCA, нужен кабель с разъемами RCA на обоих концах.
При таком использовании светового органа важно понимать, что он будет реагировать на один канал стереозаписи, в то время как колонки
воспроизводят другой канал. В большинстве случаев вы не заметите особой разницы. Однако в некоторых записях звук в левом канале сильно
отличается от звука в правом. Это может повлиять на качество звука,
помешать свету мигать синхронно со звуком, поскольку свет реагирует
на источник звука, отличный от того, который слышен через динамики.

ГЛАВА 1.Создание светового органа

855

В некоторых случаях это можно использовать для улучшения эффекта,
которого вы пытаетесь добиться с помощью светового органа. Например,
во время грозы молния вспыхивает задолго до того, как раздается гром.
Чтобы воспроизвести этот эффект, достаточно иметь звукозапись грозы, в которой гром слышен в левом канале раньше, чем в правом. Если
подключите световой орган к левому каналу, а динамик — к правому,
свет будет мигать раньше, чем раздастся звук.
Поиграйтесь со световым органом!

856

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Украшение дома световой гирляндой,
управляемой компьютером

» Знакомство с контроллерами
Light-O-Rama

» Программирование включения
огоньков с помощью Light-O-Rama
Sequence Editor

Гл а в а 2

Анимация праздничных
огней
ы наверняка видели анимированные праздничные шоу, когда
тысячи огней (а может, десятки тысяч или, в некоторых случаях, сотни тысяч) в такт музыке создают ослепительное зрелище.
Обычно огни зажигаются под классную праздничную музыку Mannheim
Steamroller или Trans-Siberian Orchestra. Часто музыка транслируется
через маломощный FM-передатчик, поэтому, проезжая мимо дома,
чтобы посмотреть на шоу, можете просто настроить радио на местное
вещание, чтобы услышать музыку. Если не понимаете, о чем я говорю,
просто зайдите на YouTube, наберите в поисковике Christmas lights —
и вы сразу найдете множество таких видеороликов.

Если вы когда-нибудь хотели создать такое шоу самостоятельно, эта
глава объяснит, как это сделать. Хотя вы можете разработать схему
управления подобными световыми шоу с нуля, самый простой способ создать световое шоу — купить недорогой контроллер освещения
и тогда можно будет сосредоточиться на создании шоу, а не на разработке светового контроллера.
Есть несколько компаний, которые продают световые контроллеры
для праздничных шоу. Моя любимая — Light-O-Rama, расположенная
в Саут-Гленс-Фоллс, штат Нью-Йорк. Больше всего в Light-O-Rama
мне нравится, что вы можете купить готовые световые контроллеры,
а можете приобрести наборы и собрать контроллеры самостоятельно.

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

857

Так что если умеете обращаться с паяльником (а я предполагаю, что
это так, иначе не читали бы эту книгу), вы можете сэкономить на базовом секвенсоре, собрав схему самостоятельно.
Узнать больше о компании Light-O-Rama и ее продукции можно на сайте
www.lightorama.com.

СОВЕТ

Контроллеры Light-O-Rama пригодятся не только для украшения вашего дома к празднику: их можно использовать для школьных мероприятий, карнавалов, парков аттракционов, витрин магазинов и музеев, театральных постановок, торговых центров и т. д. Более того,
продукты Light-O-Rama, о которых идет речь в этой главе, были подарены добрыми людьми из Light-O-Rama для использования в зоопарке Fresno Chaﬀee.

Представляем контроллер ShowTime PC
Самый популярный контроллер освещения Light-O-Rama для бытового использования называется контроллер ShowTime PC, как показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1.
Базовый
контроллер
ShowTime PC
компании
Light-O-Rama

Этот контроллер (номер модели CTB16PC) обладает следующими основными функциями:

858 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Шестнадцать отдельных
света. Каждый канал — отдельная цепь 120 В переменного тока, которая может подавать на светильники до 8 А. К шнурам питания, свисающим
с нижней части устройства, вы подключаете светильники;
каждый шнур соединяет светильники для одного из 16 каналов. (Общая токовая нагрузка на контроллер не должна
превышать 30 А.)
В большинстве случаев вы не будете подключать светильники непосредственно к шнурам питания, свисающим с нижней
части контроллера освещения. Вместо этого будете использовать удлинители, чтобы дотянуться от шнуров освещения
до мест, где будут располагаться светильники. Если планируете сделать праздничное световое шоу, понадобится много
удлинителей.
Шестнадцати каналов достаточно для начала работы с дисплеями Light-O-Rama, но как только вы организуете свое
первое шоу, пожалеете, что нет дополнительных каналов.
Большинство комплектов Light-O-Rama включают в себя два,
три или четыре контроллера, что в общей сложности составляет 32, 48 или 64 канала.

Возможность включать и выключать свет отдельно для
каждого канала. У контроллера также есть несколько других
специальных эффектов, таких как затухание, различные
уровни интенсивности, мерцание.
Именно эти спецэффекты делают контроллер Light-O-Rama
особенным. Можно найти гораздо менее дорогие способы
просто включать и выключать свет. Например, два релейных контроллера Kit-74, подключенных к компьютеру, могут
включать и выключать 16 каналов света менее чем за половину цены контроллера ShowTime PC. Однако Kit-74 не может
приглушить или постепенно гасить свет, а возможность постепенного затухания света значительно усиливает эффект
светового шоу.

Компьютерное управление световым шоу. Вы просто подключаете контроллер ShowTime PC к компьютеру через
специальный кабель-переходник USB. Затем запускаете
специальное программное обеспечение, доступное в LightO-Rama, для управления шоу.
Хотя контроллер ShowTime PC установлен в корпусе, защищающем его электронику от непогоды, у компьютера
нет такой защиты, поэтому его лучше разместить в доме или
гараже, а для связи с контроллером ShowTime PC использовать длинный кабель.

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

859

»
»

СОВЕТ

Управление световым шоу без компьютера. Если не хотите
управлять шоу с компьютера, можете приобрести специальное устройство под названием MP3 Director, которое позволит управлять шоу без компьютера.
Возможность расширения. Вы можете подключить
до 240 контроллеров ShowTime PC, чтобы создать масштабное шоу с 3840 отдельными световыми цепями. Чтобы запитать весь этот комплекс, понадобится небольшой ядерный
реактор, но теоретически это возможно.

Если хотите начать работать с Light-O-Rama, советую приобрести один
из стартовых наборов. Можете купить полностью готовый к сборке комплект, включающий 16-канальный контроллер ShowTime PC,
USB-адаптер и программное обеспечение, потратив менее 400 долларов, а можете — комплект для самостоятельной сборки за значительно меньшую сумму. В этих наборах требуется припаять компоненты
к плате, но, собрав плату самостоятельно, вы получите удовлетворение от осознания того, что сделали это сами.
Световая гирлянда

ShowTime PC

Компьютер

Рис. 2.2.
Базовая настройка
16-канального
контроллера
ShowTime PC
Light-O-Rama

Адаптер
USB

Аудиосистема

860 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Базовая конфигурация Light-O-Rama
На рис. 2.2 показана базовая схема использования одного 16-канального контроллера ShowTime PC для управления 16 отдельными нитями
света. В следующих параграфах описан каждый компонент этой схемы.

Контроллер ShowTime для ПК. Обычно устанавливается
на улице рядом со световой гирляндой. Он поставляется в пылевлагозащищенном корпусе, поэтому его можно
разместить на улице.
Хотя это не показано на рисунке, контроллеру ShowTime PC
требуется источник переменного тока, поэтому его следует
устанавливать рядом с электрической розеткой.

СОВЕТ

У контроллера два электрических разъема, каждый обеспечивает питание половины из 16 световых каналов. Если
подключить оба шнура к одной розетке, общая мощность
освещения контроллера будет ограничена максимальной
силой тока в розетке, к которой подключены шнуры (обычно
15 A). Однако вы можете подключить оба шнура к отдельным
розеткам, чтобы удвоить мощность освещения до 30 A, при
условии, что обе розетки, к которым вы подключите контроллер, расположены в разных электрических цепях.

Световая гирлянда. Подключается к 16 шнурам питания, которые свисают с нижней части контроллера.
Дополнительную информацию о выборе световой гирлянды
см. в разделе >/
" далее
в этой главе.
Компьютер. Запускает программное обеспечение ShowTime,
которое управляет светом. Компьютер следует установить
в помещении.
К сожалению, программное обеспечение Light-O-Rama
небесплатное. Если вы покупаете один из стартовых наборов
Light-O-Rama, программное обеспечение входит в его стоимость, но если приобретаете набор @ и собираете
печатную плату самостоятельно, придется покупать программное обеспечение отдельно, заплатив менее $50.

ЗАПОМНИТЕ

Подробнее об использовании программного обеспечения
Light-O-Rama см. в разделе
(~&LJL<T< далее в этой главе.

USB-адаптер. Необходим для подключения компьютера
к контроллеру ShowTime PC. Более подробную информацию

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

861

о USB-адаптере см. в разделе
6
6 далее в этой главе.

Аудиосистема. Воспроизводит или транслирует звук, синхронизированный с освещением. Аудиосистема подключается к выходу наушников компьютера и либо усиливает звук
для колонок, либо транслирует его на FM-радио.
Если хотите воспроизводить звук через колонки, можно использовать любой усилитель, имеющий входной разъем и достаточно мощный, чтобы воспроизводить звук на нужной вам
громкости. У меня есть гитарный усилитель, который обычно
использую, но я также использовал бумбокс.
Если хотите транслировать музыку, чтобы люди могли слушать
ее на своих автомобильных радиоприемниках, проезжая мимо
вашего дома, можете приобрести маломощный FM-транслятор.
Компания Light-O-Rama продает его примерно за $125.

Каналы и последовательности
В контроллере ShowTime PC или другом подобном контроллере управление световой гирляндой осуществляется по каналам. Каждый канал — это отдельная электрическая цепь, к которой можно подключить
одну или несколько гирлянд. Важно помнить, что контроллер не может управлять отдельными лампочками, подключенными к каналу, все
лампочки на одном канале работают как единое целое.
Последовательность — это просто записанная программа, которая
активирует огни, подключенные к каждому из каналов контроллера,
в определенном порядке, чаще всего синхронизированном с музыкой.
Искусство создания хорошего праздничного светового шоу заключается
в создании продуманных последовательностей, которые позволяют добиться максимального эффекта от ограниченного количества каналов.
При планировании светового шоу один из первых шагов — определить количество каналов, необходимых для шоу, и элементов освещения, которые будут управляться каждым каналом. Например, можете
пустить несколько гирлянд-сосулек по крыше дома и подключить их
к одному из каналов. Тогда контроллер сможет включать и выключать
все сосульки как единое целое. Или можете разместить цветные лампочки на кустарнике, подключив их к собственному каналу. Тогда контроллер сможет включать или выключать куст.
Нет причин, по которым вы не можете физически наложить друг
на друга огни, подключенные к разным каналам. Например, можете

862

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

разместить на кусте ряд зеленых лампочек, подключенных к одному
каналу, а на другом — ряд красных лампочек.
Также ничто не мешает подключить к одному контроллеру светильники разных цветов или видов в разных частях вашего двора. Например,
можете подключить к одному и тому же каналу красный свет на одном
кусте и зеленый — на другом. Тогда контроллер сможет включать или
выключать оба куста — один зеленый, другой красный.
Можно даже разместить на обоих кустах по нитке зеленых и красных
огней, но подключить зеленую нитку на первом кусте и красную на втором к одному каналу, а красную нитку на первом кусте и зеленую на втором — к другому. Затем можно создать последовательность, в которой
куст будет попеременно мигать зеленым и красным.
Не забывайте, что контроллер может не только включать и выключать
свет. Например, может заставить каждый канал затухать или гаснуть
с любой скоростью. Если на одном кусте есть зеленые и красные лампочки, можно создать последовательность, которая будет постепенно
менять цвет куста с зеленого на красный, а затем обратно на зеленый.

СОВЕТ

Вы можете использовать каналы для создания эффекта движения в световом шоу. Простой пример. Предположим, вы установили несколько световых нитей, излучающих свет из центральной точки, как спицы
колеса. Если лампы на каждой спице подключить к нескольким каналам, можно создать иллюзию, что колесо вращается, последовательно
активируя каждую спицу.
Возможности ограничены только вашей креативностью и количеством
доступных каналов. Больше каналов — лучше, потому что их количество позволяет создавать более сложные последовательности. Если
начнете с 16-канального контроллера, не сразу захотите расширить его
до 32 каналов, чтобы создавать более креативные последовательности.

Выбор света для вашего дисплея
Существует множество различных типов световых гирлянд, которые
можно использовать с Light-O-Rama или другим световым контроллером. Загляните в любой универмаг во время праздничного сезона,
и вы найдете широкий выбор световых гирлянд, можете приобрести
их и в интернет-магазинах.
Лучшее время для покупки гирлянд — следующий день после Рождества, когда большинство магазинов уценивают их минимум на 50 %.

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

863

В следующих пунктах описаны наиболее распространенные типы гирлянд, используемых в праздничных шоу.

Мини-лампы накаливания. Гирлянды из 100 или более
лампочек разных цветов. В продаже есть белые, красные, зеленые, синие, фиолетовые и желтые лампочки. Вы
также можете найти разноцветные нити, которые содержат
смесь цветов. Если поискать, можно найти и другие цвета.
Ближе к Хэллоуину можно найти оранжевые и фиолетовые
мини-лампочки.
Мини-лампы рассчитаны на работу от 2,5 В переменного
тока. Они соединены последовательно по 50 лампочек в каждом проводе, что позволяет им работать от 120 В переменного тока. Недостаток такой схемы: поскольку лампочки
подключены последовательно, если одна выскочит из гнезда
или отсоединится — все 50 лампочек погаснут.
Можно подключить несколько мини-лампочек к одному каналу, но не следует подключать к одному каналу более пяти
нитей по 100 штук, иначе сработают предохранители, встроенные в штекеры.

»
»

Сетевые светильники. Это мини-лампы, сплетенные в сетку,
которую можно растянуть над кустарником или другим небольшим кустом. Обычно в каждой сетке 300 лампочек.
Светодиодные гирлянды. Обычно такого же размера, как
и мини-лампы, но в них используются светодиоды, а не лампы накаливания. Светодиоды потребляют гораздо меньше
энергии, чем лампы накаливания. Целая нить светодиодных
ламп потребляет примерно столько же энергии, сколько одна мини-лампочка, вы можете соединить до 20 нитей
из конца в конец — тогда к одному каналу можно подключить
больше светодиодов. Однако светодиодные лампы стоят
дороже, чем лампы накаливания.
Лампы C7. Лампы накаливания, которые по размеру напоминают ночники. Лампы C7 обычно выпускаются с 25 цоколями
на струну. (Обозначение C7 относится к размеру цоколя.)
Лампочки C7 работают от 120 В переменного тока, поэтому
их подключают параллельно. Если одна погаснет или ее вывинтить, остальные продолжат гореть. Можно соединять нити
C7 из конца в конец, но не более трех, чтобы не перегружать
цепь и не перегорали предохранители.

»
»
864

Лампочки C9. Похожи на лампочки C7, но больше.
Веревочные светильники. Нити из мини-ламп накаливания
или светодиодов, заключенные в гибкую прозрачную трубку.

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Веревочные гирлянды небольшой длины (обычно 18 футов) можно купить в розничных магазинах или приобрести
150-футовые катушки коммерческого класса в Интернете.

»
»

Выдувные фигурки. Скульптуры из полупрозрачного пластика с лампочкой внутри. Большинство выдувных фигур
имеют внутри одну лампочку накаливания, обычно мощностью 40 или 60 Вт. Если у вас в шоу несколько выдувных
фигур, можете подключить их все к одному каналу контроллера, чтобы включать и выключать вместе, или, если у вас
в распоряжении достаточно каналов, можете подключить
каждую к отдельному, чтобы управлять каждой по отдельности. (Теперь понятно, зачем нужно больше каналов?)
Скульптуры из проволочного каркаса. Скульптуры из толстой проволоки, согнутой и сваренной в форме оленей, елок,
подарков и т. д. Они подсвечиваются нитями ламп накаливания или светодиодными лампами.
Мега-дерево. Популярный вид световых скульптур, который
прост в изготовлении. Все, что вам нужно, — это высокий
шест и несколько нитей гирлянд. Прикрепите один конец
каждой гирлянды к вершине столба, а затем с помощью
колышков воткните другой конец гирлянды в землю, образуя
кольцо вокруг основания столба. Чем больше нитей света вы
используете, тем лучше. Если использовать чередующиеся
цвета огней и подключить каждый цвет к отдельному каналу,
можно создать интересные анимационные эффекты.

Проектирование светового шоу
Один из самых важных этапов создания праздничного светового шоу —
разработка схемы расположения огней. Для этого сначала нарисуйте
схему вашего двора (или любого другого пространства, которое будете
оформлять). Не обязательно делать ее в точном масштабе, но если пропорции будут относительно точными, это поможет. Если хотите, возьмите рулетку, сделайте приблизительные замеры и набросайте схему
на листе бумаги. Затем набросайте, где вы хотите разместить светильники и другие украшения, например проволочные скульптуры, выдувные фигуры или мега-дерево.
Начните назначать номера каналов для каждого элемента. Если у вас
16-канальный контроллер, присвойте каждому элементу освещения
номер от 1 до 16.

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

865

Сборка контроллера ShowTime PC
Если вы приобретаете контроллер ShowTime PC компании Light-ORama в виде набора для самостоятельной работы, придется собрать
его самостоятельно: припаять компоненты к основной печатной плате, установить плату в пылевлагозащищенный контейнер и подключить шнуры, необходимые для работы устройства.
Я не буду повторять здесь инструкцию по сборке, она прилагается
к комплекту и очень понятная. Но хочу дать несколько советов, которые могут облегчить процесс.

»
»
»
»
»
»
»
»
»

Выделите под сборку достаточно времени. Даже если умеете работать с паяльником, в схеме очень много компонентов,
и на полную сборку может уйти два-три вечера.
Прежде чем приступить к работе, прочитайте инструкцию
по сборке. Так не будет никаких неожиданностей.
Освободите верстак. В наборе миллион мелких деталей,
поэтому нужно много места, чтобы разложить их по местам.
Организуйте детали. Приобретите несколько небольших
контейнеров, в которых будут храниться детали и которые
помогут их упорядочить. Мне нравится использовать небольшие одноразовые пластиковые миски.
Закрепите детали на плате перед пайкой. Возьмите синюю
малярную ленту, чтобы зафиксировать детали на плате, пока
будете припаивать их на место.
Выключите телевизор, чтобы не отвлекаться во время сборки сложного комплекта.
Используйте увеличительные очки с подсветкой. Они значительно облегчают работу.
Закрепите плату. Для пайки удобно использовать «третью
руку» или, что еще лучше, небольшой тисочный зажим, чтобы
плата оставалась неподвижной.
Применяйте подходящие инструменты и технику пайки.
Используйте паяльник малой мощности (25 Вт) и тонкий припой для чувствительных компонентов, особенно интегральных микросхем. Микросхемы припаиваются непосредственно
к плате и могут быть повреждены при чрезмерном нагреве.

На рис. 2.3 показана сборка печатной платы.

866

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Рис. 2.3.
Сборка печатной платы ShowTime для ПК

После того как вы собрали плату, нужно установить ее в пылевлагозащищенный пластиковый корпус и подключить шнуры питания. И снова Light-O-Rama предоставляет отличные иллюстрированные инструкции по этой операции, я не буду дублировать их здесь.
Однако еще один совет: приобретите набор пронумерованных наклеек
для электриков, чтобы правильно промаркировать каждый из 16 шнуров питания. Эти наклейки можно найти в любом магазине, где продаются электротовары. Если не промаркируете шнуры при установке, не будете знать, какой шнур соответствует каждому из 16 каналов.

Подключение контроллера к компьютеру
Контроллер ShowTime PC обменивается данными с внешним миром
по цифровому протоколу RS-485. Большинство компьютеров не имеют порта RS-485, но есть порт USB. USB-адаптер преобразует сигналы USB в сигналы RS-485, чтобы компьютер мог взаимодействовать
с контроллером ShowTime PC. На рис. 2.4 показан USB-адаптер.
В комплект поставки USB-адаптера входит короткий USB-кабель, используемый для подключения адаптера к USB-порту компьютера, а также сетевой кабель Cat5 для подключения USB-адаптера к контроллеру
ShowTime PC. Кабель Cat5 — тот же тип кабеля, который используется

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

867

Рис. 2.4.
USB-адаптер преобразует протокол
RS-485, используемый контроллером
ShowTime PC, в USB

в большинстве компьютерных сетей. Длина кабеля Cat5 может достигать 4000 футов. Такой кабель может подойти для Диснейленда, но вам,
скорее всего, нужна длина максимум несколько десятков футов.
Light-O-Rama также предлагает адаптер, который преобразует сигналы
RS-485 в стандартный протокол последовательного порта, который когдато стандартно поддерживали большинство ПК. Однако современные компьютеры обычно не оснащаются последовательными портами, поэтому
вместо них вы, скорее всего, будете использовать USB-адаптер. (Обратите
внимание: если вы используете последовательный адаптер, максимальная
длина кабеля Cat5, соединяющего адаптер с контроллером, 100 футов.)

СОВЕТ

Очень важно следовать инструкциям, прилагаемым к USB-адаптеру, прежде чем подключать его к USB-порту компьютера. В частности, сначала следует запустить программу установки драйверов с диска, который
прилагается к USB-адаптеру. Подключайте адаптер к порту USB только
после запуска программы установки драйверов. Если подключите до запуска, есть риск, что Windows установит неправильный драйвер, он будет
связан с адаптером, что затруднит инсталляцию правильного драйвера.

Тестирование контроллера ShowTime PC
Когда вы закончите сборку контроллера ShowTime PC, необходимо
протестировать его, чтобы убедиться в правильной работе. Сначала инсталлируйте пакет программного обеспечения Light-O-Rama ShowTime
Software Suite и драйвер USB-адаптера, а затем выполните следующие
действия, чтобы подключить контроллер ShowTime PC к компьютеру:

Подключите оба шнура питания от контроллера
ShowTime PC к электрическим розеткам.

868 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Индикатор состояния на печатной плате контроллера ShowTime PC мигает, указывая, что питание включено,
но устройство не подключено к компьютеру.

Подключите один конец USB-кабеля, поставляемого в комплекте с USB-адаптером, к адаптеру, а другой к компьютеру.

Подключите сетевой кабель Cat5, подключенный к контроллеру ShowTime PC, к USB-адаптеру.
Светодиодный индикатор состояния контроллера
ShowTime PC продолжает мигать.

Подключите светильник к одному или нескольким шнурам
питания.
Я рекомендую использовать ночники, которые обычно можно найти в любом недорогом магазине. Поскольку они недорогие, можно приобрести сразу 16 штук и подключить по одному
к каждому из каналов. Если вы не готовы к таким тратам, купите
несколько штук и подключите их к первым нескольким каналам.

Подключив контроллер к компьютеру, можете использовать программу Light-O-Rama для проверки соединения, выполнив следующие
операции:

На компьютере запустите программу Light-O-Rama Hardware.
Нажмите кнопку , выберите > ", выберите
Light-O-Rama, а затем Light-O-Rama Hardware. Программа
Hardware запустится и отобразит экран, показанный на рис. 2.5.

Рис. 2.5.
Программа
Light-O-Rama
Hardware

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

869

Нажмите кнопку Auto Configure (автоматическая настройка) в левой верхней части окна программы Hardware.
Программа Hardware перебирает все доступные COM-порты
на вашем компьютере, пока не найдет тот, который связан
с вашим USB-адаптером.

Измените максимальное количество единиц для
поиска на 5.
Для этого нажмите кнопку ;<1~# (изменить), расположенную в разделе Max Units (максимальное количество единиц) справа вверху. Откроется диалоговое окно с ползунком;
перетащите этот ползунок влево, а затем нажмите кнопку
@ .
Эта операция сэкономит время на следующем этапе поиска
доступных контроллеров. Поиск контроллеров по всем возможным адресам занимает несколько секунд, поэтому изменение максимального значения с 240 до 5 сэкономит вам несколько минут жизни, которые никогда не вернете, — ожидая,
пока программа будет искать несуществующие контроллеры.

Нажмите кнопку Refresh (обновить) для поиска контроллеров ShowTime PC.
Если вы выполнили шаг 3, программа Hardware найдет ваш
контроллер в течение нескольких секунд. Дисплей слегка
изменится, чтобы показать, что контроллер найден.

Нажмите кнопку Консоль, расположенную в нижней
части окна.
Это действие вызовет окно консоли, показанное на рис. 2.6.

Для каждого канала, к которому вы подключили свет, перетащите соответствующий ползунок вверх и вниз и убедитесь, что свет включается и выключается.
Если канал не работает, убедитесь, что лампочка не перегорела, что вы подключили светильник к правильному шнуру питания и что светильник включен, если у него есть
выключатель.

Переставьте лампочки на другие шнуры и повторите шаг 6,
чтобы протестировать все каналы.
Вы должны убедиться, что все 16 каналов вашего контроллера работают правильно.

870

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Рис. 2.6.
Тестирование
каналов
контроллера
с помощью
консоли
программы
Hardware

Используйте кнопки Twinkle и Shimmer, чтобы убедиться,
что функции мерцания и переливания работают.
Когда вам надоест мерцание, нажмите кнопку All Off.
Готово!

Если все огоньки загорелись, это означает, что вы успешно протестировали контроллер Light-O-Rama и теперь готовы приступить к созданию последовательностей. (Если какой-либо из каналов не работает,
тщательно перепроверьте проводку, чтобы убедиться, что все подключено правильно, а если это не поможет, позвоните в службу технической поддержки Light-O-Rama.)

Использование редактора Sequence Editor
последовательностей Light-O-Rama
«Мясом» программного комплекса Light-O-Rama является редактор
последовательностей Sequence Editor для создания световых последовательностей, синхронизированных с музыкой. Последовательность —
это файл, в котором хранится информация, необходимая для синхронизации света с одной музыкальной композицией. Сама музыка хранится
в отдельном аудиофайле в формате MP3.
Для воспроизведения последовательности можно использовать редактор Sequence Editor. При воспроизведении последовательности

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

871

загружается MP3-файл, который воспроизводится через динамики
компьютера или другой аудиовыход. Кроме того, редактор Sequence
Editor отправляет инструкции контроллеру ShowTime PC для включения света синхронно с музыкой.
В Light-O-Rama последовательность обычно ассоциируется с отдельной песней. Две или более последовательностей могут быть объединены в шоу, которое позволяет циклически повторять набор песен,
чтобы зрители не слушали одну песню снова и снова. Вы можете настроить расписание, которое автоматически запускает и останавливает шоу в определенное время и дни. Настраивая последовательности,
шоу и расписание, вы можете полностью автоматизировать каждый
аспект светового шоу.
В оставшейся части этой главы я познакомлю вас с некоторыми базовыми концепциями работы с редактором Sequence Editor для создания
простых последовательностей. Однако вы должны понимать, что можете
приобрести запрограммированные последовательности на сайте LightO-Rama по цене около 30 долларов за композицию. Программирование
даже простой последовательности для одной песни может занять 10
и более часов, а программирование сложных последовательностей может продолжаться несколько дней.

Последовательности
В Light-O-Rama последовательность представляется в виде сетки, которая чем-то похожа на сетку в программе электронных таблиц. Например,
на рис. 2.7 показана часть очень простой последовательности, в которой лампы на каналах 1, 3 и 5 попеременно включаются и выключаются каждые полсекунды.
Каждая строка сетки представляет один из каналов, доступных в контроллере. Сетка для последовательности, воспроизводимой на 16-канальном контроллере, будет иметь 16 строк, по одной на каждый канал.
Изначально каналы названы в соответствии с номером блока управления (01 на рисунке) и номером канала (от 1 до 16 на рисунке). Однако
вы можете легко изменить названия строк на более осмысленные, например, «Красный нос» или «Шляпа Санты».
Каждый столбец в сетке — временной интервал. Когда вы впервые создаете последовательность, можете указать временные интервалы, которые будут использоваться для сетки. Для последовательности на рис. 2.7
я указал, что каждый столбец должен составлять одну десятую секунды.

872

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Рис. 2.7.
Простая
последовательность
Light-ORama

Когда квадрат сетки заполняется темным цветом, включается соответствующий канал. Когда клетка сетки пуста, соответствующий канал
выключается. Таким образом, следуя по ячейкам сетки слева направо,
можно увидеть, что каналы 1, 3 и 5 включены на 0,5 секунды, выключены на 0,5 секунды, включены на 0,5 секунды и т. д.
Light-O-Rama позволяет создавать два различных типа последовательностей.
СОВЕТ

Музыкальная. В этой последовательности свет синхронизируется с музыкой. У каждой музыкальной последовательности есть свой MP3-файл, и Light-O-Rama может воспроизводить только одну музыкальную последовательность
одновременно.
Анимационная. Эта последовательность не имеет связанного
с ней музыкального файла. Вместо того чтобы синхронизировать свет с музыкой, анимационные последовательности
используются для создания простых световых анимаций,
таких как машущий Санта-Клаус или снеговик, бросающий
снежок. Light-O-Rama может воспроизводить несколько
анимационных последовательностей одновременно. Таким
образом, вы можете заставить своего снеговика бросать
снежки в машущего Санта-Клауса, если захотите.

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

873

Рис. 2.8.
Выбор типа
создаваемой
последовательности

Рис. 2.9.
Выбор опций
музыкальной
последовательности

Рис. 2.10.
Пустая последовательность

874

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Создание музыкальной
последовательности
Чтобы создать музыкальную последовательность с помощью редактора последовательностей, выполните следующие действия.

В редакторе последовательностей выберите File > New.
Откроется диалоговое окно, показанное на рис. 2.8.

Выберите New Musical Sequence (Новая музыкальная последовательность), а затем нажмите OK.
Вам будет предложено выбрать MP3-файл, который будет использоваться в качестве музыкальной основы для
последовательности.

Найдите и выберите MP3-файл, который будет использоваться для последовательности, а затем нажмите кнопку
Открыть.
Появится диалоговое окно, показанное на рис. 2.9.

Просмотрите все опции, а затем измените некоторые из них,
если хотите.
Вы должны ознакомиться с набором опций, которые доступны для создания новых музыкальных последовательностей.
Для первых нескольких последовательностей я предлагаю
вам выбрать следующие параметры:
7)T#'9Q;<11#$**#= (количество используемых
• каналов).
Установите это значение на количество каналов
в вашем контроллере. По умолчанию это 8. Если у вас
16-канальный контроллер, измените на 16.
1(&(<$\(T(1~ (начальная синхронизация). Измените это
• значение
с установленного по умолчанию (используйте программу-мастер Tapper) на десятую долю секунды.
Программа-мастер Tapper очень полезна, но перед тем,
как опробовать ее, следует создать несколько простых
последовательностей без него.

Нажмите кнопку OK.
Редактор Sequence Editor создаст пустую последовательность, как показано на рис. 2.10.

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

875

Заполните последовательность.
Для этого используйте кнопки на панели инструментов Tools,
чтобы включать и выключать каналы различными способами.
Вот краткая информация о том, что делают самые популярные из этих кнопок:

Кнопка

Название

Функция

Включает свет.

Off

Выключает свет.

Toggle

Переключает свет: включает, если выключен, или выключает, если включен.

Set Intensity Устанавливает любую интенсивность
света по вашему выбору.

Fade Up

Постепенное затухание света от выключения до включения. Нажмите на
этот инструмент, а затем перетащите
его по диапазону ячеек, чтобы задать,
как быстро приглушить свет.

Fade Down

Постепенное затухание света от включения до выключения. Нажмите этот
инструмент, а затем перетащите его
по диапазону ячеек, чтобы задать, как
быстро приглушить свет.

Intelligent
Fade

Если перетаскивать слева направо,
свет будет приглушаться. Если перетаскивать справа налево, свет притухает.

Twinkle

Вызывает медленное мерцание света.

Shimmer

Приводит к быстрому мерцанию света.

Чтобы проверить последовательность, нажмите кнопку
Play на панели инструментов.
Когда вы услышите достаточно, нажмите кнопку Stop, чтобы
остановить воспроизведение.

876

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Чтобы сохранить последовательность, воспользуйтесь командой File > Save.
По мере работы над последовательностью сохраняйте ее
часто, чтобы в случае неудачи не потерять много работы.

Вот несколько дополнительных советов и рекомендаций, которые стоит
учитывать при создании последовательностей.

»
»

Вы можете использовать функцию Undo (Ctrl+Z), чтобы отменить все допущенные ошибки.
Если выбрать инструмент, а затем перетащить его через
диапазон ячеек, инструмент будет применен ко всем ячейкам в этом диапазоне. Обратите внимание, что при использовании инструмента Toggle во время перетаскивания
по диапазону ячеек каждая ячейка в этом диапазоне будет
изменена с включенной на выключенную или с выключенной
на включенную.
При использовании одного из инструментов затухания цвет ячеек, участвующих в затухании, указывает, как будет затухать свет.
Вы можете изменить название каждого ряда и цвет, в который он окрашивается, нажав кнопку ряда в левом поле ряда.
Это вызовет диалоговое окно Channel Settings, показанное
на рис. 2.11. Хотя это и не обязательное условие, изменение
цвета ряда в соответствии с цветом света, отображаемого
каналом, может помочь лучше представить шоу, а изменение
названия канала значительно упрощает отслеживание того,
как каналы используются в вашем шоу.

Рис. 2.11.
Изменение названия
или цвета строки

Еще один способ применить эффекты — щелкнуть правой
кнопкой мыши ячейку или диапазон ячеек. При этом появляется всплывающее меню с перечнем эффектов.

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

877

»
»

Вы можете использовать команды View > Zoom для увеличения или уменьшения масштаба, чтобы получить более тонкий
контроль или увидеть больше общей картины.
Если это поможет, можете сделать волновой файл видимым,
выбрав View > WaveForm. На рис. 2.12 показана последовательность с видимой формой волны.

Рис. 2.12.
Отображение
формы
волны

Визуализация шоу
Чтобы представить себе, как будет выглядеть ваше шоу после запуска,
можно воспользоваться командой View > Animation. Это вызовет окно,
показанное на рис. 2.13, в котором можете нарисовать грубое представление ваших огней. Когда запускаете шоу в редакторе последовательностей, нарисованные в этом окне огни включаются или выключаются, чтобы имитировать внешний вид реального шоу.
Прежде чем начать рисовать огни в окне Animation (анимация), сначала импортируйте фотографию вашего двора. Для этого, очевидно,
сначала нужно сделать фотографию двора и загрузить ее на компьютер. Затем нажмите кнопку Select (выбрать), перейдите к фотографии
и выберите ее. Будет предложено указать размер сетки, которую хотите наложить на фотографию. Затем изображение добавляется в окно
Animation, как показано на рис. 2.14.

878

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Рис. 2.13.
Окно
Animation

Рис. 2.14.
Окно
Animation
с фоновым
рисунком

ГЛАВА 2.Анимация праздничных огней

879

Чтобы раскрасить свет, сначала выберите канал, который хотите раскрасить, в выпадающем меню слева от картинки. Затем щелкните кнопку
Draw (рисовать) и нарисуйте огни на картинке примерно так, как они
будут выглядеть во дворе. Рисуйте огни для каждого канала по очереди. Если допустили ошибку, нажмите кнопку Erase (стереть), а затем
щелкните над ошибкой, чтобы стереть ее. На рис. 2.15 показано изображение дома с нарисованными на нем фонарями.

Рис. 2.15.
Окно
Animation
с нарисованными
огнями

880 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Управление аниматроником
» Микроконтроллеры EFX-TEK
» Программирование управления реле
» Программирование управления
звуком

» Реакция на детектор движения
» Полная программа страшного
попрыгунчика

Гл а в а 3

Создание контроллера для
аниматроники
ниматроника — это технология, используемая для создания
автоматизированных кукол, которые двигаются сами по себе.
Движения обеспечивает механика, например моторы, сервоприводы, сжатый воздух или пневматика. Аниматронные куклы обычно управляются микропроцессорами.

Мое увлечение аниматрониками началось в раннем возрасте, когда
я впервые посетил Диснейленд и был заворожен тремя самыми удивительными вещами, которые я когда-либо видел: «Заколдованная комната Тики Уолта Диснея»1, наполненная чудесными роботизированными птицами, которые пели и рассказывали анекдоты; «Пираты
Карибского моря»2 с их резвящимися пиратами; и, конечно, «Особняк
с привидениями»3 с его 999 призраками и комнатой для еще одного.

Walt Disney's Enchanted Tiki Room — аттракцион в тематических парках Диснея, расположенный в Диснейленде и в Волшебном королевстве в Мире Уолта Диснея. – Прим. ред.

Pirates of the Caribbean — аттракцион путешествие-квест, посвященное пиратам Карибского
моря XVII—XVIII веков. – Прим. ред.

Haunted Mansion — темный аттракцион, расположенный в Анахайме, Токио и в Волшебном королевстве в Диснейуорлде. – Прим. ред.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

881

«Особняк с привидениями» был настоящим шедевром, и после первого посещения Диснейленда я на всю жизнь увлекся всем, что связано
с Хэллоуином, и периодически пытался создать собственных аниматронных призраков и гоблинов.
В этой главе покажу, как собрать микропроцессорную систему управления, которую я использовал в нескольких своих лучших хэллоуинских
страшилках. Я использовал именно эту схему для создания попрыгунчиков, всплывающей мумии и гигантского черта из табакерки, но вы
можете использовать эту схему для управления практически любым
аниматронным творением, которое только можете себе представить.
Обратите внимание, что Хэллоуин — не единственное применение
аниматроники. Вы можете использовать их в театральных постановках,
школьных сборах средств, для рекламы и маркетинга. Например, если
у вас цветочный магазин, можно украсить его витрину аниматронными
цветами, а если магазин фраков — аниматронным танцором, одетым
в лучший фрак. Единственный предел — это ваша фантазия.

ОСТОРОЖНО!

Аниматроники следует создавать и использовать с осторожностью, поскольку они могут быть опасны. Вы должны убедиться, что аниматроника не создает угрозы для людей, например, негерметичным электрическим соединениям или неисправным фитингам сжатого воздуха.
Поместите готовый аниматроник в безопасное место, где никто не сможет до него дотронуться, и убедитесь, что все электрические соединения и фитинги для подачи сжатого воздуха полностью надежны.
Если в реквизите аниматроника используется сжатый воздух, будьте
особенно осторожны! В этой главе не буду рассказывать о том, как работать со сжатым воздухом, это тема для целой книги. Если хотите работать со сжатым воздухом, всегда используйте профессионально разработанные и изготовленные компоненты, такие как баллоны со сжатым
воздухом и механизмы попрыгунчиков. Не пытайтесь самостоятельно изготовить баллоны со сжатым воздухом из ПВХ-труб, велосипедных насосов или любых других материалов, не предназначенных для
работы со сжатым воздухом. Остерегайтесь недорогих устройств для
сжатого воздуха, продающихся на eBay или других сайтах в Интернете.
Хороший, безопасный механизм для работы со сжатым воздухом стоит несколько сотен долларов. Если он продается за 49 долларов, скорее всего, он небезопасен.

882

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Требования к управлению аниматрониками
Независимо от того, используется ли он в доме с привидениями, на выставке, в магазине или музее, типичному аниматронику нужны следующие элементы для достижения желаемого эффекта.

Большинство попрыгунчиков требуют какого-то пускового
механизма, который запускает его работу. Это может быть
простая кнопка, которую вы или клиент нажимаете, чтобы
запустить процедуру, или таймер, который заставляет реквизит автоматически включаться каждые 5 или 10 минут. Третий
вариант — использовать детектор движения, который запускает аниматроника при обнаружении движения рядом с ним.
Всем попрыгунчикам требуется управление , то есть компонентами, которые заставляют
попрыгунчик двигаться. Наиболее распространенный тип
исполнительных механизмов — электродвигатели, сервоприводы и баллоны со сжатым воздухом. Если вы используете
электродвигатель, контроллер попрыгунчика обычно включает или выключает его напрямую, подавая ток на двигатель.
Если используете сервоприводы, контроллер попрыгунчика
должен посылать импульсы синхронизации на сервопривод,
чтобы управлять его положением. А если используете баллоны со сжатым воздухом, контроллер попрыгунчика открывает и закрывает электрические клапаны, которые пропускают
воздух в баллоны.
Большинство попрыгунчиков используют световые эффекты,
которые позволяют зрителю увидеть попрыгунчика в действии. В некоторых случаях для этого достаточно одной или
нескольких лампочек, которые загораются, когда попрыгунчик запускается, и гаснут, когда он выключается. В других
случаях во время представления используется множество огней, чтобы выделить части попрыгунчика в разных частях шоу.
В некоторых попрыгунчиках используется звук, синхронизированный с его движениями. Например, аниматроник
может произносить диалог, страшилка — кричать, когда она
внезапно двигается, или использовать музыку для усиления
эффекта.

Контроллер попрыгунчика, который соберем в этой главе, отвечает
всем этим требованиям. Он основан на микропроцессоре BASIC Stamp,
во многом похож на Arduino. Вычислительной мощности BASIC Stamp
более чем достаточно для управления светом и звуком, а также активации нескольких пневматических клапанов и электродвигателей.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

883

Вместо того чтобы собирать контроллер из модуля BASIC Stamp
от Parallax, в контроллере, показанном в этой главе, используются компоненты от компании EFX-TEK, которая специализируется на микропроцессорных компонентах для управления аниматронными реквизитами. В контроллере используются плата контроллера Prop-1 (включает
микропроцессор BASIC Stamp), плата реле RC-4 (может содержать до четырех реле для переключения цепей 120 В переменного тока) и звуковая плата AP-16+ (может быть запрограммирована на воспроизведение
звуков, сохраненных на стандартной карте памяти SD).
Более подробную информацию об этих компонентах и их использовании см. в разделе Сборка контроллера Prop далее в этой главе.

ПРИМЕЧАНИЯ

Компания EFX-TEK недавно заменила релейную плату RC-4 на новую и улучшенную версию под названием RC-4+. RC-4+ совместима
с RC-4, поэтому можете собрать контроллер попрыгунчика, используя любую из плат1.

Типичный аниматронный попрыгунчик
На рис. 3.1 показан типичный аниматронный попрыгунчик, который
я сделал несколько лет назад для дома с привидениями. Реквизит представляет собой чертика из коробки, который добродушно играет Pop
Goes the Weasel 2, в то время как механизм попрыгунчика медленно
вращается до тех пор, пока к нему не подойдет ничего не подозревающий посетитель. Затем — в один пугающий момент — музыка прекращается, крышка открывается, оттуда высовывается большая голова
клоуна, загорается яркий свет, чтобы человек мог разглядеть эту голову,
и жуткий голос кричит: «Кошелек или жизнь!» Мгновение спустя свет
гаснет, и клоун убирается обратно в коробку. Через несколько секунд
механизм начинает вращаться, и снова играет музыка, а черт в коробке ждет следующую жертву.
Выдвижение головы клоуна из коробки осуществляется с помощью механизма сжатого воздуха, который управляется электрически активируемым клапаном. Когда клапан закрыт, механизм втягивается внутрь

Автор книги предлагает использовать эти платы, так как они содержат в себе уже функционал
работы с электрическими устройствами разного диапазона потребления тока от 5 до 120 В.
Однако найти платы этой фирмы в РФ очень сложно. Как альтернальтива можно собрать из плат
Arduino (или Raspberry Pi) и электромагнитных реле необходимую схему. Используемые в этой
главе датчики и электрические устройства также управляются альтернативными платами. –
Прим. науч. ред.

Традиционная староанглийская песня, кантри-танец, детский стишок и игра в пение, появившаяся в середине XIX века. – Прим. ред.

884 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Рис. 3.1.
Аниматроник
Черт из
коробки

коробки. Клапан открывается — сжатый воздух поступает в пневмоцилиндр, который выдвигает механизм вверх. Голова клоуна крепится
на верхней части механизма. Крышка коробки расположена так, что голова клоуна толкает крышку, когда механизм выдвигается. Гравитация
позаботится о закрытии крышки, когда механизм втянется и голова
вернется в коробку.
Смысл этой главы — показать, как собрать электронную часть этого
аниматроника, контроллер аниматроника, который управляет его действиями. Не рассказывается, как собрать сам аниматроник. Контроллер
реквизита достаточно универсален, чтобы управлять практически любым аниматроником, и может выполнять простые действия (пневматические всплывающие окна, моторы, свет и звук). Я использовал эту же
конструкцию для полдюжины различных аниматроников для Хэллоуина.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

885

Рис. 3.2.
Подъемный
механизм

Тем не менее полезно увидеть, как контроллер работает в конкретном
аниматронике, поэтому в следующих параграфах я описываю в общих
чертах, как создал аниматроник Черт из коробки. Это даст общее представление о том, как он работает, и вы сможете увидеть, как контроллер работает с ним.

Самый важный компонент — пневматический подъемный
механизм. Я приобрел его примерно за 250 долларов
у онлайн-дистрибьютора механизмов аниматроника для
Хэллоуина. Если поищете в Интернете, найдете несколько
дистрибьюторов, которые производят безопасные пневматические механизмы профессионального качества. Просто
наберите в поисковике <$$98##1O'9O$(Q&#', сразу найдете
несколько поставщиков. Есть они и на eBay.
На рис. 3.2 показан подъемный механизм крупным планом.
Приобретенный мной подъемный механизм включал в себя
стальную раму, пневматический цилиндр, обеспечивающий
движение, необходимое для подъема рамы, и электрический
клапан, который можно подключить к шлангу со сжатым воздухом. Когда клапан подключен к источнику сжатого воздуха
и на него подается напряжение, клапан открывается, впуская
сжатый воздух в цилиндр.

886 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Ни в коем случае не пытайтесь срезать углы, собирая собственный механизм подъемника, если вы не являетесь опытным слесарем. В Интернете можно найти чертежи подобных
устройств, сделанных из спринклерных труб или велосипедных насосов, но подача сжатого воздуха в пластиковые
или металлические детали, не предназначенные для работы
со сжатым воздухом, может покалечить или даже убить человека. Труба из ПВХ, даже тяжелая толстостенная труба 40 мм,
недостаточно прочна, чтобы выдержать давление воздушного компрессора.

ОСТОРОЖНО!

»
»
»
»
»
»

Опора размещена в квадратном ящике диаметром 22 дюйма,
который я соорудил из 5/8-дюймовой фанеры, усиленной
внутри пиломатериалами 2×2 дюйма. Мне удалось вырезать
все шесть сторон и крышку из одного листа фанеры размером 4×8 футов.
Для изготовления крышки я использовал ножовку, чтобы
вырезать отверстие. Затем вырезал отдельный кусок фанеры
примерно на 1 дюйм больше отверстия, чтобы использовать
его в качестве крышки. Для соединения крышки с коробкой
использовал пару небольших петель.
Подъемный механизм прикрепил непосредственно ко дну
коробки. В зависимости от конструкции механизма, который
используете, вам, возможно, придется закрепить подъемник
на задней стенке коробки, а не на дне.
Я просверлил два отверстия диаметром 1 дюйм в задней
стенке коробки, чтобы пропустить в нее шнур питания
и шланг сжатого воздуха.
Клоун состоит из маленькой головы-парика из пенопласта,
ее я купил в магазине, и маски, которую приобрел в магазине
костюмов для Хэллоуина.
Для вращения рукоятки использованы запчасти к мотору автомобильного стеклоочистителя (они продаются в Интернете
по цене около 15 долларов). Сам рычаг изготовил из нескольких кусков металлолома.
Контроллер установлен внутри коробки и прикреплен к одной из боковых панелей четырьмя винтами.
Для запуска попрыгунчика используется инфракрасный
детектор движения PIR. Датчик движения устанавливается
на внешней стороне коробки и подключается 24-дюймовым
кабелем к контроллеру попрыгунчика. Когда детектор
движения обнаруживает движение поблизости, программа
в контроллере аниматроника запускает его чтобы активировать клапан, и голова клоуна выбрасывается вверх.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

887

» Чтобы осветить лицо клоуна, когда выскочит голова, использовал 75-ваттную белую лампу заливающего света, установленную в пластиковый держатель, который купил в магазине
товаров для дома.

Для звука я использовал набор недорогих колонок, которые
лежали у меня без дела. Колонки подключены к аудиовыходу
звуковой платы контроллера аниматроника. Эта звуковая
плата включает в себя усилитель мощностью 20 Вт, что более чем достаточно, чтобы хорошенько напугать человека.

Рис. 3.3.
Электрическая схема попрыгунчика
Черт из коробки

На рис. 3.3 показана электрическая схема аниматроника.
Как видите, для работы опоры требуются три адаптера питания 12 В постоянного тока. Первый предназначен для питания
контроллера опоры, второй подает 12 В постоянного тока
на мотор стеклоочистителя, а третий — 12 В постоянного тока
на пневматический клапан.
Чтобы упростить проводку, я использовал три шестирозеточных блока питания и один восьмиконтактный клеммник,

888 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

которые не показаны на этой схеме. Один из блоков питания
подключается непосредственно к розетке для подачи основного питания 120 В переменного тока на реквизит. Два
других — к плате управления реле RC-4. Использование этих
блоков питания позволяет просто подключить адаптеры
питания 12 В постоянного тока и держатель лампы заливающего света.
Аниматроник работает от бытовой сети 120 В переменного
тока. Внутри коробки есть несколько открытых электрических соединений, поэтому необходимо, чтобы внутренняя
часть коробки была недоступна для людей или домашних
животных.
Особенно важно, чтобы проводка была надежной и выдерживала достаточно сильную вибрацию, которую коробка
будет испытывать при каждом включении аниматроника:
клапан закрывается, цилиндр выдвигается, крышка открывается, клоун высовывает голову. Частая тряска не должна
привести к обрыву электрических соединений, все электрические провода нужно закрепить с помощью держателей,
все соединения выполнить с помощью паяных клемм, плотно
прикрученных к барьерной планке.
Вот, собственно, и все, что можно сказать о самой конструкции попрыгунчика. Основное внимание в этой главе уделено контроллеру. Контроллер может быть использован для любого другого типа попрыгунчика с аналогичными требованиями. А если ваша страшилка
сложнее, чем чертик из коробки, можете легко расширить контроллер, подключив к нему дополнительные платы управления реле, если
устройств больше.

Сборка контроллера попрыгунчика
На рис. 3.4 показан полностью собранный контроллер, используемый
для управления чертом из коробки. Как вы видите, контроллер изготовлен из трех печатных плат, которые можно приобрести в компании EFX-TEK (www.efx-tek.com). Платы установлены на листе оргстекла размером 8×10 дюймов (продается в хозяйственных магазинах).
Перед установкой компонентов на оргстекло покрасьте заднюю часть
оргстекла черной краской из баллончика, чтобы создать красивый, профессиональный вид платы.
Вот полный список деталей, которые понадобятся для создания
контроллера:

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

889

Количество Описание
1

Контроллер EFX-TEK Prop-1

PIR-датчик EFX-TEK (в комплект входит
14-дюймовый удлинительный кабель для
подключения к Prop-1)

Аудиоплеер EFX-TEK AP-16+

Плата управления реле EFX-TEK RC-4

Твердотельные реле Crydom D2W203F

Комплекты стоек EFX-TEK (каждый комплект
включает четыре 5⁄8-дюймовые стойки и восемь
винтов 4-40)

14-дюймовые удлинительные кабели сервопривода

6-дюймовые отрезки многожильного провода
16 калибра (1,3 мм)

8×10-дюймовый лист 3/16-дюймового плексигласа

Баллончик черной аэрозольной краски

Все эти компоненты, кроме проволоки, оргстекла и краски, можно заказать в компании EFX-TEK на сайте www.efx-tek.com.

Рис. 3.4.
Собранный
контроллер
аниматроника

890 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

В следующих параграфах описываются четыре основных компонента
контроллера опоры, которые перечислены первыми в списке деталей.

Контроллер Prop-1: мозг контроллера аниматрона. Эта плата контроллера содержит микроконтроллер BASIC Stamp
и две шины входа-выхода, которые дают вам прямой доступ
к восьми выводам входа-выхода BASIC Stamp.

•
•

Первая шина представляет собой серию трехконтактных разъемов, к которым можно подключить стандартные сервокабели.
Эти разъемы обеспечивают TTL-интерфейс для BASIC Stamp
и используются для слаботочных приложений, например, для
связи с другими элементами управления аниматроником.
Вторая шина предназначена для сильноточных приложений
и может работать с током до 500 мА. Эти выходы можно использовать для прямого управления небольшими двигателями, реле,
электромагнитными клапанами и т. д.

Prop-1 также включает в себя регулируемый источник питания
5 В и интерфейс программирования, чтобы вы могли подключить его непосредственно к компьютеру для загрузки программ.

»
»

ОСТОРОЖНО!

PIR-датчик. Датчик движения, который можно подключить
через трехконтактный сервокабель к любому из слаботочных
контактов ввода/вывода Prop-1. Это устройство используется для запуска действия пропеллера.
Аудиоплеер AP-16+. Самый дорогой компонент контроллера
бутафории. Однако звук — неотъемлемый элемент любого хорошего аниматрона, а AP-16+ — универсальный плеер: он может
воспроизводить звуки в формате WAV непосредственно с карты micro-SD, у него есть встроенный усилитель мощностью
20 Вт, так что вы можете подключить колонки непосредственно
к AP-16+ без использования отдельного усилителя. AP-16+ также подключается к Prop-1 через трехконтактный сервокабель.
Это соединение позволяет Prop-1 посылать команды на AP-16+,
чтобы тот воспроизводил звуковые файлы на карте micro-SD.

Реле управления RC-4. Этот модуль позволяет управлять
четырьмя цепями линейного напряжения (120 В переменного тока) с помощью твердотельных реле. Он подключается
к Prop-1 через трехконтактный сервокабель, позволяя Prop-1
посылать команды RC-4 на включение или выключение реле
под управлением программы.

Контроллер попрыгунчика использует линейное напряжение, которое может травмировать или даже убить, если вы не будете осторожны. Убедитесь, что проводка линейного уровня правильно закреплена
и закрыта, никогда не работайте с платой контроллера, когда цепи линейного уровня подключены.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

891

Рис. 3.5.
Эта схема
показывает,
где установить
печатные платы
и просверлить
монтажные
отверстия для
контроллера
аниматроника

Вот порядок действий при сборке контроллера:

Покрасьте одну сторону оргстекла черной аэрозольной
краской и дайте ей высохнуть.

Просверлите необходимые монтажные отверстия
в оргстекле.
Нужно просверлить по четыре монтажных отверстия для
каждой из трех плат, которые будут крепиться к оргстеклу (Prop-1, RC-4 и AP-16+). Используйте сверло диаметром
3
/16 дюйма. На рис. 3.5 показано примерное расположение
отверстий для сверления, но учтите, что на этой схеме не соблюден масштаб. Чтобы определить точные места сверления,
нужно разложить на оргстекле реальные компоненты.

Установите контроллер Prop-1 на оргстекло.
Используйте четыре стойки и восемь винтов 4-40.
Расположите контроллер Prop-1 так, чтобы ряд винтовых клеммных разъемов находился слева, как показано
на рис. 3.5.

Установите плату RC-4 на оргстекло.
Используйте четыре стойки и восемь винтов 4-40.
Расположите плату RC-4 так, чтобы четыре винтовых
разъема находились в нижней части платы, как показано
на рис. 3.5.

892

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Установите плату AP-16+ на оргстекло.
Используйте четыре стойки и восемь винтов 4-40.
Расположите плату AP-16+ так, чтобы разъемы аудиовыхода
находились в нижней части платы, как показано на рис. 3.5.

С помощью двух проводов соедините клеммы V+ и GND
на Prop-1 с клеммами V+ и GND на плате AP-16+.
Эти провода используются для подачи питания на плату
AP-16+. После пробной установки проводов, отрежьте их
до нужной длины и снимите 3/8 дюйма изоляции с каждого
конца. Затем вставьте каждый конец провода в соответствующую винтовую клемму и затяните винт, чтобы обеспечить
надежное соединение.

С помощью одного из удлинительных кабелей соедините
разъем P7 на контроллере Prop-1 с разъемом SER на плате RC-4.
Этот кабель позволяет контроллеру Prop-1 посылать команды на плату RC-4, чтобы заставить плату RC-4 включать или
выключать реле.
Восемь трехконтактных выводов находятся в центре платы контроллера Prop-1. Эти разъемы обеспечивают доступ
к восьми портам ввода/вывода микропроцессора BASIC
Stamp. Разъемы имеют маркировку от P0 до P7, поэтому
не должно возникнуть проблем с поиском нужного разъема.
На плате RC-4 есть два трехконтактных разъема, оба помечены как SER. Они соединены друг с другом, поэтому не имеет значения, какой вы используете, так как электрически они
одинаковы.
Единственная хитрость при подключении удлинителя — убедиться, что он правильно ориентирован. Удлинительный кабель имеет три провода: белый, красный и черный. Кабели
нужно правильно вставить в разъем, иначе Prop-1 не сможет
взаимодействовать с RC-4.
Правильно сориентировать кабель на Prop-1 очень просто:
на трехконтактных разъемах есть метки, указывающие, какой
контакт белый, какой красный, а какой черный. На RC-4 кабель должен быть вставлен в разъем с черным проводом, направленным к внешнему краю платы, и белым проводом, направленным к центру платы.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

893

С помощью второго удлинительного кабеля подключите
пустой заголовок SER на плате RC-4 к одному из заголовков SERIAL на плате AP-16+.
Цель этого соединения — позволить контроллеру Prop-1 взаимодействовать с аудиоплеером AP-16+, чтобы сообщить ему,
когда воспроизводить звуки.
Как показано на рис. 3.5, контакты разъема SERIAL расположены в правом верхнем углу платы AP-16+. У штырьков
на разъемах AP-16+ маркировка W, R и B, поэтому не должно возникнуть проблем с ориентацией по цветам проводов.
Как и в случае с RC-4, на AP-16+ есть два разъема SERIAL,
и не важно, какой из них вы используете.

С помощью третьего удлинительного кабеля подключите
PIR-датчик к разъему P6 на контроллере Prop-1.
Разъем P6 находится рядом с разъемом P7.

10. Вставьте два твердотельных реле Crydom в позиции K1
и K2 на плате RC-4.
Обратите внимание: если ваш попрыгунчик должен управлять более чем двумя цепями 120 В переменного тока, можете
добавить до четырех реле Crydom на плату RC-4. И добавить
дополнительные платы RC-4, если нужно управлять более
чем четырьмя цепями.

Программирование контроллера Prop-1
Контроллер Prop-1 от EFX-TEK построен на базе микроконтроллера BASIC Stamp компании Parallax. Программирование BASIC Stamp
во многом похоже на программирование Arduino: вы инсталлируете интегрированную среду разработки (IDE) на свой компьютер, используете USB-порт для подключения BASIC Stamp к компьютеру, разрабатываете программу в IDE, а затем загружаете ее в BASIC Stamp.
Разница между Arduino и BASIC Stamp заключается в языке программирования. В Arduino используется разновидность языка программирования C. В BASIC Stamp — разновидность языка программирования
BASIC, известная как PBASIC.
Я покажу кодировку, необходимую для программирования контроллера Prop-1, звуковой платы AP-16+ и платы реле RC-4. Если вы знакомы с программированием Arduino на C или Raspberry Pi на Python,
не должно возникнуть особых проблем с кодом этой главы.

894

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Вот короткий фрагмент PBASIC, который мигает светодиодом, подключенным к выводу 15:
' ($STAMP BS)
' ($PBASIC 2.5)
Main:
HIGH 15
PAUSE 500
LOW 15
PAUSE 500
GOTO Main
Обратите внимание, что эта программа не является частью контроллера. Вот основные ее моменты.

»
»

»
»
»
»

Комментарии в начале (отмечены апострофами) необходимы
для указания версии BASIC Stamp и версии используемого
языка PBASIC.
Main. Это , обозначающая место в программе, на которое могут ссылаться другие операторы. В этом примере оператор GOTO используется для того, чтобы заставить главный
цикл программы выполняться многократно до тех пор, пока
контроллер включен.
HIGH 15 устанавливает значение вывода 15 в HIGH (+5 В).
Если к выводу 15 подключен светодиод, он будет гореть, когда на выходе будет установлено значение HIGH. (Обратите
внимание, вам не нужно подключать резистор для защиты
светодиода, поскольку все контакты ввода/вывода на плате
Prop-1 защищены встроенными резисторами 220 Ом.)
PAUSE 500 приостанавливает выполнение программы
на 500 миллисекунд.
LOW 15 устанавливает значение вывода 15 в LOW (0 В). Это
выключает светодиод.
PAUSE 500 приостанавливает работу программы еще
на 500 миллисекунд.
GOTO Main перенаправляет программу обратно в место, отмеченное меткой Main. Это заставляет программу повторяться
снова и снова, пока BASIC Stamp не будет выключен.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

895

Отправка команд на модули
RC-4 или AP-16+
Модули RC-4 и AP-16+ подключаются к порту 7 с помощью трехконтактных перемычек, чтобы Prop-1 мог отправлять сообщения на модули RC-4 и AP-16, используя простой протокол последовательной связи.
Вы используете команду SEROUT языка PBASIC для отправки сообщений
через вывод ввода/вывода. Команда SEROUT имеет простой синтаксис:
SEROUT pin, mode, (data)
Первый параметр команды SEROUT — pin — это просто номер вывода, на который будут отправлены данные. Поскольку модули RC-4
и AP-16+ подключены к контакту 7 в контроллере аниматроника, вы
просто укажете контакт 7 для этого параметра.
Второй параметр mode указывает на режим связи, который будет использоваться для отправки данных. Для всех модулей ввода/вывода EFX-TEK
в этом параметре следует указать встроенную константу OT2400.

ПРИМЕЧАНИЯ

Если интересно: OT2400 означает, что скорость передачи данных —
2400 бит/с, а полярность выхода — открытый канал, управляемый HIGH
(для меня это определение немного сложное, так что я бы не стал об этом
беспокоиться, просто используйте OT2400 для этого параметра).
Третий параметр data задает данные, которые будут отправлены на внешнее устройство. Его нужно поставить в круглые скобки, а внутри скобок вы можете перечислить столько строковых констант или переменных, сколько захотите. Например:
SEROUT PIN7, OT2400, ("Hello World!").
Этот оператор отправляет строковую константу "Hello World!"
на устройство на выводе 7.
Вот пример, в котором выполняется то же самое, но с тремя строковыми константами вместо одной:
SEROUT PIN7, OT2400, ("Hello ", "World", "!").
А вот пример, в котором используется переменная:
SYMBOL Bam = B0
Bam = "!"

896

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

SEROUT PIN7, OT2400, ("Hello, World", Bam).
У вас может возникнуть резонный вопрос: зачем использовать несколько строковых констант или переменных, а не одну? Ответ станет очевидным, когда прочитаете следующие два раздела о программировании модулей RC-4 и AP-16+.
Имеет смысл присвоить символ выводу ввода/вывода, к которому подключены модули RC-4 и AP-16+, и режиму связи. Например:
SYMBOL Sio = 7
SEROUT Sio, OT2400, ("Hello, World!")
Если потом вы решите изменить контакт ввода/вывода, к которому
подключено внешнее устройство, нужно будет внести только одно изменение в вашу программу — определение символа вместо многочисленных изменений в каждом операторе SEROUT.
Хотя это и не так важно, но также полезно использовать символ для
параметра mode, например, так:
SYMBOL Sio = 7
SYMBOL Baud = OT2400
SEROUT Sio, Baud, ("Hello, World!")
Почему? Потому что однажды вы можете решить перенести свою программу на другой контроллер, например, на более мощный контроллер
Prop-2. Когда это сделаете, обнаружите, что контроллер Prop-2 имеет
дополнительные настройки режима, которые обеспечивают более быстрый и надежный последовательный обмен данными. Вы сможете изменить режим последовательной связи для всех команд SEROUT вашей
программы, просто изменив оператор SYMBOL.

Программирование модуля
управления реле RC-4
Модуль управления реле RC-4 поддерживает до четырех высоковольтных твердотельных реле, которые могут включать и выключать цепи
линейного напряжения. EFX-TEK продает плату и реле отдельно, поэтому вы можете оснастить его именно тем количеством реле, которое
необходимо вашему проекту.
Используя пару перемычек на плате RC-4, вы можете присвоить ей адрес
0, 1, 2 или 3, таким образом последовательно соединить до четырех

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

897

плат RC-4 и с их помощью управлять до 16 отдельными релейными цепями. В примерах, приведенных в этом разделе, предполагается, что
вы сняли эти две перемычки, так что адрес RC-4 равен 0.
Чтобы управлять платой RC-4 с контроллера Prop-1, используйте команду SEROUT для отправки данных на контакт, к которому подключена плата RC-4. Эти данные должны иметь следующий формат:
· ?q\ZK?]JqXqÅ? Æ
Первый элемент данных — строковая константа «!RC4». Это преамбула,
которая указывает, что последующие данные предназначены для платы
управления реле RC-4. Это позволяет объединить в цепочку несколько разных типов плат EFX-TEK и посылать команды только на RC-4.
Второй элемент данных — адрес карты RC-4, на которую вы хотите отправить данные. Возможные значения: 0, 1, 2 или 3.
Третий элемент данных — команда, которая представляет собой один
символ, являющийся одной из нескольких команд, на которые может
ответить RC-4. В зависимости от используемой команды после нее может потребоваться еще один или два байта данных. Можно использовать следующие команды:
Команда Что делает команда
X

Сбрасывает все реле. Дополнительные данные не требуются.

Устанавливает или сбрасывает отдельное реле на определенное значение. Требуются два байта данных: один
для указания реле, которое нужно установить или сбросить, и второй для указания, должно ли реле быть замкнуто (установлено) или разомкнуто (сброшено).

Устанавливает все реле. За командой S следует один байт
двоичных данных, указывающий, какие реле должны быть
разомкнуты, а какие замкнуты.

Дает команду RC-4 отправить информацию о версии
своей прошивки обратно на контроллер. Информацию о
версии можно считать командой SERIN.

Получает текущее состояние всех реле. Используйте
команду SERIN для чтения данных из RC-4 после отправки
этой команды.

Три команды RC-4, которые вы будете использовать чаще всего, — это
X, чтобы сбросить все реле; R, чтобы настроить отдельное реле; и S, чтобы установить каждое из четырех реле в определенное состояние (включено или выключено). Эти команды описаны в следующих разделах.

898 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Выключение всех реле
Чтобы выключить все реле на модуле RC-4, используйте команду X.
Например:
SEROUT PIN7, OT2400, ("!RC4", 0, "X")
Лучше всего использовать эту команду в начале программы, чтобы убедиться, что программа запускается с выключенными реле.

Включение или выключение отдельного реле
Чтобы включить или выключить отдельное реле, вы посылаете команду R на RC-4. Команда R требует отправки пяти отдельных элементов
данных:

»
»
»
»
»

Преамбула: «!RC4».
Адрес платы RC-4.
Команда «R».
Номер реле: от 1 до 4.
Состояние реле: 1 — включение реле, 0 — выключение реле.

Вот оператор SEROUT для включения первого реле (номер 1):
SEROUT PIN7, OT2400, ("!RC4", 0, "R", 1, 1)
А вот оператор SEROUT для выключения первого реле:
SEROUT PIN7, OT2400, ("!RC4", 0, "R", 1, 0)

Настройка всех четырех реле одновременно
Чтобы задать состояние всех четырех реле одновременно, можно использовать команду S. Для этой команды требуются четыре элемента данных:

»
»
»
»

Преамбула: «!RC4».
Адрес платы RC-4.
Команда «S».
Однобайтовое значение, представляющее состояние четырех реле.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

899

Значение, управляющее состоянием реле, обычно записывается в виде
знака процента, за которым следуют четыре двоичных бита, представляющих состояние каждого реле: 1 — для включения и 0 — для выключения. Единственная хитрость в том, что четыре двоичных бита
записываются в обратном порядке: первый — реле 4, второй — реле 3,
третий — реле 2, четвертый — реле 1.
Например, чтобы включить реле 1 и выключить остальные три реле,
в качестве статуса реле нужно использовать %0001. Чтобы включить
реле 1 и 3 и выключить реле 2 и 4, в качестве статуса используется %0101.
Вот команда SEROUT, которая посылает команду S для включения всех
четырех реле:
SEROUT PIN7, OT2400, ("!RC4", 0, "S", %1111)
А вот команда SEROUT, которая включает реле 1 и 3 и одновременно выключает реле 2 и 4:
SEROUT PIN7, OT2400, ("!RC4", 0, "S", %0101)
Следующая команда SEROUT выключает все реле, что эквивалентно отправке команды «X»:
SEROUT PIN7, OT2400, ("!RC4", 0, "S", %0000)

Использование символов для
повышения читаемости команд RC-4
Как я уже упоминал, полезно использовать символы для обозначения
контактов ввода/вывода и режима вывода. Также полезно использовать символы для адреса RC-4, номера реле и состояния реле (включено или выключено). Это может сделать программу более читабельной.
Например, вот некоторые типичные объявления символов:
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL

Sio = 7
Baud = OT2400
RC4 = 0
Relay1 = 1
Relay2 = 2
Relay3 = 3
Relay4 = 4
RelayOn = 1
RelayOff = 0

900 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

С помощью этих объявлений символов вы можете включить реле 1 с помощью следующего оператора:
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", Relay1, RelayOn)
А вот оператор, который выключает реле 1:
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", Relay1, RelayOff)
А вот оператор SEROUT, который использует символы для отправки команды S, включающей реле 2 и 4 и выключающей реле 1 и 3:
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "S",%1010)

Пример программы для управления
всеми четырьмя реле RC-4
В Листинге 3.1 показана полная программа на PBASIC, которая дает
возможность немного потренироваться плате RC-4, выполняя следующую последовательность действий:

1.
2.
3.

Выключите все реле командой X.
Сделайте паузу на 1 секунду.
С помощью серии команд S включите реле 1, 2, 3 и 4 последовательно с интервалом в 1 секунду.
При включении каждого реле остальные три выключаются.

4.
5.

Сделайте паузу на 1 секунду, а затем выключите все реле.
С помощью серии команд R включите реле 1, 2, 3 и 4 последовательно с интервалом в 1 секунду.
При включении каждого реле состояние остальных реле
остается неизменным. В результате в этой части программы
сначала включается реле 1, затем добавляется реле 2, затем
добавляется реле 3, а затем добавляется реле 4. В этот момент все четыре реле включены.

Подождите 1 секунду, а затем повторите всю программу.
Эту программу можно загрузить с сайта-компаньона этой
книги.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

901

ЛИСТИНГ 3.1.

Программа управления RC-4
ÉÅÊª¦'½Æ
ÉÅÊ'½ª¨Æ
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL

Sio = 7
Baud = OT2400
RC4 = 0
Relay1 = 1
Relay2 = 2
Relay3 = 3
Relay4 = 4
RelayOn = 1
RelayOff = 0

Main:
'Turn off all relays
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "X")
PAUSE 1000
'Cycle through the relays one at a time
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "S", %0001)
PAUSE 1000
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "S", %0010)
PAUSE 1000
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "S", %0100)
PAUSE 1000
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "S", %1000)
PAUSE 1000
'Turn off all relays
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "S", %0000)
PAUSE 1000
'Turn on relay 1
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", Relay1, RelayOn)
PAUSE 1000
'Add relay 2
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", Relay2, RelayOn)
PAUSE 1000
'Add relay 3
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", Relay3, RelayOn)
PAUSE 1000

902

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

'Add relay 4
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", Relay4, RelayOn)
PAUSE 1000
'Repeat!
GOTO Main

Программирование модуля
аудиоплеера AP-16+
Модуль аудиоплеера AP-16 открывает универсальные возможности добавить звук в ваш аниматроник. Как и в случае с RC-4, вы общаетесь
с модулем AP-16+ с помощью последовательной связи через оператор
SEROUT. Некоторые команды заставляют модуль AP-16+ возвращать
данные, которые можно получить с помощью оператора SERIN. Но для
большинства программ достаточно послать несколько команд с помощью SEROUT, поэтому можно обойтись без оператора SERIN.
Плата AP-16+ может воспроизводить звуки, записанные в формате WAV
и хранящиеся на карте памяти micro-SD, поэтому перед программированием реквизита нужно подготовить карту micro-SD с файлами,
которые хотите, чтобы реквизит воспроизводил. Вы можете просто
скопировать файлы на карту micro-SD с помощью компьютера; единственное ограничение — имена файлов: они должны состоять не более чем из восьми символов, а расширение имени должно быть .wav.
(Карта AP-16+ не может воспроизводить файлы MP3.)
Для аниматроника Черт из коробки нужно два звуковых файла. Файл,
содержащий песню Pop Goes the Weasel, называется weasel.wav. Я сам
создал эту запись; вы можете скачать ее с сайта-компаньона этой книги.

Другой файл — это ужасающий крик, который раздается, когда появляется клоун. Этот файл называется scream.wav. Он также доступен
на сайте-компаньоне.

ПРИМЕЧАНИЯ

AP-16+ — это многофункциональная карта, разработанная для использования в автономном режиме, то есть без управления микроконтроллером.
Многие из ее функций полезны именно в автономном режиме. Например,
можете хранить на карте micro-SD файлы с заранее заданными именами, такими как SFXnn.wav и AUXnn.wav, где nn — двузначное число (например, SFX01.wav или AUX04.wav). AP-16+ можно настроить на автоматическое воспроизведение этих файлов в случайном порядке в ответ
на прямые триггерные входы на карте. AP-16+ также можно настроить
на воспроизведение фонового звука, имя файла которого должно быть
ambient.wav. Все эти функции очень полезны, но не имеют отношения

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

903

к контроллеру, представленному в этой главе. Поэтому, хотя я и игнорирую
эти функции, советую внимательно прочитать документацию по AP-16+,
поставляемую EFX-TEK, чтобы понять, как эти функции работают.
Чтобы управлять модулем AP-16+ с помощью контроллера Prop-1, используйте команду SEROUT для отправки данных на вывод, к которому подключен AP-16+. Отправляемые данные должны иметь следующий формат:
"!AP16", ,

Å? Æ

Строковая константа "!AP16" — это преамбула, которая указывает, что
команда предназначена для модуля AP-16+. Это позволяет объединять
в цепочку с AP-16+ различные типы модулей и управлять всеми модулями, используемыми в проекте, с одного вывода ввода/вывода.
Второй элемент данных — адрес модуля AP-16+, на который вы хотите отправить команду. Возможные значения: 0, 1, 2. Адрес устанавливается парой перемычек на плате AP-16+. В примерах, приведенных
в этом разделе, я предполагаю, что адрес AP-16+ равен 0.
Третий элемент данных — команда. В зависимости от используемой
команды после нее могут потребоваться дополнительные данные.
Возможны следующие команды:

904

Команда

Что делает команда

Сбрасывает AP-16+, останавливая любое звуковое сопровождение, которое может проигрываться в данный момент.

Устанавливает громкость выходного сигнала.

Воспроизводит указанный файл. В дополнительных данных указывается имя файла и количество циклов воспроизведения. (Укажите 0 для значения цикла, чтобы повторять
файл бесконечно.)

Получает текущее состояние карты AP-16+. Используйте
команду SERIN для чтения одного байта, который указывает,
воспроизводит ли AP-16+ в данный момент звуковой файл
и, если да, какой именно.

Воспроизводит один из файлов SFXnn.wav. Дополнительные данные указывают номер SFX (то есть nn) и количество
циклов воспроизведения файла. (Укажите 0 для значения
цикла, чтобы повторять файл бесконечно.)

Случайный выбор одного из SFXnn.wav-файлов для воспроизведения.

Воспроизводит один из файлов AUXnn.wav. В дополнительных данных указывается номер SFX (то есть nn) и количество повторов. (Укажите 0 для значения цикла, чтобы
повторять файл бесконечно.)

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Команда

Что делает команда

Изменение скорости воспроизведения.

Получение информации о версии AP-16+. Информация
о версии может быть считана с помощью команды SERIN.

Четыре команды AP-16+, которые вы будете использовать чаще всего:
X — для сброса аудиоплеера и остановки воспроизведения звука;
L — для настройки громкости выходного сигнала; PW — для воспроизведения определенного файла; G — для получения информации о текущем состоянии AP-16+, чтобы узнать, закончил ли он воспроизведение звукового файла. Эти команды описаны в следующих разделах.
Обратите внимание, в этих разделах предполагается, что следующие
символы определены в верхней части программы:
SYMBOL Sio = 7
SYMBOL Baud = OT2400
SYMBOL AP16 = 0

Сброс AP-16+
Чтобы сбросить AP-16+, отправьте такую команду X:
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "X").
Это приведет к немедленной остановке воспроизведения любого WAVфайла. Это не только хорошая идея послать команду в начале вашей
программы, чтобы убедиться, что AP-16+ готов к приему команд, но эта
команда также лучший способ заставить AP-16+ замолчать, если хотите остановить его до того, как закончится текущее воспроизведение.

Изменение громкости
При желании можете изменить выходную громкость из вашей программы, чтобы было не так громко или чтобы звук выводился с одной или
другой стороны комнаты.
Чтобы изменить громкость выходного сигнала, используйте команду L.
Синтаксис команды L следующий:
"!AP16", , "L", ,

Где и
— значения от 0 до 100, которые указывают процентное значение громкости для левого и правого выходов соответственно.

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

905

Например, чтобы установить громкость выхода на 50% для левого и правого выходов, используйте следующий оператор:
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "L", 50, 50)
Чтобы звук шел исключительно из левого канала, используйте следующее:

SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "L", 100, 0)
Чтобы вернуть звук к полной громкости, используйте следующий оператор:

SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "L", 100, 100)

Воспроизведение определенного файла
Чтобы воспроизвести определенный WAV-файл, используйте команду PW. Вот синтаксис:
"!AP16", , "PW", name, 13, loops
Параметр name — это имя файла без расширения .wav. Параметр 13
необходим из-за особенностей программирования AP-16+. Считайте
его талисманом удачи!
Параметр loops указывает, сколько раз файл должен повторяться.
Обычно достаточно указать 1, чтобы воспроизвести файл один раз.
Максимальное значение — 255, но укажите 0, если хотите, чтобы файл
воспроизводился вечно или, по крайней мере, до тех пор, пока не сбросите AP-16+ командой X или не используете другую команду PW для
воспроизведения другого файла.
Вот команда для однократного воспроизведения файла с именем
scream1.wav:
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "PW", "SCREAM1", 13, 1)
А это команда, которая бесконечно воспроизводит файл weasel.wav:
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "PW", «WEASEL», 13, 0)
Обратите внимание, что при воспроизведении звукового файла любое
воспроизведение другого звукового файла немедленно останавливается. Не нужно ждать окончания воспроизведения одного звукового
файла, чтобы воспроизвести другой.

906

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Ожидание окончания воспроизведения файла
Часто требуется, чтобы программа подождала, пока закончится звучащий файл и лишь потом началось воспроизведение другого. Это можно
сделать с помощью команды PAUSE, если точно знаете, сколько длится
воспроизведение звука. Но что делать, если не уверены?
К счастью, в AP-16+ есть команда G, которая позволяет узнать текущее состояние карты. Чтобы использовать эту команду, нужно сначала послать команду G на AP-16+ с помощью оператора SEROUT, а затем
получить результат статуса с помощью оператора SERIN.
Оператор SERIN довольно прост. Его синтаксис выглядит так:
SERIN pin, mode, variable
Параметры pin и mode такие же, как и в операторе SEROUT. Параметр
variable — имя переменной, которую выделили для получения результата состояния.
Вот как можно использовать операторы SEROUT и SERIN вместе, чтобы
получить статус AP-16+:
SYMBOL ap16Status B0
SEROUT Sio, AP16, ("!AP16", AP16, "G")
SERIN Sio, AP16, ap16Status
В этом примере оператор SYMBOL приравнивает имя ap16Status к переменной B0. Затем SEROUT посылает команду G на AP-16+, а SERIN извлекает данные о состоянии в переменной ap16Status.
Данные о состоянии содержат разнообразную полезную информацию,
но почти в каждом случае единственное, что вам действительно нужно
знать, — воспроизводит ли AP-16+ в данный момент звук. Это можно
выяснить, проверив бит 7 байта состояния. Самый простой способ сделать это — определить символ, используя предопределенные битовые
переменные BASIC Stamp, как показано в этом примере:
SYMBOL ap16Status = B0
SYMBOL ap16Playing = BIT7
Затем вы можете просто проверить переменную ap16Playing, как показано ниже:
IF ap16Playing = 0 THEN SoundDone

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

907

Этот оператор перейдет к метке SoundDone, если AP-16+ закончил воспроизведение звука.
Вот полный фрагмент кода, который воспроизводит звук, а затем блокирует себя в цикле, пока звук не закончится:
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "PW", "SCREAM", 13, 1)
StillPlaying:
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "G")
SERIN Sio, Baud, ap16Status
IF ap16Playing = 0 THEN SoundDone
GOTO StillPlaying
SoundDone:
É|]q]JXjZX·

Пример программы для AP-16+
В Листинге 3.2 показана полная программа на PBASIC, которая воспроизводит звуки на карте AP-16+. Программа воспроизводит звук
weasel.wav в течение 10 секунд, а затем воспроизводит звук scream.wav
до тех пор, пока он не закончится. Затем он повторяется. Эту программу можно загрузить с сайта-компаньона этой книги.
ЛИСТИНГ 3.2.

Программа для AP-16+
ÉÅÊª¦'½Æ
ÉÅÊ'½ª¨Æ
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL
SYMBOL

Sio = 7
Baud = OT2400
AP16 = 0
ap16Status = B0
ap16Playing = BIT7

'Reset the card
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "X")
Main:
'Play Pop Goes the Weasel
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "PW", "WEASEL", 13, 0)
'Wait 10 seconds
PAUSE 10000

908 ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

'Play the scream
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "PW", "SCREAM", 13, 1)
'Wait for the scream to end
StillScreaming:
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "G")
SERIN Sio, Baud, ap16Status
IF ap16Playing = 1 THEN StillScreaming
'Do it again
GOTO Main

Программирование детектора
движения PIR
Датчик PIR использует инфракрасный свет для обнаружения движения.
При обнаружении движения он посылает микроконтроллеру сигнал 1.
На первый взгляд можно подумать, что PIR-датчик очень просто использовать: подключите его к одному из выводов входа-выхода Basic
Stamp и ждите, пока вывод примет значение 1, чтобы запустить ваш
аниматроник. Код будет выглядеть примерно так, если предположить,
что PIR — это символ, назначенный контакту ввода/вывода, к которому подключен PIR:
WaitForMovement:
IF Pir = 0 THEN WaitForMovement
MovementDetected:
ÉÌ]QY|Y\QZ|qÍZKQ\JKQ|JKZjqK·
К сожалению, все не так просто, когда речь идет об обнаружении движения с помощью PIR. PIR не будет надежным какое-то время, когда
впервые подается питание. Поэтому любая программа, использующая
PIR для обнаружения движения, должна начинаться с немедленной
60-секундной паузы. Это даст PIR время успокоиться, чтобы он мог
надежно обнаружить движение.
Во-вторых, PIR часто посылает очень короткие ложные сигналы срабатывания, когда в комнате нет движения. Обычный способ обойти эту
проблему — подождать, пока значение PIR не станет равным 1 в течение четверти секунды, прежде чем запускать ваш реквизит.
Это можно сделать с помощью несложного кода:

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники 909

SYMBOL Pir = PIN6
SYMBOL waitTimer = B2
PAUSE 60000
Main:
waitTimer = 0
WaitForMotion:
PAUSE 10
waitTimer = waitTimer + Pir * Pir
IF waitTimer &lt; 25 THEN WaitForMotion
É'¨JXq\ÎY^|YÎZXYZ|QZjZXYZAKZ]X
É[JÏQJKQ\JKQ|JKZjqKJÎZQ~Qq[ÐZXJ
Хитрость кода в том, что цикл WaitForMotion приостанавливается
на 10 миллисекунд, а затем прибавляет значение статуса входа PIR к переменной waitTimer, одновременно умножая результат на статус входа PIR. Если значение входа PIR равно 0, умножение на статус входа
сбрасывает переменную waitTimer в 0, поскольку любое число, умноженное на нуль, равно нулю. Таким образом, цикл не завершится, пока
PIR не обнаружит движение в течение четверти секунды.

Просмотр полной программы
«Черт из коробки»
Теперь, когда вы ознакомились с методами программирования отдельных компонентов контроллера реквизита, соедините их вместе,
чтобы создать программу для реального реквизита. В Листинге 3.3 показана полная программа для «Черта из коробки». Я давал подробные
комментарии, поэтому не должно возникнуть проблем с пониманием
ее основных операций. (Программа доступна для загрузки на сайтекомпаньоне этой книги.)

ЛИСТИНГ 3.3.

Программа для «Черта из коробки»
ÉÅÊª¦'½Æ
ÉÅÊ'½ª¨Æ
' Jack-in-the-Box Program
'
' The following devices are connected to the prop controller
' for this prop
'
' Pin 6 PIR Sensor
'
' Pin 7 Serial communication for:

910

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

' RC-4
Address %00
' AP-16+
Address %00
'
' RC-4 Relay 1:
Pneumatic Solenoid Valve to open prop
'
Light to illuminate clown
'
' RC-4 Relay 2:
Motor to turn crank handle
'
'
' AP-16+ Sound Files
'
' WEASEL.WAV Pop Goes the Weasel to be played while motor is
' running
' SCREAM.WAV Scream to play when clown pops up
'
' The action of the prop is as follows:
'
' 1. Turn the crank arm motor and play "Pop Goes the Weasel"
'
until motion is detected in the room.
'
' 2. When motion is detected, pop up the clown and play the
'
scream sound.
'
' 3. When the scream sound ends, retract the clown, wait 2
'
seconds, and then resume the crank motor and "Pop Goes
'
the Weasel."
'
' 4. Wait at least 10 seconds before triggering the prop
'
again.
'
SYMBOL Sio = 7
SYMBOL Baud = OT2400
SYMBOL RC4 = 3
SYMBOL RelayValve = 1
SYMBOL RelayMotor = 2
SYMBOL RelayOn = 1
SYMBOL RelayOff = 0
SYMBOL AP16 = 0
SYMBOL ap16Status = B0
SYMBOL ap16Playing = BIT7
SYMBOL Pir = PIN6
SYMBOL waitTimer = B2
'Reset everything & pause one minute to let the PIR stabilize.
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "X")
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "X")
PAUSE 50000

ГЛАВА 3.Создание контроллера для аниматроники

911

Main:
É' ' § ©
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "PW", "WEASEL", 13, 0)
'Start the motor.
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", RelayMotor, RelayOn)
'Wait 10 seconds for the room to clear.
PAUSE 10000
'Wait for the PIR to trigger for 0.25 seconds.
waitTimer = 0
WaitForMotion:
PAUSE 10
waitTimer = waitTimer + Pir * Pir
IF waitTimer < 25 THEN WaitForMotion
'At this point the trigger has been activated.
'Stop the motor.
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", RelayMotor, RelayOff)
'Play the scream.
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "PW", "SCREAM", 13, 1)
'Pop up the clown.
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", RelayValve, RelayOn)
'Wait for the scream to end.
StillScreaming:
SEROUT Sio, Baud, ("!AP16", AP16, "G")
SERIN Sio, Baud, ap16Status
IF ap16Playing = 1 THEN StillScreaming
'Retract the clown.
SEROUT Sio, Baud, ("!RC4", RC4, "R", RelayValve, RelayOff)
'Wait 2 seconds.
PAUSE 2000
'Do it all again.
GOTO Main

912

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

В ЭТОЙ ГЛАВЕ…
» Роботы со стеклянными головами
из старой научной фантастики

» Проектирование винтажной головы
фантастического робота

» Изготовление головы научно-фантастического робота

» Правила безопасности

Гл а в а 4

Как сделать голову научнофантастического робота
оя любовь к научно-фантастическим фильмам началась еще
в 1960-х годах, когда я был маленьким мальчиком. Да, мне действительно столько лет. Я смотрел «Стартрек», когда его только начали показывать (к счастью, мой отец как раз купил наш первый
цветной телевизор), и «2001 год: Космическая одиссея», когда он только вышел на экраны.

Особенно мне нравились фильмы и телепередачи, в которых фигурировали роботы, неважно, добрые они были или злые. В 50–60-х годах
их было много. Двумя самыми популярными роботами были Робби
из классического фильма 1950-х годов «Запретная планета» и робот
B-9 (чаще всего его называли просто «Робот») из классического телесериала «Затерянные в космосе».
Одна из определяющих характеристик обоих роботов — забавные головы с крутыми приборами внутри стеклянного шара. В этой главе
я воплощу в жизнь одну из своих давних фантазий — создам собственную винтажную голову робота со стеклянным пузырем. За неимением
лучшего названия и в честь одного из моих любимых романов Курта
Воннегута я назвал винтажную голову робота «VIN-e» (VIN-e означает virtual infundibuled extenuator 1). Его основная функция — заставить
1

Выражение Virtual Infundibuled Extenuator («виртуальный инфундибулярный ослабитель») —
вымышленный технический термин. Автор использует его как пародию на сложные научно-технические названия, чтобы добавить юмора в текст. – Прим. пер.

ГЛАВА 4.Как сделать голову научно-фантастического робота

913

ситуацию казаться не такой плохой, как она есть на самом деле, и убедить вас, что даже если все так плохо, это не ваша вина. В конце концов, существуют смягчающие обстоятельства, а VIN-e — это самый настоящий смягчитель.
VIN-e — чисто фантастическое творение, созданное только для развлечения. Он собран из кусочков и деталей, большинство из которых лежали у меня без дела. Если хотите построить собственную версию VIN-е,
не пытайтесь повторить моего робота, используйте свой творческий
потенциал и детали, которые у вас случайно завалялись или которые
можете купить в местном магазине с большой скидкой или даже найти
на складе. Создавайте его так, чтобы самому было интересно и смешно!
На самом деле, в этой главе я не предлагаю подробных планов сборки. Просто покажу, что вдохновило меня на создание VIN-e, несколько деталей, которые я использовал для его постройки, и фотографию
VIN-e в его нынешнем виде. Создание VIN-e все еще не закончено:
я достаточно долго возился с ним и, вероятно, буду продолжать возиться еще несколько лет.

Робби и B-9 как источник вдохновения
«Запретная планета» — знаменитый научно-фантастический фильм, вышедший на экраны в 1956 году. В этом фильме есть много интересного.

»
»
»
»

914

Это первый научно-фантастический фильм, в котором звездолет летит быстрее света.
В нем снялся Лесли Нильсен, когда он еще был серьезным
актером, а не комическим гением, которого мы увидели десятилетия спустя в таких фильмах, как «Аэроплан!» и «Голый
пистолет».
Сценарий фильма — это фантазии на тему пьесы Шекспира
«Буря».
Она оказала одно из главных влияний на Джина
Родденберри, когда он задумывал «Стартрек». Так, оригинальный пилот «Стартрека» (под названием «Клетка»)
удивительно похож на «Запретную планету». А действие
«Запретной планеты» происходит на планете Альтаир IV.
Система Альтаира часто фигурирует в «Стартреке». Планетасестра Альтаира IV — Альтаир VI — упоминается в эпизоде
оригинального сериала «Время Амока», а Альтаир VI играет
роль в классическом симуляторе Кобаяси Мару из фильма
1982 года «Стартрек II: Гнев Хана».

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Но больше всего в «Запретной планете» запомнилось появление фантастического робота по имени Робби. Робби был механическим костюмом, разработанным и созданным в основном Робертом Киношитой.
Киношита окончил Университет Южной Калифорнии по специальности архитектура в 1940 году, но затем, как и многие американцы
японского происхождения, оказался в лагере для интернированных
японцев во время Второй мировой войны.
Дизайн Робби был амбициозным и очень дорогим — сейчас стоимость
костюма превысила бы 1 миллион долларов! Голова состояла из множества двигающихся и мигающих гаджетов, представляющих собой
электронный мозг, заключенный в большой купол из плексигласа. Есть
элементы, напоминающие глаза, нос и уши, а также рот, который загорается, когда Робби говорит.

Рис. 4.1.
Робот Робби из
«Запретной планеты»

На рис. 4.1 показана модель Робби (часть моей коллекции). Я увеличил масштаб головы, чтобы вы могли увидеть ее основные компоненты.
Через десять лет после создания Робби продюсер Ирвин Аллен нанял
Киношиту, чтобы тот разработал еще одного робота для своего нового
телесериала «Затерянные в космосе». Новый робот стал таким же знаменитым, как и Робби. Его полное название — General Utility NonTheorizing Environmental Control Robot (GUNTER), но почти всегда его
называют просто Робот. Иногда его называют по номеру модели B-9.
Ирвин Аллен называл его Блинки.

ГЛАВА 4.Как сделать голову научно-фантастического робота

915

Как и Робби, B-9 — это костюм с удивительной механической и электрической детализацией. Вместо огромной головы с параболическим
куполом, наполненной механическими деталями, у B-9 есть сенсорный блок в стеклянном корпусе, содержащий более современно выглядящую электронику. Мне всегда казалось, что сенсорный блок напоминает рифленый потолочный светильник для ванной или шкафа.
Как и у Робби, у B-9 есть рот, который загорается, когда робот говорит.
На рис. 4.2 показана модель B-9 (также часть моей коллекции).

Рис. 4.2.
Робот B-9 из
фильма «Затерянные в космосе»

Замысел VIN-e
Идея создания VIN-e возникла давно, когда я в сотый раз смотрел
«Запретную планету». Мне пришло в голову, что было бы забавно
спроектировать и построить что-то подобное — не весь костюм робота, а только голову, потому что головы старых научно-фантастических
роботов всегда кажутся самыми интересными частями.
Я сидел над этой идеей несколько лет и отвлекался на множество других проектов. Но продолжал думать об этом и, наконец, решил сделать,
когда в 2020 году разразилась пандемия COVID-19. Как и многим людям, мне нужно было отвлечься.
Я решил, что хочу, чтобы голова робота имела элементы, в основном
вдохновленные роботом Робби и B-9:

916

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

»
»

Стеклянный колпак, закрывающий голову.
Электронные или механические инструменты (или и то
и другое), напоминающие глаза, нос и уши.

Голос, воспроизводящий случайные, включая лучшие, высказывания робота Робби («Простите, мисс, я делал себе масло»
или «Вся эта штука едва дотягивает до десяти тонн») или B-9
(«Опасность, Уилл Робинсон» или «Это не вычисляется»).

»
»

Рот, который загорается, когда VIN-e говорит.
По крайней мере, одна деталь, которая двигается, — скорее
всего, датчик или антенна за пределами колпака.

»
»

Мигающие огни (разумеется).
Как можно больше деталей, которые выглядят винтажными,
похожими на вакуумные трубки и тому подобное, а вся современная электроника спрятана внутри.

Представляем VIN-e 1.0
На рис. 4.3 показан VIN-e в его нынешнем виде. Мне кажется, он выглядит замечательно, но еще есть куда совершенствоваться. Будет интересно посмотреть, как VIN-e будет выглядеть через год или два!

Рис. 4.3.
VIN-e, версия 1

ГЛАВА 4.Как сделать голову научно-фантастического робота

917

В следующих разделах мы кратко расскажем о различных деталях, из которых состоит версия 1.0 VIN-e.

Колпак
Колпак, закрывающий голову, — это пластиковая сервировочная миска,
которую я нашел в Target примерно за $12. Я понял, что пластик должен быть таким, чтобы его можно было легко разрезать. И это должно быть что-то, что я могу найти на полке, потому что не умею отлить
такой купол из оргстекла.
Диаметр миски 11 дюймов сверху и 6 дюймов снизу, а высота — 6 дюймов. Конечно, я перевернул ее вверх дном для VIN-e.
В колпаке сделал только один вырез — прямоугольник 2½ дюйма в верхней части, чтобы разместить центральную опору. Миску было достаточно легко резать с помощью ротационного инструмента Dremel. Я купил две миски на случай, если испорчу одну, но первая попытка была
успешной.

Основание
Основание, на которое опирается голова, представляет собой пластиковый сервировочный поднос, который я купил в магазине Big Lots примерно за 10 долларов. Поднос размером 12 × 18 дюймов, что немного
великовато, поэтому обрезал его до 12-дюймового квадрата с помощью
Dremel и покрасил в черный цвет.
Высота основания 1¾ дюйма, это достаточно, чтобы вместить всю электронику, управляющую VIN-e.

Центральная опора
Центральная опора поднимается от основания вверх через купол и затем над верхней частью колпак — это дешевый уличный светильник
на солнечной батарее, который я купил в Harbor Freight за 10 долларов.
Светильник разбирается на три части, как показано на рис. 4.4.
Верхняя часть — лампа. В ней есть солнечная панель — крошечная плата внутри, батарея и светодиод. Я разобрал ее на части и оставил только ребристую прозрачную часть, там есть крутой отражатель в нижней
части для рассеивания света от светодиода. Я заменил белый светодиод, который шел в комплекте с лампой, на красный, потому что красный свет будет привлекать внимание.

918

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Рис. 4.4.
Уличный светильник на
солнечных батареях,
который я использовал
в качестве центральной опоры VIN-e

Я сохранил центральную часть светильника, чтобы использовать в качестве опоры в центре головы VIN-e. Она удерживает глаза и нос. Я также просверлил в ней несколько отверстий, чтобы пропустить через
них кабели.
Нижняя часть — это колышек для втыкания светильника в землю. Я использовал Dremel, чтобы отрезать часть колышка, но сохранил круглый
штырь, который вставляется в опору — использовал его для крепления
столба к основанию.

Глаза и нос
Глаза сделаны из крышек от двух контейнеров со шпаклевкой, которые лежали у меня годами (шпаклевка давно высохла). Покрасил их
бронзовой краской металлик.
Огоньки в центре глаз, а также носовой фонарь — это светодиодные
лампочки для аркадных игровых консолей, которые купил на Amazon.
Я купил несколько дюжин таких лампочек несколько лет назад для
другого проекта, и осталось несколько штук. Светодиоды рассчитаны
на 12 В постоянного тока и имеют встроенный токоограничивающий
резистор, так что не придется ставить свой резистор.
Я думал, что светодиоды будут отлично работать при напряжении 5 В,
подаваемом на цифровые контакты ввода-вывода на плате Arduino,
но это не сработало, поэтому использовал реле для переключения нужного напряжения для светодиодов.

ГЛАВА 4.Как сделать голову научно-фантастического робота

919

Рот
Рот VIN-e — это декоративная светодиодная лампа размером 6×1 дюйм,
в которой светодиод выглядит как старомодная нить накаливания. У этой
конкретной лампы нить накаливания закручивается сверху вниз. Я подключил эту лампу к тому самому комплекту Velleman MK110 Simple
One Channel Light Organ, который показываю в главе 1 части 8, а в качестве входного сигнала использовал линейный выход с MP3-экрана.
В магазине Home Depot я нашел очень классные пластиковые держатели
для кабелей. Прикрепил два из них к основанию на расстоянии около
4 дюймов друг от друга и просто вставил лампу между ними. На рис. 4.5
показаны эти детали. Я использовал недорогой цоколь лампы, подключенный к выходу схемы светового органа Velleman.
Я пока не придумал, как сделать рифленый прозрачный пластиковый
экран, похожий на рот Робби или B-9, так что пока что рот VIN-e — это
светодиодная винтажная лампа.

Рис. 4.5.
Кусочки и детали,
использованные для
поддержки рта и вакуумных трубок VIN-e

Вакуумные трубки
Я хотел что-то, что выглядело бы действительно винтажно, как старые вакуумные трубки. Я наткнулся на набор светодиодных ламп
с цоколем канделябр, нити накаливания которых напоминают вакуумные трубки, поэтому купил их вместе с несколькими цоколями.

920

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Нашел низкопрофильную пластиковую электрическую коробку, которую использовал для установки ламп на дюйм или около того выше
основания.
Лампа перед винтажными светодиодными лампами — это 1-дюймовые
квадратные лампы для аркадных игр, купленные на Amazon. Они похожи на светодиоды, которые я использовал для глаз и носа. Один из них
красный, а другой — зеленый.

Антенна
Антенна на подставке — одна из моих любимых деталей. Она закреплена на кронштейне с двумя сервоприводами, который я приобрел
в виде набора на Amazon. Сервопривод крепится парой винтов к верхней части уличного светильника.
Сама антенна была сделана из фонарика, который я купил в Rite
Aid, просто разобрал его и заменил сверхъяркий белый светодиод
на красный.
У каждого из сервоприводов — трехжильный провод, а сам резистор —
двухжильный. Я просверлил отверстие в задней части опоры, чтобы
пропустить провода к основанию, чтобы их можно было подключить
к соответствующим контактам на Arduino.

Электроника VIN-e
Вся электроника, необходимая для управления VIN-e, смонтирована
под основанием. Используются следующие компоненты:

Плата Arduino MEGA. Плата MEGA похожа на плату UNO,
но у нее есть дополнительные цифровые выводы ввода/вывода, чтобы можно было управлять дополнительными схемами, как показано на рис. 4.6. На самом деле VIN-e не нужны
эти дополнительные выводы, но я решил использовать плату
MEGA, потому что она совместима с экранами, разработанными для UNO, но имеет цифровые выводы, которые не закрыты экраном.
Плата Adafruit MP3. Я искал в Интернете то, что должен говорить VIN-e, и скопировал это на карту памяти micro-SD.

ГЛАВА 4.Как сделать голову научно-фантастического робота

921

Рис. 4.6.
Плата Arduino
MEGA

Рис. 4.7.
Плата восьмиканального реле

»
»

922

Восьмиканальная плата реле (см. рис. 4.7). Эта плата обеспечивает восемь релейных цепей, которыми можно управлять с цифровых выводов Arduino. Все 12-вольтовые лампы
включаются и выключаются через плату реле.
Комплект Velleman MK110 Simple One Channel Light Organ.
Он используется для синхронизации рта VIN-e с его голосом.

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

»
»

Небольшой аудиоусилитель. Я собрал его из старого дешевого набора компьютерных колонок. Просто разобрал
колонки и выбросил корпуса, оставив только схему усилителя и динамики.
Два источника питания. VIN-e использует следующие источники питания:
w> "
• Этот
источник используется для питания винтажных
светодиодных ламп. Он также используется для питания
двух других источников питания. Чтобы безопасно управлять распределением 120 В переменного тока в проекте,
я использовал закрытую клеммную колодку, как показано
на рис. 4.8: черный входящий шнур питания, подключенный к клеммной колодке с дополнительными проводами
для подключения питания 120 В переменного тока к другим компонентам проекта.
> Это используется для питания Arduino и аудиоуси• лителя.
Я использовал небольшой настенный адаптер,
подключенный к цепи 120 В переменного тока.

Рис. 4.8.
Закрытая клеммная колодка
обеспечивает безопасную подачу питания 120 В
переменного тока

ГЛАВА 4.Как сделать голову научно-фантастического робота

923

Заключительное замечание
о безопасности
В заключение этой главы и этой книги хочу сказать несколько слов
о безопасности.
Как и во многих других проектах, над которыми вам предстоит работать, в VIN-e используется ток от электросети 120 В переменного тока.
Работа с током от электросети может быть крайне опасной, поэтому
примите все необходимые меры предосторожности. Если не уверены,
как безопасно построить цепь, не делайте этого.
Обязательно просмотрите главу 4 части 1, где вы найдете общие советы по безопасной работе с электроникой, и главу 1 части 1, в которой
даны дополнительные сведения по технике безопасности при работе
с током от электросети.
Наконец, собирая такой проект, как голова винтажного робота, не пренебрегайте другими аспектами безопасности. Все электроинструменты,
даже такие маленькие, как вращающиеся инструменты Dremel, могут
быть опасны. Всегда используйте защиту для глаз и лица, держите рабочее место в чистоте и знайте, что именно режете или сверлите, прежде чем резать или сверлить.
И тогда ничто не помешает вам получить удовольствие от вашего хобби!

924

ЧАСТЬ 8. Специальные эффекты

Предметный указатель
*

автотрансформатор, 393

~D3, контакт на плате UNO, 558

индуктивность и, 392

~D5, контакт на плате UNO, 558

индукторы, 261

~D10, контакт на плате UNO, 558

магнетизм и, 392

~D11, контакт на плате UNO, 558

общее обсуждение, 392

~D6, контакт на плате UNO, 558

определение, 409
повышающий, 393
понижающий, 393, 411

1–9

с центральным отводом, 410

1N400x, диоды, 271

AM-радио (амплитудная модуляция), 428

1N4148, диод, 271

AND

1N914, диод, 271

в системах домашней сигнализации, 480

2N2222, транзистор, 298, 300

двувходовый, 479

4011 NAND (четырехканальный вентиль
с двумя входами), 506

как вход разрешения, 481

4011 счетверенный 2-входовый элемент
NAND, 506

общее обсуждение, 479

4013 Dual D Flip-Flop (двухступенчатый триггер), 535

переключатели, 468

4013 двойной D-триггер, 535
4-битный режим модуля ЖК-дисплея, 610
556 двойной таймер, 343
74xx, логическая серия, 326
802.11n, беспроводная сеть, 669
8-битный режим модуля ЖК-дисплея, 610

КМОП, 510
описание, 478
построение из элемента NAND, 490
построение из элемента NOR, 491
Apple macOS, 668
Arduino
MP3-шилд
воспроизведение MP3-трека, 636
воспроизведение звуков с помощью,
635
контакты (выводы), 633

особенности, 631

AC (переменный ток)
адаптеры питания, 408
блокирование постоянного тока при прохождении переменного, 245
генераторы переменного тока, 390
двигатели, 391
измерение, 386
линейное напряжение
в проектах, 395
заземляющие провода, 399
нейтральные провода, 399
обзор, 394

подготовка карты micro-SD, 632
сборка, 632
UNO (модель платы), 549
воспроизведение песни, 628
воспроизведение сирены, 627
гаджет клавиатуры Windows, 661
использование динамика с
аргумент duration, 621
обзор, 619
подключение динамика, 622
пьезозуммер, 619

провода для, 400

создание звука с помощью динамика, 623

соединители для, 400

функция beep, 621

фазные (под напряжением) провода, 399
магнитное поле и, 385
обзор, 384
обозначения на схемах, 88
определение, 50, 385
трансформаторы

функция tone, 620
использование кнопки, 592
клавиатура
библиотека Keyboard, 657
нажатие и удержание клавиш, 660
отправка строки через, 658

925

разъемы ввода-вывода, 656

сервопривод

кнопочная панель, 3x3, 646

определение, 637

4x4, 646

подключение, 638

библиотека, 649

программа управления, 640

детали, 654

программирование, 639

использование, 653

трехжильный кабель, 638

карта клавиш, 651

управляющий сигнал, 638

кнопки в, 646

создание идентификаторов, 575

количество строк и столбцов, 650

создание музыки, 628

контакты строк и столбцов, 651

стартовый комплект, 552

настройка, 650

тестовая схема для светодиода, 569

обнаружение нажатой клавиши, 652

тип USB-порта, 657

определение, 645
переменная Keypad, 652

улучшенная версия программы случайных чисел, 599

подключение, 646

управление светодиодом, 557

проводка, 646

установка IDE, 552

программирование, 647

функции, 588

сборка, 653

хитрости программирования, 592

тестирование, 655

циклы for, 586

функция waitForKey, 653

циклы while, 583

комментарии, 573

цифровой ввод/вывод, 557

макетные шилды (платы для прототипирования), 551, 567

шилды (платы расширения), 551

математические операции, 577
мигалка на светодиодах

эскиз, 554
язык, 563
Audacity (программное обеспечение), 739

с комментариями, 573
с оператором if, 581
с переменной, 578

с переменной частотой, 603

Bluetooth, 669

с управлением кнопкой, 596
с функцией, 589
с циклами for, 587
с циклом while, 585
мигание светодиодами, 572

C
CSI (последовательный интерфейс камеры), 669

мигание светодиодом с Arduino UNO, 561
обзор, 549

926

оператор switch, 659

операторы if, 580

D0, 611

переменные, 575

D0→RX на плате UNO, 558

плата MEGA, 804

D1, 611

по сравнению с Raspberry, 668

D1←TX на плате UNO, 558

потенциометр: считывание значения
с, 601

D12 на плате UNO, 559

проверка состояния переключателя, 593

D2, 611

программа "Азбука Морзе", 625

D2 на плате UNO, 558

программа "Мигание" (Blink), 554

D3, 611

программа для кнопки, 595

D4, 611

программа мигания светодиода, использующая потенциометр, 602

D4 на плате UNO, 558

программа случайных чисел, 598

D6, 611

сборка музыкального проигрывателя, 635

D7, 611

сборка тестовых схем, 569

D7 на плате UNO, 558

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

D13 на плате UNO, 559

D5, 611

D8 на плате UNO, 558
DC (постоянный ток)

L
LED Flasher Сайлона, 715

адаптеры питания, 408

LED-мигалка с переменной частотой, 732

блокирование конденсаторами, 242

Leonardo (плата Arduino)

блокирование при прохождении переменного, 245
определение, 49, 385
преобразование переменного тока
в, источник питания для, 409
стабилизация конденсаторами, 242
Dock (Mac), 553
DSI (последовательный интерфейс дисплея), 669

библиотека Keyboard, 657
в сравнении с UNO, 656
нажатие и удержание клавиш, 660
оператор switch, 659
отправка строки с помощью клавиатуры, 658
разъемы ввода-вывода, 656
тип USB-порта, 657

DTL (диодно-транзисторная логика), 503

Light-O-Rama, 747

D-триггер, 534

Light-O-Rama Sequence Editor
описание, 760
создание анимационных последовательностей, 767

E
EEPROM (электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее
устройство), 543
Ethernet, 669

создание музыкальных последовательностей, 762

M
macOS (операционная система), 668

F
FM-радио, 430

MCP3008, аналого-цифровой
преобразователь
использование в Python, 729
назначение выводов, 724

G
GPIO
использование для цифрового ввода, 717
контакты, 670
подключение с активным высоким уровнем, 718
подключение с активным низким уровнем, 718
порты, 670
устранение ненужных предупреждений, 694

описание, 724
подключение потенциометра
к Raspberry Pi, 727
функции выводов, 726
Microsoft Windows (операционная система), 668
MP3-трек, создание, 636
MP3-шилд Music Maker
версии, 631
воспроизведение MP3-трека, 636
воспроизведение звуков с помощью, 635
выводы, 633
особенности, 631

сборка, 632

IDE (интегрированная среда разработки)
Arduino, 552, 639
определение, 545

N
NAND
в схемах датчиков, 484

КМОП, 508

Java (язык программирования), 689

общее обсуждение, 483

JK-триггер, Arduino, 534

описание, 478
определение, 483
построение других элементов из, 489
таблица истинности, 483

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

927

NOR
КМОП, 515

использование GPIO для цифрового ввода, 717

описание, 478

источник питания для, 671

построение из элемента NAND, 490

клавиатура для, 672

NOT

компоненты, 669

общее обсуждение, 478

мигание светодиодов, 693

описание, 478

монитор для, 671

определение, 302

мышь для, 672

построение, 303

накопитель, 672

построение из элемента NAND, 489

написание первой программы, 679

построение из элемента NOR, 490

настройка, 671

транзисторная схема, 302

операционная система

NPN транзисторы, 289, 297

инсталляция, 672

NPN-транзисторы 2N3904, 72

обзор, 668

NXOR, описание, 478

сравнение с другими ОС, 668
описание, 668
пакет mcp3008, 729

O
OR
в схемах датчиков, 483
двухвходовый, 482
КМОП, 512
общее обсуждение, 482
описание, 478

плата для тестирования светодиодов, 691
подключение к сети, 672
подключение светодиодов к порту GPIO,
683
порты GPIO, 681
построение тестовых схем, 690
провод-перемычка, 683

построение, 471

программа для кнопочного выключателя, 721

построение из элемента NAND, 490

программа светодиодной мигалки

построение из элемента NOR, 490

использующая потенциометр, 731

таблица истинности, 482

на Python, 684

четырехвходовый, 483

с константами, 698

OUTPUT, константа, 565

с оператором if, 706
с функцией, 703

P
PCB (печатные платы)

рабочий стол, 675
светодиодная мигалка
кнопочный переключатель, 722

для поверхностного монтажа, 112

с вложенными циклами while, 708

для сквозного монтажа, 112

с комментариями, 695

обзор, 112

с переменной частотой, 732

предварительно напечатанные, 113

с циклами for, 711

создание пользовательских, 113

сборка, 686

схема "подбрасыватель монет", 114
PCB для поверхностного монтажа, 112

со списком, 714

PCB со сквозными отверстиями, 112

устранение ненужных предупреждений
GPIO, 694

PCBWay (название компании), 113

файловая система, 676

Pi (Raspberry)

чтение аналогового входа, 724

LED Flasher Сайлона, 715

p-n переход, 267

Thonny IDE, 678

PNP транзисторы, 289

в сравнении с Arduino, 668

Python

версии, 670

Hello, World!, 679

включение последовательного периферийного интерфейса (SPI), 727

LED Flasher Сайлона, 715

запуск, 674

использование MCP3008, 729

идентификаторы, 697
как интерпретируемый язык, 689

928

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

комментарии, 695
константы, 697

обзор, 668
сравнение с другими ОС, 668

написание первой программы для
Raspberry Pi, 679

описание, 668

оператор while, 707

плата для тестирования светодиодов, 691

операторы if, 704

подключение к сети, 672

отступы, 689
пакет mcp3008, 729

подключение светодиода к порту GPIO,
683

проверка состояния переключателя в, 720

порты GPIO, 681

программа для кнопочного выключателя, 721

построение тестовых схем, 690

программа мигания светодиодов, 693

программа для кнопочного выключателя, 721

программа мигания, использующая потенциометр, 731
программа светодиодной мигалки

пакет mcp3008, 729

провод-перемычка, 683

программа светодиодной мигалки
использующая потенциометр, 731

на Python (повторение), 684

на Python, 684

с константами, 698

с оператором if, 706

с функцией, 703
светодиодная мигалка
с вложенными циклами while, 708

с функцией, 703
рабочий стол, 675
светодиодная мигалка

с переменной частотой, 732

кнопочный переключатель, 722

с программой с комментариями, 695

с вложенными циклами while, 708

с циклами for, 711

с комментариями, 695

со списком, 714

с переменной частотой, 732

создание функций, 702

с циклами for, 711

списки, 712

сборка, 686

циклы for, 709
шаг (stride), 709

со списком, 714
устранение ненужных предупреждений
GPIO, 694
файловая система, 676

чтение аналогового входа, 724

Raspberry Pi

Raspberry Pi 2, 670

LED Flasher Сайлона, 715

Raspberry Pi 3, 670

Thonny IDE, 678

Raspberry Pi 4, 671

в сравнении с Arduino, 668

RC-4, модуль управления

версии, 670
включение последовательного периферийного интерфейса (SPI), 727
запуск, 674
использование GPIO для цифрового ввода, 717

включение или выключение отдельных
реле, 784
выключение всех реле, 784
использование символов для повышения
читаемости команд, 785
описание, 771

источник питания для, 671

отправка команд на, 781

клавиатура для, 672
компоненты, 669

программа для управления всеми четырьмя реле, 786

мигание светодиодами, 693

программирование, 783

монитор для, 671

установка всех четырех реле сразу, 785

мышь для, 672

RS-защелки, 522

накопитель, 672

RTL (резисторно-транзисторная логика), 503

написание первой программы, 679
настройка, 671
операционная система
инсталляция, 672

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

929

SCL, вывод на разъеме платы UNO, 559

X, команда, 789

SDA, вывод на разъеме платы UNO, 559

XNOR, 486

SEROUT, команда, 781

XOR, 468, 478

ShowTime PC, контроллер
описание, 750
особенности, 748
подключение к компьютеру, 757

сборка, 755

автомобильный стеклянный предохранитель
(AGC), 402

тестирование, 757

автотрансформатор, 393

SPI (последовательный периферийный
интерфейс)

адаптеры
адаптеры переменного тока, 408

включение на Raspberry Pi, 727

адаптеры постоянного тока, 408

определение, 726

внешние, 395

SPST, переключатель (однополюсный, однонаправленный), 175
SR-защелки, 522
SR-триггер, 534

полярность, 408
предварительно собранные, 408
размер разъема, 408
адаптеры питания
внешние, 395
готовые, 408

переменного тока (AC), 408

Thonny IDE, среда разработки, 678

полярность, 408

TRIG, вывод, 607

постоянного тока (DC), 408

TTL (транзисторно-транзисторная логика), 503

размер разъема, 408

T-триггер, 534

токовая мощность, 408
азбука Морзе, 33, 625
алюминиевые электролитические конденсаторы, 235
Ампер, Андре-Мари, 203

UNO, подключение к, 553

амперметр, 141

USB-адаптер, 751

амперы, 30
амперы, 47, 141, 203

амплитудная модуляция (AM), 425, 428
аналоговые мультиметры, 139

Vcc , вывод, 329, 607
Velleman MK110 Simple One Channel Light
Organ, набор, 738, 740, 802, 805

аналоговый вход: чтение, 724

VIN-e (виртуальный удлинитель воронки)

Андерсен, Ганс Христиан, 142

вакуумные трубки, 803
глаза и нос, 802

аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
724
анимация праздничного освещения
Light-O-Rama Sequence Editor

купол, 800

описание, 760

проектирование, 800

создание анимационных последовательностей, 767

рот, 802
центральная опора, 801
электронные компоненты, 804

создание музыкальных последовательностей, 762

VO, вывод, 611

базовая конфигурация Light-O-Rama, 749

void, 564

выбор освещения для дисплея, 752
каналы, 751
контроллер ShowTime PC

W
Windows, операционная система, 668

описание, 750
особенности, 748
подключение к компьютеру, 757
сборка, 755

930

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

тестирование, 757

определение, 167

обзор, 747

перезаряжаемые, 29, 67, 169

последовательности, 751, 761

размеры, 169

проектирование расположения, 754

символ на схемах, 88

анод, 71, 169, 268, 288
антенны

утилизация, 169
безопасность

для кристаллических приемников, 441

заключительное слово о, 805

для радиопередатчиков, 425

избегание воды и влажности, 77

для радиоприемников, 425

обзор, 74

антенный провод, 435

опасности электричества

антистатический браслет, 82

бытовой электрический ток, 75

аптечка первой помощи, 81

напряжения, 75

аргумент duration, 621

обзор, 74

аргументы, 565, 703

пайка, 80

Армстронг, Эдвин, 433

средства безопасности, 81

астабильный мультивибратор, 306
астабильный режим, микросхема таймера 555

статические разряды, 81
безумный ученый, лаборатория
"третьи руки" (держатели), 60

временные интервалы в, 336

батарейки, 67

описание, 334

беспаечная макетная плата, 64

определение, 325, 328

в фильмах о Франкенштейне, 54

рабочий цикл (скважность), расчет, 337

зажимы-перемычки, 68

типовая схема, 335

изолента, 68

атомный номер, 43

кабельные стяжки, 68

атомы, 42

лупы, 60

аудиомодуль AP-16+, воспроизведение
определенных файлов, 791

мультиметр, 63

изменение громкости, 790
ожидание окончания воспроизведения
файлов, 791

обустройство, 55
освещение, 56
основные электронные компоненты

описание, 778

диоды, 70

отправка команд, 781

интегральные схемы (ИС), 72

пример программы, 792

конденсаторы, 70

программа для реквизита "Черт из коробки", 794

резисторы, 69

сброс, 790

светодиоды (LED), 71
транзисторы, 71

аудиоразъем Raspberry Pi, 669

паяльник, 62

аудиосистема, 751

предупреждающий знак, 73

аудиоусилитель, 426, 805

провода, 65

аудиоустройства

пространство, 55

определение, 35

рабочий стол, 56

части, 35

ручные инструменты

АЦП (аналого-цифровой преобразователь),
724

дешевые, 58
инструмент для зачистки проводов, 58
кусачки для проводов, 58

отвертки, 58
плоскогубцы, 58

Бавиера, Хулио, 423

сжатый воздух, 68

база (транзистора), 71, 290, 446

сиденья, 56

база-эмиттер, 290

тиски для хобби, 60

батарейки

хранение, 56

древние, 33
общее обсуждение, 167

электричество, 56
Берра, Йоги, 95

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

931

бесконечное входное сопротивление (импеданс), 368
бесконечное сопротивление, 296
бесконечный коэффициент усиления в разомкнутом контуре., 368
беспаечная макетная плата

В
вакуумное крепление, 62
вакуумные трубки, 287, 803
вакуумный ламповый триод, 288
валентные оболочки, 264

DIP-микросхемы в, 320

ватты, 30, 52

контактные отверстия, 102

веревочные светильники, 754

контактные шины, 103

Вестингауз, Джордж, 388

обзор, 64

видео электронные устройства, 36

определение, 64, 95

включение в качестве одновибратора , 331

прототипирование схем на

вода, опасность электричества и, 77

компоновка, 104

Вольта, Алессандро, 33, 203, 263

обзор, 102

вольтметр, 48, 142

описание, 102

вольты, 30, 33, 48

схема "подбрасыватель монет", 106

Воннегут, Курт, 797

беспроводная сеть, 669

восьмиканальная релейная карта, 804

беспроводная сеть 802.11n, 669

вспышка фотоаппарата, 78

библиотека Keyboard, 657

вторичная обмотка, 393

библиотека функций, 565

вход CLOCK, 532

биполярные транзисторы, 288

вход ENABLE, триггерная защелка, 527

бистабильные схемы, 4013 Двойной D, 535

вход RESET, триггерная защелка, 527

D-триггер, 534

вход SET, 519, 527

JK-триггер, 534

входные схемы с активным высоким уровнем, 592, 718

SR-триггер, 534
T-триггер, 534

входные схемы с активным низким уровнем,
592, 718

защелки

вывод +3.3 В на разъеме платы UNO, 560

D-триггер, 528

вывод LED-, 611

RS-защелки, 522

вывод LED+, 611

SR-защелки, 522

вывод MCS, 633

вход SET, 519

вывод RS, 611

с активным высоким уровнем, 519

вывод RW, 611

с активным низким уровнем, 519

вывод VIN на разъеме платы UNO, 560

триггерные, 527

вывод VSS, 611

микросхема таймера 555, 339

вывод порог, 330

общее обсуждение, 339

вывод разряда, 330

подавление дребезга тактового входа, 541

вывод сброс, 330

счетный T-триггер, 539

вывод триггер, 330

типы, 534

выводы, ~D10 на разъеме платы UNO, 558

управляемые по фронту/срезу, 532

~D11 на разъеме платы UNO, 558

биты, 465

~D3 на разъеме платы UNO, 558

блок питания (кирпич), 396

~D5 на разъеме платы UNO, 558

Боше, Джагадиш, 423

~D6 на разъеме платы UNO, 558

Бранли, Эдуард, 423

~D9 на разъеме платы UNO, 558

браслет, антистатический, 82

+3.3 V на разъеме платы UNO, 560

Браун, Фердинанд, 423

+5 V на разъеме платы UNO, 560

Брукс, Мел, 54

A0 на разъеме платы UNO, 559

Булева алгебра, 477

A1 на разъеме платы UNO, 559

Булева логика, 476

A2 на разъеме платы UNO, 559

Буль, Джордж, 477

A3 на разъеме платы UNO, 559

бытовой электрический ток, 75

A4 на разъеме платы UNO, 559
A5 на разъеме платы UNO, 560

932

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

AREF на разъеме платы UNO, 559

выходной вывод, 329

D0, 611

вычитание, 577

D0→RX на разъеме платы UNO, 558
D1, 611
D1←TX на разъеме платы UNO, 558

D12 на разъеме платы UNO, 559

гаджет клавиатуры Windows, 661

D13 на разъеме платы UNO, 559

гамма-лучи, 421

D2, 611

генераторы, 390

D2 на разъеме платы UNO, 558

генераторы переменного тока, 386

D3, 611

генри (единица индуктивности), 257

D4, 611

германиевый диод, 436

D4 на разъеме платы UNO, 558

герц (единица частоты), 155, 421

D5, 611

Герц, Генрих, 421

D6, 611

гигагерц (ГГц), 421

D7, 611

глобальные переменные, 577

D7 на разъеме платы UNO, 558

голова ретро-научно-фантастического
робота

D8 на разъеме платы UNO, 558
DCS, 633

VIN-e (виртуальный удлинитель воронки)

DREQ, 633

вакуумные трубки, 803

ECHO, 607

глаза и нос, 802

GND (земля), 607

источники питания, 805

GND на разъеме платы UNO, 560

купол, 800

LED-, 611

основание, 801

LED+, 611

проектирование, 800

RS, 611

рот, 802

RW, 611

центральная опора, 801
электронные компоненты, 804

SCL на разъеме платы UNO, 559
SDA на разъеме платы UNO, 559

вдохновение для, 800

TRIG, 607

обзор, 797

Vcc, 329

робот Робби, 798

VCC, 607

горячие провода (фаза), 399

VIN на разъеме платы UNO, 560

гравитация, 44

VO, 611

графический процессор, Raspberry Pi, 669

VSS, 611

губка (для паяльника), 131

порог, 330
сброс, 330
выводы ввода/вывода
Arduino UNO, 550

Д
дальномер HC-SRO4

обзор, 544

расчеты, 609

общее обсуждение, 545

описание, 606

управление светодиодом, 557

расположение выводов, 607

выпрямители
мостовые, 277, 413
определение, 271, 276, 411
полноволновые, 277, 413

чтение импульсного входа, 608
генерирование триггерного импульса,
608
дальномер, ультразвуковой

полуволновые, 276, 412

генерирование триггерного импульса,
608

преобразование переменного тока в постоянный, 276

дальномер HC-SRO4, 607

прямое падение напряжения, 271
схемы, 278
выпрямительные диоды, 271
выпрямление, 411

определение, 606
расположение выводов, 607
расчеты, 609
чтение импульсного входа, 608

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

933

датчик приближения
построение, 451
с общим коллектором, 455
с общим эмиттером, 451
датчик приближения с общим эмиттером,
изготовление, 451
датчик приближения, Arduino
жк-дисплей, 4-х битный режим, 610
8-ми битный режим, 610
программирование, 612

обозначения на схемах, 88
определение, 36
диодно-транзисторная логика (ДТЛ), 503
диоды
анод в, 269
блокирование обратной полярности с помощью, 274
выпрямители
определение, 271, 276

создание, 614

полноволновые, 277

ультразвуковой дальномер

полуволновые, 276

HC-SRO4, 607
генерирование триггерного импульса, 608
определение, 606

преобразование переменного тока
в постоянный, 276
прямое падение напряжения, 270
схемы, 278

расположение выводов, 607

выпрямительные, 271

расчеты, 609

германиевые, 272, 436

чтение импульсного входа, 608

защитные, 272

двигатели, 391

Зенера, 272

двоичные системы счисления

катоды в, 269

биты, 465

максимальное обратное напряжение, 270

логические операции, 467

обзор, 70, 263

общее обсуждение, 465

обратное смещение, 269

степени двойки, 466

определение, 263, 268

двойные микросхемы таймера 556, 343

полупроводники

двухвходовой элемент AND, 479

N-тип, 265

двухвходовой элемент OR, 482

p-n переход, 267

двухполюсный двунаправленный переключатель (DPDT), 176, 274

P-тип, 266

двухполюсный однопозиционный переключатель (DPST), 176

кристаллы, 265

двухполюсный переключатель, 174
двухрядный корпус (DIP), 319
двухступенчатый счетный T-триггер, 539
двухфазная система, 391
Де Морган, Август, 487
деление, 577
держатель для батареек, 67
десятичная система, 464
детектор движения PIR
описание, 777
программирование, 793
детекторный радиоприемник
заземление, 442
изготовление, 435
использование, 443
компоненты, 434
настройка антенны, 441
обзор, 433
простая схема, 434
сборка схемы, 438
детекторы, 426

934

динамики

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

зона обеднения, 267
легирование (примеси), 265
обзор, 264
определение, 263
равновесие, 268
прямое падение напряжения, 270
прямое смещение, 269
сигнальные, 271
символ на схемах, 88
ссылочный идентификатор, 93
диоды Зенера, 272
дискретные компоненты, 312
Диснейленд, 769
дифференциальные входы, 364
диэлектрик, 230
длина волны, 422, 444
домашний каталог (Linux), 677
допуск, 207
Доус, Честер Л., 250
друг, 81

значения сопротивления, 69

емкость

значки, используемые в этой книге, 24

измерение, 231

зона обеднения, 267

маркировка, 232

зуммер, 356

определение, 231

И
Ж
жк-дисплей HD44780
использование, 610
назначение выводов, 611

идентификатор, 92
идентификаторы
Arduino, 575
Python, 697

подключение к Arduino, 610

измерительные приборы, 141

программирование, 612

измерительные провода, 48, 141

жк-дисплей в 4-битном режиме, 610

изолента, 68

жк-дисплей в 8-битном режиме, 610

изолированный провод, 32
изоляторы, 32, 45
импеданс, 368

импульсный вход, чтение, 608

зажим для батарейки, 67

инвертирующие усилители, 370

зажимы типа "крокодил", 68, 131

инвертирующий вход, 365

зажимы-перемычки, 68

инвертор с единичным усилением, 373

заземление

инверторы

путь в схемах, 89

общее обсуждение, 478

символ на схемах, 88

описание, 478

заземление для детекторного радиоприемника, 443

определение, 302, 372

заземляющие провода, 399

построение из элемента NAND, 489

Заколдованная комната Тики (Диснейленд),
769

построение из элемента NOR, 491

Закон Мура, 317

построение, 303

таблица истинности, 478
транзисторная схема, 302

Закон Ома, 143, 201, 283, 450

индекс, 651

замкнутые цепи, 165

индуктивность, 254

Запретная планета (фильм), 797

индукторы

Затерянные в космосе (сериал), 797

использование, 261

защелки

комбинирование, 260

D-триггер, 528

магнетизм

RS-защелки, 522

обзор, 251

SR-защелки, 522

постоянные магниты, 252

вход SET, 519

северный и южный магнитные полюса, 251

определение, 519
с активным высоким уровнем, 519
с активным низким уровнем, 519
триггерные, 527

наведение тока
генри (единица измерения), 257
обзор, 254

защелки с активным высоким уровнем, 519

неравные, 260

защелки с активным низким уровнем, 519

обзор, 250

защита глаз, 131

определение, 254

защитные диоды, 272

параллельное соединение, 260

защитные диоды, 272

последовательное соединение, 260

защитные очки, 78

расчет постоянных времени RL, 258

звуковые волны, 422

расчет реактивного сопротивления, 259

звуковые эффекты, 739

самоиндукция, 255

земля (потенциал), 82

символ на схемах, 88

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

935

сопротивление изменениям тока, 254

астабильный режим, 325, 331, 334

ссылочный идентификатор, 93

бистабильный режим, 339

электромагниты, 253

вывод выхода, 340

инструмент "третья рука", 130

выводы, 329

инструменты
дешевые против дорогих, 58

добавление переключателей установки/сброса, 353

для распайки, 137

зуммер, 356

мультиметры

моностабильный режим, 325, 331, 332

аналоговые, 139

на схемах, 330

измерение с помощью, 146

обзор, 328

обзор, 138

обзор, 325, 326

описание, 48, 63

однотактный таймер, 346

символы измерительных функций
на схемах, 143

описание, 328

типы измерений, 141

схема мигалки светодиода, 350

цифровые, 139
части, 140
паяльники
вилка питания, 129

триггер, 339
тепловое повреждение, 324
чтение спецификаций, 324
интегрированная среда разработки (IDE)

встроенный контроль температуры, 129

Arduino, 552, 639

номинальная мощность, 129

Thonny, 678

обзор, 62

определение, 545

покупка, 128

интенсивность, 47

сменный наконечник, 129

интерпретируемый язык, 688

ручные

инфракрасный свет

дешевые, 58

бесконтактный датчик (ОК-схема), 453

зачистка проводов, 58
кусачки, 58

бесконтактный датчик (ОЭ-схема), построение, 451

отвертки, 58

волны ЭМИ, 421

плоскогубцы, 58

ИК-детектор, 448

третья рука, 130

обзор, 444

инструменты для зачистки проводов, 58, 439

обнаружение, 446

интегральные схемы (ИС), 556 двойной таймер, 343

общее обсуждение, 444

двухрядный корпус (DIP), 319
Закон Мура, 317
корпуса, 319

936

режим триггера, 339

определение, 444
простая схема ИК-детектора, 447
создание, 449
ИС (интегральные схемы)

логическое семейство 74xx, 326

двухрядный корпус (DIP), 319

на схемах, 93, 321

Закон Мура, 317

обзор, 316

корпуса, 319

операционный усилитель, 326, 380

логическое семейство 74xx, 326

операционный усилитель 741, 326

на схемах, 93, 321

операционный усилитель LM324, 326

обзор, 316

определение, 72, 316, 317

операционный усилитель, 326, 380

питание, 322

операционный усилитель 741, 326

предотвращение повреждений от статики и тепла, 323

операционный усилитель LM324, 326

производство, 318

питание, 322

ссылочный идентификатор, 93
стабилизатор напряжения 78xx, 326

предотвращение повреждений от статики и тепла, 323

статические разряды, 323

производство, 318

таймер 555, 556 двойной таймер, 343

ссылочный идентификатор, 93

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

определение, 316, 317

стабилизатор напряжения 78xx, 326

каналы, 422, 695, 751

статические разряды, 323

Карлофф, Борис, 54

таймер 555, 556 двойной таймер, 343

карты microSD

астабильный режим, 325, 331, 334
бистабильный режим, 339
вывод выхода, 340

в Raspberry Pi, 672
подготовка, 632
каталоги (Linux)

выводы, 329

bin, 677

добавление переключателей установки/сброса, 353

boot, 677

зуммер, 356

etc, 677

моностабильный режим, 325, 331, 332

lib, 677

на схемах, 330

media, 677

обзор, 325, 326

mnt, 677

однотактный таймер, 346

opt, 677

описание, 328

proc, 677

режим триггера, 339

sbin, 677

схема мигалки светодиода, 350

srv, 677

триггер, 339

tmp, 677

тепловое повреждение, 324
чтение спецификаций, 324

dev, 677

usr, 677
var, 677

Исследование законов мышления (Буль), 477

катод, 71, 107, 169, 288

источник, 35

катоды, 269

источники питания

катушки

адаптеры питания, 408

вторичная, 393

для Raspberry Pi, 670

для детекторного радиоприемника, 436

для радиопередатчиков, 425

изготовление, 436

напряжение

первичная, 392, 409

преобразование, 410

квадратная волна, 155

регулирование, 416

кварцевый осциллятор, 428

обзор, 407
определение, 408

керамические дисковые конденсаторы, 70,
234

регулируемые, 416

килобайты, 466

сборка, 396

килогерц, 156

сглаживание напряжения индукторами, 260

Киношита, Роберт, 798
клавиатуры

фильтрация выпрямленного тока, 414

Arduino

функции, 409

библиотека Keyboard, 657
нажатие и удержание клавиш, 660

К
кабели
Cat5, 757
HDMI, 672
трехжильный, 638

оператор switch, 659
отправка строки с помощью, 658
разъемы ввода-вывода, 656
тип USB-порта, 657
Raspberry Pi, 672
клеевой пистолет, 439

кабель Cat5, 757

клеевые стержни, 439

кабель HDMI, 672

клеммные колодки, 401

кабель NMB, 398

клеммные колодки (контактные шины), 103

кабельные стяжки, 68

клеммы, 172

кабельные стяжки, 68
калибр (провода), 66

КМОП (комплементарный металло-оксидный полупроводник), 504

калькулятор Windows, 468

КМОП элемент AND, 510

калькулятор программиста, 468

КМОП элемент NAND, 508

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

937

КМОП элемент NOR, 515
КМОП элемент OR, 512

блокирование постоянного тока при прохождении переменного, 245

кнопка, использование с Arduino, 592

зарядка, 242

кнопочная панель, Arduino

использование, 241

3x3, 646

керамические дисковые, 234

4x4, 646

комбинирование, 239

библиотека, 649

комбинирование параллельно, 239

гаджет клавиатуры Windows, 661

комбинирование последовательно, 239

детали, 654

маркировка допуска, 233

использование, 653

обзор, 70

кнопки в, 646

обозначение на схемах, 88

количество строк и столбцов, 650

общее обсуждение, 228

настройка, 650

определение, 78

обнаружение нажатой клавиши, 652

определение, 228

определение, 645

переменные, 235, 436

переменная Keypad, 652

пленочные, 234

подключение, 646

полярность, 230

проводка в, 646

размеры, 234

программирование, 647

разрядка, 79, 230, 242

раскладка клавиш, 651

резистивно-емкостные цепи (rc-цепи),
205, 237

сборка, 653
тестирование, 655
функция waitForKey, 653
кнопочные переключатели, 173
ковалентные связи, 264
коллекторы (транзистора), 71, 290, 446
коллектор-эмиттер, 290
колыбель Ньютона (игрушка), 50
команды
delay (задержка), 554
digitalWrite (цифровая запись), 555

слюдяные, 234
совет по безопасности, 38
ссылочный идентификатор, 93
схема зарядки, 235
считывание значений, 232
типы, 234
установка в проект "подбрасыватель монет", 117
формы, 234
электролитические, 235

G, 789

коннекторы, 401

L, 789

константа INPUT, 565

loop (цикл), 555

константы Python, 697

P?, 789

контакт +5 В на плате UNO, 560

PA, 789

контакт A0 на плате UNO, 559

pinMode (режим контакта), 554

контакт A1 на плате UNO, 559

PS, 789

контакт A2 на плате UNO, 559

PW, 789

контакт A3 на плате UNO, 559

S, 789

контакт A4 на плате UNO, 559

SEROUT, 781

контакт A5 на плате UNO, 560

setup (настройка), 555

контакт AREF на плате UNO, 559

V, 789

контакт CCS, 633

X, 789

контакт CLOCK (CLK), 611

комментарии, 573, 695

контакт CLOCK (CLK), 611

компаратор напряжения, 374

контакт DCS, 633

компенсация, 159

контакт DREQ, 633

компилятор, 689

контакт ECHO, 607

компьютеры, 36, 751

контакт GND (земля), 607

конденсаторы

контакт GND на плате UNO, 560

безопасность, 78

938

серебряно-слюдяные, 234

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

контакт IOREF на плате UNO, 560

контакт ввода данных, 726

крепление болтами, 62

контакт выбора микросхемы (CS), 726

крепление зажимом, 62

контакт вывода данных, 727

крестовая отвертка, 439

контакт земли, 329

кристаллы, 265

контактные отверстия, 102

крошечная макетная плата, 567

контроллер Prop-1

кулисные переключатели, 173

описание, 777

кулоны, 231

программирование, 780

Курс электротехники (Доус), 250

контроллеры аниматронных устройств

кусачки для проводов, 358, 439

аниматроника, определение, 769
аудиомодуль AP-16+
воспроизведение определенных файлов, 791

Л
лаборатория

изменение громкости, 790

"третьи руки" (держатели), 60

ожидание окончания воспроизведения
файлов, 791

батарейки, 67

описание, 778
отправка команд, 781
пример программы, 792
сброс, 790
ИК-датчик движения
описание, 777
программирование, 793
модуль управления реле RC-4
включение или выключение отдельных
реле, 784

беспаечная макетная плата, 64
в фильмах о Франкенштейне, 54
зажимы-перемычки, 68
изолента, 68
кабельные стяжки, 68
лупы, 60
мультиметр, 63
обустройство, 55
освещение, 56
основные электронные компоненты

выключение всех реле, 784

диоды, 70

использование символов для повышения читабельности команд, 785

интегральные схемы (ИС), 72

отправка команд, 781

резисторы, 69

программа для управления всеми четырьмя реле, 786

светодиоды (LED), 71

конденсаторы, 70

транзисторы, 71

программирование, 783

паяльник, 62

установка всех четырех реле одновременно, 785

предупреждающий знак, 73

обзор, 769
программирование контроллера Prop1, 780
сборка контроллера попрыгунчика, 776

провода, 65
пространство, 55
рабочий стол, 56
ручные инструменты

типичный аниматронный попрыгунчик,
772

дешевые, 59

требования, 770

кусачки для проводов, 58

черт из коробки

отвертки, 58

компоненты, 773

инструмент для зачистки проводов, 58

плоскогубцы, 58

подъемный механизм, 773

сжатый воздух, 68

принципиальная схема, 775

сиденья, 56

корневой каталог (Linux), 677

тиски для хобби, 60

коробки, 120

хранение, 56

короткие замыкания, 165
корпус для схем, 120

электричество, 56
лампа, схема

корпуса для проектов, 120

параллельное соединение, 183

коэффициент усиления по напряжению, 365

переключение между двумя лампами, 191

коэффициент усиления по току, 291

последовательное соединение, 181

крепление, 62

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

939

последовательные схемы с выключателем, 186

обзор, 492

простые, 170

логические функции, 477

с выключателем, 177

логические элементы, 4011 Счетверенный
2-входовый элемент NAND, 506

символ на схемах, 88
управление двумя лампами одним выключателем, 191
лампочка

AND
в системах домашней сигнализации,
480

замена, 75

двухвходовый, 479

изобретение, 28

как вход разрешения, 481

лампы

КМОП, 510

C7, 753

общее обсуждение, 479

C9, 753

описание, 478

LED, 753

построение из элемента NAND, 490

веревочные светильники, 754
для лаборатории, 56

построение из элемента NOR, 491
NAND

мега-дерево, 754

в схемах датчиков, 484

миниатюрные лампы накаливания, 753

КМОП, 508

миниатюрные лампы накаливания, 753

общее обсуждение, 483

сетевые светильники, 753

описание, 478

скульптуры из проволочного каркаса, 754

определение, 483

фигуры из пластика, 754

построение других элементов из NAND,
489

легирование (примеси), 265
Летающий цирк Монти Пайтона (сериал),
690
линейное напряжение
в проектах
безопасность, 396

построение из элемента NOR, 491
таблица истинности, 483
Теорема Де Моргана, 487
NOR
КМОП, 515

заземляющие провода, 399

описание, 478

нейтральные провода, 399

построение других элементов из, 490

обзор, 395

построение из элемента NAND, 490

фазные провода, 399
заземляющие провода, 399

Теорема Де Моргана, 487
NOT

нейтральные провода, 399

общее обсуждение, 478

обзор, 394

описание, 478

провода для, 400

определение, 302

разъемы для, 400

построение, 303

схемы

построение из элемента NAND, 489

защита предохранителями, 402
управление реле, 403
фазные провода, 399
логические операции, 467
логические схемы, 4011 Счетверенный
2-входовый элемент NAND, 506
логические элементы на интегральных
схемах, 503
логические элементы серии 4000, 505
логические элементы ТТЛ серии 7400,
504

построение из элемента NOR, 490
транзисторная схема, 303
NXOR, описание, 478
OR
в схемах датчиков, 483
двухвходовый, 482
КМОП, 512
общее обсуждение, 482
описание, 478
построение из элемента NAND, 490

обзор, 492

построение из элемента NOR, 490

транзисторные схемы

таблица истинности, 482

NAND, 496
NOR, 499

940

OR, 499

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

четырехвходовый, 483
XNOR, 486

XOR, 478

мегагерц, 156

булева логика и, 477

мега-дерево, 754

двухвходовый AND, 479

менеджер библиотек (Arduino), 657

двухвходовый OR, 482

микрогенри (мкГн), 257

защелки, 522

микроконтроллеры

на интегральных схемах, 503

контакты ввода/вывода (I/O), 544, 545

обзор, 476

обзор, 542

определение, 302

оперативная память (ОЗУ), 543

программные симуляторы, 491

определение, 543

серии 4000, 505

программирование, 544

теорема Де Моргана, 487

тактовый генератор, 543

ТТЛ серии 7400, 504
четырехвходовый OR, 483
логические элементы на интегральных схемах, 503

центральный процессор (ЦП), 543
микропроцессор BASIC Stamp, 771, 777
микросхемы таймера 555
556 двойной таймер, 343

логические элементы серии 4000, 505

астабильный режим, 325, 331, 334

логические элементы ТТЛ серии 7400, 504

бистабильный режим, 339

Лодж, Оливер, 423

в принципиальных схемах, 330

лужение (тиннирование), 131

в схеме "подбрасыватель монет", 104

лупы, 60, 131

вывод выхода, 340

лупы на подставке, 60

выводы, 329
двойные микросхемы таймера 556, 328
добавление переключателей установки/
сброса, 353

М
обзор, 251

добавление переключателей set/reset,
355

постоянные магниты, 252

зуммер, 356

северный и южный магнитные полюса, 251

контакты, 329

магнетизм

магнитная индукция, 254

моностабильный (одновибратор) режим,
325, 331, 332

магнитное поле, 251, 386

на схемах, 330

магнитный, 251

обзор, 325, 326

магниты, 251

однотактный, 346

макетная плата

описание, 328

DIP-микросхемы в, 320

режимы

клеммные полосы, 102

астабильный, 325, 331, 334

контактные отверстия, 102

бистабильный, 339

крошечная, 567
обзор, 64
определение, 64, 95
прототипирование на

моностабильный, 325
схема светодиодной мигалки, 349
триггер, 339
микрофарады (мкФ), 70, 231

обзор, 102

миллиамперы, 47, 141

описание, 102

миллигенри, 257

разметка, 104

миниатюрные лампы накаливания, 753

схема "подбрасыватель монет", 106

миниатюрные лампы накаливания, 753

макетные шилды, Arduino, 551

мкГн (микрогенри), 257

Максвелл, Джеймс, 232

мкФ (микрофарады), 70, 231

максимальное обратное напряжение, 270

многожильный провод, 65

максимальное обратное напряжение, 270

многострочные комментарии, 696

Маркони, Гульельмо, 423

модуляторы, 425

математические операции, 577

Молодой Франкенштейн (фильм), 54

матрица, 651

моножильный провод, 65

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

941

моностабильный режим, таймер 555

направление тока, 85

временной интервал, 334

направления переключателя, 174

определение, 325, 331

напряжение

резисторно-конденсаторная схема, 332

адаптеров питания, 408

МОП-транзисторы (полевые транзисторы
с изолированным затвором), 504

входное, 375

Морзе, Сэмюэл, 33

Зенера, 273

мостовой выпрямитель, 277, 413

измерение мультиметром, 148

мотор, 386

источник, 165

Моура, Роберто де, 423

обратное, 255

мощность

опорное, 375

деление с помощью резисторов, 205, 221

определение, 49, 51

определение, 48, 51, 142, 229

рассеивание, 53

пиковое, 386

связь с напряжением и током, 52

преобразование, 411

формула для расчета, 394

против электрического тока, 75

музыка, 35

регулирование, 416

музыкальные последовательности, создание, 762

связь с мощностью и током, 52

музыкальный плеер, сборка, 635
мультивибратор, 306
мультиметры
аналоговые, 139
измерения с помощью
напряжения, 148
сопротивления, 149
тока, 146
обзор, 28
описание, 48, 63
типы измерителей в
амперметр, 141
вольтметр, 142
омметр, 143
условные обозначения функций, 143
условные обозначения функций, 143
цифровые, 139
части
выключатель, 141
дисплей или измеритель, 140
измерительные щупы, 141
переключатель, 140
Мур, Гордон, 317
мышь (компьютерная), 672
мю (символ μ), 231
Мюллер, Джон Пол, 688

сглаживание в источнике питания, 261
символ на схемах, 203
сложение, 377
смещения, 290
смещения, 368
среднее, 387
среднеквадратичное, 387
электрический шок, 75
напряжение, линейное
безопасность, 396
в проектах, 395
заземляющие провода, 399
нейтральные провода, 399
обзор, 395
провода для, 400
разъемы для, 400
схемы
защита предохранителями, 402
управление реле, 403
фазные провода, 399
неинвертирующие усилители, 370
неинвертирующий вход, 365
нейтральные провода, 399
неравные индукторы, 260
несущая волна, 431
нить накаливания, 28, 51
номер детали, 92
номинальная мощность

Н
набор для экспериментов с
электроникой, 21
нагрузка, 165
налобная лупа, 60

942

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

определение, 69
резисторов, 208
нормально замкнутый выключатель, 174
нулевое выходное сопротивление, 368
нулевое напряжение смещения, 368

О
обмоточный провод, 435
обозначения на схемах

Raspberry Pi, 669
определение, 543
оператор break, 660

LED (светодиоды), 88

оператор case, 659

батарейки, 88

оператор def, 702

динамики, 88

оператор switch, 659

диоды, 88

оператор while, 689

для функций измерителя, 143

оператор инкремента, 584

индукторы, 88

оператор присваивания, 576

конденсаторы, 88

операторы

лампа, 88

break, 660

напряжение, 203

case, 659

общие, 87

def, 702

переключатели, 88

if, 560, 704

переменные резисторы, 88

switch, 659

подключение земли, 88

while, 689

подключение источника напряжения, 88

инкремент, 584

потенциометр, 88

математические, 577

предохранители, 403

оператор присваивания, 576

резисторы, 88

операции, логические, 467

светодиоды (LED), 88

операционная система

транзисторы, 88

Linux, 676

трансформаторы, 88

macOS, 668

элемент NAND, 483

Microsoft Windows, 668

оболочка, 678
оболочки (электронные), 264

Raspberry Pi, 668
операционные усилители (ОУ)

обратная полярность, блокировка диодами, 274

LM324, 326, 381

обратное напряжение (ЭДС самоиндукции), 255

инвертирующий, 370

обратное смещение, 269

неинвертирующий, 370

общая рассеиваемая мощность, 292

обзор, 361

общий коллектор, 293

определение, 326, 362

общий эмиттер, 293

ОУ 741, 326

обычный режим (Thonny IDE), 678

подключения, 362

обычный ток, 49

происхождение, 365

огнетушитель, 81

разомкнутый контур, 366

однонаправленный переключатель, 174

символ на схемах, 362

однополюсный переключатель, 174

сложение напряжений, 377

однострочные комментарии, 695

усилители с единичным усилением

идеальные характеристики, 368
как компаратор напряжения, 374

однотактный таймер 555, 347

инвертор с единичным усилением, 373

одночиповый микропроцессор ATmega328P,
550

обзор, 372

одночиповый микропроцессор Atmel
ATmega328P, 550
ОЗУ (оперативная память)
Raspberry Pi, 669
определение, 543
окопное радио, 440
ом, 216
омметр, 143
оперативная память (ОЗУ)

повторитель с единичным усилением, 372
369
операция AND, 467
операция OR, 467
оплетка для удаления припоя, 131, 137
опорное напряжение, 375
определение, 543
оптоизоляторы, 740
освещение

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

943

анимация праздничного освещения
Light-O-Rama Sequence Editor, 760
базовая конфигурация Light-O-Rama,
749
выбор освещения для дисплея, 752
каналы, 751
контроллер ShowTime PC, 748
обзор, 747
последовательности, 751, 761
проектирование расположения, 754
создание анимационных последовательностей, 767
создание музыкальных последовательностей, 762
контроллеры аниматронного реквизита

П
пайка
безопасность, 80
Десять заповедей пайки, 132
материалы для
губка, 130
зажимы "крокодил", 131
защита глаз, 131
инструмент "третья рука", 130
оплетка для выпаивания, 131, 137
паяльники, 62, 128
припой, 129
тиски, 131
увеличительное стекло, 131

PIR-датчик движения, 777, 793

обзор, 127

аудиоплеер AP-16+, 778, 790, 791

описание, 127

модуль управления реле RC-4, 783

подготовка к, 131

обзор, 769

пожарная опасность, 79

построение контроллера попрыгунчика, 776

проверка работы, 135

программирование контроллера Prop1, 780
типичный аниматронный попрыгунчик, 772
требования к, 770
цветовой орган
использование, 745
как это работает, 739
описание, 738
определение, 738
подключение к источнику света и звука, 739

распайка, 137
химическая опасность, 80
пакет mcp3008 (программное обеспечение), 729
параллельные выключатели, 188
параллельные индукторы, 260
параллельные ламповые схемы, 183
параллельные резисторы, 216
параллельные схемы с выключателями, 188
параллельные цепи, 180
параметр data, 782
параметр mode, 781

сборка, 741

параметр name, 791

список деталей, 740

Парфянское царство, 33

Особняк с привидениями (Диснейленд), 769

патронный предохранитель, 402

осциллографы

паяльная станция, 129

дисплей, 153

паяльники

калибровка, 157

вилка питания, 129

обзор, 152

встроенная защита от статического разряда, 129

отображение сигналов с помощью, 159
подключение щупа к аудио-разъему, 160
формы волн, 154
осцилляторы, 306, 425
отвертки, 58
отвод (трансформатора), 410
отравление свинцом, 130
отрицательный заряд, 31
отрицательный элемент OR, 488

встроенный контроль температуры, 129
номинальная мощность, 129
обзор, 62
покупка, 128
сменный наконечник, 129
первичная обмотка, 392, 409
передатчики
антенна, 425
генераторы, 425
источник питания для, 425
модуляторы, 425
усилители, 425
перезаряжаемые батарейки, 29, 67, 169

944

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

переключатели

двигатели, 391

в ламповых схемах

измерение, 386

параллельные схемы с переключателями, 188

линейное напряжение
в проектах, 395

переключение между двумя лампами, 191

заземляющие провода, 399

последовательные схемы с переключателями, 186

обзор, 394

нейтральные провода, 399

трехпозиционные переключатели, 193

провода для, 400

управление двумя лампами одним переключателем, 191

соединители для, 400

в потенциометрах, 225

фазные (под напряжением) провода, 399

кнопочные, 173

магнитное поле и, 385

кулисные, 173

обзор, 384

направления, 174

обозначения на схемах, 88

ножевые, 173

определение, 50, 385

определение, 172

преобразование постоянного тока, источник питания для, 409

параллельные, 188
поворотные, 173
ползунковые, 173
полюса, 174
последовательные, 186
построение логических элементов с, 468
проверка состояния, 593
проверка состояния в Python, 720
символ на схемах, 88
ссылочный идентификатор, 93
транзисторы как, 297
тумблеры, 173
установки/сброса, в таймере 555, 353
переменные
Arduino, 575
char, 576
double, 576
flashCount, 708
float, 576
high, 627
increment, 627

трансформаторы
автотрансформатор, 393
индуктивность и, 392
индукторы, 261
магнетизм и, 392
общее обсуждение, 392
определение, 409
повышающий, 393
понижающий, 393, 411
с центральным отводом, 410
песня, воспроизведение, 628
печатная плата
измерения мультиметрами
аналоговые, 139
напряжение, 148
обзор, 138
описание, 48, 63
сопротивление, 149
типы, 141
ток, 141

int, 576

условные обозначения функций измерителя, 143

keypad, 652

цифровые, 139

low, 627

части, 140

pace, 627

конденсаторы, 38

sleepTime, 699

определение, 37

глобальные, 577

сторона компонентов, 38

определение, 575

сторона схемы, 38

переменные резисторы, обозначение
на схемах, 88
переменный конденсатор, 436
переменный ток (AC)
адаптеры питания, 408
блокирование постоянного тока при прохождении переменного, 245
генераторы переменного тока, 390

для поверхностного монтажа, 112
для сквозного монтажа, 112
обзор, 112
предварительно напечатанная, 113
создание пользовательских, 113
схема "подбрасыватель монет", 114
пиковое напряжение, 386

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

945

пикофарады, 231

музыкальные, 762

пилообразная волна, 155

общее обсуждение, 751

Пираты Карибского моря (Диснейленд), 769

определение, 761

ПИР-инфракрасный датчик движения, 774

последовательные выключатели, 186

пистолет для горячего клея, 439

последовательные индукторы, 260

плата Adafruit MP3, 804
плата MEGA, 804

последовательные схемы с выключателями, 186

плата контроллера Prop-1, 771

последовательные цепи, 180

плата реле RC-4+, 778

последовательный интерфейс дисплея
(DSI), 669

пленочные конденсаторы, 234
плоскогубцы, 58
поворотные переключатели, 173
повторители (усилители с единичным коэффициентом усиления), 372
повторитель, 372
повышающий трансформатор, 393

последовательный интерфейс камеры (CSI),
669
последовательный периферийный интерфейс (SPI)
включение на Raspberry Pi, 727
определение, 726
постоянный ток (DC)

подавление дребезга тактового входа, 541

адаптеры питания, 408

подключение источника напряжения, символ на схемах, 88

блокирование конденсаторами, 242

подключение питания, 89

блокирование при прохождении переменного, 245

подставка для паяльника, 63

определение, 49, 385

подстроечный потенциометр, 225
подтягивающие (pull-down) резисторы, 719

преобразование переменного тока
в, источник питания для, 409

подтягивающие (pull-up) резисторы, 719

сравнение с переменным током, 49

ползунковые переключатели, 173

стабилизация конденсаторами, 242

полноволновой выпрямитель, 277, 413

потенциал, 48

положительный заряд, 31

потенциометр

полоса пропускания, 369

волшебный, 295

полосно-пропускающие фильтры, 261

выключатели в, 225

полуволновой выпрямитель, 276, 412

изменение сопротивления с помощью,
224

полупроводники
N-типа, 265

обозначение на схемах, 88

p-n переход, 267

определение, 601

P-типа, 266

подстроечный, 225

зона обеднения, 267

программа мигания LED, 602, 731

кристаллы, 265

с линейной характеристикой, 226

легирование, 265

с логарифмической характеристикой, 226

определение, 264

упрощение подключения земли и питания, 89

равновесие, 268
полярности

чтение значения с, 601

определение с помощью LED, 283

предварительно напечатанная печатная
плата, 113

отрицательный заряд, 44

предохранители

положительный заряд, 44
полярные конденсаторы, 230

автомобильный стеклянный патронный,
402

понижающий трансформатор, 393, 411

держатели, 403

Попов, Александр, 423

защита цепей линейного напряжения, 402

поражение электрическим током, 75

патронные, 402

порты USB, Raspberry Pi, 669

символ на схемах, 403

последовательная анимация, создание, 767

предположения в этой книге, 23

последовательности

предупреждающий знак, для лаборатории, 73

анимационные, 767
в Light-O-Rama, 761

приемники
антенна, 425

946

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

аудиоусилитель, 426
ВЧ-усилители, 425

определение, 32, 200
провод-перемычка

детекторы, 426

для Raspberry Pi, 683

компоненты, 426

для беспаечной макетной платы, 66, 102

тюнер (настройщик), 425

установка в проект "подбрасыватель монет", 116

принципиальные схемы
диоды в, 269

проводящий путь, 165

для детекторного радио, 434

программа "Hello, World!", 679

подбрасыватель монет, 99

программа "Калькулятор", 468

интегральные схемы в, 93

программа Blink ("Мигание"), 554

ИС в, 321

программа SOS, 625

компоновка, 86

программа с кнопкой, 595, 721

маркировка компонентов в, 92

проект "подбрасыватель монет"

общие символы на, 87

монтаж в корпусе, 121

ОУ в, 362

обзор, 97

предохранитель в, 403

поиск и устранение неисправностей, 111

представление интегрированных, 93

предварительный эскиз, 98

простой пример, 85

принципиальная схема, 99

обзор, 84

разработка схемы, 98

соединения в, 86

сборка на беспаечной макетной плате, 106

светодиоды в, 281
символ конденсатора, 230
символ потенциометра, 225
символы резисторов, 204
схема светового органа, 740
таймер 555 в, 330
типичный аниматронный попрыгунчик,
775
припой, 63, 129
припой с кислотным флюсом, избегать, 130
провод для лампы, 400
провода
антенные, 435
в лаборатории, 65
для линейного напряжения, 400
заземляющие, 399
изолированные, 32
ламповые, 400
многожильные, 65

сборка на печатной плате (PCB), 114
спецификации, 97
проекты
D-триггер, 530
анимация праздничного освещения
базовая конфигурация Light-O-Rama,
749
выбор освещения для дисплея, 752
каналы, 751
контроллер ShowTime PC, 748
обзор, 747
последовательности, 751, 761
проектирование расположения, 754
редактор последовательностей LightO-Rama, 760
создание анимационных последовательностей, 767
создание музыкальных последовательностей, 762

моножильные, 65

блокировка обратной полярности, 274

нейтральные, 399

блокировка постоянного тока, 246

обмоточный, 435

выпрямительные схемы, 278

перемычки

гаджет клавиатуры Windows, 662

для Raspberry Pi, 683
для беспаечной макетной платы, 66,
102
установка в проекте "подбрасыватель
монет", 116
фазные, 399

голова ретро-научно-фантастического робота
вакуумные трубки, 803
вдохновение для, 800
глаза и нос, 802
источники питания, 805

проводимость, 216

купол, 800

проводники

обзор, 797

общее обсуждение, 45

основание, 801
проектирование, 800

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

947

робот VIN-e 1.0, 800

последовательная ламповая схема, 181

Робот Робби, 798
рот, 802

последовательные схемы с выключателями, 186

центральная опора, 801

представление, 96

электронные компоненты, 804

простой ИК-детектор, 448

датчик приближения на Arduino, 614

процесс построения, 95

датчик приближения с общим коллектором, 455

резисторы последовательно и параллельно, 216

датчик приближения с общим эмиттером, 451

светодиодная мигалка

двухступенчатый счетный T-триггер, 539
детектор полярности LED, 284

с переключателем установки/сброса, 354

зарядка и разрядка конденсатора, 243

с переменной частотой, 603, 732

защелки

с управлением кнопкой, 596

активно-высокий одноступенчатый
триггер, 522
активно-низкий одноступенчатый триггер, 525

сборка, 309, 350
создание звука с помощью динамика, 623
схема AND, 469
схема OR, 471

зуммер, 357

схема XOR, 473

КМОП элемент AND, 510

схема делителя напряжения, 221

КМОП элемент NAND, 508

схема лампы, 170

КМОП элемент NOR, 515

схема, меняющая полярность, 196

КМОП элемент OR, 512

схемы

контроллеры для аниматронных
устройств
PIR-датчик движения, 777, 793
аудиоплеер AP-16+, 778, 790, 791
модуль управления реле RC-4, 783
обзор, 769

конструирование на PCB, 111
проектирование, 98
прототипирование на беспаечной макетной плате, 102
тестовая схема для светодиодов Arduino,
569

построение контроллера попрыгунчика, 776

транзисторные схемы, 493

программирование контроллера Prop1, 780

трехпозиционный выключатель света, 193

типичный аниматронный попрыгунчик, 772
требования к, 770
лампа, управляемая переключателем, 178
мигающий LED с Arduino UNO, 561
ограничение тока с помощью резистора, 209
однотактный таймер 555, 347
параллельные ламповые схемы, 183
параллельные схемы с выключателями, 188
подбрасыватель монет

транзисторный элемент NOR, 500
управление двумя лампами одним выключателем, 191
цветовой орган
использование, 745
как это работает, 739
описание, 738
определение, 738
подключение к источнику света и звука, 739
сборка, 741
список деталей, 740
элемент NOT, 303

конструирование на PCB, 114

простой режим (Thonny IDE), 678

монтаж в корпус, 121

протоны, 31, 44, 228

обзор, 97

прототипирование на беспаечной макетной плате

предварительный эскиз, 98
принципиальная схема, 99
проектирование схемы, 98
сборка на беспаечной макетной плате, 106

948

с Raspberry PI, 686

компоновка, 104
обзор, 102
описание, 102
схема "подбрасыватель монет", 106

спецификации, 97

процессоры ARM, 726

устранение неполадок, 111

прямое падение напряжения, 270

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

прямое смещение, 269

использование, 443

пульсации, 415

компоненты, 434

пульсации напряжения, 415

настройка антенны, 441

пьезоэлектрический зуммер (пьезо зуммер), 619

обзор, 433
принципиальная схема, 434
простая схема детекторного приемника, 434

сборка, 435

рабочая зона, "третьи руки", 60

сборка схемы, 438

батарейки, 67

изобретение, 422

беспаечная макетная плата, 64

канал, 422

в фильмах о Франкенштейне, 54

обзор, 36, 420

зажимы-перемычки, 68

окопное, 440

изолента, 68

передатчики

кабельные стяжки, 68

антенна, 425

мультиметр, 63

генераторы, 425

обустройство, 55

источник питания для, 425

освещение, 56

модуляторы, 425

основные электронные компоненты
диоды, 70

усилители, 425
приемники

интегральные схемы (ИС), 72

антенна, 425

конденсаторы, 70

аудиоусилитель, 426

резисторы, 69

детекторы, 426

светодиоды (LED), 71

компоненты, 426

транзисторы, 71
паяльник, 62

тюнер (настройщик), 425
спектр, 427

посадочные места, 56

радиочастотный (ВЧ) усилитель, 425

предупреждающий знак, 73
провода, 65

разветвительный блок с винтовыми колодками, 623

пространство, 55

разводка мертвого жука, 320

рабочий стол, 56

разомкнутые цепи, 165

ручные инструменты

разрядка, 230

дешевые, 58

разъем USB Type B, 550

инструменты для зачистки проводов, 58

разъемы

кусачки для проводов, 58

адаптеров питания, 408
для линейного напряжения, 400

отвертки, 58

разъемы HDMI, 669

плоскогубцы, 58

распайка, 137

сжатый воздух, 68

рассадка для лаборатории, 56

тиски для хобби, 60

рассеивание (мощности), 53

увеличительные стекла, 60

расщепленное питание, 362

хранение, 56

регулятор напряжения 78XX, 326, 417

электричество, 56

редуктивность, расчет, 259

рабочий стол, 56
рабочий цикл, расчет, 337
равновесие, 268
радио

режим осциллятора, таймер 555
описание, 334
типовая схема, 334
Резерфорд, Эрнест, 423

AM (амплитудная модуляция), 428

резисторно-транзисторная логика (RTL), 503

FM (частотная модуляция), 430

резисторы

волны, 422

деление напряжения с помощью, 205, 221

детекторный радиоприемник

защелки, 522

заземление, 442

комбинирование

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

949

обзор, 213
параллельно, 213
последовательно, 213

сборка, 741
список деталей, 740
светодиоды (LED)

последовательно и параллельно, 216

LED Flasher Сайлона, 715

смешивание последовательного и параллельного, 216

инфракрасные, 449
комбинированные, 283

номинальная мощность, 208

лампы, 753

обзор, 69, 199

мигалка

области применения, 205

кнопочный переключатель, 722

обозначение на схемах, 88

с Raspberry PI, 685

ограничение тока для LED с помощью, 282

с вложенными циклами while, 708

ограничение тока с помощью, 204, 209

с комментариями, 695

определение, 143, 199, 203

с переменной частотой, 732

параллельные, 216

с управлением кнопкой, 596

подтягивающие (pull-down), 719

с циклами for, 711

подтягивающие (pull-up), 719

с циклом while, 585

резистивно-конденсаторные цепи, 205

со списком, 714

ссылочный идентификатор, 93

мигание, 572, 693

токоограничивающий резистор, 282

мигание с Arduino UNO, 561

установка в проекте "подбрасыватель монет", 117

определение, 36, 71, 280

цветовые коды

определение полярности с помощью, 283

допуски, 207

плата для тестирования светодиодов,
Raspberry Pi, 691

стандартные значения, 207

подключение к порту GPIO, 683

чтение значений, 205

программа мигалки

резонансная частота, 426

использующая потенциометр, 602, 731

реквизит для Хэллоуина, 769

на Python, 684

реостат, 226

с константами, 698

робот VIN-e 1.0, 800

с оператором if, 582, 706

Робот Робби, 798

с переменной, 578

розетки, 399

с функцией, 589

рубильники, 173

символ на схемах, 88

ручная лупа, 60

ссылочный идентификатор, 93

ручные инструменты

управление с помощью цифровых выводов ввода/вывода, 557

дешевые, 59
инструмент для зачистки проводов, 58
кусачки для проводов, 58

установка в проект "подбрасыватель монет", 117

отвертки, 58

семейства схем, 503

плоскогубцы, 58

сенсорные площадки, 123

рычаг, 287

сенсорные схемы
элемент NAND в, 484
элемент OR в, 483

С
самоиндукция, 255

определение, 637

свет, создание, 36

подключение, 638

световой орган

программирование, 639

использование, 745

трехжильный кабель, 638

как это работает, 739

управляющая программа, 640

описание, 738

950

сервопривод

управляющий сигнал, 638

определение, 738

сетевое напряжение, 395

подключение к источнику света и звука, 739

сетевой адаптер, 395

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

сетевые светильники, 753

сжатый воздух, 68
сигналы RS-485, 757
сигнальные диоды, 271, 272

электронные компоненты, 804
контроллеры для аниматронных
устройств

сильное взаимодействие, 44

PIR-датчик движения, 777, 793

сименс, 216

аудиоплеер AP-16+, 778, 790

синусоидальная волна, 154

модуль управления реле RC-4, 783

сирена, воспроизведение, 627

обзор, 769

система счисления, 464

построение контроллера попрыгунчика, 776

скомпилированная программа, 689
скульптуры из проволочного каркаса, 754
слабое взаимодействие, 44
сложение, 577
слюдяные конденсаторы, 234
соединения, 86
сопротивление

программирование контроллера Prop1, 780
типичный аниматронный попрыгунчик, 772
требования к, 770
цветовой орган
использование, 745

бесконечное, 296

как это работает, 739

Закон Ома, 201

описание, 738

изменение с помощью потенциометра,
224

определение, 738

измерение, 200

подключение к источнику света и звука, 739

измерение мультиметром, 149

сборка, 741

определение, 199

список деталей, 740

спектр, 427

списки, Python, 712

спецификации, 324

среднее напряжение, 387

спецэффекты

среднеквадратичное напряжение, 387

анимация праздничного освещения

стабилизатор напряжения LM317, 418

базовая конфигурация Light-O-Rama, 749

стабилизатор напряжения LM78XX, 417

выбор освещения для дисплея, 752

стартовый набор, Arduino, 552

каналы, 751

статические разряды, 323

контроллер ShowTime PC, 748

статическое электричество, 30, 81

обзор, 747

стойки, 124

последовательности, 751, 761

Стрикфаден, Кеннет, 54

проектирование расположения, 754

супергетеродинная схема, 433

редактор последовательностей LightO-Rama, 760

Супер-стартовый набор Elegoo UNO, 552

создание анимационных последовательностей, 767

схема делителя напряжения, 221

создание музыкальных последовательностей, 762

схема обратной связи, 369

голова ретро-научно-фантастического робота

схема AND, 469
схема мигалки светодиода, 350
схема питания, конденсаторы, 78
схема с активным высоким уровнем, 518

вакуумные трубки, 803

схема с активным низким уровнем, 518

вдохновение для, 800

схемы

глаза и нос, 802

операционные усилители (ОУ)

источники питания, 805

идеальные характеристики, 368

купол, 800

инвертирующий, 370

обзор, 797

как компаратор напряжения, 374

основание, 801

неинвертирующий, 370

проектирование, 800

обзор, 361

робот VIN-e 1.0, 800

определение, 325, 362

Робот Робби, 798

ОУ 741, 326

рот, 802

ОУ LM324, 326, 381

центральная опора, 801

происхождение, 365

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

951

с разомкнутым контуром, 366
символ на схемах, 362
сложение напряжений, 377

описание, 102
мигалка на светодиодах

соединения, 362

изготовление, 350

усилители с единичным коэффициентом усиления, 372

программа мигалки с оператором if, 581

усилители с замкнутым контуром, 369

программа мигалки с функцией, 589

AND, 469

программа мигалки с переменной, 578

OR, 471

программа мигания светодиода, использующая потенциометр, 602

XOR, 473

с переменной частотой, 603

выпрямители

с управлением кнопкой, 596

мостовые, 277, 413

с циклом while, 585

определение, 271, 276

настройки радио, 261

полноволновые, 277, 413

обратной связи, 369

полуволновые, 276, 412

однотактный таймер, 347

преобразование переменного тока
в постоянный с помощью, 276

определение, 33, 164

прямое падение напряжения, 270

параллельные, 180

схемы, 278

подбрасыватель монет

параллельного переключения, 188

выпрямителя, 278

монтаж в корпусе, 121

деление напряжения, 221

обзор, 97

замкнутые, 165
компоновка, 86

поиск и устранение неисправностей,
111

короткого замыкания, 165

предварительный эскиз, 98

корпус для, 120

принципиальная схема, 99

ламповые

разработка схемы, 98

параллельные, 183
параллельные схемы с переключателями, 188

сборка на беспаечной макетной плате, 106
сборка на печатной плате (PCB), 114

переключение между двумя лампами, 191

последовательного переключения, 186

последовательные, 180

последовательные схемы с переключателями, 186

проектирование, 98

простые, 170
управление двумя лампами одним переключателем, 191
линейное напряжение
защита предохранителями, 402
управление реле, 403
логические, 4011 Счетверенный 2-входовый NAND, 506
логические элементы на интегральных
схемах, 503
логические элементы серии 4000, 505
логические элементы ТТЛ серии 7400,
504

спецификации, 97

разомкнутые, 165
с активным высоким уровнем, 518
с активным низким уровнем, 518
с реверсом полярности, 196
сборка на печатной плате (PCB)
обзор, 111
поверхностного монтажа, 112
предварительно напечатанные, 113
сквозного монтажа, 112
создание пользовательской, 113
подбрасыватель монет, 114
светодиоды в, 281

обзор, 492

синхронизация с помощью конденсаторов, 241

транзисторные схемы NAND, 496

супергетеродинные, 433

транзисторные схемы NOR, 499

тестовая схема для светодиодов Arduino,
569

транзисторные схемы OR, 499
макетирование на беспаечной макетной
плате
компоновка, 104

952

обзор, 102

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

тестовые, 569, 690
транзисторные
NAND, 496

NOR, 499
OR, 499
обзор, 492

Т
таблица истинности
для инверторов, 478

управления светодиодом, 298

для элемента AND, 510

шлепающие триггеры, 4013 Двойной D,
535

для элемента NOR, 500

D-триггер, 528
JK-триггер, 534
RS-защелки, 522
SR-защелки, 522
SR-триггер, 534
T-триггер, 534
вход SET защелок, 519
двухступенчатый счетный T-триггер,
539

для элемента OR, 482
для элемента XNOR, 486
для элемента XOR, 486
таймер (555)
астабильный режим, 325, 331, 334
бистабильный режим, 339
в схеме "подбрасыватель монет", 104
выводы, 329
выходной вывод, 340

защелки с активным высоким уровнем, 519

добавление переключателей установки/
сброса, 353

защелки с активным низким уровнем,
519

зуммер, 356

обзор, 518

на схемах, 330

общее обсуждение, 339, 532

обзор, 325, 326

определение, 333, 518

однотактный таймер, 346

определение защелок, 519

описание, 328

подавление дребезга тактового входа, 541

режимы

моностабильный режим, 325, 331, 332

астабильный, 325, 331, 334

типы, 534

бистабильный, 339

триггерные защелки, 527
управляемые по фронту/срезу, 532
элементы, 165

моностабильный, 325, 331, 332
схема мигалки светодиода, 350
тактовый вход, подавление дребезга, 541

схемы настройки радио, 261

тактовый контакт, 726

схемы, меняющие полярность, 196

танталовые электролитические конденсаторы, 235

схемы, принципиальные
диоды в, 269

твердый припой, 132

для детекторного радиоприемника, 434

телефон, 81

для схемы "подбрасыватель монет", 99

Теорема Де Моргана, 487

интегральные схемы в, 93

тепловое повреждение, 323

ИС в, 321

теплоотвод (радиатор), 131

конденсатор, символ, 230

терагерц (ТГц), 422

маркировка компонентов в, 92
микросхема таймера 555 в, 330

термометр, аналоговый против цифрового, 463

обзор, 84

Тесла, Никола, 388

общие символы на, 87

тестовые схемы, построение, 569, 690

ОУ в, 362

тиски, 131

потенциометр, символ для, 225

тиски для хобби, 60

предохранитель в, 402

ток

простой пример, 85

безопасность, 75

резисторы, символы для, 204

единица измерения, 203

светодиод в, 281

измерение мультиметром, 146

соединения, 86

обзор, 31

схема цветового органа, 740

ограничение в светодиоде резистором,
282

типичный аниматронный попрыгунчик,
775

ограничение резисторами, 204, 209
определение, 51

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

953

переменный, 50
переменный (AC)
адаптеры питания, 408

NPN, 289, 297

блокирование постоянного тока при
прохождении переменного, 245

PNP, 289

генераторы переменного тока, 390

генерация колебаний с помощью, 306

двигатели, 391

дискретные компоненты, 312

измерение, 386

история, 287

линейное напряжение, 394

как переключатель, 297

магнитное поле и, 385

как электронный рычаг, 287

обзор, 384

обзор, 286

определение, 50, 385

обозначение на схемах, 88

преобразование в постоянный ток,
источник питания для, 409

спецификации, 291

сравнение с постоянным током, 49
трансформаторы, 392
постоянный (DC)
адаптеры питания, 408
блокирование конденсаторами, 242
блокирование при прохождении переменного, 245
определение, 49, 385

биполярные, 288

ссылочный идентификатор, 93
схемы с
создание светодиодной мигалки, 309
управление светодиодом, 298
элемент NOT, 302
усиление с помощью, 293
формы и размер, 287
трансформаторы

преобразование переменного тока
в, источник питания для, 409

автотрансформатор, 393

сравнение с переменным током, 49

индуктивность и, 392

стабилизация конденсаторами, 242

индукторы, 261

в цветомузыкальных установках, 740

постоянный ток, 49

магнетизм и, 392

природа, 46

обозначение на схемах, 88

против напряжения, 75

общее обсуждение, 392

прямой, 166

определение, 409

символ на схемах, 88

переменный ток и, 386

соотношение с мощностью и напряжением, 52

повышающие, 393

трансформаторы

понижающие, 393, 411
с центральным отводом, 410

автотрансформатор, 393

третья рука, инструмент, 60

индуктивность и, 392

треугольная волна, 155

индукторы, 261

трехжильный кабель, 638

магнетизм и, 392

трехпозиционные переключатели, 193

общее обсуждение, 392

трехфазная система, 391

определение, 409

триак, 739

переменный ток и, 386

триггерные защелки, 527

повышающий, 393

триггеры, 4013 Двойной D, 535

понижающий, 393, 411

D, 534

с центральным отводом, 410

JK, 534

фильтрация выпрямленного, 414

SR, 534

ток коллектора, 292

T, 534

токоограничивающий резистор, 282

двухступенчатый счетный T-триггер, 539

тонкогубцы, 58

защелки

транзисторно-транзисторная логика (TTL),
503
транзисторные схемы
AND, 496
обзор, 492

954

построение, 493
транзисторы

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

D-триггер, 528
RS-защелки, 522
SR-защелки, 522
вход SET, 519
определение, 519

с активным высоким уровнем, 519

происхождение, 365

с активным низким уровнем, 519

с разомкнутым контуром, 366

триггерные, 527

символ на схемах, 362

обзор, 518

сложение напряжений, 377

общее обсуждение, 339, 532

соединения, 362

определение, 331, 518

усилители с единичным коэффициентом усиления, 372

подавление дребезга тактового входа, 541

усилители с замкнутым контуром, 369

типы, 534
управляемые по фронту/срезу, 532

определение, 35

триод, 288

радиочастотные (РЧ) усилители, 425

ТТЛ 7400, логические вентили, 504

транзисторные усилители, 293

тумблеры, 173

усилители с единичным коэффициентом
усиления, повторители, 372

тюнер (настройщик), 425

усилители с разомкнутым контуром, 366
усилители с единичным коэффициентом
усиления

инвертор, 373

Уайлдер, Джин, 54
углеродный пленочный резистор, 203

обзор, 372
повторитель, 372

удлинитель, 75

условное тестирование, 580

улучшенная программа случайных чисел,
599

Уэйл, Джеймс, 54

ультразвуковой дальномер
HC-SRO4, 607

генерирование триггерного импульса,
608

фазы, 391

определение, 606

файловая система, Raspberry Pi, 676

расположение выводов, 607

файлы WAV, воспроизведение, 791

расчеты, 609

Фарадей, Майкл, 232, 254

чтение импульсного входа, 608

фарады, 231

умножение, 577

фигуры из полупрозрачного пластика, 754

универсальные порты ввода-вывода (GPIO)

фильтры, 261

использование для цифрового ввода, 717

фильтры верхних частот (ФВЧ), 261

контакты, 670

фильтры нижних частот (ФНЧ), 261

порты, 670

флюс, 130

устранение ненужных предупреждений, 694

флюс-конденсатор, 227
формы волн

управляющая сетка, 287

определение, 154

управляющий контакт, 330

пилообразная, 155

управляющий сигнал, 638

прямоугольная, 155

усилители

синусоидальная, 154

аудиоусилители, 426

треугольная, 155

инвертирующие усилители, 370

фототранзисторы, 446

неинвертирующие усилители, 370

Франкенштейн (фильм), 54

операционные усилители (ОУ)

Франклин, Бенджамин, 30, 33

идеальные характеристики, 368

функции

инвертирующий, 370

beep, 621

как компаратор напряжения, 374

begin(), 612

неинвертирующий, 370

clear(), 612

обзор, 361

delay, 566

определение, 325, 362

digitalWrite, 566

ОУ 741, 326

home(), 612

ОУ LM324, 326, 381

LiquidCrystal(), 612

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

955

loop, 566, 639, 652

частотная модуляция (FM), 425, 430, 433

noTone, 621

частоты, фильтрация конденсаторами, 242

playNote, 629

часы, аналоговые против цифровых, 463

playRest, 629

черт из коробки

print(), 612

обзор, 96

pulseIn, 608

принципиальная схема, 775

random, 598

программа, 794

setCursor(), 612

четырехвходовый элемент ИЛИ, 483

setLEDs, 703
setLEDsOn, 702

числа с плавающей точкой двойной точности, 576

setup(), 566, 639

числовое значение, 92

tone, 620

ЧМ (частотная модуляция), 425

waitForKey, 653
создание в Python, 702

Ш
шилд для прототипов, 567

шильды, Arduino, 551

хранение, для лаборатории, 56

Ц
циклы

Эдисон, Томас, 28, 33, 388

for, 586, 709, 711

Эйнштейн, Альберт, 232, 251

while, 583, 707

электрические устройства, 34

инициализация, 586

электрический заряд, 31, 44

инкремент, 586

электрический телеграф, 33

параметр, 791

электрический ток

тестирование, 586
цифровая электроника

безопасность, 75
единица измерения, 203

двоичная система счисления

измерение мультиметром, 146

биты, 465

обзор, 31

логические операции, 467
общее обсуждение, 465
степени двойки, 466
логические элементы, построение с помощью переключателей, 468
определение, 37
проекты
схема AND, 469
схема OR, 471
схема XOR, 473
против аналоговой, 462
цифровые мультиметры, 139
цифры, 464
ЦП (центральный процессор)
Raspberry Pi, 669
определение, 543

956

шум, 35

ограничение в светодиоде резистором,
282
ограничение резисторами, 204, 209
определение, 51
переменный, 50
переменный (AC)
адаптеры питания, 408
блокирование постоянного тока при
прохождении переменного, 245
генераторы переменного тока, 390
двигатели, 391
измерение, 386
линейное напряжение, 394
магнитное поле и, 385
обзор, 384
определение, 50, 385
преобразование в постоянный ток,
источник питания для, 409
трансформаторы, 392
постоянный (DC)

часовая отвертка, 58

адаптеры питания, 408

частота, 155, 426, 444

блокирование конденсаторами, 242

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

блокирование при прохождении переменного, 245

создание света, 36
история, 28

определение, 49, 385

электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), 153

преобразование переменного тока
в, источник питания для, 409

электронные компоненты, основные

сравнение с переменным током, 49
стабилизация конденсаторами, 242

диоды
анод в, 269

постоянный ток, 49

блокирование обратной полярности
с помощью, 274

природа, 46

выпрямители, 271, 274, 276, 278

против напряжения, 75

германиевые, 272, 436

прямой, 166

защитные, 272

символ на схемах, 88

Зенера, 272

соотношение с мощностью и напряжением, 52

катоды в, 269

трансформаторы

максимальное обратное напряжение,
270

автотрансформатор, 393

обзор, 70, 263

индуктивность и, 392

обратное смещение, 269

индукторы, 261

определение, 263, 268

магнетизм и, 392

полупроводники, 264

общее обсуждение, 392

прямое падение напряжения, 270

определение, 409

прямое смещение, 269

переменный ток и, 386

сигнальные, 271

повышающий, 393

символ на схемах, 88

понижающий, 393, 411
с центральным отводом, 410
фильтрация выпрямленного, 414

ссылочный идентификатор, 93
интегральные схемы (ИС), 72
конденсаторы

электрическое поле, 228

безопасность, 78

электричество
атомы, 42

блокирование постоянного тока при
прохождении переменного, 245

для лаборатории, 56

зарядка, 242

концепции, 29

использование, 242

опасности
бытовой электрический ток, 75

керамические дисковые конденсаторы, 234

напряжения, 75

комбинирование, 239

обзор, 74

комбинирование параллельно, 239

происхождение слова, 41

комбинирование последовательно, 239

статическое, 31, 81

маркировка допуска, 233

терминология, 41

определение, 228

электрическая цепь, 32

переменные, 235, 436

электрический заряд, 31

пленочные, 234

электрический ток, 31

полярные, 230

электродвижущая сила (ЭДС), 48

размеры, 234

электролит, 167

разрядка, 79, 230, 242

электролитические конденсаторы, 70, 235

резистивно-емкостные цепи (RC-цепи),
205, 237

электромагнетизм, 44
электромагнитная сила, 228
электромагнитное излучение (ЭМИ), 421
электромагниты, 253
электроника
использование для
компьютеры, 36
радиопередачи, 36

серебряно-слюдяные, 234
символ на схемах, 88
слюдяные, 234
ссылочный идентификатор, 93
схематическое обозначение, 236
считывание значений, 232
типы, 234

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

957

установка в проект "подбрасыватель
монет", 117

электронные устройства
аудиоустройства, 35

формы, 234

компьютеры, 36

электролитические, 235

определение, 34

резисторы
деление напряжения с помощью, 205,
221
допуски, 207
защелки, 522
использование, 205
комбинирование, 213
комбинирование параллельно, 214
номинальная мощность, 208
обзор, 68, 199
обозначения на схемах, 88
ограничение тока с помощью, 204, 209
определение, 143, 199, 203
параллельные, 216
резисторно-конденсаторные сети, 205
смешивание последовательного и параллельного, 216

печатная плата, 37
радиопередачи, 36
электроны, 31, 44, 228
электростатический заряд, 81
элементы (химические), 43
ЭМИ (электромагнитное излучение), 421
эмиттеры (транзистора), 71, 290, 446
энергия, накопление конденсаторами, 242
Эрстед, Ханс Кристиан, 141
эскиз, Arduino
аргументы, 564
библиотека функций, 565
гаджет клавиатуры Windows, 661
константа, 565
математические операции, 577
обзор, 563

ссылочный идентификатор, 93

операторы if, 580

стандартные значения, 207

программа Blink, 555

считывание значений, 205

программа светодиодной мигалки
с оператором if, 581

токоограничивающий резистор, 282
установка в проект "подбрасыватель
монет", 117

с переменной, 578
свтодиодная мигалка

цветовые коды, 205

с комментариями, 573

транзисторы

с функцией, 589

NPN, 289, 297

с циклами for, 587

PNP, 289
биполярные, 288

с циклом while, 585

генерация колебаний с помощью, 306

тестовая схема для светодиодов Arduino,
569

дискретные компоненты, 312

функции, 564, 588

история, 287
как переключатель, 297

циклы for, 586
эффект Эдисона, 28

как электронный рычаг, 287
обзор, 286
обозначения на схемах, 88

определение, 71

явление, 40

создание светодиодной мигалки, 309

язык C++, 563

спецификации, 291

язык программирования

ссылочный идентификатор, 93
схема управления светодиодом, 298
схемы элемента NOT с, 302
усиление с помощью, 293
формы и размеры, 287

958

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

интерпретируемый язык, 689
скомпилированная программа, 689
янтарь, 41

Об авторе этой книги
Когда Дагу Лоу было 10 лет, отец подарил ему набор для экспериментов с электроникой — это стало началом любви ко всему электронному на всю жизнь. В детстве Даг мечтал стать инженером-электриком.
Но вскоре обнаружил, что любит писать книги не меньше, чем электронику, и его первая техническая книга была опубликована в 1981 году.
С тех пор он написал более 100 книг. Все они были посвящены одному конкретному уголку мира электроники — компьютерам. Но теперь
он наконец-то написал книгу о своей первой любви — радости проектирования и создания электронных схем с нуля.
Даг живет в солнечном Фресно, штат Калифорния, где девизом является «Fres-YES!» (к сожалению, он это не выдумал). Плоды его любви
к электронике пристрастий часто можно увидеть во время Хэллоуина
в виде анимированных украшений для Хэллоуина с компьютерным
управлением, которые могут соперничать с особняком с привидениями Диснея.

959

Посвящение
У моего деда была замечательная мастерская позади дома. Зимой там
было тесно и холодно, пахло машинным маслом, несвежим кофе, застарелой резиной и сырым деревом — как в старинной скобяной лавке, пытающейся выжить в эпоху супермаркетов. Именно там я начал
любить электронику, поскольку мой дедушка пытался объяснить тайну электричества и учил пользоваться паяльником, читать показания
вольтметра и тестировать сомнительную вакуумную трубку.
Весной 1970 года он приехал ко мне домой с трейлером, полным всего,
что могло понадобиться 11-летнему мальчику для создания собственной лаборатории электроники. Трейлер был доверху завален сломанными радиоприемниками и коробками с инструментами и запасными частями: вакуумными трубками, паяльниками, конденсаторами,
вольтметрами, резисторами, ламповыми тестерами и настроечными
конденсаторами.
Я до сих пор помню выражение лица моего отца, когда он увидел, как
этот трейлер, полный хлама, остановился перед нашим домом, прицепленный к задней части старого дедушкиного «Бьюика».
Я был на седьмом небе от счастья. Думаю, отец был где-то в другом месте.
Но он помог разгрузить трейлер, а потом построил для меня удивительный верстак с достаточным количеством полок и ящиков, чтобы
хранить все и даже больше.
Эта книга посвящена памяти моего деда, Кеннета Д. Лоу старшего,
и моего отца, Кеннета Д. Лоу младшего.
Моему деду за то, что он подарил мне удивительный подарок, спрятанный в трейлере, полном хлама. А моему отцу — за то, что позволил
мне это сохранить.

960

Благодарности автора
Во-первых, я хотел бы поблагодарить Элизабет Стилвелл за предоставленную мне возможность выпустить третье издание этой книги, а также Кэти: Кэти Мор и Кэти Фелтман за то, что они дали добро на два
предыдущих издания.
И отдельное спасибо Элизабет Кубалл за редактирование этого третьего издания, а также второго издания до него и всех остальных проектов, которые мы делали в течение последних нескольких лет. Давайте
сделаем это снова, пожалуйста!
Спасибо также Кирку Кляйншмидту, который дал книге отличную
техническую рецензию и сделал множество замечательных предложений по ходу работы. И, конечно, спасибо всем, кто помогал в работе,
о чем я даже не подозревал.

961

УЖЕ
В ПРОДАЖЕ!
Джон Пол Мюллер, Лука Массарон

АЛГОРИТМЫ

для чайников

Книга «Алгоритмы для чайников» — это простое и понятное руководство по основам алгоритмов и их практическому применению. Вы узнаете, как работают алгоритмы, как их создавать с помощью самого популярного языка программирования
Python и как они используются в реальной жизни — от соцсетей до финансовых
расчетов. В книге вы найдете наглядные примеры, графики и код. Идеально подходит для начинающих программистов и всех, кто хочет разобраться в основах
алгоритмов.

УЖЕ
В ПРОДАЖЕ!
Эрин Одья, Мэгги Норрис

АНАТОМИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ

для чайников

Эта книга просто и доступно объясняет работу органов и систем, яркие примеры
и наглядные иллюстрации помогают легко понять то, что обычно кажется сложным. Она станет верным спутником студенту, специалисту в сфере здоровья или
любому любознательному читателю, который хочет узнать, как работает его собственный организм. Внимание! Информация, содержащаяся в книге, не может служить заменой консультации врача. Перед совершением любых рекомендуемых
действий необходимо проконсультироваться со специалистом.

Все права защищены. Книга или любая ее часть не может быть скопирована, воспроизведена в электронной
или механической форме, в виде фотокопии, записи в память ЭВМ, репродукции или каким-либо иным
способом, а также использована в любой информационной системе без получения разрешения от издателя.
Копирование, воспроизведение и иное использование книги или ее части без согласия издателя является
незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

Издание для досуга
ДЛЯ ЧАЙНИКОВ

Дуг Лоу
ЭЛЕКТРОНИКА ВСЕ В ОДНОМ ДЛЯ ЧАЙНИКОВ

3-е издание
Главный редактор Р. Фасхутдинов
Руководитель отдела В. Обручев
Ответственный редактор С. Александрова
Младший редактор М. Назаренко
Художественный редактор К. Доброслов
Компьютерная верстка Н. Лебедь
Страна происхождения: Российская Федерация
Шы/арушы ел: Ресей Федерациясы
ООО «Издательство «Эксмо»
123308, Россия, г. Москва, ул. Зорге, д. 1, стр. 1, эт. 20, каб. 2013. Тел.: 8 (495) 411-68-86.
Home page: www.eksmo.ru E-mail: info@eksmo.ru
Lндіруші: «Издательство «Эксмо» ЖШP
123308, Ресей, МQскеу Rаласы, Зорге кSшесі, 1-Tй, 1-RUрылыс, 20 Rабат, 2013-каб.
Тел.: 8 (495) 411-68-86. Home page: www.eksmo.ru E-mail: info@eksmo.ru.
Тауар белгісі: «Эксмо»
Интернет-магазин : www.book24.ru
Интернет-магазин : www.book24.kz
Интернет-дкен : www.book24.kz
Импортёр в Республику Казахстан ТОО «РДЦ-Алматы».
PазаRстан Республикасына импорттаушы «РДЦ-Алматы» ЖШС.
Дистрибьютор и представитель по приему претензий на продукцию
в Республике Казахстан: ТОО «РДЦ-Алматы»
ТОО РДЦ Алматы, Алматы, ул. Домбровского, 3«а», литер Б, офис 1.
Дистрибьютор жQне PазаRстан Республикасында Sнімге ша/ымдар
Rабылдау жSніндегі Sкіл: «РДЦ-Алматы» ЖШС.
Алматы R., Домбровский кSш., 3 «а», литер Б, офис 1.
Тел.: 8 (727) 251-59-90/91/92. E-mail: RDC-Almaty@eksmo.kz
Сведения о подтверждении соответствия издания согласно законодательству РФ
о техническом регулировании можно получить на сайте Издательства «Эксмо»:
www.eksmo.ru/certiﬁcation
ТехникалыR реттеу туралы РФ за]намасына сай басылымны] сQйкестігін растау
туралы мQліметтерді мына адрес бойынша алу/а болады: http://eksmo.ru/certiﬁcation/
Произведено в Российской Федерации
Ресей Федерациясында Sндірілген
Сертификаттау/а жатпайды

Дата изготовления / Подписано в печать 11.12.2025.
Формат 70x1001/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 79,07.
Тираж
экз. Заказ

12+

Москва. ООО «Торговый Дом «Эксмо»
Адрес: 123308, г. Москва, ул. Зорге, д.1, строение 1.
Телефон: +7 (495) 411-50-74. E-mail: reception@eksmo-sale.ru
По вопросам приобретения книг «Эксмо» зарубежными оптовыми
покупателями обращаться в отдел зарубежных продаж ТД «Эксмо»
E-mail: international@eksmo-sale.ru
International Sales: International wholesale customers should contact
Foreign Sales Department of Trading House «Eksmo» for their orders.
international@eksmo-sale.ru
По вопросам заказа книг корпоративным клиентам, в том числе в специальном
оформлении, обращаться по тел.: +7 (495) 411-68-59, доб. 2151.
E-mail: borodkin.da@eksmo.ru

Оптовая торговля бумажно-беловыми
и канцелярскими товарами для школы и офиса «Канц-Эксмо»:
Компания «Канц-Эксмо»: 142702, Московская обл., Ленинский р-н, г. Видное-2,
Белокаменное ш., д. 1, а/я 5. Тел./факс: +7 (495) 745-28-87 (многоканальный).
e-mail: kanc@eksmo-sale.ru, сайт: www.kanc-eksmo.ru
Филиал «Торгового Дома «Эксмо» в Нижнем Новгороде
Адрес: 603094, г. Нижний Новгород, улица Карпинского, д. 29, бизнес-парк «Грин Плаза»
Телефон: +7 (831) 216-15-91 (92, 93, 94). E-mail: reception@eksmonn.ru
Филиал OOO «Издательство «Эксмо» в г. Санкт-Петербурге
Адрес: 192029, г. Санкт-Петербург, пр. Обуховской обороны, д. 84, лит. «Е»
Телефон: +7 (812) 365-46-03 / 04. E-mail: server@szko.ru
Филиал ООО «Издательство «Эксмо» в г. Екатеринбурге
Адрес: 620024, г. Екатеринбург, ул. Новинская, д. 2щ
Телефон: +7 (343) 272-72-01 (02/03/04/05/06/08)
Филиал ООО «Издательство «Эксмо» в г. Самаре
Адрес: 443052, г. Самара, пр-т Кирова, д. 75/1, лит. «Е»
Телефон: +7 (846) 207-55-50. E-mail: RDC-samara@mail.ru
Филиал ООО «Издательство «Эксмо» в г. Ростове-на-Дону
Адрес: 344023, г. Ростов-на-Дону, ул. Страны Советов, 44А
Телефон: +7(863) 303-62-10. E-mail: info@rnd.eksmo.ru
Филиал ООО «Издательство «Эксмо» в г. Новосибирске
Адрес: 630015, г. Новосибирск, Комбинатский пер., д. 3
Телефон: +7(383) 289-91-42. E-mail: eksmo-nsk@yandex.ru
Обособленное подразделение в г. Хабаровске
Фактический адрес: 680000, г. Хабаровск, ул. Фрунзе, 22, оф. 703
Почтовый адрес: 680020, г. Хабаровск, А/Я 1006
Телефон: (4212) 910-120, 910-211. E-mail: eksmo-khv@mail.ru
Республика Беларусь: ООО «ЭКСМО АСТ Си энд Си»
Центр оптово-розничных продаж Cash&Carry в г. Минске
Адрес: 220014, Республика Беларусь, г. Минск, проспект Жукова, 44, пом. 1-17, ТЦ «Outleto»
Телефон: +375 17 251-40-23; +375 44 581-81-92
Режим работы: с 10.00 до 22.00. E-mail: exmoast@yandex.by
Казахстан: «РДЦ Алматы»
Адрес: 050039, г. Алматы, ул. Домбровского, 3А
Телефон: +7 (727) 251-58-12, 251-59-90 (91,92,99). E-mail: RDC-Almaty@eksmo.kz
Полный ассортимент продукции ООО «Издательство «Эксмо» можно приобрести в книжных
магазинах «Читай-город» и заказать в интернет-магазине: www.chitai-gorod.ru.
Телефон единой справочной службы: 8 (800) 444-8-444. Звонок по России бесплатный.
Интернет-магазин ООО «Издательство «Эксмо»
www.eksmo.ru
Розничная продажа книг с доставкой по всему миру.
Тел.: +7 (495) 745-89-14. E-mail: imarket@eksmo-sale.ru

Откройте для себя мир электроники
с этим простым руководством

" #$! %& ' !( !#! )
*+,./01234567++89/%# ! ! ) ! ":# "
%;
' # # '%

8 книг внутри:

• Введение в электронику
• Базовые электронные
компоненты

• Работа с интегральными схемами
• За пределами постоянного тока
• Цифровая электроника
• Микропроцессоры Arduino
• Raspberry Pi
• Специальные эффекты

Дуг ЛОУ E %
% F G ! "
HI
IJ %

!
"# $# % & !
% %
! '()*+,. /01234((5 6+ 7 % !"

'()*+,. +)48 659:., ;'<=>
!

$% !
Андрей КОРЯГИН,

% "8
659:.,8 >?8 >@@8 A*08 B0C0