Гололобов В. Н.
ЭЛЕКТРОНИКА
ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
книга + виртуальный диск
Наука и Техника, Санкт-Петербург

УДК 621.314:621.311.6
Гололобов В. Н.
ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ + виртуальный диск. - СПб.: Наука и Техника,
2О18.-32Ос.,илл.
ISBN 978-5-94387-877-0
Чтобы смартфон исправно работал, над его созданием трудилось очень много людей. Это
ученые, математики, физики, химики, инженеры-технологи, инженеры, специализирующиеся
на электронике, и программисты. Над сборкой, проверкой и наладкой устройства трудились
техники и рабочие. Все это для того, чтобы вы могли воспользоваться плодами электроники:
поговорить по телефону, посмотреть кино или поучаствовать в борьбе за лайки.
Эта книга написана специально для вас, начинающих увлекательное восхождение к верши-
нам электроники. Помогает освоению диалог автора книги с новичком. А еще помощниками
в овладении знаниями становятся измерительные приборы, макетная плата, книги и ПК.
Компьютер сегодня хороший, а в чем-то и необходимый, инструмент. На протяжении всего
рассказа вы можете использовать бесплатную программу моделирования электрических
цепей.
Понадобятся для освоения электроники и эксперименты в «живом виде», без этого трудно
приобрести опыт. В этом вопросе вам поможет беспаечная макетная плата. Сочетая экс-
перименты на ПК и реальные опыты с электронными компонентами, вы быстрее поймете
назначение и работу не только базовых элементов, но и их многочисленных комбинаций.
Словом, вам предстоит долгий путь, и очень важно, чтобы это был добрый путь.
Книга сопровождается ВИРТУАЛЬНЫМ ДИСКОМ, описание которого приведено в конце
книги. Предназначена для широкого круга любознательных читателей,увлеченных электро-
никой, микроконтроллерами, техническим творчеством и занимательными самоделками.
9 785943 87877
ISBN 978-5-94387-877-0
Автор и издательство не несут ответственности за возможный ущерб,
причиненный в ходе использования материалов данной книги.
Контактный телефон издательства
(812) 412-70-26
Официальный сайт: www.nit.com.ru
Гололобов В. Н.
Наука и Техника (оригинал-макет)
000 «Наука и Техника».
Лицензия № 000350 от 23 декабря 1999 года.
198097, г. Санкт-Петербург, ул. Маршала Говорова, д. 29.
Подписано в печать 05.12.2017. Формат 70*100 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 20 п. л.
Тираж 1200 экз. Заказ № 11197.
Отпечатано с готовых файлов заказчика
в АО «Первая Образцовая типография»
филиал «УЛЬЯНОВСКИЙ ДОМ ПЕЧАТИ»
432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14

СОДЕРЖАНИЕ
С чего начинается путешествие
в удивительный мир электроники? 7
Глава 1. Что на плате электронного устройства? 12
Разберем(ся) для начала рассказа 12
Резистор 13
Аналогия - удобный механизм 16
Какими «видит» материалы электрический ток 16
«Рисунок» электрической схемы 21
Опыт первый 27
Законы Кирхгофа 32
Несколько любопытных экспериментов 40
Глава 2. Новые знакомые 47
Конденсатор 47
Здравствуйте, я - переменный ток 52
Индуктивность 58
Первая встреча с фильтрами 64
Глава 3. Полупроводниковая двоица 72
Вот какой он, полупроводниковый диод 72
Немного о выпрямителе 78
Многоликий «светлячок» 83
Знакомьтесь: транзистор - трехслойный
полупроводниковый прибор 87
Канальные транзисторы - кто они и как работают 90
Включаем биполярный транзистор в цепь 91
И в завершении немного простых расчетов 93
Глава 4. Просто усилитель 95
Однокаскадный усилитель на транзисторе
с общим эмиттером 95
Однокаскадный усилитель
на транзисторе с общим коллектором 104
Новое и очень важное понятие 107
АЧХ и ФЧХ, о чем говорят они? 112
Глава 5. С платы на плату 122
Микросхемы - операционные усилители 122
Упакованные единицы и нули 128

Стабилизатор напряжения 136
Несколько слов в защиту цифровых схем 138
Глава б. Как читать электрические схемы 143
Изменение рисунка 143
Разбивка схемы на части 146
Еще о чтении схем 150
Глава 7. Очень короткая, но с большим количеством советов 159
Совет первый 159
Совет второй 159
Советтретий 160
Совет четвертый 160
Совет пятый 160
Совет шестой 161
Совет седьмой 161
Совет восьмой 162
Совет девятый 162
Совет десятый, заключительный 164
Глава 8. Сигналы 165
Почему сигналы, и какие они? 165
Синусоидальное напряжение 166
Прямоугольные импульсы 167
Сигналы другой формы 169
Информация и сигналы 171
Глава 9. Используем полученные знания 174
Генератор прямоугольных импульсов 174
Генератор синусоидального сигнала 177
«Столовая для транзисторов» 180
Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений 184
Как решались раньше некоторые проблемы 184
Преобразователь для включения
электробритвы в автомобиле 186
Выпрямление переменного напряжения в мультиметре 187
Преобразование радиосигнала в звук 189
Приемник - супергетеродин 191
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 193
Импульсные преобразователи напряжения 195
Датчики, датчики, датчики... Кто они? 201

О применении датчиков в любительских условиях 205
Подведем итоги 206
Глава 11. Микроконтроллер 207
Беглое знакомство с микропроцессором 207
Микроконтроллер 213
Чем отличается микроконтроллер от микропроцессора? 214
Среда разработки программы 215
Программатор 216
Глава 12. Программа для микроконтроллера 218
Программа для программы 218
Немного об истории языков программирования 220
Написание кода программы 221
Глава 13. Если у вас есть деньги, чтобы купить программу 227
Первые шаги с FlowCode 7 для Pic,AVR,Arduino 227
Создание нового проекта 229
Отладка программы 231
FlowCode и Arduino 234
Буквенно-цифровой дисплей и Arduino 237
Программа Proteus 239
ISIS (Proteus) и Arduino 241
Глава 14. Опять и снова - MPLABX 244
Самая простая программа на языке Си 244
Слово конфигурации 247
Текст первой программы 250
Глава 15. Проектируем собственное устройство 255
Техническое задание 255
Первая часть проекта: возрастающее ступенчатое напряжение .. 256
Вторая часть: компаратор 263
Завершение проекта 265
Глава 16. Мультивибратор: будем его создавать сами 268
Транзисторный вариант 268
Задающий генератор 270
Генератор на микроконтроллере 274
Глава 17. Термостат 275
Простые схемы регулятора нагрева 275
Термостат при малой инерционности 277
Схема термостата с микроконтроллером 280

Глава 18. Цифровой индикатор 282
Семисегментный индикатор 282
Индикаторы и микроконтроллер 284
Глава 19. Генератор аналоговый, цифровой и микроконтроллерный... 285
Аналоговый генератор 285
Цифровой генератор 285
Генератор на микроконтроллере 287
Глава 20. Несколько простых схем: как они работают 291
Автоматическая регулировка усиления 291
Цифровая схема формирования импульсов заданной
длительности 293
Схема управления яркостью лампочки 295
Имитатор подскакивающего шарика для пинг-понга 298
Глава 21. От слов к делу 299
Насколько понята схема? 299
Со схемой вы разобрались, что дальше? 300
Разводка печатной платы, начало 302
Подготовка к автоматическому размещению деталей 306
Автоматическая разводка платы 310
Послесловие 315
Список литературы и Интернет-ресурсов 316
Знакомьтесь, виртуальный диск 317

С ЧЕГО НАЧИНАЕТСЯ
ПУТЕШЕСТВИЕ
В УДИВИТЕЛЬНЫЙ
МИР ЭЛЕКТРОНИКИ
Для кого эта книга, о чем эта книга? Эта книга об элек-
тронике! Она включает и электрику, и радиотехнику, и ана-
логовую схемотехнику, и цифровую, и программирование. То
есть, это книга обо всем, что связано с «приключениями элек-
трического сигнала»! Она написана для всех, кого это интере-
сует. Я не делаю большой разницы между подростком девяти
лет и моим сверстником, который в размышлениях о будущем
выходе на пенсию ищет, чем бы интересным занять свой досуг.
Что нужно иметь для занятий электроникой к соб-
ственному удовольствию? В первую очередь — желание этим
заниматься. Это действительно интересное дело, которое для
молодого человека может превратиться в профессию, а жизнь
человека зрелого, даже если он, например, заядлый рыбак, обо-
гатит свежими впечатлениями, пополнит новыми знаниями,
привнесет в нее долю приятной усталости, отчего походы на
озеро или на реку станут еще приятнее.
Чем, кроме желания, следует обзавестись, начиная
с самого начала? Думаю, книгами и доступом во всемир-
ную сеть Интернет. Есть много великолепных книг, написан-
ных в разные годы по предмету. Книги следует подбирать по
уровню своей подготовки и по своему вкусу. Да-да, по вкусу.
Очень важно, чтобы вам нравилось читать, то, что вы купили.

Электроника для любознательных
Если у вас есть компьютер, а сегодня это не редкость, он может
быть очень полезен, особенно, если есть доступ в Интернет.
Радиолюбительские конференции, схемы и книги на сайтах,
поиск информации — это первое, чем может быть полезен ком-
пьютер. А второе, сам я при написании книги для иллюстраций
буду пользоваться этими программами, второе — программы
для работы со схемами.
Можно использовать программы, которые способны
работать и в Linux, и в Windows? Можно повторить все, о чем
пойдет речь, в той программе, которой я буду пользоваться.
Много полезного и интересного предстоит узнать с помощью
такой программы. Однако не следует замыкаться в виртуаль-
ном мире компьютерных программ, обязательно нужно нау-
читься собирать схемы на макетной плате, и научиться поль-
зоваться измерительными приборами.
Для проведения измерений, если позволяют финансы,
лучше использовать записывающий осциллограф-приставку
к компьютеру. Если финансы не позволяют, можно обойтись
мультиметром. До недавнего времени, когда мне приходилось
«засучить рукава и заняться делом», я обходился самым деше-
вым мультиметром. Вполне хватало.
Что еще нужно для начала? Пожалуй, терпение? Я мог бы
долго рассказывать о различных приборах и приспособлениях
столь полезных в любительской и профессиональной практике,
о разных чудесных наборах инструментов, о радиодеталях и т.
д., любой заядлый охотник или автомобилист меня поймет, если
я скажу, что заходя в магазин «Чип и Дип», я готов забыть, зачем
пришел, и часами разглядывать витрины. Но, увы, разглядыва-
ние витрин нисколько не помогает освоить электронику.
Очень полезным приобретением для начинающего может
стать хороший конструктор, позволяющий собрать и опробо-
вать много схем, от самых простых до самых сложных. Но это,
опять-таки, скорее вопрос финансовых возможностей, а не
единственного пути в познании — все эти схемы можно повто-
рить, покупая нужные детали по мере необходимости.
Что лучше использовать для опытов и экспериментов?
Для работы с отдельными схемами, для опытов и экспери-

С чего начинается путешествие в удивительный мир электроники 9
ментов можно использовать вышедшие из строя электронные
изделия. Например, устройство может оказаться не восстано-
вимым по ряду причин и подлежать выбросу, тогда как имеет
полностью исправный узел усилителя, или преобразователя,
или генератора. Отчего не использовать его?
А помощь более опытного товарища, как без нее? Будет
очень хорошо, если у вас есть более опытный собрат по увле-
чению. Но! Но не следует забывать, что и профессионалы не
всегда могут ответить, легко и просто, на любой вопрос. Не сле-
дует забывать об этом и пытаться выяснить, что ваш наставник
или преподаватель не знает, полезнее разобраться в том, что
он хорошо знает.
Что полезного радиолюбителю дает Интернет? Очень
многое! В последние годы мне часто приходилось отыскивать
информацию в Интернете, пользоваться различными фору-
мами. Если вы впервые зарегистрировались на форуме, то
не спешите задавать вопросы. Вначале постарайтесь «побро-
дить» по форуму, возможно, вы найдете ответ на свой вопрос.
Проверьте, нет ли на форуме поиска (по материалам форума),
если есть, воспользуйтесь им, чтобы найти ответ на свой вопрос.
Конечно, нет ничего страшного, если вы сразу зададите свой
вопрос, но многие участники форума не могут пройти мимо
того факта, что один и тот же вопрос задается многократно,
они обязательно съязвят или начнут пенять вам. Сделают они
это не по злобе, но по свойствам своего характера, так уж они
устроены. Постарайтесь не обижаться на них, даже поругива-
ясь, они приведут вас к нужному ответу.
С чего же начнем? Я очень сомневаюсь, что среди тех,
кто хотел бы начать заниматься электроникой, найдется хоть
один, готовый терпеливо и методично разобраться с такими
скучными материями, как резисторы и конденсаторы, диоды
и транзисторы. Скорее всего, он заинтересуется электроникой,
чтобы быстро собрать домашний кинотеатр или отремонтиро-
вать спутниковый приемник, или, на худой конец, придумать
и собрать робота.
Если очень хочется, можно начать и с этого, но обязательно
надо быть готовым к полной неудаче. А лучше поступить раз-

10 Электроника для любознательных
умно, отодвинув решение этой проблемы на год-два, как
конечную цель своих усилий, а перед ней поставить несколько
промежуточных целей, реализуя свои стремления в несколько
хорошо продуманных и точно очерченных этапов.
В этом случае по мере приближения к главной цели вы,
скорее всего, поймете, что ваша «великая цель» не более чем
обычная задача. Она может иметь множество решений, может
иметь единственное решение, а может и не иметь решения.
Прочувствуете, что интересным было не столько достижение
цели, сколько путь, пройденный вами к этой цели.
Ну и попутные работы нужно уметь проводить радио-
любителю? Как ни странно, к электронике могут иметь отно-
шение, конечно, в любительской практике, слесарные работы,
гальванические работы или, скажем, художественные. Сам я
по мере возможности стараюсь этого избегать, поскольку не
люблю делать то, что умею делать из рук вон плохо.
Но могу посоветовать, если найдете, приобрести книги,
которые называются как-нибудь так: «Практические советы
радиолюбителю». В этих книгах можно найти полезные советы
по работе с деревом, пластмассой, металлом, советы по выбору
и применению разного рода замазок, клеев, паст.
Хотя в радиомагазине можно подобрать подходящий кор-
пус с платой для монтажа, какие-то изменения в конструкции
потребуются обязательно. Очень важно при этом не забы-
вать, что эти, скучные и вынужденные на первый взгляд, виды
работы в действительности не менее интересны и увлека-
тельны, чем создание собственной схемы или наладка чужой.
Если подойти к этим работам без спешки, без предвзятости,
то можно получить большое удовольствие и от процесса, и от
результата, даже если результат не столь впечатляет, как про-
мышленное изделие.
Покупка готового изделия или сборка своими руками?
Вообще, получить удовольствие, радостное удовлетворение
можно от любой творческой работы, и с ним не может срав-
ниться схожее с ним чувство приобретения, охватывающее
вас при покупке чего-то готового, оно проходит быстро и бес-
следно. Помнится, в детские годы среди моих сверстников

С чего начинается путешествие в удивительный мир электроники 11
прошел слух, что можно купить транзисторы, тогда это были
таинственные сущности, но ехать нужно далеко. И какое же это
было увлекательнейшее путешествие в подмосковный город,
где мы обзавелись транзисторами, почему-то зелеными и
неизвестной породы, но мы их с упоением паяли, припаивали
к ним что-то, придумывали что-то, и опять паяли!
Ни в какое сравнение с этим не идет, когда по дороге домой
вы заезжаете в супермаркет, покупаете что-то в расписной
коробке, бросаете в багажник, а придя домой вспоминаете, что
забыли это в багажнике. Бессмысленно сравнивать.
Если сегодня поговорить с бывалыми радиолюбителями, то
даже запах канифоли, как дым отечества, им сладок и приятен.
И отчего-то мне кажется, что лучше они припомнят не супер
крутые свои проекты, а нечто более простое, но задуманное и
выполненное неспешно и так, как хотелось изначально, и что
далось не сразу, но таки удалось!
Я хочу начать эту книгу с рассказа с том, что мой сверстник
может помнить по урокам физики в школе или лекциям в
институте, а подростку еще только предстоит узнать от препо-
давателя.
С чего же начнется наше путешествие в удивительный
мир электроники? Я хочу начать рассказ с простых понятий, с
ясных и простых схем. Не спешить, не пропускать деталей, оче-
видных для меня, но не для того, кто только начинает разби-
раться с предметом, и только готовится узнать о нем. И, самое
главное, я очень надеюсь, что и я узнаю что-то новое и инте-
ресное, прежде чем закончу эту книгу.

ГЛАВА 1
ЧТО НА ПЛАТЕ
ЭЛЕКТРОННОГО
УСТРОЙСТВА?
Рассказывать о чем-либо можно по-разному. Можно начать
с определений, затем сплести их в единую сетку, в кото-
рую поймать сюжет. А можно выдумать рассказчика, приду-
мать героев, и начать с ними какую-нибудь увлекательную
игру, я часто так делаю. Но не сегодня.
|Разберем(ся)
для начала рассказа
Сегодня я поступлю иначе. Возьму отвертку, разберу какое-
нибудь устройство или прибор и постараюсь рассказать о тех
электронных компонентах, которые увижу — что они такое, что
из них можно сделать полезного или интересного, и как это
сделать.
Конечно, я буду употреблять какие-то слова (термины),
которые могут быть не всем понятны. Постараюсь обозначить,
что я сам вижу за этими словами. Например, я часто употре-
бляю слово радиолюбитель, относя его не только к тем, кого
интересуют радиоприемники, передатчики или любительская

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 13
радиосвязь. Мне нравится это слово, в силу ли того, что оно
привычно, или в силу уважения к родоначальникам этого увле-
чения, и я не буду выдумывать новые названия для любителей
повозиться с электроникой.
Для иллюстрации своего рассказа я воспользуюсь ком-
пьютерными программами моделирования, которые есть
в моем распоряжении, и которые вы тоже можете использовать
в своих экспериментах. Приступим.
Новичок: Могу дать свою отвертку, а что будем разби-
рать?
У меня под руками прибор, который я могу разобрать (и
даже, возможно, я этого не исключаю, позже собрать), рис. 1.1.
У прибора несколько плат и много разных деталей.
Рис. 1.1. Главный герой рассказа - прибор
Резистор
На самой большой плате передо мной, следовало бы посчи-
тать, но не хочется, на первый взгляд больше всего резисторов.
Резистор или сопротивление, наверное, простейший для пони-
мания компонент любого электронного устройства...
Новичок: А если посчитать?
Точно, не успев начать рассказ, я уже сделал ошибку.
Больше всего на плате не резисторов, конечно, а проводников!

14
Электроника для любознательных
И, пожалуй, именно проводники самые простые компоненты.
Проводники соединяют все остальные элементы устройства в
сложные или простые цепи, поэтому электрическую схему я
буду часто называть электрической цепью.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Как правило, проводники делают из металла,
материала хорошо проводящего электрический
ток.
Платы у прибора печатные, а проводники медные.
Печатные они, скорее всего, по той причине, что выполняют их
с помощью фотопечати — наносят на плату, покрытую медной
фольгой, светочувствительный слой, а затем печатают фото-
графию проводников. Процесс, конечно, более сложный, но
пока он нас не очень интересует.
Новичок: Да, начали мы разговор о резисторах. Так чем они
знамениты?
Знамениты они тем, что сопротивляются электрическому
току. Если под током понимать любое направленное движение
электрических зарядов, то проводники мало сопротивляются
этому движению, то есть, их сопротивление обычно невелико.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Свойства проводников хорошо понятны, если рас-
сматривать атомное строение вещества, дого-
ворившись, что атомы состоят из тяжелого
электрически заряженного ядра и легких элек-
тронов, субатомных частиц противоположного
знака, носящихся вокруг ядра.

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 15
У разных веществ заряд ядра разный, но количество элек-
тронов такое, что в целом атом электрически нейтрален. У
металлов, уж так они устроены, электроны, далеко располо-
женные от ядра, слабо связаны с ним и могут «бродить» по
металлу от атома к атому (но не могут самопроизвольно поки-
нуть металл).
Движутся они, конечно, беспорядочно, но^под действием
внешнего электрического поля, которое можно создать с помо-
щью источника питания, его еще называют источником элек-
тродвижущей силы (батарейка, аккумулятор, блок питания),
их движение упорядочивается и можно говорить о протекании
тока от одного полюса источника питания к другому. Благодаря
большому количеству носителей зарядов в металлах (электро-
нов-бродяг), те оказываются хорошими проводниками тока.
ЭТО ВАЖНО!
За техническое направление тока принято
направление от плюса источника ЭДС (электро-
движущей силы) к минусу, хотя реально в металле
под действием внешнего электрического поля
двигаться будут отрицательно заряженные
электроны от минуса источника, поставляющего
электроны в металл, к его плюсу
Если можно посчитать количество зарядов, проходящих
через поперечное сечение проводника, то можно оценить силу
тока — чем больше зарядов проходит через это сечение, тем
больше ток. Определяется сила тока отношением количества
зарядов, прошедших за определенное время через поперечное
сечение, к этому времени.
И еще о токе можно сказать, что если его величина и
направление не меняется со временем, то мы имеем дело с
постоянным током, иначе с переменным током. Батарейка —
источник постоянного тока, а силовая сеть, куда мы подклю-
чаем пылесос или телевизор, источник переменного тока.

16 Электроника для любознательных
I Аналогия -
удобный механизм
Создатели теории электричества, изучая эффекты сегодня
привычные для нас, а потому не всегда интересные, часами
наблюдали, измеряли и искали аналогии увиденному. Так всегда
удобно поступать, если что-то новое входит в ваш обиход.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Приступая к освоению электричество, можно
представлять себе электрический ток в виде
воды в городском водопроводе: вода бежит по
трубам, растекаясь по ответвлениям и к соседям
справа, и слева, и сверху
Если насос, а гонит ее по трубам насос, маленький или пло-
хой, вода уныло вытекает из открытого крана, а насос хороший
и большой — хлещет и брызжет, только не догляди за ней. И
бежит вода из водохранилища, которое может обмелеть, как
старая батарейка, и которое нужно наполнить, как вы заряжа-
ете аккумулятор мобильного телефона или своего автомобиля.
И пусть батарейка — и насос, и озеро в одной упаковке —
устроена иначе, на первых порах нам достаточно любого пред-
ставления об электрическом токе, которое поможет не столько
понять его сущность, сколько привыкнуть к нему, чтобы впо-
следствии не думать, что такое электрический ток, а измерять
или вычислять его величину.
I Какими «видит» материалы
электрический ток
Все материалы по тому, как они проводят электрический
ток, можно разделить на три большие группы:

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 17
♦ проводники, хорошо проводящие ток;
♦ изоляторы, материалы, которые не проводят ток;
♦ полупроводники — «ни рыба, ни мясо», проводят ток мно-
го хуже проводников, но лучше изоляторов.
Их оценивают по сопротивлению, маленькому у прово-
дников и огромному у изоляторов. Единица сопротивления в
электротехнике — Ом.
Единица в 1000 раз большая, чем Ом, называется килоом,
в миллион раз больше — мегаом, а в тысячу раз меньше ома —
миллиом.
Теперь можно перейти к тому, с чего я по ошибке начал,
к резисторам. Мы уже договорились, что разные материалы
по-разному проводят электрический ток. Это касается и метал-
лов.
Новичок: Но металлы, кто-то говорил, хорошо проводят
электрический ток!
Это так, они все проводники, но одни металлы лучше про-
водят ток, другие хуже. Очень хорошо, например, проводят
ток медь, серебро, золото. Хуже алюминий. Еще хуже сплавы
металлов, как нихром, манганин, константан, имеющие значи-
тельное сопротивление.
Новичок: А отчего зависит сопротивление проводника?
От материала, из которого он сделан, это, во-первых, от
толщины проводника и от длины проводника, это, во-вторых.
Если у вас есть мультиметр и медные провода одинаковой
длины, но разного диаметра, вы можете измерить их сопротив-
ление (провода лучше взять достаточно длинные). И измерьте
сопротивление проводников одинакового диаметра, но разной
длины. А если у вас найдется проводник из нихрома (от пере-
горевшей спирали старого нагревательного прибора) такой же
длины, вы непременно заметите разницу.
Есть еще одно обстоятельство, влияющее на сопротивле-
ние проводника, это температура. При нагревании сопро-

18 Электроника для любознательных
тивление проводника увеличивается, потому что при нагре-
вании электроны-бродяги становятся еще энергичнее в
своем хаотическом движении и их труднее заставить «мар-
шировать» — двигаться направленно. Убедиться в том, что
при нагревании сопротивление увеличивается, можно так:
подключить к мультиметру в режиме измерения сопротив-
ления резистор и нагреть вывод резистора паяльником. Если
интересно, можете попробовать, только аккуратно, чтобы не
испортить свой прибор.
ЭТО ВАЖНО!
Не забывайте об этом, когда, особенно в изме-
рительных цепях, пытаетесь получить нужную
величину сопротивления, подпаивая к одному
резистору другой. Обязательно дайте остыть
резисторам прежде, чем оценивать результат.
Резисторы для нужд электроники изготавливают по раз-
ным технологиям и из разных материалов так, что величина
их сопротивления колеблется от долей ома до десятков милли-
онов Ом (мегаом).
Новичок: Если сопротивление мешает току, то зачем изго-
тавливать резисторы?
Сопротивление в электрической цепи может быть вредно!
Так получается в силовых цепях. Но может быть полезно
при разных манипуляциях с электричеством. Самое простое
полезное действие электрического тока — нагрев. При про-
текании электрического тока по проводнику, оказывающему
сопротивление, проводник нагревается. В обогревателе, где
используется сопротивление, изготовленное из нихрома,
такой резистор нагревается докрасна. А в электрической лам-
почке резистор (спираль лампочки накаливания) раскаляется
добела.

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 19
ПРИМЕЧАНИЕ.
И в том, и в другом случае используется сопро-
тивление для превращения электрического тока
в необходимые для нас тепло и свет.
Новичок: То есть, если бы сопротивления не было, то элек-
трическая плита'не работала бы?
Так и есть, если у плиты обычные нагревательные эле-
менты. Резисторы широко используются в электронике. Есть
проволочные и непроволочные резисторы (рис. 1.2), есть рези-
сторы переменного сопротивления (потенциометры), есть тер-
морезисторы и фоторезисторы. А такое свойство резисторов,
как изменение сопротивления при механическом воздействии,
находит применение в тензодатчиках.
Рис. 1.2. Вот как выглядят резисторы:
а - переменный резистор; б - подстроечный резистор;
в - фоторезистор и терморезисторы; г - постоянные резисторы

20 Электроника для любознательных
Я сейчас отпаяю несколько резисторов с платы прибора и
перенесу их на макетную плату, чтобы рассказать о несколь-
ких простых, но очень полезных правилах, которые называют
законами для электрических цепей.
Макетные платы применяют при создании прототипов
электрических устройств. На макетной плате можно спа-
ять устройство, проверить, наладить, а когда оно полностью
готово, можно перейти к изготовлению образца.
Очень часто макетная плата — это набор контактных пло-
щадок из меди с отверстиями для выводов компонентов элек-
трической схемы. У меня макетная плата покупная, предназна-
ченная для работы без пайки.
Пока я все это рассказывал, я успел включить паяльник и
выпаять резисторы из платы.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Для пайки используется паяльник (еще один при-
мер полезного использования сопротивления),
обычно небольшой мощности, например, 25 ватт
220 вольт. Кроме паяльника для пайки нужен при-
пой, лучше ПОС-61 в виде тонкого прутка, и паяль-
ный флюс, например, канифоль, хотя я использую
жидкий флюс ЛТИ-120, который держу в пузырьке
из-под лака для ногтей с кисточкой, достаточно
удобно.
Флюс растекается по месту пайки, помогая припою лучше
соединить детали, ведь пайка — это один из способов соеди-
нения деталей, кстати, не единственный, хотя в электронных
изделиях наиболее широко применяемый. Кроме пайки можно
использовать скрутку, одно время монтаж с помощью скрутки
был очень популярен.

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 21
ЭТО ВАЖНО!
При работе с паяльником следует соблюдать
осторожность и не только с тем, чтобы не
обжечься. Припой, испаряясь, не принесет пользы
при вдыхании. Не следует паяльник постоянно
держать включенным, лучше лишний раз подо-
ждать, когда он нагреется.
Впрочем, до паяльника мы еще не дошли, нам паять рано.
До того, как продолжить рассказ об электрических цепях, я
хочу заметить, что описать электрическую цепь и все, что с ней
связано, можно только словами, не прибегая ни к чему другому,
но получается длинно, и далеко не всегда понятно. Поэтому
для изображения электрических схем используют графическое
представление — лучше один раз увидеть, чем сто раз услы-
шать.
«Рисунок» II
электрической схемы II
Новичок: Что за графическое представление, это как в цирке?
Не совсем. Каждый компонент рисуют в виде небольшой
простой картинки, а провода, соединяющие элементы схемы,
изображают в виде линий. Собственно, такое графическое
представление и называют электрической схемой устрой-
ства. Простые схемы можно нарисовать так, как они будут
нарисованы ниже, более сложные схемы занимают целый лист
(рис. 1.3), а то и рисуются на многих листах бумаги.

22
Электроника для любознательных
Усилитель
МОЩНОСТИ РЧ
Рис. 1.3. Передатчик для радиоуправляемых моделей

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 23
ПРИМЕЧАНИЕ.
. ^
Для примера большой схемы (рис. 1.3) выбрали
интересную схему, разработанную А. Моховым.
Если описание этой схемы вас заинтересует,
найти его можно в журнале Радио (Мохов А.
Радиопередатчик для управления летающими
моделями.//Радио. - 1997. - № 7. - С 33).
Для лучшего восприятия новичками на схеме штри-
ховой линией выделены функциональные узлы. Хотя для
принципиальных схем это не характерно. Для объяснения
их работы используют еще один графический вид — функ-
циональные схемы. Устройство можно, и должно, раз-
бить на части, функциональные узлы. Такие как, скажем,
выпрямитель, усилитель, преобразователь и т. д., которые
изображаются в виде прямоугольников, связанных лини-
ями или стрелками.
К таким сложным (очень полезно, если и к простым) схемам
прилагают их описание, которое может занимать несколько томов.
Графическое изображение элементов электрической
схемы в разных странах, в разные годы выглядело несколько
по-разному. Так, для изображения батарейки используют
изображение из двух черточек, одна из которых длиннее
другой, с перпендикулярными к ним выводами, аккумулятор
изображали в виде нескольких таких батареек. Но, порой, в
схеме не делается различия между этими двумя источни-
ками ЭДС.
Две черточки в обозначении батарейки имеют прямое
отношение к ее конструкции. Два электрода, помещенные в
электролит, за счет электрохимических процессов превра-
щаются в источник тока. Особое устройство аккумуляторов
позволяет возобновлять их заряд при пропускании через них
тока. Этим занимается зарядное устройство.

24
Электроника для любознательных
ЭТО ВАЖНО!
Если ток при заряде аккумулятора слишком боль-
шой, то аккумулятор может так сильно разо-
греться, что буквально взрывается.
Для заряда аккумуляторов не используйте сомни-
тельные зарядные устройства. Лучше поль-
зоваться устройствами, купленными специ-
ально для аккумуляторов ваших моделей. И не
пытайтесь зарядить батарейки. Современные
батарейки могут вместо восстановления раз-
ложиться, выделяя щелочь, которая вызывает
ожоги.
В последнее время, особенно в программах, источники
постоянного тока объединяют с другими источниками в общий
класс (source) и изображают в виде кружка со значками плюс
и минус. Подобные отличия есть в изображении резисторов в
виде прямоугольников, обозначенных латинской буквой R с
порядковым номером однотипных элементов, и в виде лома-
ной линии (рис. 1.4).
Есть отличия в графическом изображении других элемен-
тов, о которых я постараюсь рассказать по мере их появления в
книге. Обычно это не вызывает больших затруднений, но если
вы будете рисовать свои схемы, лучше выбрать один стиль.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Для черчения схем и пояснения их работы я буду
пользоваться компьютером, точнее программой
Qucs (используемую мной версию вы найдете на
виртуальном диске) и другими программами, если
это потребуется.
Схема (схемы) на рисунке ниже имеют один графический
элемент, о котором я еще не говорил. Это земля или общий

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 25
I
± V1 R1
- U = 1 В 50
± V1 R2
- U = 1 V R=50 Ohm
Рис. 1.4. Графическое изображение проводника,
сопротивления и батарейки (наш стандарт обозначения
резистора - слева, европейский стандарт - справа)
схемный провод. Посмотрите на изображение схемы (два изо-
бражения, рис. 1.4), а потом я постараюсь ответить на вопрос
об общем проводе схемы.
Новичок: А все-таки, зачем нужно вводить обозначение
для общего провода схемы, который вы называете
земляным проводом, или, просто, землей?
Забегая вперед, скажу, что в схеме удобно измерять напря-
жения относительно одной точки схемы, или одного общего
проводника, удобно смотреть сигналы относительно этого про-
водника. Кроме того, если этот общий провод схемы соединить
с землей — специально устраиваемым заземлением, имеющим

26 Электроника для любознательных
хороший контакт именно с землей (грунтом, почвой) — схема
меньше подвержена вредным влияниям внешних электри-
ческих полей, поэтому общий провод схемы часто называют
«землей».
Общий провод, если он подключается, например, к минусу
батарейки, остается общим для всей схемы. В провод, который
соединяется в этом случае с плюсом, могут включаться рези-
сторы, которые понижают напряжение для входных элементов
устройства, провод теперь, конечно, перестает быть общим.
При изготовлении некоторых устройств вместо общего
провода применяют общую точку. Это связано отчасти с тем,
что токи от всех активных элементов протекают по общему
проводу, токи более мощных «соседей» могут мешать входным
цепям. В этом смысле изготовление изделия, даже если схема
полностью готова, очень важный этап создания любого элек-
тронного устройства. Примером послужит разводка печатной
платы. Для хорошей разводки нужна не только профессио-
нальная подготовка, но и опыт.
Мы пока познакомились только с тремя компонентами
электронного устройства: батарейка, проводник, резистор.
Новичок: И что, с их помощью можно построить что-либо
интересное?
Можно. Во-первых, можно провести несколько экспери-
ментов для знакомства с тремя законами: закон Ома и два
закона Кирхгофа. Эти законы мы рассмотрим в их простей-
шем виде, а более сложный вид при необходимости можно
найти в учебной литературе. Этих трех законов электротех-
ники, я надеюсь, мне хватит на протяжении всей книги, и не
появится необходимости в других.
Как схемы удобнее изображать в графическом виде, так
законы удобнее записывать в виде математических соотноше-
ний. Для этого нам понадобятся:
♦ латинская буква R (resistor) для обозначения сопротивления;
♦ латинская буква I для обозначения тока;
♦ латинские U или V для обозначения напряжения.

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 27
ЭТО ВАЖНО!
Закон Ома (для участка цепи) звучит так: паде-
ние напряжения (или напряжение) на участке цепи
равно произведению тока на сопротивление: О/*/?.
Новичок: А не пора ли что-нибудь сделать?
Согласен. Итак.
Опыт первый
Начнем мы первый опыт с его схемы (рис. 1.5).
На схеме мы видим: источник напряжения, точнее ЭДС (элек-
тродвижущей силы), измеритель тока — амперметр, измеритель
падения напряжения — вольтметр, и резистор. Через резистор
течет постоянный ток, измеряемый амперметром, и на рези-
сторе возникает падение напряжения, измеряемое вольтметром.
Показания амперметра и вольтметра в таблице на рис. 1.5. В ниж-
ней части схемы есть обозначение для общего провода, «земли».
Для этого опыта не нужна даже макетная плата, но только
резистор, батарейка й мультиметр (рис. 1.6). Но лучше привы-
кать к тому, чтобы даже для экспериментов с простыми схе-
мами использовать макетную плату. Любые опыты «на весу»
чреваты неприятностями.
При экспериментах с программой Qucs на постоянном токе
зачастую не обязательно добавлять землю. Вольтметр и ампер-
метр покажут правильные значения и без нее. И моделирова-
ние пройдет «без сучка и задоринки». Но я советую вам добав-
лять землю даже в этом случае.
Новичок: Почему так?
Все очень просто. Привычка. Да, сейчас можно не забо-
титься о земле, и без нее все работает. Но позже вы потратите
больше времени, пытаясь понять, отчего схема не моделиру-
ется. И еще.

28
Электроника для любознательных
Вольтметр
Номер
1
Рг1,А
0,001
Рг2, В
10
Рис. 1.5. Схема первого опыта
Рис. 1.6. Повторение опыта «в живом виде»

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 29
Особенно это касается приборов. Хотя сжечь микросхему
или транзистор в тот момент, когда у вас почти все получилось,
тоже радости мало. Но приборы достаточно дорогое удоволь-
ствие. Да, сейчас, вы, положим, пользуетесь самым дешевым
мультиметром. Но позже, вероятно, приобретете более совер-
шенный, а, значит, и более дорогой. И дело не только в цене
прибора. Переключатели мультиметров, как правило, изготов-
лены в виде дрожек печатной платы. При неаккуратном с муль-
тметром обращении дорожка сгорит. Не думаю, что ее можно
будет восстановить, поскольку по ней проходит бегунок пере-
ключателя, и любые неровности будут мешать переключению
режима работы и диапазонов измерения, да и просуществуют
любые накладки недолго.
Скажу вам больше, сердце любого мультиметра - это ана-
лого-цифровой преобразователь. Довольно давно его стали
делать бескорпусным. К плате его прижимают, заливая твер-
дым компаундом. Если АЦП мультиметра выйдет из строя,
то его уже не заменишь. Хотя микросхему можно, наверное,
купить, но вы едва ли справитесь с заменой. Так что, одна
небрежность, одна ошибка, и... сожаления, раскаяние, но это
плата за небрежность. Лучше не привыкать к подобной небреж-
ности. Хорошая подготовка даже при проведении простых экс-
периментов - это навык, который всегда вам пригодится.
ЭТО ВАЖНО!
Заметьте, что при измерении тока красный
кабель мультиметра подключается к положи-
тельному выводу батарейки, а черный, включен-
ный в гнездо «СОМ», к резистору. Подключать
мультиметр лучше тогда, когда вы выставили
нужное положение переключателя и подгото-
вили остальную часть схемы. Если есть сомне-
ния в правильности выбора диапазона измерения,
лучше начать с максимального значения (для дан-
ного мультиметра это 10 А, но кабель следует
переключить в другое гнездо, помеченное как 10А).

30 Электроника для любознательных
Меняя резисторы, вы можете составить таблицу результатов
измерений. Это хорошая практика записывать результаты своих
экспериментов. Особенно важно иметь записи при «работе над
ошибками». Порой процесс затягивается, возникают разные сооб-
ражения о причине отказа устройства или ошибке в программе,
если не записывать результат работы, можно по многу раз повто-
рять одну и ту же проверку.
Новичок: Я разглядывал резистор и заметил, что он имеет
сопротивление 10 кОм. А если разделить напря-
жение на ток, то получится сколько?
Определим величину сопротивления: R = Ц/1. В нашем случае:
8,54 В/0,000834 А = 10239,8 Ом.
Новичок: Я как это получается?
Да, маркировка на резисторе указывает, что величина сопро-
тивление 10 кОм = 10000 Ом. Разница с полученным при изме-
рении значением составляет 239,8 Ом. Попробуем разобраться.
Маркировка указывает номинальное значение, за кото-
рым следует допуск - допустимое отклонение от номинала. То
есть, в пределах указанного отклонения от 10 килоом резистор
остается «правильным резистором». На прежних резисторах
надпись делали обычным шрифтом, в последнее время чаще
используют цветовую маркировку резисторов, где последняя
цветовая полоска указывает допуск. В данном случае (разгля-
деть это на рисунке сложно) последняя полоска коричневая, а
такой цвет полоски означает, что допустимое отклонение 1%. То
есть, наше сопротивление можно записать так: 10000±100 Ом. Я
могу проверить величину сопротивления мультиметром с очень
хорошими показателями точности (рис. 1.7).
Резистор имеет отклонение больше указанного, бывает и
такое, но остается еще 37 Ом (239 - 202 = 37).
При моделировании мы использовали идеальный ампер-
метр, внутреннее сопротивление которого равно нулю.
Реальный амперметр имеет некоторое внутреннее сопротив-

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 31
Рис. 1.7. Измерение сопротивления мультиметром
с повышенной точностью
ление, которое и добавится к сопротивлению, измеренному
нами в опыте.
Оставшиеся 37 Ом... давайте определим, какой процент от
10 202 Ом составляют 37 Ом. Не более 0,36%. Но наш мульти-
метр измеряет постоянный ток (загляните в его паспорт) с точ-
ностью 1%, а постоянное напряжение с точностью 0,5%. Они,
скорее всего, и ответственны за оставшиеся 0,36% ошибки.
Однажды, проводя подобное измерение резистора с неболь-
шим сопротивлением, я получил очень большую ошибку, кото-
рая никак не вписывалась в приведенное выше объяснение.
Результат некоторое время оставлял меня в растерянности, пока
я не вспомнил, что у мультиметров на пределе измерения тока
до двухсот миллиампер, как правило, добавлен предохранитель.
И предохранитель имеет довольно существенное сопротивле-
ние, которое добавляется к измеряемому сопротивлению.
ЭТО ВАЖНО!
Проводя измерения, не забывайте о точности
измерительных приборов, об особенностях их кон-
струкции, и о том, что все компоненты имеют
допустимое отклонение от обозначенных номи-
нальных значений.

32 Электроника для любознательных
I Законы
Кирхгофа
От закона Ома можно плавно перейти ко второму закону
Кирхгофа.
Новичок: Почему ко второму, а не к первому?
Мне так удобнее. Закон Кирхгофа в упрощенном виде
можно сформулировать так.
ЗАКОН.
ЭДС в замкнутом контуре равна сумме падений
напряжений.
Действительно в первом опыте, на рис. 1.5, ЭДС (источ-
ника питания VI) 10 вольт, а напряжение на резисторе тоже 10
вольт. Можно изменить схему, включив последовательно два
резистора, например, по 500 Ом. Затем измерить на них напря-
жения и убедиться, что на каждом из них будет падение напря-
жения 5 вольт, а сумма этих напряжений получится 10 вольт.
Попробуйте включить несколько резисторов разной вели-
чины, несколько вольтметров и амперметров. И если вы при
этом получите, что сумма напряжений на всех резисторах не
будет равна ЭДС, обязательно сообщите мне об этом, я пере-
пишу всю главу заново.
Здесь уместно добавить, что более верно этот закон звучал бы так:
ЗАКОН.
Алгебраическая сумма всех ЭДС в замкнутом кон-
туре равна алгебраической сумме падений напря-
жений.

Глава 1. Что на плате электронного устройства?
Рг1
R1
500
- U=10B
± V2
- U=5 В
v)Pr2MR2
Номер
1
Рг1,В
2,5
Рг2, В
2,5
Рис. 1.8. Два источника ЭДС в одной цепи
Опыт, подтверждающий это, можно провести так, как пока-
зано на рис. 1.8.
Новичок: Я сложил напряжение двух батареек и падение
напряжения на резисторах. Почему у меня не
получилось равенство?

34
Электроника для любознательных
ЭТО ВАЖНО!
Заметьте, что алгебраическая сумма ЭДС будет
равна 10-5 (вольт).
Напомню, что за техническое направление тока прини-
мают ток от положительного полюса к отрицательному. Для
источника VI направление тока по часовой стрелке, а для
источника V2 против часовой стрелки, то есть, результирую-
щий ток будет равен их разности. Поэтому мы вычитаем из
первой ЭДС вторую.
И, кстати, о токах. Первый закон Кирхгофа гласит:
ЗАКОН.
Алгебраическая сумма токов в каждом узле любой
цепи равна нулю.
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Узел электрической цепи - это место ветвления,
к которому подходит проводник, и из которого
выходят проводники, соединяющие, например,
резисторы.
Соберем электрическую цепь согласно рис. 1.9.
В узле А ток, измеряемый амперметром Prl, разветвляется
на два, измеряемые амперметрами Рг2 и РгЗ. В узле В эти токи
складываются, что и показывает амперметр Рг4. Проводя эти
опыты можно (и нужно) воспользоваться беспаечной макетной
платой (рис. 1.10).
Законы Ома и Кирхгофа помогают легче понять, что проис-
ходит при последовательном и параллельном включении рези-
сторов. При последовательном включении резисторов ясно,
общее сопротивление увеличивается. Но при параллельном
включении резисторов, возьмем для простоты эксперимента

Глава 1. Что на плате электронного устройства?
35
± V1
- U=10B Pr4
Номер
1
Рг1,А
0,00667
Рг2,А
0,00333
РгЗ,А
0,00333
Рг4,А
0,00667
Рис. 1.9. Измерение токов в разветвляющейся цепи
два резистора одинакового сопротивления, по закону Кирхгофа
падение напряжения на каждом из резисторов одинаково.
Значит, каждый из резисторов ведет себя так, как если бы
второго не было, то есть, ток через него, по закону Ома, такой
же, что и при его одиночном включении. А по другому закону
Кирхгофа ток в точке ветвления должен быть равен сумме
токов, растекающихся по двум параллельно включенным рези-

36 Электроника для любознательных
Рис. 1.10. Проведение экспериментов на макетной плате
сторам, то есть ток увеличивается вдвое, как если бы вместо
двух резисторов был включен один, меньшей величины.
При параллельном включении резисторов удобно склады-
вать величины обратные их сопротивлению (складывать про-
водимости), а результирующее сопротивление будет обратной
величиной к полученному результату.
Новичок: Но электрические схемы состоят не только
из резисторов. Причем здесь законы Ома и
Кирхгофа?
Пример с резисторами легче понять, поэтому и опыты
удобно проводить с резисторами. Но это может создать ложное
впечатление о применимости законов Ома и Кирхгофа только
к резисторам. Отнюдь.
У транзистора типа p-n-р, о самом транзисторе речь пой-
дет в главе 3 «Полупроводниковая двоица», ток, втекающий в
эмиттер, разветвляется на токи базовой и коллекторной цепи.
Сопротивление в цепи базы, как правило, значительно больше,
чем сопротивление в цепи коллектора, поэтому и ток в цепи
базы значительно меньше, чем ток в цепи коллектора. Токи
базы и коллектора связаны определенной зависимостью, а в
цепи коллектора может не быть резистора, но сумма тока базы
и тока коллектора всегда будет равна току эмиттера.
То же можно сказать о напряжениях. Если транзистор вклю-
чен по схеме с общим эмиттером, то можно сказать, что ЭДС
равна сумме падения напряжения на переходе эмиттер-база и

Глава 1. Что на плате электронного устройства?
37
падению напряжения на резисторе в цепи базы, а для коллек-
торной цепи — ЭДС равна сумме падения напряжения на тран-
зисторе (эмиттер-коллектор) и на сопротивлении нагрузки в
цепи коллектора.
В любой мало-мальски интересной схеме можно встре-
тить элементы, о которых выше не было ни слова, и позже мы
поговорим об этом, но я постараюсь показать, что достаточно
сложные, если в них вникнуть, процессы можно в любитель-
ской практике свести к таким понятиям, как сопротивление,
напряжение и ток.
ПРИМЕЧАНИЕ.
При работе с электрическими цепями важно учи-
тывать мощность, определяемую произведением
напряжения на ток.
Если мы измеряем ток, уходящий от источника питания, и
умножаем его на ЭДС (напряжение) источника питания, то мы
можем говорить о мощности, потребляемой схемой. Если мы
измеряем напряжение на сопротивлении и ток, протекающий
через него, то можем говорить о мощности, потребляемой этим
сопротивлением и обычно выделяющейся на нем в виде тепла.
Естественно, что резистор при этом нагревается, и если
неправильно выбрать такой его параметр, как допустимая
мощность рассеяния, то сопротивление перегреется и может
сгореть. Обычно на схеме указывается мощность любого сопро-
тивления, или она указывается в спецификации — перечне всех
элементов схемы с их параметрами.
ПРИМЕЧАНИЕ.
По параметру допустимой мощности сопротив-
ления делятся на ряд значений, из которых наи-
более часто употребляемые в схемах - это рези-

38
Электроника для любознательных
сторы 0,125,0,25 и 0,5 ватт. Мощность, рассеи-
ваемая резистором, не должна превышать этой
величины.
Вместе с тем, следует помнить, что нагрев сопротивления
приводит к изменению его величины. Чем ближе допустимая
мощность рассеивания резистора к мощности, выделяемой на
нем, тем сильнее он будет разогреваться.
СОВЕТ.
Если вам важно сохранить величину сопротив-
ления, то следует выбрать более мощное сопро-
тивление.
В измерительных приборах, равно как любых цепях, отно-
сящихся к измерению, там, где значение сопротивления осо-
бенно важно, кроме сопротивлений с более высокой допусти-
мой мощностью рассеяния, применяют специальные рези-
сторы, мало меняющие свое значение при нагреве.
ЭТО ВАЖНО!
Проводя эксперименты, правильно выбирайте
режим измерения и диапазон измерения. Если вы
не уверены в величине тока или напряжения, под-
лежащих измерению, начинайте с максимального
значения. Постарайтесь подготовить схему к
измерениям, проверьте правильность соедине-
ний, подключите прибор и после этого подавайте
питающее напряжение.
Есть еще несколько интересных, и как мне кажется, важ-
ных моментов, относящихся к сопротивлению. Многие неис-
правности в электронных устройствах связаны с проблемами

Глава 1. Что на плате электронного устройства? 39
источников питания. Батарейки, например, со временем
«садятся».
Простейший способ проверить батарейку — измерить ток,
который она может отдавать. Для этого достаточно включить
мультиметр (или тестер) в режим измерения максимального
для конкретного прибора постоянного тока, мой мультиметр
измеряет токи до 10 ампер, и подключить амперметр к бата-
рейке. Свежая батарейка, в зависимости от типа, покажет ток
в несколько ампер, тогда как разряженная сможет дать только
десятки миллиампер.
Зная закон Ома, мы можем попытаться определить ожи-
даемый ток до проведения измерения. Положим, батарейка
имеет напряжение 1,5 вольта. Амперметр имеет сопротивле-
ние 0,1 Ом. Тогда мы должны получить ток 15 ампер.
Новичок: Я сейчас измерил батарейку, ток не больше двух
ампер. Это плохая батарейка?
Нет, дело не в плохой батарейке. Дело в том, что реальная
батарейка, как любой источник питания, это не идеальный
источник ЭДС. Любой реальный источник питания имеет, как
и реальный измерительный прибор, внутреннее сопротивле-
ние. Небольшое, зависящее от типа источника, но это внутрен-
нее сопротивление имеет место. Оно-то и уменьшает ток через
батарейку. Однако внутреннее сопротивление батарейки — это
параметр, который не увидишь на этикетке. Плохо ли, что бата-
рейка имеет внутреннее сопротивление, да еще и меняющееся
со временем?
С одной стороны — плохо. А с другой... современные
мобильные телефоны имеют аккумуляторы с очень низким
внутренним сопротивлением. Они могут отдавать большой ток.
По этой причине многие из них приходится снабжать специ-
альным устройством, ограничивающим этот ток. И проблема
не в том, что если этого не сделать, и вы коснетесь выводов
аккумулятора, то вас «тряхнет» током. Нет. Проблема в том, что
если этого не сделать, и вы решите почистить выводы аккуму-
лятора безопасной бритвой, бывает такое, то при замыкании

40 Электроника для любознательных
выводов бритвой большой ток через нее может расплавить
бритву (вспомните про нагревание резистора).
ЭТО ВАЖНО!
Не пытайтесь чистить контакты аккумуля-
тора бритвой. При коротком замыкании ток
через бритву может расплавить ее, а расплав-
ленный металл вызвать серьезные ожоги. При
этом процесс происходит настолько быстро,
что расплавленный металл разбрызгивается в
разные стороны.
На практике, если внутреннее сопротивление источника
на порядок меньше сопротивления цепи, то им можно прене-
бречь.
I Несколько
любопытных экспериментов
Коль скоро я упомянул внутреннее сопротивление бата-
реек, хочу немного рассказать о граблях, на которые сам вре-
менами наступаю. Схему на рис. 1.11 я выберу самую простую.
Вы все знаете, что часто в пультах управления, плеерах и
т. п. ставят две батарейки, включая их последовательно. Иногда
две батарейки включают параллельно, соединяя их положи-
тельные и отрицательные выводы. В этом случае они могут
дать больший ток, или служат вдвое дольше. Что будет, если
при параллельном включении соединить их разнополярно:
положительный вывод одной батарейки соединить с отрица-
тельным другой, а отрицательный — с положительным?
Новичок: Сам много раз ошибался, и что в этом интерес-
ного?

Глава 1. Что на плате электронного устройства?
41
Рг2
Номер
1
Рг1,А
15
Рг2, В
8,ЗЗе-17
+ 11=1,5 В
Рис. 1.11. Эксперимент с двумя батарейками
Согласно закону Кирхгофа алгебраическая сумма ЭДС
должна быть равна сумме падений напряжений. Но сумма ЭДС
(алгебраическая, то есть, с учетом знака) равна нулю. Значит
сумма падений напряжений (напряжение) тоже будет равно
нулю. А ток в такой цепи?
Новичок: Закон Ома никто не отменял. Ток равен напря-
жению, деленному на сопротивление. Напряжение
равно нулю, тогда и ток равен нулю?

42 Электроника для любознательных
Не так. Проведем эксперимент, где R1 и R2 — это внутрен-
нее сопротивление батареек (рис. 1.11).
Напряжение, измеряемое вольтметром Рг2 практически
равно нулю. Чтобы лучше понять происходящее, уберем общий
провод (землю) и перерисуем схему (рис. 1.12).
Теперь ЭДС схемы будет 3 вольта, сопротивление цепи 0,2
ома, ток по закону Ома 15 ампер, а сумма падений напряжений
U=15Ax(0,1+0,1)Om.
Падение напряжения происходит на внутренних сопротив-
лениях источников питания. Если бы внутреннее сопротив-
ление не было скрыто от глаз, было бы проще ответить пра-
вильно, но, что глаз не видит, того, вроде бы, и нет.
Я проводил опыт с двумя батарейками по 1,5 вольта, паде-
ние напряжения в реальном эксперименте оказалось 0,2
вольта.
Новичок: Отчего так?
Отчего так? Попробуйте менять внутреннее сопротивление
R1 в схеме на рис. 1.11.
Есть еще один интересный эксперимент, который легко
провести, чтобы понять, что в электротехнике называют источ-
ником тока в отличие от источника напряжения. Представим,
что внутреннее сопротивление батарейки очень велико.
Скажем, сто килоом. Напряжение батарейки для определенно-
сти пусть будет десять вольт. Тогда максимальный ток, который
батарейка может отдавать во внешнюю цепь будет не более,
чем 10 В/100 кОм = 0,0001А (или 100 микроампер).
Если мы к такой батарейке подключим сопротивление
в один килоом, то ток, практически, не изменится. То есть, в
достаточно широком диапазоне изменений сопротивления
внешней цепи ток, протекающий по этой цепи, не будет зави-
сеть от сопротивления цепи (рис. 1.13).
Конечно, напряжение будет меняться, но ток — нет. Это и
находит применение на практике, конечно, не в виде бата-
реек с большим внутренним сопротивлением, а в виде специ-

Глава 1. Что на плате электронного устройства?
43
R1
0,1
Рг2
^—>
V
Рг1
R2
0,1
±V1
- 11=1,5 В
± V2
- U=1,5B
Номер
1
Рг1,А
15
Рг2,В
3
Рис. 1.12. Видоизменение схемы рис. 1.11
альных генераторов тока. Так, например, в мультиметре при
измерении величины сопротивления фактически измеряется
падение напряжения на испытуемом резисторе, а ток под-
держивается постоянным в широком диапазоне измеряемых
сопротивлений с помощью источника тока (а не источника
напряжения).

44
Электроника для любознательных
Рг1
ф
R1
100 к
±V1
- и=юв
Рг2
R2
1 к
Номер
1
Рг1,А
9,9е-5
Рг2, В
0,099
Рг2
Рг1
ф
R2
2к
R1
100 к
± V1
- и=юв
Номер
1
Pr1,A
9,8е-5
Рг2, В
0,196
Рис. 1.13. Опыт с батарейкой, имеющей большое внутренне
сопротивление R1

Глава 1. Что на плате электронного устройства?
45
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Источник питания, напряжение которого мало
зависит от сопротивления внешней цепи, мы
будем называть источником напряжения, а тот,
ток которого мало зависит от сопротивления
нагрузки, источником тока.
На практике, когда мы говорим об источниках питания, мы
называем их и источниками постоянного напряжения, и
источниками постоянного тока. При этом смысл сказанного
в слове «постоянный».
Итак. Всего несколько понятий: ЭДС, напряжение, ток и
сопротивление; всего три закона электротехники: закон Ома
и два закона Кирхгофа, — дали нам возможность провести ряд
интересных экспериментов. И это далеко не все интересные
эксперименты, которые можно было бы провести.
Попробуйте составлять цепи из многих батареек и сопро-
тивлений, включая их разными способами, и попытайтесь
ответить на вопрос о падении напряжения на любом из рези-
сторов и токе через него! Уверен, вы найдете много интерес-
нейших вариантов.
ЭТО ВАЖНО!
Электрический ток представляет опасность для
жизни. Поэтому начинающим лучше использо-
вать батарейки в своих экспериментах или низ-
ковольтные лабораторные блоки питания. И пом-
ните, даже напряжение 12 вольт при неудачном
стечении обстоятельств может быть опасно.
ЭТО ВАЖНО!
В продаже есть батарейки, есть аккумуляторы,
которые очень похожи на батарейки. Не путайте
их, поскольку при попытке зарядить батарейку,

46 Электроника для любознательных
вставив ее в зарядное устройство для аккуму-
лятора, из батарейки может вытекать щелочь,
которая вызывает ожог кожи.
Многие эксперименты с электрическими цепями можно
провести за компьютером, используя программы моделирова-
ния, например, Qucs.
На виртуальном диске вы найдете руководство по работе
с этой программой. Насколько полезны программы моделиро-
вания, станет понятно, когда мы начнем говорить о перемен-
ном токе.

ГЛАВА 2
НОВЫЕ
ЗНАКОМЫЕ
Устройства, состоящие из проводников и резисторов,
встречаются крайне редко. Мне на память приходит только
шунт и делитель напряжения. Даже магазин сопротивлений,
есть такой прибор, имеет еще и переключатели!
Конденсатор
Прежде, чем расстаться с постоянным током, я хочу немного
рассказать о конденсаторе. Любая схема электронного устрой-
ства (или почти любая) содержит хотя бы один конденсатор.
Что он собой представляет (рис. 2.1)?
Возьмем две металлические пластины, положим между ними
тонкую изолирующую пластину и получим конденсатор. Емкость
конденсатора зависит от площади пластин, расстояния между
ними и свойств изолятора (диэлектрика). На схеме (рис. 2.2)
конденсатор так, примерно, и изображают: две пластины (в про-
филь), к которым подходят два проводника. Это конденсатор С1.
Новичок: Мы говорим о постоянном токе. Поскольку между
пластинами изолятор, не проводящий постоян-
ный электрический ток, то зачем бы нам конден-
сатор в цепи постоянного тока?

48 Электроника для любознательных
Рис. 2.1. Вот как выглядят конденсаторы:
о - электролитические конденсаторы;
б - керамические конденсаторы;
в - конденсаторы переменой емкости
Конденсатор не проводит постоянный электрический ток.
Но есть небольшой промежуток времени после замыкания
контактов выключателя S1, когда могут возникнуть сомнения.
Заменим выключатель и батарейку в схеме на рис. 2.2 гене-
ратором ступенчатого напряжения. На выходе генератора
напряжение равно нулю, затем становится равным заданному
значению, которое и сохраняется. Моделирование покажет
такой результат (рис. 2.3).
ПРИМЕЧАНИЕ.
На графике рис. 23 по оси х откладывается время
в виде 2е-04. Это величина общепринятого обо-
значения: два, умноженное на десять в степени
минус четыре. На всех графиках дальше обозна-

Глава 2. Новые знакомые
49
Рис. 2.2. Конденсатор в цепи постоянного тока
чения будут такими же. Основная единица вре-
мени - это секунда, относительно которой идет
отсчет. В данном случае речь идет о 200 микро-
секундах. При желании программа Qucs позволяет
вам изменить название осей, написав их кирилли-
цей. Но по умолчанию вы будете получать гра-
фики в том виде, что показан на рисунке. И не все
обозначения в программе можно писать кирилли-
цей, лучше не привыкать.
Напряжение на конденсаторе растет от нуля до напряжения
источника VI. А это означает, что напряжение на резисторе

50
Электроника для любознательных
2е-4 4е-4 t, с
Рис. 2.3. Моделирование RC-цепи в программе Qucs
R1 изменяется от напряжения источника VI = 10 В до нуля.
Соответственно ток через резистор R1 протекает. Но резистор
включен последовательно с конденсатором, из чего следует,
что ток через конденсатор протекает, пусть и недолго.
Мы могли бы изменить схему измерения, включив после-
довательно с конденсатором амперметр. В этом случае диа-
грамма процесса изменилась бы (рис. 2.4).
Диаграмма показывает, что после замыкания контактов
выключателя ток в цепи протекает, а его величина определя-
ется значением резистора R1. Затем ток уменьшается до нуля.

Глава 2. Новые знакомые
51
1е 4-
8е 5-
6е 5-
4е-5-
2е 5-
0-
i
V !
\._:
\ !
-Чг—--
~ т ^ч^
1
1 1 1 1
.|_ — — х. _ — _J _|
"1 — 1" "1 1
-|_ — — — 4- — — — — — —1—— — — 1
"1 ~ 1 "1 " 1
>ч^,^^ 1 1 1
1 1 1 1
i t, с
Н ►
1е-4 2е-4 Зе-4 4е-4 5е-4
Рис. 2.4. Диаграмма, отображающая изменение тока в RC-цепи

52 Электроника для любознательных
что есть что.
Процесс, при котором происходит переход из
одного устойчивого состояния электрической
цепи в другое, называется переходным. Во многих
программах моделирования можно встретить
анализ, который называется transient, анализ
переходного процесса.
Ток, который показан на рис. 2.4, перестал быть посто-
янным током. Вы помните, у постоянного тока не должны
меняться ни направление тока, ни его величина. А про пере-
менный ток мы поговорим позже в разделе «Здравствуйте,
я — переменный ток».
Вы можете проделать простой эксперимент. Включите
мультиметр в режим измерения сопротивления на диапазон,
скажем, двести килоом. Возьмите электролитический кон-
денсатор достаточно большой емкости 100—470 микрофарад,
подключите щупы мультиметра к выводам конденсатора, сни-
майте и записывайте показания дисплея.
По этим значениям вы можете построить график похожий
на тот, что показан на рис. 2.3. Если, конечно, вы будете сни-
мать показания через равные промежутки времени.
Основная единица измерения емкости конденсатора фарада.
Но это очень большая емкость. В электронных устройствах при-
меняют конденсаторы гораздо меньшей емкости от нескольких
пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Микрофарада в
миллион раз меньше фарады. Нанофарада в тысячу раз меньше
микрофарады, а пикофарада в тысячу раз меньше нанофарады.
Это наиболее часто употребляемые единицы емкости.
I Здравствуйте,
я - переменный ток
Через конденсатор мы познакомились с переменным
током. Думаю, пришло время немного больше рассказать о

Глава 2. Новые знакомые 53
переменном токе. Если у тока меняется величина или направ-
ление (или и то, и другое), то ток становится переменным.
Щелкая выключателем в схеме (рис. 2.2), мы получим самую
простую версию генератора переменного тока.
На практике часто используют переменный ток, который
меняется по закону синуса. Такой ток называется синусои-
дальным. Такой ток с частотой пятьдесят герц протекает в
нашей домашней электросети.
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Переменный ток бывает периодическим, с кото-
рым чаще всего приходится иметь дело при нала-
живании электронных устройств. Периодический
переменный ток означает, что характер его
изменения повторяется через равные проме-
жутки времени, которые называют периодом.
Величина обратная периоду называется часто-
той переменного тока.
Переменный ток может быть непериодическим, что мы
наблюдали в эксперименте с конденсатором. Тем не менее, мы
можем сказать, что через конденсатор протекает переменный
ток. И мы можем это проверить. Соберем на макетной плате
схему, показанную на рис. 2.5.
Схема достаточно простая, чтобы при наличии генератора
и осциллографа можно было увидеть результат (рис. 2.6).
Новичок: Хорошо, допустим, конденсатор пропускает
переменный ток. А зачем на осциллографе два
графика?
Верхний — это синусоидальное напряжение на входе, а ниж-
ний график — это напряжение на резисторе нагрузки, то есть,
ток, проходящий через конденсатор. Если обратить внимание
на максимумы графиков, то можно заметить, что они не совпа-
дают. В подобном случае говорят, что напряжение не совпадает

54
Электроника для любознательных
Рг1
Рис. 2.5. Схема опыта с конденсатором
по фазе с током. Или, другими словами, между напряжением и
током есть фазовый сдвиг. Это мне и хотелось показать.
Новичок: Ну, мне пока трудно понять, что такое фазовый
сдвиг.
Можно вернуться к графикам рис, 2,3 и рис. 2.4. На
рис. 2.4 график тока через конденсатор, а на рис. 2.3 график
напряжения на конденсаторе. Рассматривая значения в оди-
наковые моменты времени, мы можем сказать, что в началь-

Глава 2. Новые знакомые
55
Рис. 2.6. Переменный ток на входе и выходе CR-цепи
ный момент ток через конденсатор максимальный, а напря-
жение на нем минимальное. В следующие моменты времени
ток через конденсатор уменьшается, а напряжение на кон-
денсаторе растет. Если бы мы проводили опыт с резистором,
то и напряжение на нем, и ток через него вели бы себя оди-
наково — синхронно (одновременно) увеличивались и умень-
шались.
ПРИМЕЧАНИЕ.
На виртуальном диске к этой книге вы найдете
проекты в программе Oucs, о которых здесь рас-
сказано. Найдите схему (рис. 2.6) и проведите
небольшие изменения. Включите последовательно
с конденсатором измеритель тока, а измеритель
напряжения включите параллельно конденсатору.
В этом случае вы можете построить графики
тока через конденсатор и напряжения на нем.
Очень удобная возможность программы Qucs.

56 Электроника для любознательных
Факт сдвига фаз нам потребуется в дальнейшем, а сейчас
вернемся к рассказу.
В любом электронном устройстве важно рассмотреть посто-
янный ток и напряжение. Но больше всего нас будет интересо-
вать переменный ток. Переменный ток может изменяться по раз-
ным законам, иногда законы изменения переменного тока очень
сложны. Так, если мы попробуем с помощью математики описать
переменный ток в микрофоне при исполнении певцом арии из
оперы, то... я не думаю, что у нас это получится легко и просто.
Поэтому мы будем рассматривать переменный периодиче-
ский ток, который изменяется по простым законам. С одним из
них мы знакомы — это синусоидальный ток.
О втором я говорил раньше.
Новичок: Когда?Я не помню.
Хорошо, я напомню. Если к батарейке подключить резистор
через выключатель, а затем начать щелкать выключателем, то
мы получим переменный ток, протекающий через резистор, а
на резисторе будет падать переменное напряжение. Такое пере-
менное напряжение называют прямоугольными импульсами.
Если щелкать через равные промежутки времени, то мы полу-
чим простой «меандр». Выглядит он так (рис. 2.7).
Такой переменный ток позволяет лучше понять, что подраз-
умевается под действующим значением переменного тока. А мы
измеряем мультиметром действующее значение, когда измеряем
переменно напряжение (или ток). Несколько упрощая, сформули-
руем понятие действующего значения переменного тока.
ЭТО ВАЖНО!
Под действующим значением переменного тока
подразумевают такую его величину, которая про-
изводит такое же действие на резистор, что и
постоянный ток той же величины.

Глава 2. Новые знакомые
57
Рг1, В
1-
0,5-
п -
и
—I
I—
"1
—1
t,c
0,002 0,004
0,006
Рис. 2.7. Прямоугольные импульсы,
воспроизводимые генератором импульсов
Для меандра за один период через резистор будет протекать
половина значения тока в импульсе. Мы можем это проверить,
измеряя мультиметром постоянное напряжение, когда генератор
формирует меандр с амплитудой (максимальным значением) 5 В
(рис. 2.8).
Для синусоидального напряжения действующее значение
определяется несколько иначе, но сейчас важно другое. Для
участка цепи мы можем использовать действующие значе-

58
Электроника для любознательных
Рис. 2.8. Измерение меандра мультиметром
в режиме постоянного напряжения
ния тока и напряжения, а законы Ома и Кирхгофа будут так же
работать, как и для постоянного тока. Мы сможем пользоваться
ими и дальше.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Кстати, прямоугольные импульсы, похожие на те,
что на рис 2.7, можно использовать для питания
некоторых типов двигателей. Если уменьшать дли-
тельность импульсов, сохраняя период их следова-
ния, то действующее значение напряжения будет
уменьшаться, а двигатель медленнее работать.
Индуктивность
По-разному ведет себя на постоянном и переменном токе
еще один элемент, который я вижу на плате прибора.
Если взять проводник, намотать его на цилиндр, то мы
получим этот новый компонент радиоэлектронных устройств,

Глава 2. Новые знакомые 59
который называется катушка индуктивности. По отношению
к постоянному току катушка индуктивности, что отличает ее от
конденсатора, ведет себя так же, как обычный резистор. А по
отношению к переменному току она ведет себя подобно кон-
денсатору, но являет собой прямую противоположность кон-
денсатору.
Новичок: А это как?
Сейчас поясню. Мы говорили, что конденсатор «проводит»
переменный ток. По аналогии с постоянным током и резисто-
ром, мы можем говорить про ток, протекающий через конден-
сатор, и про падение напряжения на конденсаторе. По закону
Ома, разделив напряжение на ток, мы получим сопротивление.
Но что это за сопротивление?
Мы не пробовали менять частоту переменного тока.
Проведем такой опыт (рис. 2.9).
Верхний график — это напряжение на выходе при частоте
один килогерц, а нижний график — частота пятьдесят
герц. Если в первом случае амплитуда два вольта, то во вто-
ром амплитуда меньше двух десятых вольта. Таким образом,
напряжение на выходе падает с уменьшением частоты. Если
сопротивление обычного резистора не зависит от частоты (в
очень широких пределах изменения частоты), то сопротивле-
ние конденсатора зависит от частоты переменного тока.
Можно проделать аналогичные эксперименты с катушкой
индуктивности (будем называть ее индуктивностью), чтобы
убедиться в том, что и она пропускает переменный ток, обла-
дая сопротивлением, которое тоже зависит от частоты.
ПРИМЕЧАНИЕ.
У конденсатора с уменьшением частоты сопро-
тивление увеличивается, а у индуктивности -
уменьшается.

60
Электроника для любознательных
Частота 1 кГц
С1
0,005 0,01 0,015 0,02
0,005 0,01 0,015 0,02
Рис. 2.9. Прохождение синусоидального напряжения через конденсатор

Глава 2. Новые знакомые 61
Я начал рассказ с того, как конденсатор реагирует на
изменение напряжения. Индуктивность тоже реагирует на
изменение напряжения. Видимо, по причине их реакции на
изменение напряжения их сопротивление называют реак-
тивным. Тогда как сопротивление обычного резистора назы-
вают активным.
Новичок: У меня есть мулыпиметр. Я могу измерять сопро-
тивление. Я могу измерить сопротивление кон-
денсатора и индуктивности?
Видимо, я плохо объяснил, что такое сопротивление кон-
денсатора и индуктивности. Я приведу простые формулы, по
которым эти сопротивления можно рассчитать:
Хс = l/2nFC
XL = 2nFL
Здесь F — это частота в герцах, С — емкость в фарадах, L —
индуктивность в генри.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Единица измерения индуктивности - генри (Гн).
Единица в тысячу раз меньше - миллигенри (мГн), а
единица в миллион раз меньше - микрогенри (мкГн).
Индуктивность катушки индуктивности зависит
от числа витков и диаметра намотки, а еще она
зависит от материала внутри цилиндра катушки.
Таким образом, мультиметр не позволит измерить реак-
тивные сопротивления конденсатора и индуктивности, но их
можно рассчитать для данной частоты или для разных частот.
Можно мультиметром измерить напряжение на конденсаторе
или индуктивности, затем измерить ток через них при той же
частоте синусоидального напряжения от генератора. Так мы
сможем посчитать сопротивление на этой частоте.

62
Электроника для любознательных
Заговорив про расчеты, проведем несложные вычисле-
ния, вспомнив, что конденсатор и индуктивность по разному
«относятся» к изменению частоты:
l/2nFC = 2nFL
Определим частоту, при которой осуществляется это равенство:
F = l/2nVLC
Это особенная частота для конкретной пары конденсатор-
индуктивность. Посмотрим на их реакцию, когда они соеди-
нены параллельно, при подключении батарейки с помощью
выключателя. Иными словами посмотрим на поведение их
совместного реактивного сопротивления (рис. 2.10).
Если измерить частоту переменного напряжения, изобра-
женного на графике (рис. 2.10), то она окажется той, формулу
которой мы рассчитали.
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Частота собственных колебаний параллельно сое-
диненных конденсатора и индуктивности называ-
ется резонансной частотой. Параллельно соеди-
ненные конденсатор и индуктивность называют
колебательным контуром. А явление возникнове-
ния колебаний в таком контуре называют парал-
лельным резонансом.
ЭТО ИНТЕРЕСНО!
При резонансе сопротивления конденсатора и
индуктивности, соединенных параллельно, равны.
С этого мы начали рассказ о резонансе. Вспомним
о законах Ома и Кирхгофа. При равенстве сопро-
тивлений будут равны токи через конденсатор и
индуктивность. Поэтому параллельный резонанс
еще называют резонансом токов. И сопротивление
LC-цепи на частоте резонанса будет наибольшим.

Глава 2. Новые знакомые
63
-0,05-
1
I"
Л А '
[МДАдд
IV |
V 1
1 1
"I I
1 1
1 1
ЛАД. л лл a j
i i
i i
i i
1е-4
2е-4
Зе-4
Р(/с. 2.10. Параллельное соединение конденсатора и индуктивности

64 Электроника для любознательных
Свойства реактивных сопротивлений конденсатора и
индуктивности широко используют для создания филь-
тров. Фильтры, как следует из называния, фильтруют: то
есть, либо пропускают какой-то переменный ток, либо не
пропускают его.
I Первая встреча
с фильтрами
В нашем распоряжении достаточно компонентов для пер-
вого знакомства. Возьмем один резистор и один конденсатор.
Подключим генератор синусоидального напряжения и, меняя
частоту, запишем для каждой из частот напряжение на выходе,
например, в таблицу.
Когда мы нарисуем на бумаге систему координат, нанесем
все величины напряжения и соединим все точки графика, мы
получим то, что называют амплитудно-частотной характе-
ристикой электрической цепи.
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
График зависимости тока в электрической цепи
от частоты называют амплитудно-частотной
характеристикой (АЧХ) этой электрической цепи.
Чтобы посмотреть на поведение фильтра не обязательно
строить график по точкам. Можно использовать программу
моделирования, например, Oucs, или использовать прибор,
который покажет АЧХ.
Новичок: Ноу меня нет такого прибора. Что делать?
Я уже говорил, что можно построить график по точкам. И
еще я говорил, что о пользе программ моделирования станет

Глава 2. Новые знакомые 65
понятнее, когда мы дойдем до переменного тока. Мы познако-
мились только с несколькими компонентами прибора, но они
могут рассказать больше, чем рассказали до этого.
Новичок: Я пробовал что-то сделать в программе Qucs, но
многое мне не понятно. Я стал читать руковод-
ство, которое есть на виртуальном диске. Оно
очень длинное. Что делать?
Попробуйте прочить рассказ о программе Qucs (Qucs и
Flowcode), который тоже есть на виртуальном диске.
А сейчас проведем два эксперимента с резистором и кон-
денсатором. Незначительное на первый взгляд изменение при
соединении этих компонентов существенно влияет на свойства
электрической цепи. Вот первый вариант соединения (рис. 2.11).
ПРИМЕЧАНИЕ.
Напоминаю, что на графике по оси х откладыва-
ется частота в герцах. А запись 1еОЗ означает
единицу, умноженную на десять в степени три. То
есть, это 1000 Гц или один килогерц. Запись 1еО6
означает десять в шестой степени герц или мил-
лион герц, или один мегагерц.
Поменяем местами резистор и конденсатор (рис. 2.12).
Казалось бы, незначительное изменение, но оно позволило
нам познакомиться с двумя представителями фильтров:
♦ с фильтром нижних частот;
♦ с фильтром верхних частот.
Эти фильтры пропускают переменный ток, скажем низкой
частоты, как в первом случае, и «срезают» переменный ток
более высоких частот.

66
Электроника для любознательных
Рг1,В
1
0,5 —
0---
100
\
1еЗ 1е4 1е5 1е6 1е7
Рис. 2.11. Амплитудно-частотная характеристика первой RC-цепи

Глава 2. Новые знакомые
67
С1
1000
Рг1
!U=1 В
IR1
10к
Pr1,B
0,5-
0-
■ г:
/
i
/
f, П
100 1e3 1e4 1e5 1e6 1е7
Рис. 2.12. Амплитудно-частотная характеристика второй RC-цепи

68
Электроника для любознательных
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Для АЧХ фильтра вводится понятие частоты
среза - частоты, на которой значение выходного
напряжения уменьшается приблизительно в пол-
тора раза.
На обоих рисунках (рис. 2.11 и рис. 2.12) эта частота
среза около десяти килогерц, что определяется значениями
сопротивления и емкости. Эти частоты можно рассчитать, но,
согласитесь, удобнее их «увидеть». И, давайте, не забудем про
индуктивность. Посмотрим, как выглядит АЧХ колебательного
контура (рис. 2.13).
Изменим соединение компонентов, включив их последова-
тельно (рис. 2.14). Такое включение образует последователь-
ный резонансный контур.
Последовательное соединение конденсатора и индуктивно-
сти с помощью резистора формирует режекторный фильтр
(рис. 2.14), вырезающий одну частоту. А при параллельном
их соединении мы имеем дело с избирательным фильтром
(рис. 2.13), пропускающим только одну частоту.
ЭТО ИНТЕРЕСНО!
При последовательном резонансе напряжение
на конденсаторе равно напряжению на индук-
тивности. Поэтому последовательный резонанс
называют еще резонансом напряжений. А сопро-
тивление LC-цепи на частоте резонанса при
последовательном включении конденсатора и
индуктивности минимально.
Новичок: Я понял, что АЧХ нужно для изучения фильтров,
но зачем нам фильтр, который пропускает
только одну частоту?

Глава 2. Новые знакомые
69
Рг1
С1 ^
1000 ЧЮмГн
Рг1,В
14-
0,5--
100 1еЗ 1е4 1е5 1е6 1е7
Рис. 2.13. Амплитудно-частотная характеристика
колебательного контура

70
Электроника для любознательных
Рг1,В'
0,5-
0-
IIIIJ
1
I
111
х р..
Т, 1 Ц
100 1еЗ 1е4 1е5 1е6 1е7
Рис. 2.14. Амплитудно-частотная характеристика CL-цепи

Глава 2. Новые знакомые 71
Вот она, современная молодежь: смартфон и для того, чтобы
послушать музыку, и чтобы посмотреть кино, и чтобы списать
задачу по математике. А когда-то люди слушали радио! А на
входе радиоприемника был конденсатор переменной емкости
и катушка индуктивности. Колебательный контур (он же изби-
рательный фильтр) позволял настроиться на одну радиостан-
цию из множества станций, работающих в эфире.
Правда, сегодня вместо конденсатора переменной емкости
часто применяют диод, и амплитудно-частотная характери-
стика нужна не только при изучении фильтров, но об этом мы
поговорим позже, а сейчас поговорим о диоде и транзисторе.

ГЛАВА 3
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ
ДВОИЦА
Давным-давно, проводя эксперименты с электричеством,
ученые разделили материалы на проводники, хорошо прово-
дящие электрический ток, и изоляторы, ток не проводящие.
Но среди образцов попадались «бракованные материалы»,
которые ток проводили, но очень и очень плохо.
|Вот какой он,
полупроводниковый диод
Такие материалы, которые проводят ток хуже проводников,
но лучше изоляторов, назвали позже полупроводниками. А
интерес к ним возник тогда, когда обнаружилось, что разные
материалы по-разному плохо проводят электрический ток.
В одних материалах ток был за счет движения собственных
электронов, а в других материалах за счет движения «чужих»
электронов. Два типа проводимости таких материалов заста-
вили кого-то задуматься над вопросом: что произойдет, если
соединить их вместе.
Но скоро только сказка сказывается, да не скоро дело дела-
ется. Понадобилось время, чтобы так обработать материалы,
что электроны одного полупроводника смогли перейти в дру-
гой. Электроны, попавшие «за границу», крепко оседали на
новом месте. В итоге получалась конструкция с ярко выражен-
ным граничным слоем (рис. 3.1).

Глава 3. Полупроводниковая двоица
73
Полупроводник п-типа
Полупроводник р-типа
Рис. 3.1. Граница раздела двух полупроводников
разного типа проводимости
Полупроводники, где за электрический ток отвечали элек-
троны, назвали полупроводниками n-типа, а другие — р-типа.
Электроны, покидая полупроводник n-типа, оставляли положи-
тельно заряженные атомы, а попадая в материал другого типа
проводимости, делали атомы отрицательно заряженными.
Электроны покидали насиженные места до того момента,
когда «граница закрывалась».
На границе раздела возникало электрическое поле, которое
и прекращало движение электронов — у них не хватало энер-
гии преодолеть поле.
Новичок: Хорошо, а причем здесь диод?
К тому времени в радиоэлектронике успешно трудились
электронные лампы. А двухэлектродная лампа называлась
диод. И двухслойный полупроводник назвали диодом. Но это
случилось после того, как к двум очень тонким слоям полу-
проводника добавили металлические электроды, к которым
подключили батарейку. Внешнее электрическое поле металли-
ческих электродов воздействовало на пограничное поле полу-
проводников.
Когда полярность батарейки совпадала с полярностью поля,
пограничный слой расширялся, а электронам становилось
труднее перемещаться, а при обратной полярности батарейки
внутреннее поле ослаблялось, ток значительно увеличивался.

74
Электроника для любознательных
Лампа с двумя электродами применялась для выпрямления
переменного электрического тока. И оказалось, что полупро-
водниковый диод ведет себя похожим образом. Поэтому такой
полупроводниковый прибор и стал диодом.
Проведем простой эксперимент с диодом, для которого
понадобится генератор синусоидального напряжения и полу-
проводниковый диод (рис. 3.2).
Когда к аноду полупроводникового диода приложено поло-
жительное напряжение, а к катоду отрицательное, диод про-
пускает электрический ток. Когда полярность приложенного
напряжения меняется на противоположную, ток через рези-
стор R1 не протекает.
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
На схемах полупроводниковый диод обозначают
треугольником с электродом у вершины, который
называется катод (по аналогии с ламповым дио-
дом), а основание диода называют анодом.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Обозначают его латинской буквой D, дополняя его
порядковым номером на схеме. В разное время и в
разных странах это обозначение претерпевало
некоторые изменения, но мы будем использовать
обозначение, показанное на рис. 3.2.
Новичок: А зачем выпрямлять переменный ток? Ведь
постоянный ток мы не получили!
Очень справедливое замечание! И я рад, что запомнилось
определение постоянного тока. В данном случае направление
тока не изменяется, но этого не скажешь о его величине.

Глава 3. Полупроводниковая двоица
75
D1
V1
(U=100B
< f=50 Гц
Рг1
1R1
110 к
Рг1,В-
100--ir--br
--j
--■
—I
H 1-
t, с
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Рис. 3.2. Выпрямление переменного тока

76
Электроника для любознательных
V1
D1
R2
1к
Рг1
R1 _I_C1
X
47мк
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Рис. 3.3. Применение фильтра для получения постоянного тока

Глава 3. Полупроводниковая двоица
77
D1
L1
1 Гн
Рг1
«+V1
|U=100B
1R1
I
C1
47 мк
|10k
Рг1,В
100Н
50-
0-
Г
1
1
1
\ \ \ \ \ \ 1
t г
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Рис. 3.4. Улучшенный фильтр выпрямителя

78 Электроника для любознательных
Чтобы превратить переменный ток, показанный на графике
рис. 3.2, в постоянный ток применяют фильтр, изображенный
ранее на рис. 2.11. Посмотрим, как он влияет на выпрямлен-
ный ток (рис. 3.3).
В результате применения фильтра ток стал почти посто-
янным. Небольшие колебания тока называют пульсациями
выпрямленного напряжения, для выпрямителей величину
пульсаций нормируют. В одних случаях допустимы большие
пульсации, другие устройства требуют почти идеального пита-
ющего напряжения.
Вспомним еще одного старого знакомого, заменив им рези-
стор R2 (рис. 3.4).
Пульсации стали меньше, а напряжение на выходе выпря-
мителя стало больше, приближаясь к амплитудному значению
переменного напряжения.
ЭТО ВАЖНО!
Обратите внимание на резистор R3 рис. 3.4. Во
всех практических действиях при макетировании
устройства или при его наладке такой резистор
называют сопротивлением нагрузки. Мы в даль-
нейшем так и будем его и называть.
Новичок: А я встречал схемы, где диодов в выпрямителе
было больше.
Да, применяют разные схемы выпрямления.
I Немного
о выпрямителе
Однако перед тем как показать еще две схемы выпрямле-
ния переменного тока, я хочу вернуться к индуктивности, что
будет тесно связано с выпрямлением.

Глава 3. Полупроводниковая двоица 79
Две катушки индуктивности, расположенные рядом, ока-
зывают влияние друг на друга.
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Явление влияния близко расположенных катушек
индуктивности друг на друга называют взаимо-
индукцией.
Проделаем следующий эксперимент (рис. 3.5).
Прохождение переменного электрического тока за счет вза-
имоиндукции широко используется в трансформаторах. Для
высоких частот катушки могут наматываться на одном цилин-
дре из пластмассы, для низких частот используют железный сер-
дечник. Как правило, подобный сердечник выполняют из пла-
стин особого трансформаторного железа, что уменьшает потери
при передаче переменного напряжения из-за возникающего
явления, которое называют вихревыми токами в сердечнике.
Ранее почти все радиотехнические устройства, которые
включались в промышленную сеть, имели трансформаторы в
блоке питания. Сейчас ситуация несколько изменилась, но это
отдельный разговор.
К выходной обмотке (обмотка 2 на рис. 3.5) можно подклю-
чить мостовую схему выпрямителя (рис. 3.6).
Если на схеме (рис. 3.2) на выходе выпрямителя появля-
лась только одна полуволна напряжения, то теперь их две, что
уменьшает пульсации выпрямленного напряжения и увеличи-
вает выходное напряжение.
Когда на выводе А трансформатора положительное напря-
жение относительно вывода В, ток протекает:
Когда полярность напряжения на выводах трансформатора
меняется, ток протекает:

80
Электроника для любознательных
Тг1
11=10 В
L f= 100 кГц
0 2е-5 4е-5 6е-5
Рис. 5.5. Взаимоиндукция двух катушек индуктивности

Глава 3. Полупроводниковая двоица
81
+V1
и=ю в
1 f=50 Гц
0 0,01 0,02 0,03 0,04
Рис. 3.6. Мостовой выпрямитель

82
Электроника для любознательных
V1
и=юв
f=50 Гц
тг;=, о,
т9_1 1N4001
-w—
Т1
Т2
D2
1N4001
■W
0,01 0,02 0,03 0,04
Рис. 3.7. Схема двухтактного выпрямителя

Глава 3. Полупроводниковая двоица
83
Двухполупериодное выпрямление получается с помощью
еще одного приема. Для этой цели используют трансформа-
торы, где вторичная обмотка, подключаемая к диодам выпря-
мителя, имеет среднюю точку — выходная обмотка выполня-
ется из двух половинок (рис. 3.7).
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Если количество витков вторичной обмотки
меньше количества витков первичной обмотки, то
напряжение на вторичной обмотке будет меньше
входного напряжения. Такой трансформатор
называют понижающим. Если количество витков
вторичной обмотки больше, чем количество вит-
ков первичной, то напряжение на выходе будет
больше, чем напряжение на входе, а трансформа-
тор будет повышающим. Часто, чтобы разделить
устройство и силовую промышленную сеть, при-
меняют трансформатор, у которого число вит-
ков первичной обмотки равно количеству витков
вторичной обмотки. Такой трансформатор так и
называют - разделительный трансформатор.
Многоликий II
«светлячок» II
Давайте взглянем еще раз на рис. 3.1. Пограничный слой
между двумя полупроводниками разного типа проводимости
мне, например, напоминает конденсатор, две пластины кото-
рого заряжены. А вам?
Новичок: Да, похоже. Но это только рисунок?
Не только. Переход ведет себя подобно конденсатору. При
этом емкость этого конденсатора зависит от величины прило-
женного обратного напряжения. Когда этот эффект был заме-

84 Электроника для любознательных
чен, появился новый полупроводниковый компонент, который
назвали варикап. Он прекрасно заменил конденсатор перемен-
ной емкости в колебательном контуре радиоприемника, благо
радиовещание стало сдвигаться в сторону более высоких частот.
Проводя разные эксперименты при разработке новых моде-
лей полупроводниковых диодов, первые из них имели очень
неважные параметры, ученые и инженеры обнаруживали все
новые свойства, быстро находящие применение на практике.
Так переход диода при определенных условиях излучает
фотоны. А фотоны — это свет. А свет — это светодиод.
Первые светодиоды находили применение только в каче-
стве индикаторов.
Новичок: У меня есть зеленые и красные светодиоды.
Точно, это и есть индикаторные светодиоды. Позже их
форму изменили, появились удобные в применение к при-
боростроению семисегментные индикаторы. А сегодня часть
лампочек освещения работает на светодиодах. Появились
декоративные осветительные конструкции в виде ленты све-
тодиодов. И даже фонари на дорогах сегодня стараются делать
на светодиодах в целях экономии электроэнергии.
Скверное свойство было у диодов первого поколения —
быстро выходить из строя даже при небольшом обратном напря-
жении; его превратили в очень удобный тип диода — стабилитрон
(в зарубежных источниках диод Зенера). У стабилитрона — при
разных напряжениях для разных моделей — обратное напря-
жение вызывает лавинообразный процесс нарастания тока, но
напряжение, при котором этот эффект возникает, для конкретной
модели стабилитрона величина весьма постоянная. Проведем
такой опыт (рис. 3.8).
Новичок: Ой, а что-то у Вас график упал ?
Где? Нет-нет, это неправильный график, его нужно стереть.
Видимо я не учел, что генератор линейно нарастающего напря-
жения VI слишком повысил напряжение. У каждого стабили-

Глава 3. Полупроводниковая двоица
85
Рг2, В '
3-
2-
1-
0-
i -1
/
L
L
J
1
1
Н h
t,c.
5е-4 1е-3 1,5е-3 2е-3
Рис. 3.8. Работа стабилитрона

86 Электроника для любознательных
трона есть максимально допустимый ток через него. Если ток
слишком большой, на диоде рассеивается слишком большая
мощность, он перегревается и перегорает.
Наверное, нужно было бы увеличить сопротивление R1.
Или проверить ток через стабилитрон, перед тем, как включать
напряжение генератора.
Впрочем, в программе этих диодов неограниченное коли-
чество, одним больше, одним меньше — программа от этого
ничего не теряет.
А если серьезно, то генератор линейно нарастающего
напряжения я сделал из источника импульсов, а длительность
импульса одна миллисекунда. Как раз через 0,001 секунду гене-
ратор перешел к нулевому напряжению.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Моделируя схемы в программе Qucs, вы можете
попасть в ситуацию, когда процесс моделирова-
ния «застревает». Проверьте, нет ли превыше-
ния токов, напряжений, мощности рассеивания
у элементов схемы. Эти выходы за допустимые
пределы могут вывести реальные элементы из
строя, а программа зависает при моделировании.
Кроме светодиодов, стабилитронов, варикапов и выпрями-
тельных диодов (рис. 3.9), диоды используют в качестве дат-
чиков температуры. У меня на кухне на подоконнике давно
стоят часы, совмещенные с показателями температуры на
улице и в помещении. Когда однажды датчик уличной темпе-
ратуры перестал работать, я разобрал его футляр и увидел, что
в качестве датчика температуры используется диод. Что назы-
вается «дешево и сердито».
Есть еще фотодиоды, которые реагируют на освещение, и
диоды часто используют для защиты и электронных компо-
нентов от перегрузки, и защиты, например, целых устройств
от обратного включения батареек.

Глава 3. Полупроводниковая двоица 87
а б
Рис. 3.9. Вот какими бывают полупроводниковые диоды:
а - выпрямительные диоды;
б - светодиоды; в - семисегментный индикатор
Знакомьтесь: транзистор -1
трехслойный полупроводниковый прибор II
Я не знаю, как возникла идея трехслойного полупрово-
дникового прибора, но, если можно было объединить два слоя
полупроводникового материала, то почему бы не добавить еще
один слой? В итоге получится такой «пирог» (рис. 3.10).
У такого прибора три электрода, поэтому его можно
называть полупроводниковым триодом по аналогии с
ламповым триодом, но к нему быстро прикрепилось назва-
ние транзистор.
У транзистора три электрода: коллектор, база и эмиттер.
Поскольку слои полупроводника можно варьировать, то появи-
лись транзисторы типа p-n-р и транзисторы типа n-p-п, по
названиям материала слоев.
Подавая напряжения между базой и эмиттером, напряже-
ние между эмиттером и коллектором, можно манипулировать
двумя граничными переходами. Так, прикладывая к коллек-
тору положительное напряжение, а к эмиттеру отрицательное
напряжение (рис. 3.10), мы создаем благоприятное поле для
перемещения электронов, которым пока мешает только гра-
ница между базой и эмиттером.

88
Электроника для любознательных
Коллектор
Полупроводник п-типа
Полупроводник р-типа
Полупроводник п-типа
Эмиттер
Рис ЗЛО. Трехслойный полупроводниковый прибор
Чтобы оказать влияние на этот приграничный слой, мы
приложим к базе положительное, а к эмиттеру отрицательное
напряжение, которое уменьшит приграничное поле, помогая
электронам покинуть область эмиттера. В итоге через транзи-
стор потечет ток.
Проделаем такой эксперимент (рис. 3.11).
Сравнивая ток базы, измеренный амперметром Рг2, с током в
цепи коллектора, измеренным амперметром Prl, мы можем ска-
зать, что ток коллектора почти в десять раз больше, чем ток базы.
ЭТО ВАЖНО!
Ток коллектора и ток базы связывает соотношение:
1к = В*1б
Графическое изображение транзисторов на схемах пред-
ставлено на рис. 3.12.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Транзисторы на рис. 3.12 называют биполяр-
ными транзисторами в отличие от полевых или
канальных транзисторов.

Глава 3. Полупроводниковая двоица
89
Номер
1
Рг1,А
0,00994
Рг2,А
0,00116
Амперметр
Амперметр
Рис. 3.11. Включение транзистора на постоянном токе
Т2
Тип = п-р-п
ТЗ
Тип = р-п-р
Рис. 3.12. Графическое изображение транзисторов

90
Электроника для любознательных
Новичок: А что такое канальные транзисторы?
I Канальные транзисторы -
кто они и как работают
Канальные или полевые транзисторы конструктивно
устроены иначе, чем биполярные. В упрощенном виде это
можно изобразить так (рис. 3.13).
Как и у биполярного у полевого транзистора три электрода:
исток, сток и затвор. Упрощенно все работает следующим
образом.
Между истоком и стоком транзистора один тип полупрово-
дника, по которому перемещаются электроны. Затвор выпол-
нен из полупроводника другого типа, образуя зоны перехода.
Когда между затвором и истоком подается напряжение, элек-
троны от истока к стоку перемещаются по каналу, который ему
оставляют два перехода.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Чем выше запирающее напряжение между затво-
ром и истоком, тем меньше ток от истока к
стоку. Таким образом, напряжение между затвором
и истоком управляет током через транзистор.
Затвор
Полупроводник п-типа
Полупроводник р-типа
Полупроводник п-типа
Затвор
Рис. 3.13. Условное изображение устройства полевого транзистора

Глава 3. Полупроводниковая двоица
91
THn=nfet
Tnn=pfet
TMn=nfet
TMn=nfet
Рис. 3.14. Графические изображения полевых транзисторов
Ток между затвором и истоком не протекает, поэтому поле-
вой транзистор в этом отношении больше похож на ламповый
триод, чем на своего биполярного собрата.
Сегодня существует много разновидностей полевых тран-
зисторов, потому и графических изображений несколько
(рис. 3.14).
Полевые транзисторы мало-помалу вытесняют транзи-
сторы биполярные.
Включаем биполярный |
транзистор в цепь 1
Для работы биполярного транзистора ему нужно обеспе-
чить базовый ток. Самый простой способ это сделать — вклю-
чить транзистор так, как показано на рис. 3.15.
Если резистор, конденсатор и индуктивность — это пас-
сивные элементы электрических цепей, то диод и транзистор
следует отнести к активным элементам. Фотодиод может гене-
рировать ЭДС при освещении, а транзистор усиливает электри-
ческий ток.
Вспоминая закон Ома и законы Кирхгофа, рассмотрим
схему рис. 3.15.
В контуре:
плюс источника питания VI -+R2-*
Т1 (коллектор) -+Т1 (эмиттер) —► минус VI

92
Электроника для любознательных
Рис. 5.15. Включение биполярного транзистора п-р-п типа
напряжение на резисторе R2 и транзисторе будет равно напря-
жению VI. Падение напряжения на резисторе R2 обусловлено
током через него (и через транзистор).
Во втором контуре:
плюс V1->R1^> ТЦбаза) -> Т1 (эмиттер) —► минус VI
напряжение на резисторе R1 равно разности напряжения
источника VI и напряжения база-эмиттер. Последнее неве-
лико, порядка 0,5...0,7 вольт.

Глава 3. Полупроводниковая двоица 93
И в завершении |
немного простых расчетов II
Ориентировочный расчет усилителя по постоянному
току на рис. 3.15 можно произвести так. Зададим сопротивле-
ние резистора R2.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Если мы предполагаем усиливать симметричный
сигнал, то напряжение на транзисторе должно
быть равно половине напряжения питания.
Таким образом, на резисторе R2 тоже половина напряже-
ния питания Vr2 = V1/2. А это дает нам возможность опреде-
лить ток через транзистор:
lK = Vr2/R2.
Благодаря соотношению тока коллектора и тока базы, зная
коэффициент усиления транзистора по току В, мы можем опре-
делить ток базы: 16 = 1к/В. Но этот ток протекает через резистор
R1, падение напряжения на котором:
Vrl = VI - Уэб (в нашем случае 5-0,7 = 4,3 В).
Осталось разделить это напряжение на ток базы, чтобы
получить значение сопротивления R1.
ПРИМЕЧАНИЕ.
При проектировании приходится учитывать,
что коэффициент В имеет разброс значений
для выбранной модели транзистора, скажем, от
пятидесяти до двухсот.

94 Электроника для любознательных
Но в любительской практике можно измерить значение
этого коэффициента, используя режим измерения hFE мульти-
метра. Или проведя измерения по схеме рис. 3.15, если пред-
варительно выбрать подходящие значения резисторов.
Те расчеты, которые мы произвели, называются выбором
рабочей точки транзистора. При моделировании это сделать
проще.
Новичок: Хорошо, мы получили нужные значения резисто-
ров, а дальше? Как мы можем убедиться, что
транзистор усиливает что-то?
А об этом мы поговорим в следующей главе.

ГЛАВА 4
ПРОСТО
УСИЛИТЕЛЬ
Самым распространенным преобразованием переменного
напряжения в электронике, наверное, будет преобразова-
ние масштабирования, то есть, усиление. Поэтому и рас-
сказ об усилителе будет важен.
Однокаскадный усилитель на транзисторе |
с общим эмиттером II
Перед тем, как проверить, усиливает транзистор или нет,
проверим выбор рабочей точки, считая, что статический коэф-
фициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (так
полностью называется коэффициент В) равен ста (рис. 4.1).
После расчетов значение сопротивления R1 изменилось.
Напряжение на коллекторе транзистора не равно поло-
вине напряжения питания, но близко к нему. Для дальнейшей
работы нам понадобится генератор синусоидального напряже-
ния, вырабатывающий напряжение один милливольт с часто-
той один килогерц. И желательно иметь осциллограф, чтобы
контролировать форму переменного напряжения на выходе
усилителя.
Если у вас есть необходимые приборы, вы можете использо-
вать транзистор, скажем, 2N2222A, беспаечную макетную плату
и повторить следующий опыт. Если приборов нет, то можете
повторить его в программе Oucs (рис. 4.2).

96
Электроника для любознательных
Номер
1
Рг1,В
2,44
Рг1
Рис. 4.1. Задание режима работы схемы по постоянному току
ПРИМЕЧАНИЕ
Схема на рис. 4.1 называется однокаскадным уси-
лителем на транзисторе с общим эмиттером.
Эмиттер в данной схеме будет общим проводом
для входного и выходного переменного напряжения.

Глава 4. Просто усилитель
97
1
т
1
( \ •
\|
п
т
1
1
1
1
1 X
1 /
1/_
1/
i /
\ / 1
1
г
1
■V 1
\ 1
-\и
\|
\
1
1
1
т
1
1
1
J.
L
/\
Г~7Т
V / •
i
п i
i i
хч i i
/ \ i i
V i
А /
• \ / i
i i
24 т\---Я Л---/4 \\ —
t,c
О 5е-4 1е-3 1,5е-3 2е-3 2,5е-3 Зе-3
Рис. 4.2. Усиление транзистором входного напряжения

98 Электроника для любознательных
Измеряя двойную амплитуду, что удобнее, на графике
рис. 4.2, получим амплитуду выходного сигнала, которая
определит коэффициент усиления по напряжению, в данном
случае 90.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Напомню, что все опыты со всеми схемами (или
почти со всеми), которые выполнены в программе
Qucs, вы найдете на виртуальном диске к этой книге.
Изменение напряжения генератора V2 вызывает изменение
тока базы транзистора, усиленный ток коллектора транзистора
вызывает изменение падения напряжения на резисторе R2 (дру-
гими словами, падение напряжения коллектор-эмиттер транзи-
стора), которые мы наблюдаем с помощью осциллографа.
Новичок: А можно измерить напряжение на выходе муль-
тиметром?
Можно, добавьте еще один конденсатор на выход, добавьте
резистор нагрузки, скажем, с сопротивлением десять килоом,
и на этой частоте вы можете измерить выходное напряжение.
Если ваш мультиметр позволяет измерять маленькие напряже-
ния, то можете измерить напряжение на входе. В этом случае
вам проще будет определить усиление.
Новичок: А зачем тогда осциллограф?
Мультиметр показывает правильное напряжение переменного
тока для синусоидального напряжения. А мы не знаем, не полу-
чится ли у нас напряжение на выходе, как показано на рис. 4.3.
Такое напряжение мультиметр измеряет неверно. Правда, ошибка
будет не столь значительна, наверное, но если мы хотели усилить
входное синусоидальное напряжение, то и на выходе должны полу-
чить синусоидальное переменное напряжение.

Глава 4. Просто усилитель
99
С1
1 мк
V2
11=100 мВ
f=1 кГц
1е-3
2е-3
Зе-3
Рис. 4.3. Искажение выходного напряжения
при слишком большом входном напряжении

100
Электроника для любознательных
ПРИМЕЧАНИЕ.
В этой главе я буду называть переменное напря-
жение сигналом. Мне так удобнее: сигнал от гене-
ратора, сигнал на входе, сигнал на выходе... И это
не слишком далеко от истины.
Во многих случаях искажения сигнала усилителем недо-
пустимы. Конечно, любой усилитель вносит искажения,
но допустимый уровень искажений обычно нормируется.
Наблюдение за сигналом на экране осциллографа позво-
ляет оценить наличие искажений сигнала. Правда, заметны
искажения на экране осциллографа только тогда, когда они
довольно значительны.
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Искажения сигнала в усилителях синусоидальных
сигналов называют нелинейными искажениями.
Для усилителей звуковых частот этот вид иска-
жений обязательно нормируется.
Кроме коэффициента усиления и искажений для усилителя
важны еще некоторые параметры. С одним из них мы зна-
комы — это амплитудно-частотная характеристика (рис. 4.4).
Новичок: А что означает надпись под осью х? И я забыл,
что такое единица с буквой «е»?
Надпись означает, что по оси х откладывается частота. А пер-
вые две буквы указывают на то, что на графике частотная харак-
теристика. То есть, на режим моделирования. Обозначение типа
1еО7, например, означает единицу, умноженную на десять в
седьмой степени. Другими словами это число десять миллионов
герц или десять мегагерц. Напомню, что в программе использу-
ются основные единицы: вольты, амперы, секунды, герцы.

Глава 4. Просто усилитель
101
Рг1,В-
0,05--
riR1 hR2
U300kUik
С1
1 мк
V2
)=1 мВ
XL f=1 кГц
Т1
2N2222A
± V1
- U=5B
10 100 1еЗ 1е4 1е5 1е6 1е7 1е8
Рис. 4.4. АЧХ усилителя на транзисторе

102 Электроника для любознательных
Новичок: Хорошо, а почему сетка получилась такой неровной?
Частота по оси х откладывается в логарифмическом мас-
штабе. Так удается изобразить частоты от единиц герц до мил-
лионов герц. Представьте себе подобный график с линейной
градуировкой по оси х.
Амплитудно-частотная характеристика имеет спад:
♦ и со стороны низких частот, что, в первую очередь, опре-
деляется емкостью конденсатора С1;
♦ и со стороны высоких частот, что определяется во многом
параметрами транзистора.
ПРИМЕЧАНИЕ.
В большинстве случаев нас интересует частот-
ный диапазон, где график амплитудно-частотной
характеристики (АЧХ) плоский. Его называют
полосой пропускания усилителя.
Если верхняя граничная частота (верхняя частота среза)
недостаточна для наших целей, следует выбрать другую модель
транзистора или предпринять другие шаги по расширению
полосы пропускания.
Обратим внимание на соотношение между входным и
выходным напряжением (рис. 4.5).
Если до этого нас интересовало усиление, то сейчас обра-
тим внимание на то, что входное и выходное напряжение
находятся в противофазе. Это же мы можем понять из такого
простого рассуждения: при увеличении входного напряжения
растет ток через транзистор, а напряжение на нем уменьша-
ется. То есть, изменение напряжений происходит разнона-
правленно. Отметим это.

Глава 4. Просто усилитель
103
Pr1,B
2,5-
2,4-
2,3-
1
Выходное напряженм
e
Г\; L/TXi— !
—j\^j——
1 1
1
J
1
1
I tc
0-
-0,001 -
0,5е-3 1е-3 1,5е-3 2е-3 2,5е-3 Зе-3
Входное напряжение
i i i i i i
T Г -7*"V" "I 1 A"V "I •
i i / \ i i / \ i i
i i / \ i i / \ i i
i i/ \i i/ \i i
i
i i\ /i i\ /i
i\/i i\ /i i\ /i
' X. ж ' ■ ж. ж " ■ x. ж ■ ,
__^ -1 t,C
0,5е-3 1е-3 1,5е-3 2е-3 2,5е-3 Зе-3
. 4.5. Выходное и входное напряжение схемы рис. 4.4

104 Электроника для любознательных
|Однокаскадный усилитель
на транзисторе с общим коллектором
Одним из важных параметров усилительного каскада в ряде
случаев будет входное сопротивление. У каскада с общим эмит-
тером оно не велико. Но транзистор можно включить и иначе
(рис. 4.6).
При таком включении транзистора каскад называют уси-
лителем с общим коллектором.
Новичок: А почему схему не называют каскадом с общим
резистором? И генератор, и измеритель выход-
ного напряжения подключаются к резистору.
Внутреннее сопротивление источника питания очень мало.
Поэтому для переменного тока можно не рассматривать батарейку
как некий резистор, а в этом случае и генератор, и измеритель
имеют общую точку, подключенную к коллектору транзистора.
Но у такой схемы есть еще одно название — эмиттерный
повторитель. Напряжение на выходе почти равно входному
напряжению. То есть, выходное напряжение повторяет входное.
Новичок: Но получается, что этот усилитель не усиливает ?
ЭТО ВАЖНО!
Не следует сбрасывать со счета усиление тран-
зистора по току - выходной ток гораздо больше,
чем входной ток!
У каскада с общим коллектором входное сопротивле-
ние больше, чем у схемы с общим эмиттером. Поэтому такой
каскад усиления применяют там, где важно «не перегрузить
источник» низким входным сопротивлением.
Два варианта включения транзистора:
♦ в одном случае большое усиление по напряжению;
♦ в другом случае большое входное сопротивление.

Глава 4. Просто усилитель
105
С1
Pr1,B'
4-
3-
2-
г
1
- — — U — -
1
\i
!V
- — — U — — 1
i i
___iZ7V
—i 1 1
i i
i н h-b»c
0,5е-3 1е-3 1,5е-3 2е-3 2,5е-3 Зе-3
Рис. 4.6. Усилительный каскад с общим коллектором

106
Электроника для любознательных
Они могут навести на мысль добавить сопротивление в
цепь эмиттера для каскада с общим эмиттером. Проведем
опыт со следующей схемой (рис. 4.7).
Мы почти ничего не изменили в схеме каскада с общим
эмиттером, только добавили резистор в цепь эмиттера.
Новичок: А зачем столько вольтметров на схеме?
Рис. 4.7. Схема с добавленным резистором в цепь эмиттера

Глава 4. Просто усилитель 107
Когда мы добавили резистор, мы не только изменили вход-
ное сопротивление, мы встретились с новым понятием.
Новое II
и очень важное понятие II
Чтобы лучше показать, что это за новое понятие, я хочу
собрать макетную плату, подключить осциллограф и с помо-
щью осциллограмм пояснить, какое изменение мы внесли в
схему.
Макетную плату я советую использовать беспаечную
(рис. 4.8). Схема в точности повторяет ту, что на рис. 4.7. А
осциллограф подключен к точкам, где на схеме нарисованы
измерители.
Транзистор я выбрал тот, что указан на схеме, измерил зна-
чение В, которое оказалось равно 148, и подобрал значение
резистора R1. Резистора с номиналом сто пятьдесят килоом я
не нашел под рукой, включил параллельно два резистора по
триста килоом (вы помните, почему?). И на выходе добавил
конденсатор и резистор, чтобы не подавать на вход осцилло-
графа постоянное напряжение. Надеюсь, что сигналы на экране
осциллографа, подойдут для дальнейшего рассказа (рис. 4.9).
Рис. 4.8. Макетная плата для опыта со схемой рис. 4.7

108
Электроника для любознательных
Рис. 4.9. Треугольные сигналы на экране осциллографа
Верхняя осциллограмма показывает сигнал, формируе-
мый генератором. Ниже — выходное напряжение каскада уси-
ления. Видно, что в то время, когда напряжение с генератора
нарастает, напряжение на выходе усилителя спадает. То есть,
сигналы находятся в противофазе. Чтобы это подчеркнуть, я и
выбрал такую форму сигнала.
Нижняя осциллограмма — это напряжение на резисторе в
цепи эмиттера. Ради этой осциллограммы я и включил осцил-
лограф.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Из рис 4.9 можно сделать заключение: сигнал на
резисторе R3 совпадает по фазе с сигналом гене-
ратора. Величина этого сигнала меньше, что не
так хорошо видно на осциллограмме, но это зави-
сит от настроек осциллографа и генератора,
которые не видны на рисунке.

Глава 4. Просто усилитель 109
А теперь о главном. Обойдем на рис. 4.7 входной контур:
V2-+C1-+ база Q2 ^ эмиттер O2^R3^V2.
Вспомним законы Кирхгофа: сумма падений напряжения на
всех элементах контура должна равняться напряжению от гене-
ратора. Но транзистор усиливает только напряжение между
базой и эмиттером. А к этим электродам приложена разница
между напряжением от генератора и падением напряжения на
резисторе R3.
А теперь самое главное. Падение напряжения на резисторе
R3 — это часть выходного напряжения!
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Когда часть выходного напряжения (или тока)
складывается с входным напряжением или вычи-
тается из входного напряжения, мы имеем дело с
обратной связью. Если напряжения вычитаются,
то говорят об отрицательной обратной связи
(OOQ, если складываются, то о положительной
обратной связи.
Пока нас больше будет интересовать отрицательная обрат-
ная связь.
Новичок: И чем она интересна?
Мне казалось, что я убедил в важности выбора рабочей
точки транзистора. Но полупроводники очень чувствительны
к температуре. При нагревании транзистора (от изменения
внешней температуры или от рассеиваемой им мощности) ток
через него увеличивается за счет неуправляемого сквозного
тока. А неуправляемое увеличение тока через транзистор сме-
стит рабочую точку (рис. 4.10).
Не помню, я это забыл, или я этого не знал...

110
Электроника для любознательных
300 к U 1 к РП U=5 В
Т1
2N2222A
Температура=26,85 °С <
Номер
1
РМ.В
2,44
IR4 П R3 V2.
300 к М 1 к Pr2 U=5 В
Транзистор
нагрелся
Т2
2N2222A
Температура=60 °С 4
Номер
1
Рг2, В
1,94
Рис. 4.10. Изменение рабочей точки при изменении температуры

Глава 4. Просто усилитель
111
ЭТО ВАЖНО!
В программе Qucs можно собрать схему в рабочем
поле, скопировать ее и вставить рядом. У вто-
рой схемы можно изменить какой-то параметр, а
затем моделировать обе схемы в один заход.
Все-таки, похоже, я этого не знал. Если вам понравится
работать с программой Qucs, то запишите себе этот интерес-
ный факт. Вернемся, однако, к нашей схеме.
Увеличение неуправляемого тока через транзистор в схеме
рис. 4.7 увеличит падение напряжения на резисторе R3. Это, в
свою очередь, уменьшит напряжение между базой и эмитте-
ром транзистора. А это уже уменьшит управляемый ток через
транзистор, возвращая ток через транзистор к предыдущему
значению и восстанавливая рабочую точку.
ЭТО ВАЖНО!
Отрицательная обратная связь улучшает пара-
метры усилителя.
В опыте с обратной связью (рис. 4.7) она создавалась после-
довательным введением напряжения. Очень часто можно уви-
деть параллельное введение цепи обратной связи. Изменим
подключение резистора R1 на схеме рис. 4.6; значение сопро-
тивления этого резистора придется изменить (рис. 4.11).
При таком подключении резистора R1 выходное напряже-
ние попадает параллельно на вход транзистора через делитель
напряжения, образованный резистором R1 и сопротивлением
база-эмиттер.
Мы вводили дополнительный резистор в цепь эмиттера из
соображений увеличения входного сопротивления. И, видимо,
при последовательной обратной связи входное сопротивле-
ние увеличивается. При параллельной обратной связи входное
сопротивление уменьшается.

112
Электроника для любознательных
Т1
2N2222A
Температура=60 °С
Номер
1
Рг1,В
2,43
Рис. 4.11. Введение параллельной ООС
ПРИМЕЧАНИЕ.
Отрицательная обратная связь влияет на ряд
параметров усилителя: стабилизирует рабочую
точку транзистора, влияет на входное сопро-
тивление усилителя, уменьшает уровень шумов
усилителя, уменьшает нелинейные искажения и
расширяет полосу пропускания усилителя.
| АЧХ и ФЧХ,
II о чем говорят они?
Расширение полосы пропускания можно подтвердить
таким опытом (рис. 4.12).
Сравните этот график АЧХ с тем, что на рис. 4.4 по уровню
выходного напряжения 0,05.
Амплитудно-частотные характеристики, как правило,
строят в относительных единицах, которые называют деци-
белы. Для напряжения значение коэффициента усиления опре-
деляется по формуле:
Ku = 201g(UBbix/UBx)
В этих единицах удобно определять усиление двух каска-
дов — усиление в децибелах просто складывается. Вид АЧХ в
децибелах выглядит так, как на рис. 4.13.

Глава 4. Просто усилитель
113
1
L
C1
1 MK
I
I
L+V2
o)U=30 mB
<. f=1 кГц
|R1 Г
J300kL
<
p
L
|R2
J1 к
I +,
Г
ЛТ1
Pr3
J 2N2222A
]R3
J300
V1_
U=5B "
РгЗ, В'
0,1-
0,08-
0,06-
0,04-
III
. I --
INI M MNJI
■■-■s-
s
10 100 1еЗ 1е4 1е5 1е6 1е7 1е8
Рис. 4.12. Расширение полосы пропускания усилителя с ООС

114
Электроника для любознательных
I
г
г
I"2
8-
6-
4-
2-
0-
о
;.
7"
у
S
f-Гц
1
10 100 1еЗ 1е4 1е5 1е6 1е7 1е8
Рмс 4.13.АЧХв децибелах
Верхняя и нижняя частота в этом случае определяется по
уровню -3 дБ (отмечено на рис. 4.13). В данном случае полоса
пропускания усилителя будет 3 Гц... 11 МГц.
Нелинейные искажения во многих случаях не менее важ-
ный параметр усилителя, чем ранее представленные. Так, для
звукоусилительных устройств полоса пропускания и нелиней-
ные искажения определяют класс устройства.
Новичок: А что такое нелинейные искажения, я забыл?

Глава 4. Просто усилитель 115
Я уже говорил, что усиление — это преобразование мас-
штаба. То есть, если синусоиду увеличить в несколько раз, не
должна измениться форма кривой. Такое преобразование
называется линейным. Если форма кривой меняется, то пре-
образование будет нелинейным.
Новичок: Я вспомнил-вспомнил.
Очень просто рассматривать появление нелинейных иска-
жений, если строить графики преобразования. Но мы поступим
иначе, «нарисовав» такое объяснение.
Любой обычный звук, который мы слышим, содержит
много обертонов или звуков другой частоты. Обертона позво-
ляют нам отличить звук скрипки от звука рояля, хотя частота
звука в обоих случаях совпадает.
Генератор синусоидального сигнала тоже содержит «при-
звуки», составляющие частоты кратные основной частоте.
Конечно амплитуда этих составляющих, их называют гармо-
никами, гораздо меньше, чем амплитуда основной частоты.
При усилении амплитуда выходного напряжения не может
превышать напряжение питания (половину напряжения пита-
ния). Поэтому увеличение входного напряжения не приведет
к росту амплитуды основной частоты. Но гармоники, имею-
щие меньшую амплитуду, могут увеличиваться. В этом случае
форма выходного напряжения может меняться.
Я предлагаю такой эксперимент (рис. 4.14).
Величина нелинейных искажений синусоиды на рис. 4.14,
конечно, очень большая. Но нелинейные искажения на экране
осциллографа можно увидеть только тогда, когда коэффициент
нелинейных искажений превышает 2...Ъ%.
Новичок: А что такое коэффициент нелинейных искажений?
Грубо говоря, это отношение суммарной величины всех
гармоник к величине основного сигнала, выраженное в про-
центах. Для сравнения допустимый уровень нелинейных
искажений звукового усилителя мощности порядка 0,1...0,5%.

116
Электроника для любознательных
1+ V2
IU=200 MB
f=3 кГц
R3
1 к
0,001 0,002
0,003
Рис. 4.14. Получение «нелинейных искажений»
с помощью двух генераторов
Поэтому для измерения нелинейных искажений используют
специальные приборы.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Введение отрицательной обратной связи улуч-
шает параметры усилителя, но расплата за
это - снижение усиления. Эта проблема реша-
ется добавлением каскадов усиления.

Глава 4. Просто усилитель 117
И, заметим, усилитель, построенный из нескольких каска-
дов, тоже может охватываться петлей обратной связи. Так посту-
пают часто, вводя локальную обратную связь в каждом из каска-
дов усиления, и подавая часть выходного напряжения на вход
первого каскада. Мы знаем, что выходной сигнал одного каскада
усиления для включения транзистора с общим эмиттером нахо-
дится в противофазе с входным сигналом. Поэтому для одного
каскада можно вводить очень глубокую обратную связь.
Новичок: Что значит глубокую обратную связь?
Не вдаваясь в подробности, чем в большей мере падает
усиление после введения отрицательной обратной связи, тем
глубже отрицательная обратная связь. Это удобно рассматри-
вать на АЧХ с использованием децибел. Проведя линию парал-
лельно исходному графику, скажем, на 10 дБ ниже, мы получим
АЧХ усилителя с обратной связью и ее глубиной десять деци-
бел. Важно только, чтобы обратная связь оставалась отрица-
тельной.
Новичок: А что здесь сложного? Выходной сигнал двух
каскадов, я это уже понял, будет в фазе с вход-
ным. Обратная связь будет положительной.
Достаточно взять три каскада, чтобы обратная
связь была отрицательной. Правильно?
Правильно, но не совсем.
Кроме амплитудно-частотной характеристики для усили-
тельного каскада можно построить фазо-частотную характе-
ристику (ФЧХ), отражающую то, как изменяется фаза выход-
ного сигнала от частоты по отношению к фазе входного сигнала.
Для схемы на рис. 4.4 обе частотные характеристики имеют
области, интересующие нас сейчас (рис. 4.15).
За верхней частотой среза АЧХ спадает со скоростью 20 дБ/дек.
На верхней частоте среза ФЧХ меняется на 45 градусов.
Вспомним наших старых знакомцев — резистор и конден-
сатор. На рис. 2.11 есть график АЧХ для RC-цепи, ее еще назы-

118
Электроника для любознательных
частота: 2,76е7
выход: -14,4
/
I
часто!
нг
\
\
\
а:3,
од:-
||
\
\
Ие8
34,4
1Ш|
S
1е5 1е6 1е7 1е8
АЧХ усилителя, дБ
1е9
частота: 2,45е5 частота: 1,43е7
выход: 179 выход: 134
-
1
■ ■-
t •
1е6 1е7 1е8 1е9
ФЧХ усилителя, град.
Рис. 4.15. Интересующие нас области АЧХи ФЧХ

Глава 4. Просто усилитель
119
частота: 6,9е5
выход: 0,0443
частота: 7,08е6
выход: -20
1е6
1е7
АЧХ ЯС,дБ
\
\
S
■
11-,
-■—
-
частота: 1,59е5
. выход: -44,9
частота: 1е8
выход: -89,9
1е5 1е6 1е7
ФЧХ RC, град.
1е8
Рис. 4.16. АЧХ и ФЧХ интегрирующей RC цепи
вают интегрирующей RC цепью. Повторим АЧХ, но в деци-
белах, и построим ФЧХ, чтобы проследить, как меняется фаза
выходного напряжения по отношению к входному (рис. 4.16).
За верхней частотой среза АЧХ спадает со скоростью 20 дБ/дек.
На частоте среза фаза меняется на 45 градусов, изменяясь до
90 градусов с ростом частоты.
Новичок: И зачем эти не очень мне пока понятные построения?
Сравнивая обе пары частотных характеристик, однокаскад-
ного усилителя и RC-цепи, можно убедиться, что они похожи
как близнецы. Усилительный каскад на транзисторе ведет себя
по отношению к изменению частоты так же, как интегриру-
ющая RC-цепь. Поэтому удобнее, согласитесь, рассматривать

120
Электроника для любознательных
R1 R2
10к Юк
J\V1 _1_С1 _1_С2
У 11=1 В Т~1 мк ТО,0
сз
01 мк"Т"Ю0
0-"
-200---
Выход
частота: 5,29е6
выход: -198
частота: 5,17е7
выход: -258
10 100 1еЗ 1е4 1е5 1е6 1е7 1е8
Рис. 4.17. Амплитудно-частотная характеристика сложной RC-цепи

Глава 4. Просто усилитель 121
многокаскадный усилитель, заменив его несколькими инте-
грирующими RC цепочками.
Рассмотрим АЧХ такого «трехкаскадного усилителя», у
которого есть три верхних частоты среза (рис. 4.17).
После первой верхней частоты среза АЧХ спадает со скоро-
стью 20 дБ/дек. После второй — со скоростью 40 дБ/дек, а после
третьей — 60 дБ/дек. Последний факт отмечен на рис. 4.17.
Каждый участок со своей верхней граничной частотой
дает дополнительный сдвиг фаз на 90 градусов. Пока глубина
обратной связи такова, что результирующая АЧХ приходится
на участок со спадом 20 дБ/дек., мы можем не беспокоиться об
устойчивости усилителя. Но уже на участке 40 дБ/дек. возмо-
жен сдвиг фаз, который отрицательную обратную связь пре-
вратит в положительную.
Для оценки устойчивости усилителя в этой области есть
определенные критерии при расчетах, есть определенные
методики оценки устойчивости усилителя.
Без дополнительных усилий по определению устойчивости
усилителя можно превратить его в генератор.

ГЛАВА 5
С ПЛАТЫ
НА ПЛАТУ
Некоторые приборы имеют только одну плату. Так
устроен, например, мой мультиметр. Другие приборы
имеют несколько плат. На одной плате могут разме-
щаться конденсаторы, диоды, транзисторы, резисторы, а
на другой плате...
I Микросхемы -
операционные усилители
Развитие технологии изготовления полупроводниковых
приборов привело к тому, что в один небольшой корпус стало
возможным уместить целый усилитель.
Первые микросхемы были довольно сложными в изготов-
лении, а электрические схемы внутри этих микросхем были
простейшие — несколько транзисторов и резисторов.
Но так продолжалось недолго. Схемы становились все слож-
нее, элементов становилось все больше. В виде микросхем поя-
вились не только усилители, но и другие компоненты, столь
необходимые при создании электронных устройств.
Один класс усилителей занимает особое положение. Это
операционные усилители.

Глава 5. С платы на плату
123
ПРИМЕЧАНИЕ.
Понятие операционного усилителя появилось
вместе с аналоговыми вычислительными устрой-
ствами, для которых потребовались усилители с
большим коэффициентом усиления, удобные для
введения обратной связи, и работающие устой-
чиво при любой глубине обратной связи.
Усилители для аналоговых вычислительных машин имели
два входа. Один вход можно было использовать для входного
сигнала, а другой вход использовали для организации отри-
цательной обратной связи, в которую можно было включить
интегрирующую или дифференцирующую цепь.
Современные операционные усилители общего назначения
имеют два входа, выход, и выводы питания. Часто в одном кор-
пусе размещают два операционных усилителя (рис. 5.1).
Каждый из операционных усилителей внутри микросхемы
имеет инвертирующий и неинвертирующий вход, каждый
имеет выход, и оба имеют общие выводы питающего напря-
жения. Схема каждого из усилителей может быть достаточно
сложной, поэтому в справочных данных не всегда приводят
внутреннее устройство операционного усилителя.
DIP/SO Package
OUTPUTA
INVERTING INPUT A
NON-INVERTING _3
INPUT A
GND
OUTPUT В
INVERTING INPUT В
5 NON-INVERTING
INPUT A
Top View
Рис. 5.1. Операционный усилитель LM358

124 Электроника для любознательных
Мы, если захотим использовать ОУ (операционный усили-
тель), можем поступать с ним так, как поступали с транзисто-
ром — просто использовать его, не задумываясь о том, как он
устроен внутри.
Новичок: Но разве для использования усилителя не нужно
знать, как он устроен?
Знания не бывают лишними, это правда. Мы можем нари-
совать простейшую схему, которая поможет нам представить
устройство операционного усилителя (рис. 5.2).
Не слишком удачный пример, но, в первую очередь, мне
хотелось показать, что в схеме наши старые знакомые:
♦ усилитель на транзисторе с общим эмиттером;
♦ усилитель на транзисторе с общим коллектором.
Один вход используется для подключения генератора
V3, а другой вход используется для создания обратной связи
(2N2222AJ).
ПРИМЕЧАНИЕ.
Немного непривычно включение двух транзисто-
ров с одним резистором в цепи эмиттера, но это,
скажем, особенность усилителя с двумя входами.
Традиционно операционные усилители используют с двумя
источниками питания, хотя в последнее время появляется
много моделей, которые можно использовать с одним источ-
ником питания. Вот схемы из сопроводительной справки к уси-
лителю LM358 (рис. 5.3).
В литературе чаще всего можно встретить два графических
изображения операционного усилителя (рис. 5.4).
Хотя мне не понравилась работа усилителя, который был
приведен на рис. 5.2, я хочу сравнить его работу с работой
операционного усилителя. В программе Oucs нет операцион-
ного усилителя LM358, но он есть в другой версии этой про-

Глава 5. С платы на плату
125
±V1
- U=5 В
Рис. 5.2. Усилитель с двумя входами и одним выходом

126
Электроника для любознательных
Photo Voltaic-Cell Amplifier
'cell
(CELL HAS OV
ACROSS IT)
1/2
LM358
DC Coupled Low-Pass RC Active Filter
V1
v0
R4
100 k
fo
Рис. 5.3. Типовые схемы применения LM358 с питанием
от одного источника
Инвертирующий вход
Неинвертирующий вход
Выход
Инвертирующий вход
Неинвертирующий вход
+V
-V
Выход
Рис. 5.4. Графическое изображение ОУна схемах

Глава 5. С платы на плату
127
±V2
Т- и=юв
+ R3
10 к ОР1
TI081
(Tl)
Рис. 5.5. Операционный усилитель в режиме масштабного усилителя
граммы, QuvsStudio. К сожалению, и не только к моему сожале-
нию, схемы прежней версии программы нельзя использовать в
новой версии, необходимо рисовать их заново. Но это занимает
немного времени. А мы воспользуемся другим операционным
усилителем (рис. 5.5).
Несмотря на различия, графики очень похожи, и мне
кажется, что прояви я больше старания, схема на трех тран-
зисторах получилась бы ближе к реальному операционному
усилителю. Хотя вы можете сравнить ее со схемой усилителя
LM358 (рис. 5.6).

128
Электроника для любознательных
QV+
INPUTS -
Q8
18 >*Ч О
I г*.
П 1 V50mkA
Рис. 5.6. Принципиальная электрическая схема усилителя LM358
I Упакованные
единицы и нули
Ряд свойств усилителей — полоса пропускания, зависи-
мость от шумов — мешали при работе аналоговых вычисли-
тельных машин. Поэтому ученые искали способ избавиться от
этих недостатков. Так появился интерес к цифровым вычис-
лительным машинам. Если аналоговые устройства работают со
всем спектром напряжений, то цифровые устройства обходятся
двумя значениями: нет напряжения (0), есть напряжение (1).
Например, для цифровых устройств ТТЛ-логики в качестве
нулевого напряжения принимается напряжение меньше 0,5
вольт, а в качестве единичного — напряжение больше 2,5 вольт.
Новичок: А что такое ТТЛ-логика?
Транзисторно-транзисторная логика. Цифровые микро-
схемы могут использовать разные компоненты для реализации
своих функций. О том, как устроены базовые элементы цифро-
вых микросхем, вы можете прочитать, например, в книге [4].

Глава 5. С платы на плату 129
Математическая проработка вопроса построения цифро-
вых устройств показала, что все необходимые компоненты
можно построить, используя базовые элементы.
Новичок: Хорошо, а что такое базовые элементы?
Мы знакомы с усилителем на транзисторе с общим эмит-
тером. Так? Мы использовали это, пытаясь нарисовать опера-
ционный усилитель. Попробуем воспользоваться этим еще раз
(рис. 5.7).
Единица на выходе (высокий уровень напряжения) появля-
ется только тогда, когда есть единица либо на одном, либо на
другом входе. Иначе на выходе будет ноль.
Новичок: А почему «ИЛИ», если микросхемы цифровые?
В цифровых устройствах используют две цифры, с помо-
щью которых можно выразить любое число, только система
счисления будет двоичная, а не более привычная для нас деся-
тичная.
Но в формальной логике тоже используют два понятия:
♦ истинно (true);
♦ ложно (false).
Используя эти понятия, как цифры цифровых микросхем,
можно строить логические заключения. Поэтому для описания
работы схем, например, «ИЛИ» используют таблицы истинности
(рис. 5.8). Загляните в Википедию, вот, что написано про это:
Дизъюнкция (лат. disjunctio — разобщение), логическое
сложение, логическое ИЛИ, включающее ИЛИ; иногда
просто ИЛИ — логическая операция, по своему примене-
нию максимально приближенная к союзу «или» в смысле
«или то, или это, или оба сразу».
Чтобы не быть голословным в своих уверениях, что из базовых
элементов можно построить более сложные элементы цифровых
устройств, я покажу, как из двух элементов «И-НЕ» можно создать
новый элемент, который называется SR-триггер (рис. 5.9).

130
Электроника для любознательных
Номер
1 .
V2
Рг1,В
5
R3
1 к >
+
и=зв т-
У
Номер
1
Рг2, В
0,0388
О
R6
2к
±V3
- U=5 В
Рис. 5.7. Модель цифрового элемента «ИЛИ»

Глава 5. С платы на плату
131
00
01
10
11
Выход X
0
1
1
1
Выход
Рис. 5.8. Таблица истинности для элемента «ИЛИ»
Триггер — это важный элемент в вычислительных устрой-
ствах. Разновидностей триггеров много, RS-триггер самый
простой представитель этого семейства.
Используя другие базовые элементы, можно получить более
сложные разновидности триггеров и других цифровых компо-
нентов.
Новичок: Я попробовал в Oucs добавить цифровой элемент
ИЛИ, но он другой, чем у вас на рисунке. Почему?
В разное время использовались разные графические обо-
значения одинаковых компонентов (рис. 5.10).

132
Электроника для любознательных
Ш/
S1
Y3
&
Y1
Y2
IB
Рис. 5.9. RS-триггер
Двухвходовое ИЛИ Двухвходовое И-НЕ
Y2
Y1
Т
Y3 Y4
Рис. 5.10. Розные цифровые элементы

Глава 5. С платы на плату 133
Если заглянуть в свойства цифрового элемента, например,
дважды щелкнув левой клавишей мышки по нему, то можно
увидеть такой параметр как Symbol. Можно выбрать вид эле-
мента из old (старый) и DIN 40900.
Вдобавок, если заглянуть в любую серию цифровых компо-
нентов, можно увидеть такое их разнообразие, что нет смысла
приводить здесь эти графические обозначения.
Я никогда не занимался разработкой микросхем, в част-
ности не занимался разработкой цифровых микросхем, поэ-
тому мои представления о них носят очень общий характер.
Но сейчас я задумался о том, что базовых цифровых элементов
немного, а как получается, что цифровые микросхемы, напри-
мер, складывают числа?
Новичок: Действительно, как?
Следуя по моим стопам, загляните в Интернет. Я нашел в
файловом архиве для студентов такую схему (рис. 5.11). Схема,
видимо, из методических указаний к проведению лаборатор-
ных работ. И один из компонентов схемы можно получить,
используя базовые элементы, но это сейчас не столь важно.
Два числа (да, одноразрядных, но числа) подаются на
входы, к которым подключены генераторы S1 и S2. На выход
А поступает результат сложения, на выход В приходит число
переноса в старший разряд. Числа у нас, конечно, это «1» и «0».
А таблица истинности показывает, что в старший разряд пере-
носится единица только в том случае, когда на двух входах две
единицы.
Повторяя схему несколько раз, мы можем получить схему
сложения многоразрядных чисел.
Наконец, я люблю эту схему за ее простоту! И не только за
это. Но и в качестве иллюстрации того, как с помощью триг-
геров можно получить новый элемент цифровых устройств.
Когда я буду упоминать слово «счетчик команд», вы можете
вспомнить эту схему (рис. 5.12).

134
Электроника для любознательных
00
01
10
11
а.Х
0
1
1
0
b.X
0
0
0
1
S1
Y1
S2
&
Y2
Рис. 5.11. Сложение двух двоичных чисел
ПРИМЕЧАНИЕ.
В этом месте рассказа я «застрял» на пару дней.
Пытаясь осовременить свой рассказ, я решил обно-
вить версию программы Qucs, а в результате циф-
ровое моделирование перестало работать. Как я
не уговаривал Qucs, что «жизнь прекрасна и удиви-
тельна», программа стояла на своем. Подозреваю,
что причиной было то, что компилятор (есть такая
программа), который при цифровом моделировании
использует Qucs, программа «подхватывала» от
другой среды разработки. И объяснить ей что-то не
удалось. Надеюсь, у вас этой проблемы не возникнет.

Глава 5. С платы на плату
135
Y4
Рис. 5.12. Двоичный счетчик на D-триггерах
Новичок: А что интересного на рисунке счетчика?
С приходом импульса сброса (Reset) оба выхода А и В пере-
ходят в состояние низкого уровня (0). С приходом тактового
импульса (clock) на выходе А (младший разряд) устанавли-
вается высокий уровень (1), один импульс сосчитан. С при-
ходом следующего тактового импульса значение на выходе А
равно нулю, а на выходе В появляется единица, сосчитано два
импульса. И т. д.

136
Электроника для любознательных
ПРИМЕЧАНИЕ.
Этот счетчик считает до трех, но наращивая
количество D-триггеров, можно увеличивать раз-
рядность счетчика. Но, и это главное, из базо-
вых цифровых элементов можно получить много
сложных цифровых микросхем.
I Стабилизатор
напряжения
Посмотрев на плату, я поначалу решил, что это транзистор.
Но, прочитав маркировку, понял свою ошибку. И вот почему, я
сейчас покажу два рисунка, которые возьму на сайте магазина
«Чип и Дип», вам сразу все станет ясно (рис. 5.13).
Схема стабилизатора напряжения довольно сложная, но я
ее упрощу, нарисовав схему компенсационного стабилизатора
напряжения (рис. 5.14).
Все компоненты, показанные на рис.5.14, я подобрал,
сознаюсь честно, наугад. Обычно все элементы электрической
схемы обязательно рассчитываются при проектировании. Но
мне достаточно было этого случайного выбора, чтобы пока-
зать вам на диаграммах — напряжение источника VI меня-
ется от нуля до двадцати вольт (левая диаграмма рис. 5.14).
о б
Рис. 5.13. Транзистор и микросхема стабилизатора
напряжения очень внешне похожи:
о - мощный транзистор; б - микросхема стабилизатора напряжения

Глава 5. С платы на плату
137
V1 R2
U1=0B Зк
U2=20 В
Т=Омс
T2=1 мс
Рис. 5.14. Схема стабилизатора напряжения
Напряжение на выходе стабилизатора в какой-то момент,
отмечено на правой диаграмме рис. 5.14, стабилизируется, и
остается стабильным при изменении входного напряжения.
Но схему я нарисовал не для этого, а для перехода к следу-
ющей главе.
Но раньше я хочу показать, почему решил сменить версию
Qucs на новую. Программа имеет ряд полезных инструментов.
А в версии Qucs 0.0.18 появился еще один (рис. 5.15).

138 Электроника для любознательных
Рис. 5.15. Подпрограмма определения
сопротивления резистора по цветовой маркировке
Я всегда путаюсь в этой маркировке, и очень признателен
за такой подарок. Надеюсь, что и вам это понравится.
I Несколько слов
в защиту цифровых схем
С появлением микропроцессора, сердца любого компью-
тера, как-то забылось, что этому предшествовало создание
цифровой вычислительной техники на базе цифровых микро-
схем. Именно с их помощью оттачивались схемные решения,
которые впоследствии легли в основу современных вычислите-
лей. Я очень уважаю, очень интересуюсь возможностями совре-
менных микроконтроллеров, о которых речь пойдет в главе 11,
но вы бы знали, как много интересных схем было создано на
цифровых микросхемах.
Я говорил ранее, что разнообразие цифровых микросхем
создавалось на основе базовых элементов, и приводил пример
RS-триггера из базовых элементов (рис. 5.9). Вот еще один
пример — D-триггер (рис. 5.16).
До прихода импульса установки (set) состояние выхода
триггера (q) не определено. После установки выход триггера
переходит в состояние высокого уровня. Тактовый генератор
переписывает данные (date) с входа триггера на его выход.

Глава 5. С платы на плату
139
set Y4
Рис. 5.16. D-триггер из базовых цифровых элементов
Когда данные на входе триггера меняются, на диаграмме
время 5 наносекунд (5п), следующий фронт тактового генератора
переписывает новое значение на выход триггера. На диаграмме
время 6,1 наносекунд (6,In). Одна десятая наносекунды — это
время задержки элемента Y2. Реальные цифровые схемы имеют
задержку распространения импульсов от входа до выхода.
Очень часто в устройствах на цифровых микросхемах при-
ходилось применять кнопки. Кнопки, как известно, «дребезжат».

140
Электроника для любознательных
Кнопка
г
-0+5 В
Q
ТГ
Рис. 5.17. Подключение контактов с целью устранения дребезга
Любые механические контакты при замыкании могут на корот-
кое время терять контакт, что и создает этот самый дребезг.
Самое удачное решение в части «антидребезга» было таким
(рис. 5.17).
Мы уже рассматривали работу RS-триггера (рис. 5.9), а в
данном решении работает именно этот триггер. Когда кнопка
не нажата, триггер устанавливается в единицу. При нажатии на
кнопку единица подается на вход сброса, что переключает триг-
гер в состояние с низким выходным уровнем. При этом дребезг
не меняет состояния выхода. Он изменится только тогда, когда
мы отпустим кнопку, возвращаясь к высокому уровню.
Не знаю как вас, меня всегда приводят в восторг такие
простые и качественные решения. Единственный недостаток
схемы — она требует кнопки с переключением контактов. Но
сегодня купить такую кнопку можно без проблем.
Большое количество любительских схем было посвящено
созданию часов и таймеров, очень много было схем генера-
торов и частотомеров. Сегодня это, возможно, не столь акту-
ально, но знать работу цифровых устройств нужно обяза-
тельно. Советую вам обязательно прочитать книгу о цифровой
схемотехнике [5].
Ниже приведена схема функционального генератора, кото-
рая опубликована в журнале «Радио» №11 за 1980 г. Схема раз-
работана Л. Ануфриевым по заданию редакции (рис. 5.18).
На двух элементах цифровой микросхемы К155ЛА8 D1.1 и
D1.2 собран компаратор, на транзисторе VT1 и элементе D1.3
интегратор. D1.4 формирует синусоидальное напряжение. При

[JR2 R5[] R7[J
S1 Тц"
R9
Рис. 5.18. Функциональный генератор на цифровой микросхеме

142 Электроника для любознательных
первом знакомстве со схемой я поразился ее простоте и изо-
бретательности автора. Это впечатление осталось у меня и по
сей день.
Когда мне срочно понадобился генератор, которого не ока-
залось под рукой, я собрал эту схему. Единственное, что потре-
бовалось, добавить теплоотвод к микросхеме, но в этом, воз-
можно, виновата была спешка.
О том, как работает схема, как ее наладить, вам лучше про-
читать в журнале «Радио».
А мы поговорим о том, как читать схемы.

ГЛАВА 6
КАК ЧИТАТЬ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
СХЕМЫ
Электрических схем великое множество. Возможно, есть
люди, которые, взглянув на любую схему, все понимают
сразу, считывая схему «на лету». Я не из их числа. Тем более,
что мне приходилось сталкиваться со схемами, собран-
ными в альбом, насчитывающий десятки страниц с фраг-
ментами схемы устройства.
Изменение рисунка
Новичок: И как же читать электрические схемы ?
Компоненты любой электрической схемы подобны буквам
слова обычного языка. Соединяясь в электрическую цепь, они
образуют подобие слова. А слова, как вы знаете, соединяются
во фразы.
Функциональные узлы электронного устройства можно
уподобить этим фразам обычного языка. Чем лучше ты знаешь
язык, тем быстрее ты узнаешь и понимаешь всю фразу. Это,
конечно, приходит с опытом. Тогда как для получения этого
опыта, я сам так подчас поступаю, можно перерисовать схему,
чтобы ее вид стал привычнее.

144 Электроника для любознательных
СОВЕТ.
И, не сомневайтесь, следует тщательно разо-
браться с нарисованной схемой. Чем больше вре-
мени тратишь на подобные «разборки полетов»,
тем больше приобретаешь опыта.
Перерисуем схему стабилизатора напряжения, показанную
ранее на рис. 5.14.
Согласитесь, в таком виде (рис. 6.1) можно сразу узнать не
только буквы: давних знакомых «резисторов», и знакомых нам
«транзисторов». Можно узнать и слова: транзистор Т1 включен
по схеме с общим коллектором, а транзистор Т2 включен по
схеме с общим эмиттером.
Более того, мы уже знаем, что D1 — элемент обратной связи
для транзистора Т2.
Нагрузка транзистора, включенного с общим коллектором,
сложная: кроме резистора R2 и диода D1 параллельно им вклю-
чен резисторный делитель напряжения R3R4. Скажу больше, у
транзистора Т1 тоже есть обратная связь — часть выходного
напряжения с делителя R3R4 через транзистор Т2 приходит на
базу транзистора Т1.
Теперь постараемся понять, как работает схема стабили-
затора.
Предположим, что напряжение на входе (VI) увеличи-
лось. В результате этого увеличивается напряжение на выходе
стабилизатора. Падение напряжения на резисторе R4 дели-
теля увеличивается. Но напряжение на эмиттере транзистора
Т2 стабильное — работает стабилитрон D1 (он обозначается как
диод, но с небольшой черточкой у катода). Значит, напряжение
эмиттер-база транзистора Т2 увеличилось. А это приводит к
увеличению тока через транзистор Т2.
Дальше можно рассуждать двояко, например, так: мы
можем рассматривать эмиттер-коллектор транзистора Т2 как
резистор, а увеличение тока через него, как уменьшение
сопротивления этого резистора. При этом уменьшается паде-
ние напряжения на нем, что приведет к уменьшению напря-

Глава 6. Как читать электрические схемы
145
Рис. 6.1. Новый рисунок схемы стабилизатора
жения база-эмиттер транзистора Tl (T1!). А уменьшение этого
напряжения приведет к уменьшению тока через транзистор
Т1и уменьшению падения напряжения на делителе R3R4, соот-
ветственно, к уменьшению напряжения на резисторе R4.
Устанавливается новое равновесие в схеме, при котором
напряжение на выходе стабилизатора становится близким к
исходному напряжению.

146 Электроника для любознательных
Мы можем рассуждать и иначе: увеличение тока через
транзистор Т2 приводит к увеличению напряжения на рези-
сторе R1 в цепи коллектора транзистора Т1, что приводит к
уменьшению напряжения база-эмиттер Т1 и т. д.
Новичок: Я прочитал, но запутался. Можно повторить
еще раз?
Можно, но мы поступим иначе.
I Разбивка схемы
на части
Разобьем схему на части, которые рассмотрим отдельно
одну от другой. Выделим ту часть, которая относится к транзи-
стору Т2 (рис. 6.2).
Пока мы увидели только то, что ток через транзистор уве-
личивается при увеличении входного напряжения. И уви-
дели рост падения напряжения на резисторе R1. Но полезно
будет рассмотреть падение напряжения коллектор-эмиттер
транзистора.
На следующей схеме вы увидите, что мне пришлось изме-
нить величину резисторов (рис. 6.3) делителя R3R4. Это след-
ствие того, что значения резисторов я выбирал случайно, а
не рассчитывал, как положено, делать при создании любого
устройства.
Новичок: А что со вторым транзистором?
Я как раз хотел показать, что происходит со вторым транзи-
стором, когда меняется «сопротивление» в его базе при увели-
чении входного напряжения (рис. 6.4). Вдобавок я хочу пока-
зать еще одну возможность программы Oucs.

Глава 6. Как читать электрические схемы
147
Рис. 6.2. Выделение участка
схемы слежения
за напряжением

148
Электроника для любознательных
Номер
1
Рг1,А
0,00251
Рг2, В
7,52
РгЗ, В
8,78
R3
Т2 U200 к
■=>
Номер
1
Рг4,А
0,00692
Рг5, В
20,8
Ргб, В
5,48
R10
200 к
Рис. 6.3. Дополнительные измерения и изменение схемы

Глава 6. Как читать электрические схемы
149
Рис. 6.4. Изменение падения напряжения на транзисторе Т1
ПРИМЕЧАНИЕ.
д..
Программа Qucs позволяет запустить на компью-
тере две копии, каждая из которых будет рабо-
тать самостоятельно. Это удобно при сравни-
тельном анализе двух сложных вариантов или двух
состояний схемы, имеющей функциональные узлы.
Новичок: Но я не вижу, что происходит с транзистором Т1.
Согласен. Можно было подключить измеритель напряжения
к транзистору. Однако мы говорили, что закон Ома и законы
Кирхгофа будут помогать нам в дальнейшем. Посмотрим,
помогут ли они в данном случае.
Начнем с сопротивления резистора R5, призванного ими-
тировать работу транзистора Т2. При входном напряжении 20
вольт (рис. 6.3) сопротивление мы получим, разделив напряже-
ние вольтметра РгЗ на ток, который показывает амперметр Prl:
8,78/0,00251 = 3498 Ом.

150 Электроника для любознательных
Аналогично для входного напряжения 30 вольт:
5,48/0,00692 = 791 Ом.
Теперь вспомним, что бы посоветовал нам г-н Кирхгоф. Для
входного напряжения двадцать вольт вычтем из него напряже-
ние, которое показывает вольтметр Prl (рис. 6.4):
20 -11,5 = 8,5 В.
То же самое проделаем для второго опыта:
30-8,39 = 21,61 В.
Как мы и рассудили, напряжение на транзисторе Т1 увели-
чивается, а напряжение на выходе уменьшается.
Теперь, если вы проделали все опыты, если вы попробовали
задавать себе новые вопросы о схеме и находить на них ответы,
вы, встретив схему (рис. 5.14), сразу «прочтете весь абзац». Вы
сразу узнаете схему.
Новичок: А какие еще вопросы можно задать? И так все
ясно.
Например, зачем нужен диод D1, как он работает; зачем
нужен резистор R2?
Еще о чтении схем
Встречая устройство, которое в данный момент вас заин-
тересовало, вы можете столкнуться с большой схемой, кото-
рая вас может напугать своей сложностью. Не обращайте на
это внимания. Постарайтесь найти знакомые узлы, разберите
незнакомые — через некоторое время схема вам покажется не
слишком сложной.
Я не хочу приводить в этой книге сложные схемы, вы най-
дете их в других книгах, но хочу еще раз показать, что нужно
сделать, когда вы встречаете «незнакомцев» на своем пути.

Глава 6. Как читать электрические схемы
151
V2
(<Ои=150мВ
Т- f=1 кГц
Рис. 6.5. Конденсатор в цепи эмиттера
Вам знакома схема усилителя на транзисторе с общим
эмиттером и резистором в цепи эмиттера (рис. 4.7). Но часто
вы можете встретить такой ее вариант (рис. 6.5).
Новичок: Они почти одинаковы, только зачем-то добавлен
конденсатор. Зачем он нужен?
Зачем нужен конденсатор в цепи эмиттера?
Давайте, сравним амплитудно-частотные характеристики
каскада с RC-цепью (рис. 6.5) и без нее (рис. 6.6).

152
Электроника для любознательных
R1 Г IR2
300 к I 11 к РгЗ
1+V2
11=150 мВ
Г-f=1 кГц
±V1
- U=5 В
Рис. 6.6. АЧХусилителя без RC-цепи
Усиление по напряжению обоих усилителей одинаково. Это
так. Но нижняя граничная частота второго усилителя ниже, чем
первого. Не так ли?
Новичок: И зачем это нужно?
В ряде случаев выгодно сохранить усиление каскада, чтобы
не добавлять еще один каскад усиления. Теперь вспомним, что
конденсатор не пропускает постоянный ток.

Глава 6. Как читать электрические схемы 153
ПРИМЕЧАНИЕ.
Из вышесказанного следует: резистор R3 на
постоянном токе осуществляет функцию отри-
цательной обратной связи, стабилизируя рабочую
точку транзистора. И, если нас не интересует
улучшение других параметров усилителя за счет
отрицательной обратной связи, то мы можем
использовать его полное усиление по напряжению.
Вдогонку сказанному — вспомним фильтры! Добавленный
конденсатор срезает нижние частоты, что порой очень важно:
низкие частоты нам мешают, а усиление хотелось бы получить
максимально возможное. Тогда и добавляется конденсатор к
резистору ООС в цепи эмиттера.
Новичок: А если нам мешают высокие частоты?
И с таким решением, я думаю, вы встречались, рассматри-
вая разные схемы усилителей (рис. 6.7).
Здесь уместно вспомнить о том, что конденсатор обладает
реактивным сопротивлением, которое зависит от частоты;
уместно вспомнить о том, что сопротивление между коллек-
тором и базой вводит в усилитель отрицательную обратную
связь; и уместно запомнить эту схему, чтобы легко «читать» ее
при встрече.
А я хочу показать еще одни знакомые нам компоненты,
которые можно встретить среди схем усилителей (рис. 6.8).
Вы, верно, узнали колебательный контур. Узнали индук-
тивно связанные катушки, но посмотрите на амплитудно-
частотную характеристику усилителя.
Она показывает, что усилительные свойства каскада отно-
сятся к одной частоте (или узкому спектру частот). На этой
частоте усиление каскада максимально, а усиление на частотах
рядом с резонансной частотой контура быстро спадает.
Применение такого построения усилителя позволяет полу-
чить большое устойчивое усиление каскада. А каскады изби-

154
Электроника для любознательных
R1
300 к
+ V2
11=150 мВ
1 f=1 кГц
Рис. 6.7. АЧХусилителя с конденсатором обратной связи
рательных усилителей раньше можно было встретить в любом
радиоприемнике или телевизоре, где полезный сигнал преоб-
разовывали в сигнал промежуточной частоты, который затем
усиливали. Сегодня могут применяться новые решения, но и
старые, надо полагать, не забываются.
Напоследок я хочу показать еще один пример применения
наших добрых «знакомых» RC-цепочек, чтобы не было обидно
цифровым схемам (рис. 6.9).
В данном случае стоит вспомнить наш эксперимент по
заряду конденсатора (рис. 2.3). Цифровой элемент схемы Y2 не

Глава 6. Как читать электрические схемы
155
Rif| C2.
300 к LJ1000
V2 J+ C1
U=150mB(^) 1 mk
f=i кГц V:
2N2222A -=£V1
- U=5B
Рис. 6.8. Избирательный усилитель промежуточной частоты
меняет состояния до тех пор, пока не зарядится конденсатор
С1 до напряжения логической единицы. Поэтому он переклю-
чается позже, чем элемент Y3.
Новичок: А зачем такие сложности?
Есть ряд цифровых элементов схем, для которых, например,
нужно установить данные, и только после этого подать сигнал
управления. Например, микросхемы памяти или регистры.
Возьмите тот же D-триггер. Управляющий сигнал приходит

156
Электроника для любознательных
Y1
Y2
Рис. 6.9. Применение RC-цепей в цифровых устройствах
на вход С, он обозначен с помощью треугольника (рис. 5.12),
но данные на входе D должны быть установлены раньше. Если
этого не происходит, перед входом управления можно поста-
вить RC-цепь задержки.
Последнее, о чем следует упомянуть, коли речь зашла р
цифровых схемах, когда проводников на схеме очень много и
они мешают разглядеть основные элементы, затрудняя пони-
мание работы схемы.
В этом случае все проводники собирают в шину; пронуме-
рованные проводники подходят к ней, затем шина идет дальше

Глава 6. Как читать электрические схемы
157
I
SS88S88S
sssssssb
о ■fl- rw oo
4
л
.11
I i
H+H+HH
I
I
8
i
i
I
§■
CD
3
i
VO

158
Электроника для любознательных
(или представлена дальше), где из нее под теми же номерами
выходят соединяющие элементы проводники. Особенно это
касается схем с микропроцессорами, у которых есть шина
данных и адресная шина. Это проще увидеть, чем объяснить
(рис. 6.10).
СОВЕТ.
Подобные шины в сложной схеме можно раскра-
сить цветными фломастерами, чтобы легче
было их различать. И это относится не только к
соединительным линиям. Вы можете цветом раз-
метить элементы разных функциональных узлов,
это позволит вам быстрее находить их на схеме.

ГЛАВА 7
ОЧЕНЬ КОРОТКАЯ
НО С БОЛЬШИМ
КОЛИЧЕСТВОМ СОВЕТОВ
Когда-то, давным-давно, я купил книжку «Практические
советы радиолюбителю». Позже, когда мне пришлось
делать ремонт в квартире своими руками, я часто загля-
дывал в эту книгу. Она и сегодня у меня на полке. Многие
советы не стареют со временем. Я надеюсь, что и мои
советы вам пригодятся.
Совет первый
Выполняя моделирование схем за компьютером, используйте
это, в первую очередь, для размышлений, для выяснения того, как
работает схема, для выяснения назначения всех ее элементов,
для разных экспериментов со схемой.
Но, завершив этот этап знакомства с устройством, повто-
рите опыт на макетной плате. Результаты могут не совпа-
дать, но, главное, вы не будете ошибаться, выбирая детали,
которые могут быть похожи внешне, но быть разными компо-
нентами схемы.
Совет второй
На первое время в качестве макетной платы я советую
использовать беспаечную. Такие платы зачастую продают с
набором соединительных проводников. Если соединительные

160 Электроника для любознательных
проводники слишком длинные, я не советую их переделывать.
Возьмите кусочек компьютерного кабеля UTP с витой парой,
освободите его от оболочки и используйте отдельные провода.
Если отрезать кусочек этого провода, зачистить с двух сторон,
получится короткая перемычка для беспаечной платы.
Совет третий
Собирая схему на макетной плате, постарайтесь выполнить
ее максимально похожей на графическое изображение схемы. Вам
легче будет ориентироваться на макете.
Совет четвертый
При сборке схемы на макетной плате постарайтесь не укора-
чивать выводы деталей. Макетная плата будет выглядеть не очень
опрятно (см. ранее рис. 1.10). Но, когда вы будете паять устрой-
ство после его отладки, может потребоваться деталь с более
длинными выводами. Совсем не обязательно искать новые детали.
Совет пятый
На первых порах я не советую вам использовать случайные
источники питания. Есть лабораторные источники питания,
но вам даже в первое время понадобится мультиметр, нужно
будет придумать что-то с осциллографом и генератором. Обо
всем можно подумать тогда, когда вы освоитесь со своими наме-
рениями и интересами.
На первых порах вполне можно обойтись батарейками. Так
батарейка на 9 вольт позволит проводить эксперименты с уси-
лительными каскадами. Если потребуется питание для цифро-
вых микросхем серии 155, добавьте стабилизатор напряжения
на пять вольт.
Для опытов с операционными усилителями можно использо-
вать две батарейки. Чтобы их удобнее было подключать к макет-
ной плате, купите две колодки (или больше) для этих батареек.
Вот вид этой колодки в магазине «Чип и Дип» (рис. 7.1).

Глава 7. Очень короткая, но с большим количеством советов 161
Рис. 7.1. Колодка для батарейки «Крона» в магазине «Чип и Run»
Совет шестой
Пока вы не освоились с электроникой, я не советую вам зани-
маться изготовлением готовых устройств. Если при экспери-
ментах вам захочется иметь какое-то устройство в готовом
виде, соберите все детали в коробочку, приложите к ней схему
и описание устройства с рекомендациями по наладке, уберите
это на некоторое время. Не пытайтесь сделать печатную
плату, сделать устройство «как настоящее». Придет время, вы
сделаете так. Но на первых порах стремитесь больше узнать и
понять, научиться пользоваться приборами и правильно обхо-
диться с деталями.
Совет седьмой
Все эксперименты, которые описаны выше, можно проде-
лать, используя самый дешевый мультиметр. Не стремитесь
обзавестись самыми «крутыми» приборами. Я долгие годы обхо-
дился мультиметром как на рис. 2.8. Прекрасный мультиметр.
Новым я обзавелся только тогда, когда потребовались измерения
на переменном токе.
Это я к тому, что приборы следует подбирать под конкрет-
ные задачи. А для решения вопроса, какие задачи конкретны, а какие

162 Электроника для любознательных
нет, нужно время. Для проведения всех экспериментов в этой книге
вам понадобится мультиметр, беспаечная макетная плата, а
необходимые детали можно покупать по мере необходимости.
Или поступить так: пролистать книгу, выписать радиоде-
тали, а затем заказать, например, макетную плату, мульти-
метр, подборку резисторов, конденсаторов, индуктивностей и
транзисторов на Алиэкспресс. Когда вы надумаете приступить
к работе с макетом, заказ уже придет.
Совет восьмой
Самые большие проблемы с осциллографом. Это довольно
дорогой прибор, чтобы покупать его загодя. Для простого осцил-
лографа можно использовать звуко-
вую карту компьютера. Но у ноут-
бука или планшета, видимо, не будет
входов звуковой карты. В этом слу-
чае можно купить недорогой модуль
Arduino, который легко превратить
в простейший осциллограф. Да и сам
модуль вам пригодится впоследствии.
О том, как превратить его в осцил-
лограф, вы можете прочитать в моей
книге «Arduino для любознательных»
(рис. 7.2), вышедшей недавно в изда-
тельстве Наука и Техника (Санкт-
Рис.7.2. Обложка моей Петребург, 2018). А осциллограф
книги «Arduino для потребуется в экспериментах следу-
любознательных» ющей главы.
Совет девятый
Никогда не следует опускать руки, если что-то пошло не так.
Попробуйте разобраться, почему «не так». Я уже упоминал, что
с цифровым моделированием у меня не задалось после обновле-
ния версии Qucs. Я перебрал все разумные параметры настройки,
включая правку файлов Qucs (доступных для правки). Не помогло.

Глава 7. Очень короткая, но с большим количеством советов
163
Рис. 7.3. Счетчик до трех на D-триггерах
Почему-то вместо использования нужной Qucs программы
(компилятора) при моделировании она упорно обращалась к
чужой программе с похожим названием: видимо, у соседа кон-
феты всегда слаще!
Когда я очень рассердился, я переименовал ту программу, к
которой шло обращение Qucs, тогда все заработало. Вот схема,
которую можно выполнить на микросхеме К155ТМ2 (рис. 7.3).
Пришлось повозиться: я забыл задать в свойствах триггеров
задержку равную нулю.

164 Электроника для любознательных
Сигнал reset, активный уровень низкий, переводит выходы
триггеров в состояние низкого уровня. Следующий фронт так-
тового импульса переводит выход первого триггера в состояние
высокого уровня. Этим выход первого триггера переписывает
единицу с инверсного выхода второго триггера на его выход.
Приход следующего тактового импульса переводит выход пер-
вого импульса в ноль, а выход второго триггера сохраняет свое
состояние. Следующий импульс тактового генератора пере-
водит выход первого триггера в единицу, а у второго триггера
выходом первого переписывается ноль с инверсного выхода на
прямой и т. д.
А вам хочу напомнить крылатую фразу Каверина: «Бороться
и искать, найти и не сдаваться!».
I Совет десятый,
заключительный
Если вы не уверены в правильном поведении схемы на макете,
не уверены, что потребляемый ток будет таким, как вы рассчи-
тывали, сделайте следующее. Между батарейкой и шиной пита-
ния макетной платы добавьте резистор небольшого сопротив-
ления, а на макетной плате на шину питания добавьте электро-
литический конденсатор емкостью 470 или 1000 микрофарад на
десять вольт (я надеюсь, что вы используете батарейку с напря-
жением не более девяти вольт).

ГЛАВА 8
СИГНАЛЫ
Я уже говорил, что под переменным напряжением буду под-
разумевать сигналы, а напряжение, если потребуется, ого-
ворю специально. Но сигналов в электронных устройствах
много, они разные. Среди них есть и полезные, и вредные.
Поговорим о них подробнее.
Почему сигналы, |
и какие они? I
В полном смысле слова сигналы — это переменное напря-
жение, несущее информацию. Нам при любой работе со схе-
мами, или почти при любой работе, нужно использовать гене-
ратор сигналов. То переменное напряжение, что формируется
генератором, будет испытательным сигналом.
Рассмотрим те виды испытательных сигналов, которые может
воспроизводить функциональный генератор. Я не знаю, как давно
появились функциональные генераторы. В моей работе мне при-
ходилось иметь дело с низкочастотным генератором, с генерато-
ром импульсов и сигнал-генератором. Не так давно я приобрел
осциллограф-приставку со встроенным генератором. Его я сейчас
и использую, чтобы проиллюстрировать испытательные сигналы
и рассказать, зачем они могут понадобиться.

166
Электроника для любознательных
I Синусоидальное
напряжение
Синусоидальное напряжение — это самый часто исполь-
зуемый испытательный сигнал (рис. 8.1) при создании уси-
лителей, предназначенных для усиления симметричных сиг-
налов. Проще говоря, усилители звуковой частоты, усилители
высоких и сверхвысоких частот и т. п.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Для многих испытаний подойдет любой генера-
тор синусоидальных сигналов при условии, что
он обеспечивает нужные частоты: например,
нижнюю частоту полосы пропускания, верхнюю
частоту, одну из частот в полосе пропускания
усилителя.
Рис. 8.1. Синусоидальный сигнал

Глава 8. Сигналы 167
Для ряда усилителей к испытательным сигналам предъ-
являют повышенные требования в части нелинейных иска-
жений. Так, если вы хотите проверить нелинейные искажения
усилителя мощности звуковой частоты, который должен иметь
нелинейные искажения не более 0,5%, очень трудно (не скажу
невозможно) обеспечить измерения с помощью генератора,
имеющего нелинейные искажения порядка 1%.
Наблюдая за сигналом на экране осциллографа можно
только оценить нелинейные искажения. Осциллограф пока-
зывает нелинейные искажения более 2%. Для измерения нели-
нейных искажений служат специализированные приборы.
Прямоугольные |
импульсы II
Царство прямоугольных импульсов — это цифровые и
микропроцессорные устройства. Любое цифровое устройство,
как правило, имеет тактовый генератор. А он, в свою оче-
редь, формирует прямоугольные импульсы заданной частоты
(рис. 8.2).
Если длительность высокого уровня импульса совпадает
с длительностью низкого уровня, то такой прямоугольный
импульс называют меандром. Однако временами в цифровой
технике предпочтительнее короткие импульсы (рис. 8.3). В
этом случае используют схемы, укорачивающие импульсы.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Если качество синусоидальных сигналов оценива-
ется нелинейными искажениями, то для прямоу-
гольных импульсов существуют другие оценки -
скорость нарастания и спада фронтов.

168 Электроника для любознательных
; 500,00 и?
Рис. 8.2. Прямоугольные импульсы
Рис. 8.3. Короткие прямоугольные импульсы

Глава 8. Сигналы 169
Рис. 8.4. Затянутый передний фронт импульса
Прямоугольные импульсы на рис. 8.2 при ближайшем
рассмотрении оказываются не такими уж и прямоугольными
(рис. 8.4).
Сигналы II
другой формы II
Рассматривая работу стабилизатора напряжения, мы
использовали в программе Oucs импульс нарастающего напря-
жения (рис. 8.5). Иногда такой механизм оценки электронного
устройства предпочтительнее других.
В любительской практике, что связано с отсутствием нуж-
ного сигнал-генератора, при проверке работоспособности,
например, радиоприемника, используют генератор биений,
сигнал которого имеет следующий вид (рис. 8.6).
Такой сигнал, но не периодический, мы наблюдали при
подключении колебательного контура к батарейке (рис. 2.10).
Если частота такого сигнала соответствует частоте настройки

170 Электроника для любознательных
Рис. 8.5. Сигнал нарастающего напряжения
Рис. 8.6. Сигнал для любительской проверки радиоприемника
радиоприемника, а период повторения импульсов попадает в
звуковой диапазон, то сигнал можно услышать в громкогово-
рителе радиоприемника.

Глава 8. Сигналы 171
Информация II
и сигналы II
Я сейчас задам вопрос: «Что бы вы хотели слушать в науш-
никах: музыку или прямоугольные импульсы любой частоты
на выбор?».
Новичок: Конечно, музыку.
Я и не сомневался. Ни одно электронное устройство, если
исключить приборы, не создается с целью услышать или уви-
деть все те сигналы, о которых я только что рассказал. Нам
нужны новости по радио или телевизору, нужна музыка или
кино в смартфоне; в крайнем случае, мы используем смартфон
для звонка знакомым или беседы в социальной сети.
Другими словами, нас интересует информация, которую
несут сигналы. С появлением электричества его свойствами
стали пользоваться для передачи информации. Первые такие
системы использовали передачу по проводам двух сигналов:
короткий сигнал — точка, длинный сигнал — тире.
Новичок: Я понял, понял — это азбука Морзе.
Точно. Телеграф передавал нужную и важную информацию
по проводам. По мере развития телеграфной сети города и села
обрастали проводами. А телеграфные столбы стали привыч-
ным украшением ландшафта.
Но в информации нуждались не только жители городов и
поселков. Корабли, которые отправлялись в длительное плава-
ние, тоже нуждались и в информации, и в общении с сушей.
Тянуть провода в этом случае не получалось. А помогло реше-
нию проблемы изобретение А. С. Поповым радио.
Любой синусоидальный ток, протекая по проводам, создает
электромагнитное поле вокруг проводов, которое можно обна-
ружить приборами. Но обнаруживается это поле только рядом
с проводами. Ситуация улучшается с ростом частоты перемен-
ного тока.

172
Электроника для любознательных
Высокочастотные сигналы принимаются приемником на
достаточно больших расстояниях. Появилась возможность,
используя азбуку Морзе, обмениваться сообщениями и между
городами, и между городами и кораблями. Но к тому времени
появилась возможность поговорить в городе по телефону.
Позже и между городами появилась телефонная связь.
Могли ли ученые и инженеры остановиться на достигнутом
в радиосвязи?
Новичок: Не могли.
Да. Не могли, и не остановились. Возникла идея воздей-
ствовать на амплитуду высокочастотного сигнала низкочастот-
ным сигналом.
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Высокочастотный радиосигнал называют несу-
щей частотой. Информационный низкочастот-
ный сигнал называют огибающей. Такое преобра-
зование называют амплитудной модуляцией.
На дальние расстояния информацию переносит высокоча-
стотный сигнал, а новости и музыку доставляет нам огибаю-
щая. Вот вид амплитудно-модулированного синусоидального
сигнала (рис. 8.7).
На рис. 8.7 частоты несущей и огибающей выбраны такими,
чтобы было понятнее «кто есть кто».
ПРИМЕЧАНИЕ.
Для огибающей неважно, каким будет сигнал!
Испытательный синусоидальный сигнал важен
только при настройке устройства - в реальной
жизни этот сигнал сменится речью или музыкой.

Глава 8. Сигналы
173
Рис 8.7. Амплитудно-модулированный сигнал
Кроме амплитудной модуляции существуют другие виды
модуляции, но сейчас мы сделаем паузу в обзоре токов и напря-
жений, чтобы на практике использовать то, что мы узнали к
этому моменту.

ГЛАВА 9
ИСПОЛЬЗУЕМ
ПОЛУЧЕННЫЕ
ЗНАНИЯ
Никто не изучает что-либо только ради интереса. Так или
иначе, полученные знания используются. Постараемся и мы
использовать полученные знания, чтобы обсудить, как можно
пополнить свою лабораторию самодельными приборами.
I Генератор
прямоугольных импульсов
Самый простой генератор сигналов можно получить,
используя таймер 555. Есть отечественный аналог этой свое-
образной микросхемы, использующей и цифровые, и анало-
говые методы, КР1006ВИ1. Схему генератора прямоугольных
импульсов можно найти в очень интересной книге [3].
Частота прямоугольных импульсов с этой микросхемой
получится примерно до 100 кГц (рис. 9.1).
На нижней диаграмме сигнал на выводе DIS, который в
первом приближении можно считать треугольным сигналом.
Меняя сопротивление R1, можно менять частоту импуль-
сов. Если к выходу подключить такую схему (рис. 9.2), которую

Глава 9. Используем полученные знания
175
R1 Г
3,9к1
R2|
3kL
С1
0,01 mk=J
V=0B _
\ Л'
I U=5 В Т-
VQUtl
vtrig
555
GND VCC
TRIG DIS
OUT TRFSH
RES CON
SUB1
jvdis
J
I C2
=p=0,01 мк
_L v=ob
Рис. 9.1. Генератор прямоугольных импульсов на микросхеме 555
вы должны узнать, то на выходе можно получить сигнал очень
похожий на синусоидальный.
Новичок: Я узнал, это фильтр?
Да, так оно и есть. Это фильтр, срезающий высокие частоты,
с частотой среза близкой к частоте прямоугольных импульсов.

176
Электроника для любознательных
R1M V1_l±
,9кЦи=5В Т-
С1
0,01
v=ob
R2fl
ЗкМ
С1Х
I-
vtrig
555
GND VCC
TRIG DIS
OUT TRFSH
RES CON
SUB1
Рис. 9.2. Добавление электрической цепи к выходу генератора
ПРИМЕЧАНИЕ.
Математик Фурье доказал, что любую периоди-
ческую функцию можно представить в виде бес-
конечного ряда простых функций, частота кото-
рых кратна основной частоте. При разложении
на функции синуса и косинуса говорят о гармони-
ческом анализе.

Глава 9. Используем полученные знания 177
В нашем случае прямоугольные импульсы можно разло-
жить на сумму синусов и косинусов с определенными ампли-
тудами и фазами, частота которых в два, три, четыре и т. д. раза
больше, чем частота прямоугольных импульсов. Если фильтр
срезает все высокие частоты, то остается синусоидальный сиг-
нал основной частоты.
Предположим, вам понадобился не просто генератор пря-
моугольных импульсов, но генератор, который может менять
не только частоту импульсов, но и их длительность (скваж-
ность). Достаточно поискать в Интернете или полистать книгу
Трейстера [3], чтобы убедиться, можно внести небольшие
изменения в схему (рис. 9.1) и получить желаемое.
Используя вместо фильтра колебательный контур, можно
получить генератор биений, с помощью которого можно про-
верять радиоприемник. Словом, не спешите паять генератор,
но возьмите на заметку эту удобную микросхему.
Генератор |
синусоидального сигнала II
Простой генератор синусоидального напряжения можно
получить, используя фильтр в цепи отрицательной обратной
связи (рис. 9.3).
Новичок: Но вы же говорили, что однокаскадный усилитель
может работать без самовозбуждения при любой
отрицательной обратной связи!?
Не совсем так. Я говорил, что усилитель будет устойчив
при любой глубине отрицательной обратной связи. Но не при
любой обратной связи. И еще я говорил о фазовом сдвиге у
реактивных элементов схемы.
В данном случае фильтр в цепи обратной связи осущест-
вляет фазовый сдвиг, который превращает отрицательную
обратную связь в положительную. Это и вызывает самовозбуж-
дение усилителя, превращая его в генератор.

178
Электроника для любознательных
_1±V1
Т- U=12B
R1
1—1 \-4
t_J—'
30 к
С1 =
0,03 мк
R2
i | 1 |
30 к
R3
i | 1 |
1 I_J ■
30 к
= С2 =
0,03 мк
Т1/Г
=сз
0,03 мк
Рис. 9.3. Простой генератор синусоидального напряжения
Для многих экспериментов, да и практической работы, вам
достаточно нескольких сменных фильтров, у которых меняется
емкость конденсаторов Cl, C2 и СЗ, чтобы получить три необ-
ходимые частоты генератора: низшую, среднюю и высшую в
полосе пропускания усилителя.
Новичок: Но у генераторов есть ручка, которую можно кру-
тить, чтобы получить разные частоты испыта-
тельного сигнала. Нельзя ли и здесь пристроить
такую ручку?

Глава 9. Используем полученные знания
179
Рис. 9.4. Генератор низкой частоты с мостом Вина
Положим, пристроить ручку ни к транзистору, ни к кон-
денсаторам не получится. Но я понял, что имеется в виду. Есть
другая схема генератора, которую называют схемой с мостом
Вина (рис. 9.4).
В качестве резисторов R1 и R2 используют сдвоенный
резистор переменного сопротивления (для ручки, которую
можно покрутить!).

180
Электроника для любознательных
СОВЕТ.
Конденсаторы С1 и С2 следует подобрать как
можно точнее, и можно менять эту пару на кон-
денсаторы другой емкости, чтобы расширить диа-
пазон генерируемых частот. Сделать это можно с
помощью переключателя (еще одна ручка!).
Если резистор R4 заменить терморезистором с отрицатель-
ным температурным коэффициентом или вместо R3 низко-
вольтную лампочку накаливания (СМН 6,3 В, 50 мА), то можно
получить очень неплохие параметры нелинейных искажений.
В некоторых схемах к R4 добавляют пару встречно включен-
ных диодов (они тоже термочувствительны). Таким образом,
подобных схем довольно много, есть из чего выбирать.
I «Столовая
для транзисторов»
Если вы используете батарейку с напряжением девять
вольт (раньше их называли «Крона»), а вам хочется получать
разные напряжения, то вы можете сделать свой блок питания
(рис. 9.5), используя микросхему стабилизатора напряжения.
Вид этой микросхемы показан на рис. 5.13.
Микросхема LM317 позволяет вам получить ток в нагрузке
полтора ампера.
ЭТО ВАЖНО!
Вспомним, что мы знаем о мощности рассеи-
вания и законах Кирхгофа. Падение напряже-
ния на микросхеме стабилизатора: 9 - 1,25 =
7,75 (вольт). А мощность при токе в 1,5 ампера:
7,75*1,5 = 11,625 (ватт). Это слишком много для

Глава 9. Используем полученные знания
181
Номер
1
Рг1,В
1,25
LM317
Рис. 9.5. Блок питания с выходным напряжением 1,25 В
микросхемы без радиатора, рассеивающего тепло,
или вентилятора для охлаждения. Допустимая
мощность рассеивания без теплоотвода состав-
ляет 1...1,5 Вт.
Таким образом, вам следует рассчитать допустимый ток для
такого блока питания или использовать средства отвода тепла!
Новичок: Вы уже говорили, что можно использовать ста-
билизатор напряжения, если нужно напряжение
меньше девяти вольт. Значит, мне нужно купить
несколько микросхем на разные напряжения?

182
Электроника для любознательных
Рис. 9.6. Модификация схемы стабилизатора
Нет, не нужно. Видоизменим схему, посмотрим на резуль-
тат (рис. 9.6).
Вы могли заметить, что один из выводов обозначен не GND,
a ADJ (от слова adjust, регулировать), добавив делитель напря-
жения R2R3, мы можем изменить выходное напряжение. А
применив вместо резистора, например, R3 резистор перемен-
ного напряжения, мы можем получить регулируемый источник
постоянного напряжения.

Глава 9. Используем полученные знания
183
СОВЕТ.
Я надеюсь, что вы не только прочитали преды-
дущие главы, но повторили опыты за компьюте-
ром. Но постарайтесь повторить их и на беспа-
ечной макетной плате. Читая что-то, прекрасно
понимаешь слова, фразы, но далеко не всегда то,
что написано. И только пытаясь сделать что-то,
начинаешь задумываться о том, что делаешь,
тогда и появляются вопросы, ответы на кото-
рые ищешь в книгах.
И я надеюсь, что вы последовали моему совету, не пытаясь
быстро что-то спаять, даже тогда, когда вы проверили схему
на макетной плате. Позже, когда вы решите сделать что-то
свое, то есть поставите себе задачу, вы можете написать список
необходимого для решения этой задачи. В этом списке вы обо-
значите и приборы, и детали, и приспособления для решения
своей задачи.
Тогда можно и включить паяльник!

ГЛАВА 10
НЕКОТОРЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
СИГНАЛОВ И
НАПРЯЖЕНИЙ
С одним преобразованием сигналов мы знакомы - это мас-
штабирование. Любой усилитель осуществляет подобное
преобразование, если не вносит существенных искажений
в исходный сигнал. Но есть и другие виды преобразований,
применяемых в электронных устройствах.
|Как решались раньше
некоторые проблемы
Я был не совсем прав, когда говорил, что сигналы, несущие
информацию, это переменное напряжение разной формы.
Используя постоянный стабилизированный ток, мы можем
измерять падение напряжения на резисторах, определяя вели-
чину сопротивления. Полезной информацией в данном случае
будет значение сопротивления. При этом происходит преоб-
разование сигнала —■ постоянный ток преобразуется в посто-
янное напряжение.
Давным-давно мне довелось встретить зарубежный
преобразователь постоянного напряжения в переменное.
Преобразователь подключался к автомобильному аккумуля-
тору, а на выходе формировалось переменное напряжение
220 вольт. Решение было простое: подключение аккумуля-

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений
185
ТН=10мс
- TL=10mc
Рис. 10.1. Преобразователь постоянного напряжения в переменное
тора к повышающему трансформатору через контакты реле
(рис. 10.1).
Преобразователь (рис. 10.1) был очень древним. И, конечно,
не полный, но поясняющий саму идею преобразования. Да и
ко времени этой «встречи» можно было встретить в журналах
схемы преобразователей на транзисторах для включения элек-
трической бритвы в автомобиле.

186
Электроника для любознательных
I Преобразователь для включения
электробритвы в автомобиле
Я не буду уверять, что схема точная. И даже больше, мне
кажется, что формируемый сигнал был больше похож на диа-
грамму (рис. 10.1). Но идея этой схемы была проста — положи-
тельная обратная связь через дополнительную обмотку транс-
форматора. На рис. 10.2 обмоток всего две, но подразумева-
ется, что есть третья обмотка, которая повышала напряжение
до необходимого уровня.
V1
11=12 В Т-
Т1
2N3904
Рис. 10.2. Преобразователь постоянного напряжения
в переменное на транзисторе

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений 187
Частота, формируемая преобразователем, была, по-моему,
несколько килогерц.
Новичок: Но бритву, наверное, включали в розетку, где
двести двадцать вольт и частота переменного
напряжения пятьдесят герц. Или нет?
Память меня может подвести, согласен, но бритва работала.
А частоту повышали для уменьшения размеров трансформа-
тора преобразователя.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Сростом рабочей частоты трансформатора, при
той же его мощности, размеры трансформатора
существенно уменьшаются.
Я не знакомился со схемами сегодняшних зарядных
устройств, но могу предположить, что ряд дешевых моделей
может иметь схожую схему преобразования. Разница в том, что
трансформатор будет понижающим.
Выпрямление переменного напряжения |
в мультиметре II
Выпрямление переменного напряжения — это тоже преоб-
разование сигнала. Дешевый мультиметр позволяет измерять
переменное напряжение только на двух диапазонах. Связано
это с некоторыми проблемами при выпрямлении переменного
напряжения. Мультиметр работает благодаря аналого-цифро-
вому преобразователю, который измеряет только постоянное
напряжение.
При выпрямлении переменного напряжения в двести двад-
цать вольт достаточно одного диода и сглаживающего фильтра.

188
Электроника для любознательных
Приведение измеренного напряжения к действующему значе-
нию осуществляется резисторным делителем напряжения.
Но выпрямление напряжения меньше одного вольта затруд-
нено тем, что диод открывается только при падении напряже-
ния на нем порядка 0,5...0,7 вольт. Если напряжение меньше,
то диод остается закрыт. Для преодоления этой неприятности
применяют более сложные схемы выпрямления, выполненные
с помощью усилителей. В мультиметрах для этой цели приме-
няют операционные усилители. Схема выпрямителя с ОУ пред-
ставлена на рис. 10.3.
D2
1N4001
Рис. 10.3. Схема выпрямления напряжений меньше одного вольта

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений
189
С похожей проблемой сталкивались и создатели радиопри-
емников с амплитудной модуляцией.
Преобразование |
радиосигнала в звук II
Чтобы преобразовать радиосигнал в звук, достаточно
выпрямить высокую частоту. Речь, конечно, идет о приеме
радиосигнала с амплитудной модуляцией (рис. 10.4).
Рг1
Рис. 10.4. Детектирование AM радиосигнала

190
Электроника для любознательных
На диаграмме справа хорошо виден низкочастотный сигнал
(огибающая), но так получается только при значении напряже-
ния сигнала несущей частоты в несколько вольт.
Первые радиолюбители умудрялись принимать радиопро-
граммы на детекторный приемник (рис. 10.5).
Антенну такого приемника растягивали в комнате от стены
до стены или на крыше деревенского дома, а заземление в
городе подключали к батарее отопления, а за городом зары-
вали в землю ведро, к которому подключали провод.
Что-то полезное услышать, я полагаю, можно было только
неподалеку от радиостанции.
Рис. 10.5. Схема детекторного радиоприемника

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений 191
Позже, когда появились транзисторы, радиолюбители
стали собирать приемники прямого усиления, где катушку
колебательного LC контура подключали к усилителю высокой
частоты. Иногда этот каскад охватывали положительной обрат-
ной связью. Такие приемники называли регенеративными.
Трудности их настройки окупались большим числом прини-
маемых радиостанций.
Часто высокочастотных каскадов было два. Если усилитель
звуковой частоты тоже был двухкаскадным, то приемник назы-
вался 2-V-2. Символ «V» относится к детектору (диоду).
Но все эти решения оставляли желать лучшего. Радиосигнал
от многих радиостанций был весьма небольшой.
Приемник - II
супергетеродин II
Это удачное решение обязано своим существованием сло-
жению двух сигналов в нелинейной цепи. Если два сигнала раз-
ной частоты складываются в линейной цепи, примером может
служить активное сопротивление, то они остаются такими,
какими есть по отдельности. Но в нелинейной цепи при сло-
жении сигналов двух близких частот получаются сигналы сум-
марной и разностной частот (рис. 10.6).
Наличие в выходном сигнале частот 80 кГц и 280 кГц — это
и есть результат преобразования, которое нам требовалось.
VI — это сигнал несущей частоты радиостанции, поступающий
с входного LC контура. V2 — это сигнал дополнительного гене-
ратора, который называют гетеродином. Его частота форми-
руется с помощью сдвоенного переменного конденсатора так,
чтобы разностная частота оставалась постоянной. Эту частоту
называют промежуточной частотой.
Все сигналы — напомню, что преобразованию подвергалась
несущая частота — имеют огибающую одинаковую, она не под-
вергается преобразованию.

192
Электроника для любознательных
Рис. 10.6. Спектр сигнала на выходе транзистора
Напомню так же про избирательный усилитель (рис. 6.8),
он позволяет хорошо усиливать промежуточную частоту, чтобы
выходной сигнал имел величину в несколько вольт. Детектор
будет очень рад этому!

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений 193
Аналого-цифровой |
преобразователь (АЦП) II
Этот вид преобразования, как следует из его названия, пре-
образует аналоговое значение постоянного напряжения в циф-
ровой вид — в двоичное число, равное значению напряжения.
Существуют разные способы осуществить это преобразо-
вание. Поскольку я ненароком упомянул, что основу работы
мультиметра организует АЦП, то на простом примере хочу
показать, как работает этот преобразователь (рис. 10.7).
Вспомним двоичный счетчик (рис. 7.2). Если добавить еще
два триггера, то счетчик будет считать до 15.
В очередной раз у меня возникло взаимонепонимание с
программой Oucs, а итогом стал рисунок, который я выполнил
в другой программе.
Итак. Счетчик считает до 15, формируя с помощью рези-
сторной матрицы R1-R5 ступенчатое напряжение на рези-
сторе R5. Это напряжение можно видеть на верхней диаграмме
Рис. 10.7. Пример устройства АЦП (вид на мониторе ПК)

194 Электроника для любознательных
(рис. 10.7). Это ступенчатое напряжение попадает на один из
входов компаратора (его роль играет знакомый нам операци-
онный усилитель LM3S8).
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Компаратор - это устройство, сравнивающее
две величины. Есть и аналоговые, и цифровые ком-
параторы.
На другой вход компаратора попадет измеряемое напряже-
ние, в данном случае напряжение на стабилитроне D1. Когда
напряжение на прямом входе компаратора (обозначенном
знаком «+») превысит напряжение на втором его входе, компа-
ратор изменить выходное напряжение, что показывает нижняя
диаграмма (рис. 10.7).
Импульсом с выхода компаратора можно переписать зна-
чение на выходе счетчика в регистр, остановив на время счет-
чик. Затем весь процесс повторяется. Прочитанное двоичное
число на выходе счетчика при его остановке и есть значение
измеряемого напряжения.
Новичок: Но разве напряжение и двоичное число будут
равны? Я пока не очень понимаю, как работает
резисторная матрица, но счетчик считает до
пятнадцати, а напряжение на стабилитроне
три вольта!? Я посмотрел в справочнике!
Компаратор срабатывает не на третьем шаге!
Это очень хорошо! Хороший вопрос, хорошая подготовка к
вопросу.
Аналого-цифровой преобразователь имеет допустимое
напряжение на входе, скажем, пять вольт. Счетчик считает до
пятнадцати, то есть, напряжение 5 вольт делится на 15 шагов, а
«высота» одной ступеньки будет равна 5/15 = 0,33 (В). Когда мы
умножим это число на полученное на выходе счетчика значе-

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений 195
ние, количество шагов до совпадения, мы получим измеряемое
напряжение.
Работа резисторной матрицы определяется делителем
напряжения, образованным параллельным включением раз-
ных сопротивлений R1-R4 и резистора R5.
Разные аналого-цифровые преобразователи делают разное
количество шагов. Чем больше шагов делает АЦП, а допустимое
напряжение, например, 5 вольт, тем выше точность измерения.
Количество шагов называют разрядностью АЦП.
В этом примере мы использовали только полученные ранее
знания.
Импульсные |
преобразователи напряжения II
Есть очень интересный класс преобразователей, которому
мы обязаны тем, что бытовая техника стала гораздо легче,
чем раньше. Это преобразователи постоянного напряжения в
постоянное.
Новичок: Но мы уже знакомы со стабилизаторами напря-
жения, которые позволяют получить разное
напряжение. Это еще раз про них?
Не совсем. Вот схема, на примере которой я хочу рассказать
о преобразовании постоянного напряжения одной величины в
постоянное напряжение другой величины (рис. 10.8).
Новичок: И что? Батарейка 20 вольт, на выходе немного
меньше. Чем это интересно?
Поменяем местами диод и катушку индуктивности (рис. 10.9).
Так интереснее?

196
Электроника для любознательных
±V1
- U=20 В
1+ V2
U=1 В
TH=0,2 мс
TL=0,2mc
L1
ЮмГн
D1
1N5402
.С1
"500 мк
Рис. 10.8. Импульсный преобразователь напряжения
Новичок: Да. То есть, теперь на выходе отрицательное
напряжение? Мы как бы перевернули батарейку?
А схема изменилась очень незначительно. Заметьте, что
в схеме использованы наши старые знакомые: диод, индук-
тивность, конденсатор, резистор. Коммутатор S1 использо-
ван только для моделирования, в реальной схеме в качестве
коммутатора используется полевой транзистор. А генератор
можно использовать любой, формирующий нужные импульсы,
и управляющий транзистором.

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений
197
ТН=0,2 мс
" TL=0,2mc
Рис. 10.9. Модификация предыдущей схемы
Мы можем еще раз изменить схему (рис. 10.10).
Незначительные изменения схемы позволяют нам полу-
чить инверсное напряжение, повысить напряжение.
Новичок: А если нам нужно не повысить, а понизить напря-
жение?
И это не составит труда. Вернемся к схеме рис. 10.8.
Сравните ее со схемой на рис. 10.11.
Новичок: Но это та же схема. Я не вижу разницы. Вы под-
менили график?

198
Электроника для любознательных
±V1
- U=20 В
V2
U=1 В
ТН=0,2 мс
TL=0,2 мс
Рис. 10.10. Повышающий преобразователь напряжения
Я сознаюсь, иной раз жульничаю, но не в этот раз. Обратите
внимание на параметры генератора V2. Длительность импульса
в высоком состоянии ТН не изменилась, а длительность TL уве-
личилась до 0,6 миллисекунд. Изменение скважности импуль-
сов и превратило преобразователь в понижающий.
Но я немного сбился. На рис. 10.10, это то, о чем я хотел
рассказать, я отмечу выводы индуктивности, чтобы пока-
зать напряжение в точке 2, куда я перенесу вольтметр Prl
(рис. 10.12).
Начало процесса понятно — ключ, замыкаясь, делает напря-
жение в этой точке равным нулю, а, размыкаясь, возвращает

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений
199
±V1
- U=20 В
V2
U=1 В
' ТН=0,2 мс
|- Т1_=0,6мс
Е*^\~
L1
ЮмГн
^1N5402 ~T~
|R1
"500 мк U500
Рис. 10.11. Схема понижающего преобразователя
напряжение к напряжению батарейки VI. Но при этом проис-
ходит следующее: появляется реакция индуктивности L1 на
изменение напряжения.
Когда ключ замкнут, ток через индуктивность возрастает,
энергия в индуктивности запасается. При размыкании ключа
эта энергия создает в индуктивности напряжение, которое
называют противоЭДС. Это напряжение складывается с напря-
жением батарейки, и в итоге мы получаем повышенное напря-
жение.
На многих схемах, где в коллекторную цепь транзистора
включено реле постоянного тока, вы могли видеть диод, шун-

200
Электроника для любознательных
±V1
- U=20 В
L1
100 мГн
V2
U=1B n—^,
ТН=0,2мс1^Г-
TL=0,2 мс
D1
1N5402
:
"500 мк
Рис. 10.12. Напряжение в точке соединения индуктивности и ключа
тирующий обмотку реле. При коммутации реле в обмотке
происходят процессы похожие на те, что описано выше.
ПротивоЭДС обмотки реле, складываясь с напряжением пита-
ния, может вывести транзистор из строя. Чтобы предотвра-
тить это, в схему добавляют диод, через который проходит ток
ПротивоЭДС, снижая это реактивное напряжение до падения
напряжения на открытом диоде, то есть, 0,5... 1 вольт.

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений 201
Датчики, датчики, датчики... |
Кто они? II
Мы рассмотрели не все виды преобразований, за бортом
оказались такие интересные компоненты электрических схем
как датчики. В основном датчики преобразуют физические
или механические процессы в электрические сигналы. Для
обработки информации от датчиков используются и аналого-
вые, и цифровые устройства.
Новичок: Работа любого датчика основана на некоторых
физических процессах или явлениях, которые пре-
образуются в информацию. Можете ли меня с
ними ознакомить?
Могу! Информация может преобразовываться много-
кратно, но может быть получена и без преобразования. Все
зависит, в первую очередь, от поставленной задачи:
♦ для решения одних задач достаточно изменения состоя-
ния, как в случае с кнопкой;
♦ для решения других задач нужно получить некоторый на-
бор данных;
♦ третьи задачи требуют непрерывного потока данных, об-
рабатываемых «на лету».
Датчик влажности. Конструкция емкостного датчика
выполнена так, что при изменении влажности меняется его
емкость: влажность меняет свойства диэлектрика, расположен-
ного между обкладками.
Датчики влажности бывают резистивные. При изменении
влажности меняется проводимость датчика (сопротивление). В
производстве датчики влажности применяют там, где техноло-
гический процесс требует поддержания определенных клима-
тических норм. В этом случае датчики входят в систему управ-
ления процессом производства.
Датчик газа. Принцип работы каталитических датчиков
газа основан на горении газов на поверхности катализаторов,

202 Электроника для любознательных
что повышает температуру чувствительного элемента, меняю-
щую сопротивление.
Полупроводниковые датчики работают схожим образом:
газ поглощается нагретой поверхностью оксидной пленки, что
ведет к изменению сопротивления.
Инфракрасные детекторы газа сравнивают прохождение
образцового и рабочего луча через газовую смесь.
Обычно датчики газа следят за появлением, например,
бытового газа в помещениях, и включают тревожную сигна-
лизацию при повышении концентрации. В промышленности
датчики, подобно датчикам влажности, следят за составом и
концентрацией компонентов в газовой смеси.
Датчик давления. Датчики давления используют пьезоэф-
фект, когда под механическим воздействием на гранях кристалла
появляется напряжение. Пьезо-звукосниматели старых проигры-
вателей виниловых пластинок вполне можно назвать датчиками
давления. Датчики давления могут использовать тензоэффект.
В этом случае под механическим воздействием меняется сопро-
тивление чувствительного элемента. Часто используют конден-
саторы с подвижной пластиной для измерения давления. Так
конденсаторные микрофоны используют меняющееся звуковое
давление для преобразования его в электрические сигналы.
Подвижная мембрана может и механически передавать
движение, скажем, на стрелку прибора.
Механические датчики давления используются для наблю-
дения за давлением в трубах водопровода и газопровода.
Тензодатчики широко используются в лабораториях при
испытаниях как моделей, так и опытных образцов различных
машин и их элементов.
Датчик магнитного поля. Самый известный датчик
такого рода — это датчик Холла. Датчики работают на прин-
ципе изменения выходного напряжения или сопротивления
под действием магнитного поля. Датчики магнитного поля
часто применяют для определения скорости перемещения,
вращения, положения или угла поворота разных объектов. Так,
например, в современных автомобилях они могут управлять
углом зажигания или быть элементом тахометра.

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений 203
Датчик оптический. Работа оптических датчиков осно-
вана на свойстве полупроводниковых материалов изме-
нять сопротивление при изменении уровня освещения.
Используется также переход диодов и транзисторов, что повы-
шает чувствительность оптических датчиков.
Оптопары из светодиода и фотоэлемента в одном корпусе
используются там, где нужно электрически изолировать одну
часть устройства от другой. Например, в медицинских приборах.
Датчик положения (расстояния). Принцип работы индук-
тивного датчика может основываться на изменении ампли-
туды колебаний генератора, частью которого является датчик,
при приближении к датчику металлических, магнитных и фер-
ромагнитных объектов.
Конечно, основная область применения датчиков — про-
изводство. Но современная тенденция развития электроники
находит все больше мест приложения своих возможностей в
быту. Так датчики расстояния и положения все чаще устанав-
ливают на автомобилях, позволяя комфортнее себя чувство-
вать автомобилисту при парковке.
Датчик температуры. Это, наверное, самые распростра-
ненные сегодня датчики. Современный уличный термометр,
медицинский термометр, и даже звуковой усилитель — все
имеют датчик температуры. Самым простым датчиком темпе-
ратуры может служить резистор. При изменении температуры
его сопротивление меняется. Полупроводники еще больше
чувствительны к температуре, поэтому чаще других применя-
ются для изготовления терморезисторов.
Чувствительность перехода полупроводниковых приборов
к температуре, негативный фактор в обычных условиях, пре-
красно работает, если полупроводниковый прибор применя-
ется в качестве датчика температуры.
В термопарах используется эффект возникновения ЭДС в
спаях из разных проводников при разности температур.
Датчики угла (энкодеры). Магниторезистивные датчики
угла работают на основе изменения направления намагничен-
ности в слое пермаллоя под действием внешнего магнитного
поля. При этом меняется сопротивление пермаллоевой пленки.

204 Электроника для любознательных
Магниторезистивные датчики угла могут иметь встроен-
ный магнит, и тогда на выходе датчика получается напряже-
ние, пропорциональное углу поворота. По своей конструкции
такой датчик можно назвать бесконтактным потенциоме-
тром. Датчики находят применение там, где нужно считывать
угол поворота, в контроллерах натяжения, при измерении тол-
щины бумаги и т. д.
Датчики ультразвуковые делятся на излучающие и при-
емные (есть и приемо-передающие). Чаще они работают в паре,
передатчик и приемник, в системе охраны складских помеще-
ний. В этом случае принцип действия устройства основан на
том, что устанавливается статическое звуковое поле, которое
нарушается при появлении постороннего, что и приводит к
срабатыванию сигнализации.
Достаточно часто, благодаря низкой скорости распростра-
нения звука, при работе датчика используется эффект Доплера.
В этом случае частота принимаемого сигнала сравнивается с
опорной, излучаемой в охраняемое пространство. При нали-
чии движущегося объекта отраженный сигнал меняет частоту.
Датчики уровня жидкости. Эта разновидность датчиков
достаточно важна и в промышленности, и в домашнем хозяй-
стве. От контроля уровня исходных жидкостей в технологиче-
ском процессе до контроля уровня бензина в автомобиле или
уровня заливаемой в стиральную машину воды — таков спектр
применения датчиков уровня
Датчики усилия измеряют силу, приложенную к нему.
Измерение проводится при проведении механических анали-
зов, в гражданском строительстве, при взвешивании.
Датчики ускорения (акселерометры). Немного из
физики и математики: перемещение, скорость и ускорение
взаимосвязаны. Получив от датчика ускорения данные, с помо-
щью интегрирующих электрических цепей можно легко полу-
чить данные о скорости и перемещении.
Изучение вибраций с помощью датчиков ускорения и
в самолетостроении, и в гражданском строительстве, дает
информацию, на основе которой ведутся расчеты прочности и
надежности.

Глава 10. Некоторые преобразования сигналов и напряжений 205
От вида движения зависит то, какие акселерометры лучше
применить, угловые или линейные. Последние состоят из маг-
нита и катушки индуктивности, выходное напряжение кото-
рой прямо пропорционально скорости движения магнита.
Поскольку линейные датчики могут измерять ускорение только
в пределах своих размеров, их часто используют для измере-
ния вибраций.
О применении датчиков |
в любительских условиях II
Далеко не полный перечень существующих датчиков выше
призван дать только представление о многообразии этих
устройств.
Новичок: Но нужны ли они любителям?
Многие датчики, о которых речь шла выше, конечно, пред-
назначены для промышленного использования в линиях авто-
матизированного производства. Вместе с тем, любители все
чаще интересуются системами автоматизации, например,
с использованием микроконтроллеров. То, что к датчикам
можно отнести сенсорные экраны, вновь свидетельствует о
непреложном интересе к ним любителей.
Новичок: Многие датчики довольно дорогие. Не думаю, что
есть смысл приобретать их только ради проведе-
ния домашних опытов.
Да! Но без понимания того, как они работают, будет трудно
выбрать подходящий датчик, когда интерес к датчику будет
вызван необходимостью или большим желанием что-то
собрать для домашнего использования.
Просматривая информацию о датчиках, вы могли заметить,
что разные датчики могут выполнять схожие функции, хотя

206 Электроника для любознательных
находятся не в одном разделе. Это полезно знать при выборе
датчика.
СОВЕТ.
Не обязательно применять дорогостоящий датчик
ускорения, чтобы после обработки данных получить
сведения о перемещении, если вы сможете заменить
его оптопарой, снятой со старой мышки.
Кстати, придумывать свои датчики, даже при наличии их в
продаже, занятие не только полезное, но и очень увлекатель-
ное. Собирая простого робота, вы захотите оснастить его, ска-
жем, датчиком, определяющим расстояние до препятствия.
В интернет-магазине такой датчик стоит несколько тысяч
рублей. Попробуйте придумать ему замену из подручных
средств. Уверен, вы сможете это сделать. Да, придется найти
книги, подробно описывающие работу датчиков. Да, придется
поломать голову, решая эту задачу.
Но сколько удовольствия вы получите, когда задача будет
решена!
Подведем итоги
Мы познакомились с таким преобразованием, как превра-
щение напряжения в цифры. Этим преобразованием можно
воспользоваться для получения с помощью модуля Arduino
осциллографа, который поможет в проведении опытов на
макетной плате.
Без такого осциллографа трудно работать с сигналами. А то,
как именно модуль Arduino превращается в осциллограф, ста-
нет понятнее в следующих главах.

ГЛАВА 11
МИКРО-
КОНТРОЛЛЕР
Развитие цифровой техники и технологии производства
микросхем позволило создать великолепное устройство -
микропроцессор. Это устройство осуществляет процессы,
что следует из его названия, но предназначалось оно в пер-
вую очередь для вычислений.
Беглое знакомство |
с микропроцессором II
Цифровые микросхемы позволяют собрать устройство,
которое может осуществлять арифметические операции с дво-
ичными числами: сложение, вычитание, умножение и деление.
Но это же устройство может осуществлять и операции,
которые относятся, скорее, к логическим: сравнение двух вели-
чин, операции «И», «ИЛИ», «НЕ» и т. д.
Новичок: Микроконтроллер или микропроцессор? В чем их
отличие?
Микропроцессор — это сердце, или, если угодно, голова
микроконтроллера. Без хотя бы беглого знакомства с ним
трудно понять, что делать с бесполезной без дополнительных
операций с ней микросхемой микроконтроллера.
При работе с микроконтроллером вы встретитесь с такими
понятиями как регистр, команда, выбор осциллятора, про-

208 Электроника для любознательных
граммная и оперативная память. Рассказ обо всем этом может
занять целую книгу. А, скорее, и не одну. А мы постараемся
получить некоторое представление о работе микропроцессора
и микроконтроллера, используя только то, что уже узнали. Это
будет «шапочное» знакомство, но знакомство.
Итак. Микропроцессор может выполнять операции, когда
получает команды. Эти команды не более чем двоичные числа,
но они записаны в специальную область микропроцессора при
его изготовлении. Любые двоичные числа, введенные в микро-
процессор, сравниваются им с набором команд. Процессор может
выполнить только те действия, которые описаны этой командой.
Набор команд для разных процессоров может быть различ-
ным, но среди них есть и общие для любого процессора опе-
рации. Поэтому разные микроконтроллеры — микроконтрол-
леры! — очень похожи друг на друга.
Наши команды для процессора записываются в программ-
ной памяти. Элемент памяти мы можем представить себе в
виде набора D-триггеров (рис. 11.1).
На входы триггеров с помощью логических уровней про-
граммы Oucs (символы с единицей и нулем внутри) подается
число 0101. Когда тактовый генератор S1 формирует управля-
ющий сигнал, в триггеры это число записывается и появляется
на выходах триггеров.
Похожим образом записываются числа в регистры микро-
процессора и в элементы памяти.
Новичок: Хорошо, мы записали одно число. Но для сложения
нужно хотя бы два числа. И как это сделать?
Хороший вопрос. Ответ такой: для записи в разные ячейки
памяти используются устройства, которые называют адрес-
ными селекторами (рис. 11.2).
Я хочу повторить, что и память, и регистры устроены слож-
нее, чем это показано мной. Но они дают представление о том,
как это можно было бы сделать.
В таблице истинности (рис. 11.2) можно видеть, что с при-
ходом управляющего сигнала (clock) в первую ячейку памяти

Глава 11. Микроконтроллер
209
Num=1
Рис. 11.1. Запись данных в триггеры-защелки

210
Электроника для любознательных
Num=1
Рис. 11.2. Схема, дающая представление об адресации

Глава 11. Микроконтроллер 211
записывается число 0101, тогда как состояние второй ячейки
памяти не изменилось. Обязана она этому адресному селек-
тору. Если адрес ячейки памяти совпадает с заданным, ячейка
памяти открывается для записи, иначе она остается закрытой
для любых операций с ней.
Новичок: А откуда берутся адреса?
Правильный вопрос. Ячейки памяти расположены подряд,
одна за другой, с собственными адресами. Команды для про-
цессора записываются в эти последовательные ячейки памяти.
И каждый процессор имеет счетчик команд. Что такое счетчик,
мы уже знаем.
В самом начале работы процессора счетчик команд сбра-
сывается, устанавливая на выходе нулевой адрес. При записи
программы в нулевую ячейку памяти записывают первую
команду для процессора. Процессор ее прочитывает и выпол-
няет, а счетчик команд увеличивается на единицу, выставляя
адрес... единица.
Если программа написана правильно, то процессор, выпол-
няя команду за командой, выполнит всю программу.
Новичок: Хорошо, но для сложения двух чисел нужны два
числа. Где их взять?
Некоторые команды не требуют обращения к данным.
Например, есть команда «ничего не делать». Записывается эта
команда в программе как NOP.
ПРИМЕЧАНИЕ.
, ^
Данными или операндами называют числа, с кото-
рыми оперирует процессор.
Если команда требует обращения к данным, то можно
поступить двояко. Можно эти данные записать в отдельной

212 Электроника для любознательных
области памяти. В этом случае команда передает процессору
адрес требуемого числа. А можно поместить данные в следу-
ющие ячейки памяти. В этом случае внутренняя команда про-
цессора записывает в счетчик команд соответствующее число,
пропускающее количество ячеек с данными, чтобы процессор
обратился к следующей команде по правильному адресу туда,
где находится команда.
У любого процессора есть выделенные внутренние реги-
стры. Получая команду взять из следующих ячеек памяти дан-
ные, процессор переписывает эти данные в свои внутренние
регистры памяти. Выполнив требуемую операцию с данными,
процессор, чаще всего, помещает результат в регистр, который
называется аккумулятор.
Поскольку ячеек памяти много, адресов тоже много. Для
обращения к памяти все выводы адресных селекторов соби-
рают в адресную шину. А выводы данных от ячеек памяти и к
ячейкам памяти собирают в шину данных.
ЭТО ВАЖНО!
Все цифровые устройства работают с двумя
уровнями: низкий уровень, он же ноль, и высокий
уровень или единица. Но выходы ячеек памяти,
которые соединены все вместе, имеют тре-
тье состояние - состояние высокого сопро-
тивления, когда они не мешают другим ячей-
кам памяти выставлять на шину данных числа,
записанные в них.
Мы, конечно, не разобрали, как устроен микропроцессор.
Но те модели его внутреннего устройства, которые мы рассмо-
трели, помогут вам не бояться разных терминов, которые вы
встретите, работая с микроконтроллером.

Глава 11. Микроконтроллер 213
Микроконтроллер
Контроллеры чаще всего можно встретить в автоматике.
Когда я пытаюсь представить самое простое автоматическое
устройство, я выбираю часы-ходики. После завода они автома-
тически отсчитывают время, секунда за секундой, показывая
результат на своем «дисплее». Так же работают и мои наручные
часы, имеющие встроенный микроконтроллер.
Для знакомства с микроконтроллером я выбрал
PIC16F628A.
Новичок: Наверное, какой-нибудь замухрышка?
Отнюдь, но такой микроконтроллер у меня есть, а другой
мне надо покупать. Впрочем, если вам не нравится, я могу рас-
сказать о микроконтроллерах на примере другого контроллера.
Правда, хорошее описание такого микроконтроллера имеет
тысячу страниц и написано на английском языке.
Новичок: Сколько? Да еще на английском. Мы еще не все
проходили на уроках английского. Нет, лучше
пусть будет тот, что вы выбрали.
Когда-то для рассказа о микроконтроллерах я выбрал эту
модель, исходя из того, что она имеет много интересных воз-
можностей, недорогая, а описание на русском языке есть на
сайте «Чип и Дип». Сегодня, зайдя на сайт, я не нахожу этого
руководства, но его можно найти на русскоязычном сайте про-
изводителя, Microchip, или поискать в Интернете.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Чтобы облегчить вам жизнь, я добавлю описание
этого микроконтроллера на виртуальный диск к
этой книге.

214 Электроника для любознательных
|Чем отличается микроконтроллер
от микропроцессора?
У микроконтроллера есть микропроцессор, но есть и другие
устройства: память программ, оперативная память, встроен-
ные полезные модули, порты ввода-вывода.
ЭТО ВАЖНО!
Память программ энергонезависимая. Это озна-
чает, что записанная в микроконтроллер про-
грамма сохраняется после выключения питаю-
щего напряжения. Оперативная память энер-
гозависимая, она стирается при выключении
микроконтроллера.
Без загруженной в микроконтроллер программы микро-
схема оказывается бесполезна. После загрузки программы
микроконтроллер начинает выполнять программу. В про-
грамме, как правило, работа проводится с помощью перемен-
ныХу они-то и есть самые постоянные посетители оперативной
памяти.
Микропроцессор в микроконтроллере окружен портами
ввода-вывода. Эти порты можно представить себе похожими
на ячейки памяти или регистры. Отличаются они, возможно,
нагрузочной способностью — могут отдавать больший ток. Но
подобно ячейкам памяти выходы портов имеют третье состо-
яние. Это связано в первую очередь с тем, что выводы пор-
тов могут работать и на выход, и на вход. При работе выводов
порта на вход его выходы переходят в третье состояние.
Многие микроконтроллеры имеют встроенные в них полез-
ные модули. Это модуль последовательной передачи данных
UART (или USART), модуль АЦП, модули аппаратной поддержки
протокола SPI и т. д.
О встроенных модулях мы еще поговорим, а сейчас погово-
рим о другом.

Глава 11. Микроконтроллер
215
Когда программа загружена в микроконтроллер, ее сложно,
а то и невозможно, отлаживать. Проверить правильность
работы программы, когда микросхема на макетной плате,
можно только по окончательным действиям программы.
Поэтому отлаживать программу следует в среде разработки
этой программы для данного типа контроллера. У радиолюби-
телей самые популярные микроконтроллеры PIC, AVR, ARM.
Новичок: А какой тип микроконтроллера лучше?
Смотря для кого. Для производителя лучше его тип кон-
троллера, а для пользователя тот, что доступен, тот, который
подходит к поставленной задаче, который пользователь знает
лучше.
Одной из причин моего выбора PIC16F628A была доступ-
ность микросхемы, ее можно было купить в магазине радио-
товаров, и невысокая цена.
СОВЕТ.
При первых опытах с микроконтроллером лучше
выбрать его в корпусе DIP. Микросхему в таком
корпусе можно вставить в беспаечную макетную
плату, для программирования можно использо-
вать небольшую панельку для микросхем.
Среда разработки
программы
Новичок: А почему среда разработки ? Почему среда ?
Это, конечно, программа для написания кода программы
для микроконтроллера. Но написать код программы можно в

216
Электроника для любознательных
текстовом редакторе, например, в блокноте, который есть в
Windows. Текстовый редактор есть и в среде разработки. Но он
устроен удобнее, чем блокнот Notepad. Удобнее для создания
программы.
Помимо текстового редактора, предлагаемого пользова-
телю, программа работает с компилятором (разными компи-
ляторами на выбор).
ЧТО ЕСТЬ ЧТО.
Компилятор - это программа-переводчик с языка
программирования на язык машинных кодов, кото-
рый понятен процессору.
Кроме этого среда разработки имеет встроенную подпро-
грамму отладки программ (Debugger). И позволяет из программы
загрузить нужный код в микросхему через программатор.
Новичок: А что такое программатор?
Программатор
что есть что.
Программатор - это устройство, к которому
подключается микросхема контроллера для
загрузки в нее программы, то есть, для записи
программы в программную память.
Сегодня — я очень надеюсь, что это «сегодня» сохранится и
завтра — можно купить относительно недорогой программатор
PICKit2 или PICKit3 HaAliexpress.ru (рис. 11.3). Программатор
позволяет работать со многими (если не всеми) моделями

Глава 11. Микроконтроллер 217
Рис. 11.3. Программаторы PICKit2 и PICKit3
PIC-контроллеров. Если завтра что-то изменится, то можно
перейти к самодельному программатору.
Этот программатор работает не только в качестве загруз-
чика программ, но и позволяет отлаживать программу при ее
разработке. А сейчас постараемся рассмотреть вопрос про-
граммирования микроконтроллера.

ГЛАВА 12
ПРОГРАММА
для
МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Есть радиолюбители, которые предпочитают пользо-
ваться готовыми схемами, уделяя больше внимания изго-
товлению устройств, стараясь придать им промышлен-
ный вид. Для них эта глава будет, видимо, неинтересна, но я
советую и им с ней познакомиться. В будущем пригодится.
Программа
для программы
СОВЕТ.
Относительно среды разработки для PIC16F628A:
я рекомендую использовать программу MPLAB X.
Все производители микроконтроллеров предлагают бес-
платные среды разработки. Microchip не исключение. Поэтому
вы найдете программу (и компиляторы) на сайте [6] этого раз-
работчика микросхем (рис. 12.1). Введите поисковую строку:
mplab х download. Скачайте программу. Введите поисковую
строку: mplab x xc8 download. Скачайте компилятор.

Глава 12. Программа для микроконтроллера 219
Рис. 12.1. Сайт Microchip
ПРИМЕЧАНИЕ.
При установке программы и компилятора поста-
райтесь внимательнее отнестись к диалоговым
окнам помощника по установке программы. В
крайнем случае, на первый раз старайтесь ему не
возражать.
Я не судья в части программирования, как в любой другой
части, но предпочитаю различать программу и код программы.
Программа — это ваше представление о том, что должен делать
микроконтроллер. Эту часть можно написать обычным язы-
ком. Вы можете описать будущую работу микроконтроллера с
нужной вам тщательностью: набросать только вехи, выписать
все подробности или задать только цель. Все зависит от ваших
привычек и намерений.

220 Электроника для любознательных
СОВЕТ.
Вы можете не следовать моему совету, но я реко-
мендую вам написать все, что вы хотели бы от
микроконтроллера на данный момент времени.
Можете оставить пустые места для идей, кото-
рые могут возникнуть позже, а можете позже
переписать все. И я советую сохранить это опи-
сание на тот случай, если надумаете вернуться к
этой программе.
Новичок: А на каком языке писать программу?
Повторюсь, вначале на русском языке и обычными словами.
I Немного об истории
языков программирования
Для кода программы можно использовать разные языки
программирования. Исторически сложилось так, что на заре
создания цифровых вычислительных машин использовали,
видимо, двоичные числа. Позже их сменил код в шестнадца-
теричной системе счисления, его легче было понимать, запо-
минать, использовать.
На смену числам пришел черед записи кода на ассемблере.
Вместо чисел использовали аббревиатуру команд, которую
специальная программа переводила в числа. Но программы
становились все сложнее и больше...
А программисты не очень любят набирать программы по
буковкам, поэтому они придумали языки высокого уровня. Я
помню такие языки как Фортран, Алгол, Кобол. Не исключаю,
что ими пользуются и сегодня.
Позже, когда возникла необходимость в обучении програм-
мированию, появились такие языки программирования как
Бейсик и Паскаль.

Глава 12. Программа для микроконтроллера 221
Бейсик задумывался как язык для начинающих и был, если
я не ошибаюсь, в виде интерактивном. То есть, программа,
написанная на языке Бейсик, не компилировалась, а интер-
претировалась — выполнялась строка за строкой. Я не историк
языковедения, могу и ошибаться, поскольку сегодня Бейсик
мало отличается от других языков программирования в плане
работы с ним.
Паскаль задумывался и реализовался для обучения в
ВУЗах. Язык отличался особой строгостью в части последова-
тельности написания кода и строгого соблюдения типов дан-
ных. Что, несомненно, было и остается правильным. Сегодня,
если не ошибаюсь, Паскаль остается основным языком про-
граммирования в среде программирования Delphi.
Новичок: В Интернете я встретил рассказ о том, что язык
Си задумывался как пародия на язык Паскаль.
Свобода обращения с канонами вместо строго им
следования...
Не знаю, и не исключаю, что это только анекдоты из жизни
программистов!
Язык Си быстро завоевал популярность, и сегодня он оста-
ется очень популярным. Но однажды я читал высказывание про-
граммиста долгие годы использовавшего и ассемблер, и Паскаль,
и Си. Пишет, что он зря потратил время на работу с этими язы-
ками программирования, когда познакомился с языком Лисп.
Я думаю, что проработав долгие годы с разными языками
программирования, вы сможете сформировать и свое мнение.
Написание II
кода программы II
Тот компилятор, о котором я говорил, использует язык Си.
Нажмите ссылку Open Sample, чтобы создать свой первый
проект. Этим открывается диалог помощника создания проекта.

222 Электроника для любознательных
Рис. 12.2. Первая страница программы
СОВЕТ.
В начале работы в среде программирования
я советую вам использовать примеры, кото-
рые можно найти для этой среды разработки
(рис. 12.2), использовать готовый код, переделы-
вая его при необходимости под свои нужды.
\ '
Я могу, это не трудно, описать все дальнейшие шаги сло-
вами. Но нагляднее представить наиболее значимые шаги на
рисунках (рис. 12.3, рис. 12.4 и рис. 12.5). Рисунки, наверное,
могут устареть, но и слова тоже. Запустив проект, вы попадете
в «руки» помощника по его созданию.
Последнее диалоговое окно потребует от вас задать имя
проекта и место его расположения. Завершается диалог нажа-
тием на кнопку Finish.
Результат ваших усилий появится в левом окне проводника
по проекту (менеджера проекта).

Глава 12. Программа для микроконтроллера
223
Рис. 12.3. Страницы
начала диалога
Рис. 12.4. Выбор симулятора
и компилятора

224
Электроника для любознательных
Рис. 12.5. Завершение создания первого проекта
Пока у вас дерево проекта без «единого листочка»
(рис. 12.6).
Выделив раздел в дереве проекта Source Files, щелкните
правой клавишей мышки по выделению. В выпадающих меню
выберите то, что указано на рис. 12.7.
Рис. 12.6. Завершение первого этапа создания проекта

Глава 12. Программа для микроконтроллера
225
Рис. 12.7. Создание нового основного файла программы, начало
Рис. 12.8. Страница диалога при создании главного файла программы
Этим открывается новый диалог. Вам предстоит подтвер-
дить выбор компилятора (рис. 12.8) и дать имя файлу.
Новичок: Я уже немного запутался в страницах.
Да, читать об этом, пожалуй, труднее, чем все это сделать.
Проделав процедуру несколько раз, вы перестанете думать, с

226 Электроника для любознательных
Рис. 12.9. Шаблон главного файла проекта
какой ноги ходить, а быстро побежите к цели. Поверьте, так
оно и будет.
Завершив создание главного файла проекта, вы можете
открыть его (рис. 12.9).
Мы вернемся к этому файлу позже, а сейчас я хочу показать
еще одну возможность начать работу по освоению программи-
рования микроконтроллера.

ГЛАВА 13
ЕСЛИ У ВАС
ЕСТЬ ДЕНЬГИ,
ЧТОБЫ КУПИТЬ ПРОГРАММУ
Я стараюсь избегать описания платных программ. Но у
кого-то есть возможность обзавестись такой програм-
мой. Небольшое описание подобной программы, я думаю, не
повредит.
Первые шаги с FlowCode 7 |
для Pic,AVR,Arduino II
Многие программисты, привыкшие писать код программы
на ассемблере, довольно неуважительно относятся к использо-
ванию языка Си, и уж совсем презрительно отзываются о гра-
фических языках программирования.
Но я подозреваю, что программисты, которые зарабаты-
вают деньги на программировании микроконтроллеров, не
чураются использования графического языка, экономя время
при создании программы. Впрочем, я не специалист в теории
преподавания программирования, и я не зарабатываю деньги
на создании программ, не мне судить.
Найти программу FlowCode вы можете на сайте [9], чтобы
познакомиться с ней в обусловленный пробный срок. Если
программа вам понравится, если вы не ограничены в тратах,
вы можете купить программу. А узнать больше о возможностях

228 Электроника для любознательных
программы можете на форуме тех, кто с программой знаком не
понаслышке [8].
Новичок: Что значит — не ограничены в тратах?
Я хотел сказать, если у вас есть финансовая возможность
обзавестись программой. Я же воспользуюсь пробной версией
FlowCode7, чтобы рассказать немного о программе.
Установка программы происходит без вашего участия,
если не считать согласия с правилами использования про-
граммы и разрешения операционной системе на установку.
Первый запуск программы требует от вас выбора, предпо-
лагаете ли вы использовать программу как свободную, полу-
чить тридцать дней, чтобы познакомиться с программой, или
вы купили программу и готовы ввести ключ.
Я попытался остановить свой выбор на пробном тридца-
тидневном знакомстве. Но не сладилось! Хотя я даже вспом-
нил пароли и явки доступа на сайт Matrix. Пришлось доволь-
ствоваться свободной версией. Впрочем, мне хватит этого для
Рис. 13.1. Запуск программы FlowCode v.7

Глава 13. Если у вас есть деньги, чтобы купить программу 229
написания главы, а вам, думаю, хватит, чтобы познакомиться с
этой программой.
Запустив программу в свободном варианте можно увидеть
следующее (рис. 13.1).
Я не удержался и добавил пару элементов программы: цикл
и вывод. Но начнем по порядку.
Создание |
нового проекта II
После запуска вы можете выбрать создание нового проекта,
возвращение к уже существующему проекту или использова-
ние шаблона (рис. 13.2).
При создании нового проекта вам потребуется указать
имя проекта, место, где он будет расположен и модель вашего
микроконтроллера.
Рис. 13.2. Начало работы с программой

230 Электроника для любознательных
Рис. 13.3. Перенос нужного элемента программы в рабочее поле
На левой инструментальной панели находятся все типовые
элементы любой программы для микроконтроллера: вывод,
ввод, цикл, ветвление программы и т. д. Вам достаточно «под-
цепить» нужный элемент левой клавишей мышки и перенести
в рабочее поле, где отпустить элемент программы в нужном
месте. Если вы промахнулись, то можете подцепить добавлен-
ный элемент и перенести в нужное место, на которое указы-
вает стрелка (рис. 13.3).
Все графические компоненты программы обладают свой-
ствами. Если щелкнуть правой клавишей мышки по компо-
ненту, то из выпадающего меню можно выбрать этот пункт
(рис. 13.4).
В открывающемся диалоговом окне можно задать все необ-
ходимые свойства. Таким образом, вместо написания кода
программы вы собираете программу из базовых элементов
языка программирования. На рис. 13.5 показана простейшая
программа. Для проверки ее работы к выводу АО подключен
светодиод.

Глава 13. Если у вас есть деньги, чтобы купить программу 231
Рис. 13.4. Выпадающее меню с разделом свойств
Отладка программы
При запуске отладки программы можно увидеть, как на
панели мигает этот отладочный компонент.
Новичок: Полагаю, что для правильной работы даже про-
стейшей программы необходимо настроить
микроконтроллер.
Без этого никак! При загрузке программы в микросхему авто-
матически заполняется специальная ячейка памяти, определя-
ющая ряд важных параметров микроконтроллера. Называется
перечень этих параметров, словом конфигурации. Диалоговое
окно, где можно установить эти параметры (рис. 13.6), открыва-
ется в настройках проекта (Сборка -> Настройки проекта).
Программа предлагает большое количество дополнительных
элементов любого микроконтроллерного устройства. Все они нахо-
дятся в выпадающих меню инструментальной панели (рис. 13.7).

232
Электроника для любознательных
Рис. 15.5. Простейшая программа и добавленный
отладочный светодиод на панели
Рис. 15.6. Диалог записи слова конфигурации
Рис. 15.7. Инструментальная панель дополнительных компонентов

Глава 13. Если у вас есть деньги, чтобы купить программу
233
Рис. 13.8. Раздел шаблонов программы FlowCode 7
ПРИМЕЧАНИЕ.
Если у вас нет возможности или намерения поку-
пать программу, а интерес к графическому языку
программирования есть, используйте модуль
Arduino [2], с которым вы можете пользоваться
программой S4A.
Взглянем еще раз на программу (рис. 13.5). Если начать
работу по созданию этой программы с записи того, что про-
грамма должна делать, вы, скорее всего, написали бы то же, что
я отметил на рисунке программы.
Небольшой рассказ, написанный мной довольно давно об
этой программе, вы найдете на виртуальном диске. Там же
заметки к предыдущей версии программы. Изменился поль-
зовательский интерфейс программы, но не изменилась ее суть,
многое сохранилось в настройках. Завершая этот «рекламный
ролик», я хочу показать раздел шаблонов (рис. 13.8).

234 Электроника для любознательных
Если я не ошибаюсь, это, конечно, следует проверить, для
отладочных целей в последних версиях есть осциллограф. Если
так, то хорошо, его очень не хватало.
В ранних версиях FlowCode была возможность импорти-
ровать проект для микроконтроллера одного производителя
в программу для микроконтроллера другого производителя.
Если и такая возможность сохранилась, это было бы приятным
дополнением к возможностям FlowCode.
FlowCode и Arduino
В разделе шаблонов есть возможность работать с моду-
лем Arduino. Выберем этот шаблон, напишем программу для
работы с модулем (рис. 13.9).
Плата модуля Arduino на системной панели удобно при-
способлена для знакомства с разными программами, но мне
проще добавить светодиод, подключить его к выводу микро-
контроллера (соответствие выводов микроконтроллера и
модуля видно на рисунке), чтобы проверить в режиме отладки
работу программы.
Еще одним достоинством этой версии в отношении
Arduino — можно подключить модуль Arduino для программи-
рования (рис. 13.10).
Теперь вы можете готовый проект загрузить в модуль
Arduino непосредственно из FlowCode, достаточно выбрать в
основном меню соответствующую команду (рис. 13.11).
Один щелчок кнопки мышки, и программа, которую вы
написали и отладили, будет загружена в микроконтроллер
(рис. 13.12).
Насколько легко собрать программу на графическом языке,
я хочу показать на примере вывода сообщения на буквенно-
цифровой дисплей.
Новичок: А что такое буквенно-цифровой дисплей?

Глава 13. Если у вас есть деньги, чтобы купить программу 235
Рис. 13.9. Работа cArduino в программе FtowCode
Рис. 13.10. Настройка программатора dnnArdumo

236 Электроника для любознательных
Рис. 13.11. Выбор раздела меню для загрузки программы
Рис. 13.12. Программа загружена в модуль Arduino
Это жидкокристаллический дисплей. Различаются дис-
плеи количеством символов в строке и количеством строк. На
дисплей с помощью команд можно вывести цифры и ряд сим-
волов, в основном букв, которые записаны в таблицу, хранящу-
юся в контроллере дисплея.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Говорят, что можно эту таблицу менять, но с
этим лучше к специалистам.

Глава 13. Если у вас есть деньги, чтобы купить программу 237
Чаще всего эти дисплеи применяют вместе с микрокон-
троллерами, когда нужно выводить сообщения и данные, кото-
рые формирует микроконтроллер. Когда-то подобные дисплеи
активно использовались в мобильных телефонах. Позже их
сменили графические дисплеи, а сегодня в смартфонах исполь-
зуют графические сенсорные модели.
Буквенно-цифровой дисплей II
и Arduino II
Системная панель на рис. 13.9 показывает, что к модулю
Arduino подключен дисплей. Используя шаблон для Arduino
Uno, добавим в программу только один элемент, который
называется «макрос компонента» (рис. 13.13).
Двойным щелчком по этому элементу, откроем его свой-
ства (рис. 13.14).
-Due to a limitation in tie Arduino Uno hardware, portA6 & PortA7 are
replicated from PortAS in this template.
Initialise the LCD Display
ComboBoardi ::Start{)
I
;омпонета
ЕалпЬоВоапП -PrintStringf HelfcO
gin program here...
Рис. 13.13. Программа для работы с дисплеем (вид на мониторе ПК)

238 Электроника для любознательных
Рис. 13.14. Диалоговое окно свойств дисплея
Выберем команду PrintString, чтобы вписать в окно Text
наше сообщение "Hello". Закроем диалог с помощью кнопки
ОК. Сохраним программу в папке с другими программами или
в ее собственной папке. Для разных проектов в разных про-
граммах желательно иметь отдельные папки на каждый про-
ект. Во-первых, данные разных проектов могут путаться, когда
спешишь; во-вторых, позже легче разобраться с проектами.
Сохранив проект, запустим отладку, чтобы увидеть то, что
на рис. 13.15.
Новичок: И что здесь сложного ?
Суть в том, что ничего сложного. Позже, если вас заинтересует
работа с микроконтроллерами, постарайтесь написать такую же
программу, положим, на языке Си. Тогда вы сможете по достоин-
ству оценить отсутствие сложности, о которой говорите.
Чтобы не возвращаться к платным программам, я добавлю
несколько слов об еще одной интересной программе.

Глава 13. Если у вас есть деньги, чтобы купить программу 239
Рис. 13.15. Работа программы отображается на системной панели
Программа |
Proteus I
Это программа для сквозного проектирования, состоящая
из двух частей. Первая часть программы ISIS предназначена
для разработки электронных устройств, а вторая часть ARES
предназначена для разводки печатных плат.
Разводка печатных плат — это очень не простое дело, если
речь идет о современных электронных устройствах. И хорошие
рекомендации на эту тему следует искать у профессионалов, не
у меня. А вот немного рассказать про ISIS я отважусь.
В программе можно проверять работу и аналоговых, и циф-
ровых устройств. Библиотека готовых моделей очень и очень
большая. Но особенно интересна эта программа тем, что можно
проверить работу микроконтроллера с множеством внешних
компонентов, начиная от кнопок и датчиков, заканчивая дру-
гими микроконтроллерами.

240 Электроника для любознательных
Рис. 13.16. Моделирование программы из FlowCode в программе ISIS
(вид на мониторе ПК)
Вот моделирование программы из предыдущего примера,
программы собранной в ранней версии FlowCode (рис. 13.16).
Есть много программ моделирования электрических цепей,
но далеко не все они позволяют проверить работу микрокон-
троллера с внешней обвязкой из резисторов, конденсаторов,
транзисторов...
Добавим к схеме на рис. 3.16, несколько изменив ее, еще
несколько радиодеталей (рис. 13.17).
Программа ISIS может работать с разными компонентами:
транзисторами, резисторами, аналоговыми и цифровыми
микросхемами, с разными микроконтроллерами. Но эта про-
грамма тоже может работать с модулем Arduino [2].
Рис. 13.17. Моделирование колебаний в LC контуре (вид на мониторе ПК)

Глава 13. Если у вас есть деньги, чтобы купить программу 241
ISIS (Proteus) I!
и Arduino II
При моделировании работы модуля Arduino, когда кроме
самого модуля используются внешние компоненты, очень
удобно использовать программу ISIS из пакета Proteus.
Основной недостаток программы — она тоже платная. Но...
Введите в поисковике simulino и выберите из списка Blog
Embarcado (рис. 13.18).
Скачайте библиотеку (Library-master.zip), распакуйте файл
и добавьте файл
BLOGEMBARCADO.LIB в папку библиотек Proteus:
OJProgram Files\Labcenter Electronics\
Proteus 7 ProfessionaMlBRARY
Для поиска следующей папки следует в разделе вид устано-
вить опцию показа скрытых файлов.
Рис. 13.18. Библиотека Arduino для Proteus

242 Электроника для любознательных
C:\ProgramData\Labcenter Electronics\
Proteus 8 ProfessionahJData\LIBRARY
В старой версии Proteus и библиотеки требовалось добавить
два файла BLOGEMBARCADO.LIB и BLOGEMBARCADO.IDX. Эти
файлы вы тоже найдете на виртуальном диске.
После добавление новой библиотеки вы можете работать
с модулем Arduino. Найти его в программе легко — добавьте
simulino в строку поиска компонентов (рис. 13.19).
Рис. 13.19 Модули Arduino в списке компонентов
Добавив модуль на рабочее поле, указав hex-файл для него,
вы можете запустить моделирование (рис. 13.20).
Рис. 13.20. Моделирование работы Arduino

Глава 13. Если у вас есть деньги, чтобы купить программу 243
Рис. 13.21. Моделирование работы микроконтроллера AVR
(вид на мониторе ПК)
И вы можете работать не только с модулем Arduino, добав-
ляя необходимые для проекта компоненты, но можете исполь-
зовать и работу с микроконтроллером модуля (рис. 13.21).
Использовать ли эти программы для работы с Arduino,
зависит от ваших возможностей.
И было бы совсем неплохо, если бы производители этих
полезных программ дарили пользователям устаревшие версии.
Совсем неплохо.

ГЛАВА 14
ОПЯТЬ И СНОВА -
MPLAB X
С какой бы программы вы ни начали свое знакомство с
программированием микроконтроллера, рано или поздно,
лучше раньше, вы начнете освоение языка программиро-
вания Си.
I Самая простая программа
на языке Си
Не мудрствуя лукаво, повторим программу, которую
собрали в FlowCode.
Новичок: А зачем ее повторять, если она уже есть?
Конечно, если вы готовы самостоятельно работать в среде
MPLAB, то эта глава лишняя. Если нет, то в сложной программе
труднее разбираться со всеми деталями, разумнее для этой
цели использовать самую простую программу.
Итак, мы получили шаблон основного файла нашей про-
граммы main. Выглядит этот шаблон так:
#include <xc.h>
void main(void) {
return;

Глава 14. Опять и снова - MPLAB X 245
В языке Си традиционно используются заголовочные
файлы, в которых декларируются (объявляются) те функции,
что будут применяться в основной программе, поскольку
любая программа может состоять из нескольких файлов. Все
объявленные функции будут реализованы в соответствующем
файле на языке Си.
Заголовочные файлы имеют расширение «.h», тогда как
основные файлы имеют расширение «.с» или для языка Си++
расширение «.срр».
Новичок: А функции это как в математике?
Подозреваю, что из математики они и пришли.
Тем не менее, относительно функций. Напомню, что часто
повторяющиеся блоки программного кода выделяют в отдель-
ную подпрограмму, которой дают имя. Если нужно повторить эту
подпрограмму в основном коде, подпрограмму вызывают по ее
имени. Введение подпрограмм давно стало общепринятой прак-
тикой, начиная с языка ассемблера, где эти подпрограммы назы-
вались, если не ошибаюсь, макрокомандами или макросами.
Разные языки программирования могут по-разному назы-
вать подпрограммы: так в языке Паскаль различают функции и
процедуры. Функциями подпрограммы называют в том случае,
когда в подпрограмме что-то вычисляется, а результат вычис-
ления возвращается. В этом случае при реализации функции в
нее передаются числа (переменные, операнды), необходимые
для операций, и возвращает функция число.
Некоторые подпрограммы не выполняют вычислений, но
выполняют другие операции, их в Паскале называют процеду-
рами. В языке Си нет подобного различия, а все подпрограммы
называют функциями.
ЭТО ВАЖНО!
Все числа, с которыми производятся опера-
ции в программе, могут быть разной величины.
Например, это могут быть числа в несколько еди-

246 Электроника для любознательных
ниц или несколько десятков единиц. Но могут быть
числа в несколько тысяч, могут быть десятичные
числа. Для их записи в память микроконтроллера
может хватать одной ячейки памяти, а может
потребоваться две или четыре ячейки. Поэтому в
программе различают типы данных: байт, целое,
число с плавающей точкой. Для каждой переменной
обозначают ее тип, а для функции перед ее именем
указывают тип возвращаемых данных.
Новичок: В том примере, который я вижу, перед именем функ-
ции main написано void, это какой тип данных?
Это особенная функция — главная функция программы.
Она не возвращает никаких данных. Но, закон есть закон —
перед такими функциями пишут void, им не передают зна-
чений (в скобках тоже void), а завершают их командой return,
но без указания возвращаемой переменной (возвращать-то
нечего). Такая запись, впрочем, может меняться; другой ком-
пилятор может использовать более простую запись.
И обратите внимание на начало программы (шаблона про-
граммы). Начинается она с ключевого слова ^include, включить,
за которым следует имя заголовочного файла, который должен
быть включен при трансляции программы в машинные коды.
Новичок: Я не думаю, что научусь программированию или
написанию кода программы в одной или двух гла-
вах книги.
Для этого вам придется прочитать и другие книги.
Например, изучать язык Си все советуют по книге создателей
языка [1]. Ее переиздание вышло в 2016 году в том же изда-
тельстве. О программировании микроконтроллеров вы можете
найти книги на моем сайте [7].
Мы еще будем, я полагаю, возвращаться к этим вопросам,
а сейчас я хочу описать действия, необходимые для создания
первой программы.

Глава 14. Опять и снова - MPLAB X 247
Итак. Первое, что следует сделать, чтобы это не забыть —
записать слово конфигурации, чтобы сконфигурировать
микроконтроллер. Слово конфигурации записывается при
загрузке программы в микросхему. Поскольку MPLAB X позво-
ляет загрузить программу из среды разработки слово конфигу-
рации следует обязательно добавить к тексту.
Для задания слова конфигурации...
Чтобы не вводить вас в заблуждение, я сделаю небольшую
паузу, чтобы скачать последнюю на сегодня версию программы
MPLAB X. Описывая конкретные действия с устаревшей вер-
сией программы легко добиться того, что вы, пытаясь эти дей-
ствия повторить, заблудитесь в произошедших с программой
изменениях (если они имели место).
Пока я буду загружать и устанавливать программу, вы
можете посмотреть, как выглядит текст программы с задан-
ным словом конфигурации:
#pragma config FOSC = INTOSCIO
#pragma config WDTE = OFF
#pragma config PWRTE = OFF
#pragma config MCLRE = OFF
#pragma config BOREN = OFF
#pragma config LVP = OFF
#pragma config CPD = OFF
#pragma config CP = OFF
// #pragma задание конфигурации должно предше-
ствовать файлам включения.
// Используйте в проекте enums вместо #define
для ON и OFF.
#include <xc.h>
void main(void) {
return;
Слово конфигурации
Свершилось. Установлена последняя на сегодня версия
MPLAB X v. 4.0.1. На первый взгляд начало работы с программой
мало отличается от предыдущей версии, поэтому продолжим.

248 Электроника для любознательных
Итак. Мне не совсем понятно, почему задание слова кон-
фигурации находится там, где его можно найти в программе
MPLAB X, но формально я согласен: слово конфигурации
находится в определенном месте памяти. Чтобы задать слово
конфигурации, обратимся к следующему разделу (рис. 14.1)
основного меню.
Щелчок по этому разделу левой клавишей мышки вызывает
появление в окне сообщений раздела настройки конфигурации
микроконтроллера (рис. 14.2). Мы предполагаем использовать
внутренний генератор микроконтроллера, и я хочу отключить
все возможности, связанные с дополнительными функциями
(рис. 14.3). Они пока не понадобятся.
Рис. 14.1. Раздел задания слова конфигурации

Глава 14. Опять и снова - MPLAB X
249
Рис. 14.2. Панель настройки конфигурации микроконтроллера
Справа от параметра, отмечено на рисунке, есть стрелочка,
нажав на которую можно изменить результат настройки.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Когда-то программатор для микросхемы
PIC16F628A стоил довольно дорого. Рассказывая о
микроконтроллере^ предлагал использовать само-
дельный программатор. Он не сложен и хорошо
работает. Во всех рассказах для радиолюбителей
об опытах с микроконтроллером я использовал
внутренний тактовый генератор - добавление
кварцевого резонатора не имело смысла, а лиш-
ние траты для радиолюбителей не всегда позво-
лительны. Но однажды столкнулся, вернее, меня
столкнули с проблемой: после первого програм-
мирования микросхемы для работы с внешним
осциллятором ее не получалось вернуть к работе с
внутренним генератором. Если вы в своих опытах
будете использовать самодельный программатор,
обратите внимание на этот факт.
На рис. 14.2 есть кнопка Generate Source Code to Output.
Нажав эту кнопку, вы получите необходимый код для добав-
ления в основной файл (рис. 14.4). Его достаточно выделить
обычным образом с помощью мышки, нажать правую клавишу
мышки и выбрать из выпадающего меню команду Сору. После

250 Электроника для любознательных
Рис. 14.3. Слово конфигурации микроконтроллера
Рис. 14.4. Текст для вставки в основную программу слова конфигурации
этого перейти к тексту программы в редакторе текста и вста-
вить скопированный текст.
Позже, если это вам понадобится, вы можете изменить
слово конфигурации, заменив, например, OFF на ON прямо в
тексте программы. Видимо, по этой причине механизм зада-
ния слова конфигурации сделан таким.
Выбранное для параметра FOSC, задание режима работы
тактового генератора, INTOSCIO означает использование вну-
треннего генератора, освободив все выводы для ввода-вывода
данных.
Текст первой программы
#pragma config FOSC = INTOSCIO
#pragma config WDTE = OFF
#pragma config PWRTE = OFF
ttpragma config MCLRE = OFF
ttpragma config BOREN = OFF
#pragma config LVP = OFF
ttpragma config CPD = OFF
#pragma config CP = OFF

Глава 14. Опять и снова - MPLAB X 251
#define _XTAL_FREQ 4000000
#include <xc.h>
void main(void)
while (1) {
RAO = 1;
delay_ms
RAO = 0;
delay_ms
j
return;
// зажечь светодиод
(1000);
// пауза 1 секунда
// погасить светодиод
(1000);
// пауза 1 секунда
Что нового появилось в тексте программы?
#define _XTAL_FREQ 4000000
Ключевое слово #define означает определить. В данном слу-
чае определяется тактовая частота микроконтроллера, кото-
рая задана в слове конфигурации, но транслятор с языка Си в
машинные коды этого не знает. Между тем программе пред-
стоит создать паузы:
delay_ms (1000);
А паузы определяются по тактам задающего генератора.
Обратите внимание, что перед командой паузы два подчерки-
вания! И подчеркивание есть перед ключевым словом _XTAL_
FREO. Это требования компилятора. Если компилятор (пере-
водчик с языка Си в машинные коды) вы выберете другой, то
эти ключевые слова изменятся.
Цикл while наиболее распространенный, хотя есть дру-
гие циклы, выполняется до тех пор, пока не будет выполнено
условие в круглых скобках за командой. В данном случае усло-
вие записано так, что оно никогда не изменится, то есть, цикл
будет выполняться бесконечно.
Если бы в программе была переменная с именем, скажем,
var, которая участвовала бы в теле цикла, ограниченном двумя
фигурными скобками, то условие могло бы выглядеть так: while
(var == 0).

252
Электроника для любознательных
ЭТО ВАЖНО!
При записи условия равенства не забывайте два
знака равенства. Одиночный знак равенства -
это операция присваивания на языке Си.
Запись RA0 = 1 означает, что выводу ноль порта А присва-
ивается значение единица. Иными словами вывод, к которому
подключен светодиод, устанавливается в высокий уровень,
подавая напряжение питания на светодиод.
ЭТО ВАЖНО!
Все операторы на языке Си должны заканчиваться
точкой с запятой.
Если вы сравните эту программу с программой на графическом
языке, то увидите — они похожи как близнецы братья.
Ключевое слово #include включает в программу файл, в
котором записаны все определения для нашего микроконтрол-
лера. Если бы этого файла не было, вам пришлось бы вручную
разбираться со всеми регистрами и битами регистров. Пока все
понятно?
Новичок: Мне понятно все сказанное вами, но я не уверен,
что смогу сам написать код программы.
Ничего страшного. Никто, прочитав эту главу, не нау-
чится писать любой код программы. Все приходит с опытом.
Повторяйте программы, пытайтесь писать свои программы,
читайте книги о языке программировании. Со временем все
придет в норму.
Теперь, когда текст программы написан, мы должны его
транслировать (компилировать). Для этого следует найти такой
раздел в основном меню программы MPLAB X (рис. 14.5).

Глава 14. Опять и снова - MPLAB X 253
Рис. 14.5. Пункт меню, выполняющий трансляцию кода
Новичок: Я посмотрел в словаре, слово build означает стро-
ить. А мы собирались транслировать, как это?
Все правильно. Недостаточно оттранслировать программу.
Ее еще нужно собрать. Конечным результатом компиляции,
скорее всего, будут объектные блоки, которые компоновщик
строит, или компонует, или собирает в программу, записыва-
ющуюся в последовательные ячейки памяти. Когда-то все про-
цессы были разделены, сейчас среда разработки выполняет все
операции самостоятельно в одной операции сборки.
Если программа написана правильно, вы получите сообще-
ние в окне сообщений об удачной сборке (рис. 14.6).
Рис. 14.6. Сообщение об удачной сборке программы

254
Электроника для любознательных
Если в программе были синтаксические ошибки, то в этом
окне появится сообщение об ошибках, где указаны строки с
ошибками.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Ошибки, возникающие при компиляции, относятся
только к правильной записи кода программы. Но
никак не к правильной работе микроконтроллера.
Для проверки правильности работы устройства
служит отладчик. Не забывайте об этом!
Чтобы лучше запомнить хотя бы что-то из этой главы, мы в
следующей главе создадим собственное устройство.

ГЛАВА 15
ПРОЕКТИРУЕМ
СОБСТВЕННОЕ
УСТРОЙСТВО
Я не люблю употреблять громкие слова, такие как архи-
тектура микроконтроллера или проектирование устрой-
ства. Но, как бы ни называть то, что предстоит сделать,
это, в сущности, проект.
Техническое |
задание II
В реальной жизни любое создание чего-либо начинается с
написания такого задания. Прочитав эту главу, я надеюсь, вы
перестанете бояться «громких» слов и непонятных терминов.
Нам не нужно соблюдать «протокол» при написании этого
технического описания будущего устройства, поэтому мы
запишем его простыми словами:
♦ Повторить схему, приведенную на рис. 10.7, используя воз-
можности микроконтроллера PIC16F628A.
♦ Для этого разбить задачу на две: получение ступенчато-
го напряжения и использование внутреннего компаратора
для фиксации числа, соответствующего измеряемому на-
пряжению.
♦ Назначение устройства. Устройство можно использовать
в школе или колледже для демонстрации работы АЦП.

256 Электроника для любознательных
I Первая часть проекта:
возрастающее ступенчатое напряжение
Запустив программу MPLAB X, начнем с выбора раздела
Create New на стартовой странице. Все необходимое заполне-
ние диалога и создание шаблона описаны в главе 12. Повторим
их для получения шаблона программы. Чтобы не забыть, доба-
вим слово конфигурации, которое можно скопировать из тек-
ста программы вместе с заданием тактовой частоты процес-
сора. Копировать готовый фрагмент программы — это обычная
практика, основанием для которой будет то, что эта часть про-
граммы уже проверена. В итоге мы получим исходный шаблон.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Напомню, что на виртуальном диске вы найдете
все проекты, использованные для написания этой
книги. Не стесняйтесь использовать готовый
текст для первых опытов. Не исключено, что и в
моих проектах вы обнаружите ошибки. Я, напри-
мер, обнаружил, что, задавая тактовую частоту
микроконтроллера, «проморгал» один ноль. Вместо
частоты 4 МГц получилась частота 400 кГц. Это
существенно повлияет на длительность пауз. Но
не ошибается тот, кто ничего не делает.
Возрастающее ступенчатое напряжение формируется
на резисторной матрице за счет работы микроконтроллера
в режиме наращивания значения в четырех битах порта.
У микроконтроллера PIC16F628A два порта ввода-вывода.
Сделать счетчик можно на выводах любого порта, но... Но я
предполагаю использовать внутренний компаратор контрол-
лера, а он, возможно, «привязан» к каким-то выводам опреде-
ленного порта.
Новичок: И как это определить?

Глава 15. Проектируем собственное устройство
257
Как всегда, следует обратиться к описанию микроконтрол-
лера, чтобы определить, какие выводы (и какого порта) нам
потребуются во второй части задачи.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Напомню, что на виртуальном диске есть опи-
сание (datasheet) микроконтроллера PIC16F628A.
Когда-то описание этой модели на русском языке
я скачал на сайте магазина «Чип и Дип», что и
послужило одним из критериев выбора дан-
ной модели. Сейчас я не нашел этого описания
на прежнем месте, но его можно легко найти в
Интернете.
В описании есть раздел: «Модуль компараторов».
Прочитайте этот раздел, возможно, вы поправите меня в
выборе использования одного компаратора. Для этого нужно
будет вписать в младшие биты регистра CMCON двоичное
число ПО. При этом для входа используем выводы RA0 и RA2.
Состояние компаратора можно отследить по выходу RA3.
Сейчас нас интересует только то, что порт А частично занят.
Поэтому для «счетчика» мы используем порт В.
Вернемся к программе. Что мы должны сделать в этой части
проекта? Мы должны считать до 15. Для этого в программе
будет использован цикл. Удобно в этом случае использовать
цикл for. Этот цикл записывается так:
for (byte i = 0; i <=15; i++) {
здесь будет то, что мы собираемся сделать в цикле
Новичок: А что такое «i» с двумя плюсами? 1
Тот факт, что i — это переменная типа байт, вам, похоже,
ясен. Условие прекращения работы цикла записано так, что
программа выходит из цикла, когда переменная становится

258 Электроника для любознательных
равна 16. А запись i++ в языке Си очень удобное сокраще-
ние, чтобы показать увеличение на единицу переменной. Это
можно было записать так: i = i +1. В языке Си похожее сокраще-
ние используется часто.
Но чем мы заполним то, что называют телом цикла — про-
странство между двумя фигурными скобками?
Мы скопируем нашу первую программу, которую модифи-
цируем под нашу задачу. Итогом станет программа:
#pragma config FOSC = INTOSCIO
#pragma config WDTE = OFF
ttpragma config PWRTE = OFF
#pragma config MCLRE = OFF
#pragma config BOREN = OFF
#pragma config LVP = OFF
ttpragma config CPD = OFF
#pragma config CP = OFF
#define _XTAL_FREQ 4000000
#include <xc.h>
void main(void) {
while (1) {
for (char- i = 0; i <=15; i++) {
PORTB = i; // записать переменную в порт
delay_ms (1000); // пауза 1 секунда
return;
}
Компилятор ХС8 не хочет использовать ключевое слово
byte, которое я заменил эквивалентом char. Есть и другие экви-
валенты, но сейчас это не столь важно. Если что-то не устраи-
вает компилятор, то вы увидите рядом со строкой предупреж-
дающий знак (рис. 15-1).
Текст программы можно написать в обычном блокноте,
сохранить файл с подходящим расширением и оттрансли-
ровать в командной строке. Это так. Но лучше использовать
MPLAB X со встроенным редактором. Одно из преимуществ —
подсказки (рис. 15.2).

Глава 15. Проектируем собственное устройство 259
;old) !
i, « 0; i <=15;
ГВ ^ i; // з$писд/хь г^ервиенну!) 5 пор;?!
.si«y rr.s <1000); // пауза .1 секуйдй
Рис. 15.1. Отметка строки с ошибкой
Рис. 15.2. Подсказка в редакторе
Вводя знак ключевого слова, вы получаете возможность
выбрать это слово, чтобы не писать его целиком.
Записав текст программы, соберем проект (Production-+Build
Main Project). Если синтаксических ошибок нет, то есть, сборка
прошла без ошибок, о чем мы получили сообщение, то хотелось
бы проверить, а будет ли программа работать. Для этого в среде
разработки есть отладчик (в основном меню Debug-*DebugMain
Project). После запуска отладки к основной панели добавляется
инструментальная панель отладки (рис. 15.3).
Рис. 15.3. Инструментальная панель отладчика

260
Электроника для любознательных
Если теперь нажать на паузу, то можно использовать поша-
говое прохождение программы.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Для пошагового прохождения участка программы
следует использовать точку останова (breakpoint),
добавив ее к тексту программы перед нужным
участком. После запуска программы на отладку
она остановится в этом месте. Использовать
точки останова особенно удобно там, где у вас
есть длинные паузы. Без точки останова после
этой паузы вам при пошаговом прохождении про-
граммы придется очень долго «шагать».
Для пошагового прохождения программы нам нужно обо-
значить, что мы при этом хотим наблюдать. Например, нас
интересуют переменные. Выберем наблюдение за перемен-
ными (Variables) в меню отладки (рис. 15.4).
Рис. 15.4. Меню выбора средств отладки

Глава 15. Проектируем собственное устройство 261
Рис. 15.5. Окно наблюдения за переменными
После этого в нижней части рабочего поля программы
появляется окно наблюдения за переменными (рис. 15.5).
Щелкните по строке <Enter new watch> правой клавишей
мышки и из выпадающего меню выберите New watch, новое
наблюдение (рис. 15.6).
Кнопка ОК добавит порт В для наблюдения. Справа от
кнопки паузы: кнопка Refresh, обновление или рестарт. Нажав
ее, вы вернете программу к началу, чтобы пошагово пройти
все команды. Правда, есть небольшая неприятность — для про-
хождения паузы в одну секунду придется много (очень и очень
много) раз нажимать клавишу F7 на клавиатуре (так удобнее
делать шаг).
Чтобы решить эту проблему, лучше закомментировать на
время отладки паузу. Проходя программу, вы увидите, что
содержимое порта В не меняется. Хотя с точки зрения грамма-
тики к программе претензий нет, ошибка в программе сделала
ее неработоспособной.
Рис. 15.6. Добавление наблюдения за портом

262 Электроника для любознательных
Новичок: И где ошибка?
Ошибка простая, мы забыли направить выводы порта на
выход. Вот как выглядит исправленная часть программы:
void main(void) {
TRISB = 0;
while (1) {
for (char i = 0; i <=15; i++) {
PORTB = i; // записать переменную в порт
delay_ms (1000); // пауза 1 секунда
return;
}
Запись в регистр TRISB единицы в любой разряд переклю-
чает вывод на вход, запись нуля переключает на выход. Теперь,
проходя программу, вы можете наблюдать, как меняется содер-
жимое порта В (рис. 15.7).
Если вас заинтересовала работа с микроконтроллером, вы
можете запрограммировать микросхему, добавить светодиоды
с резисторами к четырем младшим разрядам порта В и посмо-
треть работу микроконтроллера «в живом виде».
Рис. 15.7. Наблюдение за портом

Глава 15. Проектируем собственное устройство
263
U1
16"
15и
4и
PIC16Fe28A
<ТЕХТ>
■ 17
531
■ 1
■3
■6
■Г"
■Е
■ 10
■11
■ 12
Рмс. 15.8. Проверка работы программы в ISIS (вид на мониторе ПК)
Не забудьте раскомментировать строку с паузой. Если про-
грамма будет работать правильно, то можете оформить акт
сдачи-приемки первого этапа работы. Проект, так проект по
полной программе! У меня есть возможность проверить работу
в программе ISIS (рис. 15.8).
Вторая часть: |
компаратор II
Забудем на время завершенную часть программы и
напишем программу для работы встроенного компаратора.
Выбранная мной композиция отображена в справке так
(рис. 15.9).
Программа для проверки работы компаратора следующая:
#pragma config FOSC = INTOSCIO
#pragma config WDTE = OFF
#pragma config PWRTE = OFF
#pragma config MCLRE = OFF
#pragma config BOREN = OFF
#pragma config LVP = OFF
#pragma config CPD = OFF

264
Электроника для любознательных
СМ2.СМ0-110
RAQ/AN0
RA3/AN3C10
RA1/AN1
RA2/AN2
мштосшяа
i
УН»
Vin-
аоит
сюит
Рис. 15.9. Один из вариантов использования компараторов
(вид на мониторе ПК)
#pragma config CP = OFF
#define _XTAL_FREQ 4000000
#include <xc.h>
void main(void) {
TRISB = 0x0; // задаем направление выводов
порта В
TRISA = 0x17; // задаем направление выводов
порта А
CMCON = 0x06; // устанавливаем конфигурацию
компаратора
INTCON = 0x0; // запрещаем прерывания
char flag = 0;// байтовая переменная для флажка
while (1) {
flag = RA4; // устанавливаем флажок состояния
компаратора
if (flag == 1) {
RB7 =1; // тестовое включение вывода
delay__ms (3000); // пауза
}
RB7 = 0;
delay_ms (3000) ;
}
return;
После сборки проекта можно проверить работу микрокон-
троллера, используя такую схему (рис. 15.10).

Глава 15. Проектируем собственное устройство
265
1.
- В2
Рис. 15.10. Проверка работы компаратора (вид на мониторе ПК)
Два источника напряжения позволяют сказать, что при
включении В1>В2 компаратор меняет состояние, на выходе
высокий уровень напряжения, а при обратном включении
уровень остается низким. Проверочная программа застав-
ляет в первом случае мигать светодиод (если его подключить к
выводу RB7). Во втором случае светодиод не горит.
Завершение |
проекта II
Для завершения проекта остается объединить все готовые
фрагменты программы:
#pragma config FOSC = INTOSCIO
#pragma config WDTE = OFF
#pragma config PWRTE = OFF
#pragma config MCLRE = OFF
ttpragma config BOREN = OFF
#pragma config LVP = OFF
#pragma config CPD = OFF
#pragma config CP = OFF
#define _XTAL_FREQ 4000000
#include <xc.h>
void main(void) {
TRISB = 0x0;
TRISA = 0x17;

266 Электроника для любознательных
CMCON = 0x0б;
INTCON = 0x0;
char flag = 0;
char output = 0; // переменная для манипуляций с
портом
while (1) {
for (char i = 0; i <=15; i++) {
PORTB = i; // присваиваем порту значение i
delay_ms (100) ;
// ????? 1 ??????? так выглядят
// комментарии на кириллице
flag = RA4; // устанавливаем флажок по
// состоянию компаратора
if (flag == 1) {
RB7 =1; // это только для тестирования
output = PORTB;
output = output « 4;
// смещаем значение порта
//на четыре разряда влево
PORTB = output; // записываем в порт
delay_ms (500);
// пауза для наблюдения результата
RB7 = 0; // только для тестирования
break;// выход из цикла до его завершения
return;
Значения пауз выбраны в десять раз меньше, чтобы удоб-
нее было наблюдать результат работы резисторной матрицы
на экране осциллографа. Эти паузы после проверки работы
устройства следует подобрать по своему вкусу.
Проверка программы выглядит следующим образом
(рис. 15.11).
На входе нашего компаратора батарейка с напряжением в
один вольт (старая, наверное). Результат измерения, отобра-
женный на выводах RB4-RB7, это двоичное число 101 или деся-
тичное пять. Если посчитать ступеньки, то их окажется пять.

Глава 15. Проектируем собственное устройство 267
Рис. 15.11. Окончательное тестирование программы
Новичок: Почему значение выводится на выводы RB4-RB7,
а не на выводы RB0-RB3?
В реальном устройстве к этим выводам желательно под-
ключить светодиоды. Светодиоды подключаются через рези-
сторы сопротивлением 220...470 Ом, которые могут шунтиро-
вать резисторную матрицу.
Новичок: И наше измерение близко к реальному напряжению ?
Давайте посчитаем. Максимальное напряжение на рези-
сторе R5, когда будут пройдены все 15 ступенек, определится
делителем из этого резистора и параллельно включенных всех
остальных резисторов матрицы. Разделив это напряжение на
15, мы получим напряжение «одной ступеньки». Умножим его
на наше значение пять (ступенек), мы должны получить зна-
чение около 1,1 вольт. Чтобы увеличить точность измерений,
нужно увеличивать количество ступенек. Так, например, у АЦП
модуля Arduino [2] их 1023.
Мы завершили работу над проектом.

ГЛАВА 16
МУЛЬТИВИБРАТОР:
БУДЕМ ЕГО
СОЗДАВАТЬ САМИ
Мультивибратор можно рассматривать как простейший
генератор прямоугольных импульсов.
I Транзисторный
вариант
Мы уже встречались с генератором прямоугольных импуль-
сов на таймере 555 глава 9. Но до появления этой микросхемы
генераторы уже давно работали на транзисторах. Вот схема
генератора на транзисторах (рис. 16.1).
Работает мультивибратор так. Начнем с того, что только
идеальные детали дадут абсолютно симметричный мультиви-
братор. Разброс параметров деталей приведет к тому, что про-
цесс начнется в одном плече.
Резисторы R2 и R3 создают начальный базовый ток для
транзисторов. Конденсатор С1 заряжается через резистор R1
и цепь база-эмиттер транзистора 2N2222A_2 (правый транзи-
стор), увеличивая ток его базы и открывая его.
Положим, что к этому времени конденсатор С2, который
заряжался через резистор R4 и цепь база-эмиттер другого
транзистора (слева), зарядился до напряжения в один вольт так,
что на его правой обкладке плюс, а на левой минус. Поскольку

Глава 16. Мультивибратор: будем его создавать сами
269
С2
470 мк И 150
Т1 Т2
2N2222A 2N2222A
±V1
- U=5 В
Рис. 16.1. Схема симметричного мультивибратора на транзисторах
транзистор справа открылся полностью, к базе транзистора
2N2222A_1 (слева) приложено отрицательное напряжение кон-
денсатора С2, этот транзистор закрывается.
Конденсатор С2 начинает перезаряжаться через резистор
R3 и открытый транзистор 2N2222AJ2. Через некоторое время
полярность на обкладках конденсатора С2 изменится на обрат-
ную. А, когда напряжение вырастет до напряжения порядка
одного вольта, транзистор 2N2222A_1 (слева) откроется, под-
ключая «отрицательно» заряженный конденсатор С1 к базе

270
Электроника для любознательных
транзистора 2N2222A_2. Транзистор закрывается. Так, «меня-
ясь местами», транзисторы будут формировать прямоугольные
импульсы.
Соберите на макетной плате эту схему (рис. 16.2). Для этой
схемы вам понадобятся следующие детали (табл. 16.1):
Перечень необходимых деталей
Компонент
Резистор Rl, R4
Резистор R2, R3
Конденсатор Cl, C2
Транзистор Т1,Т2
Светодиод Dl, D2
Модель
С1-4
С1-4
К5О-35
2N2222A
АЛ307
Таблица 16.1
Номинал
150...220Ом,0,25Вт
1 кОм,0,25 Вт
470 мкФ х 5 В
-
-
[ШШвШШ^^^
Рис. 16.2. Повторение мультивибратора на макете (вид на мониторе ПК)
Задающий генератор
В цифровых устройствах очень часто нужен задающий
генератор, он же генератор тактовых импульсов или генератор
синхроимпульсов. Вот сколько у него имен. В тех случаях, когда

Глава 16. Мультивибратор: будем его создавать сами
271
R1
1 к
CD
1
Y1
II
1
Y2
»—<
II
C1
470
Рис. 16.3. Мультивибратор на цифровых микросхемах
от генератора не требуется точное задание частоты, часто при-
меняют мультивибратор, собранный на цифровых микросхе-
мах (рис. 16.3).
Моделирование схемы в программе Oucs не проходит, и
мне с трудом удалось чуть-чуть «оживить» схему. И здесь, я
думаю, не вина программы. С точки зрения цифровой техники,
где существует только два состояния 0 или 1, схемы не должно
существовать.
Но жизнь не всегда поддается цифровой логике: копейка к
копейке — в кармане пусто.

272
Электроника для любознательных
Положим, инвертор Y1 на выходе имеет высокий уровень,
1, что соответствует значению на входе 0. Но через резистор R1
единица попадает на его вход, что должно переключить инвер-
тор в состояние с низким уровнем, то есть, в 0...
Новичок: И как микросхема выходит из этого положения?
Давным-давно, используя цифровые микросхемы, но не
задумываясь об их устройстве, я встретил в литературе простой
опыт: подать на вход цифровой микросхемы с делителя напря-
;моделирование
R1
1 к
{=}
&
Y1
"1
С2
0,22 мк
. II !
II
R2
1 к
&
Y2
I output
С1
0,22 мк
Рис. 16.4. Схема симметричного мультивибратора
на микросхеме К155ЛАЗ

Глава 16. Мультивибратор: будем его создавать сами
273
жения промежуточный уровень между 0 и 1. Это превращает
цифровую микросхему в усилитель.
С точки зрения усилителя первый инвертор охвачен отри-
цательной обратной связью, а конденсатор осуществляет поло-
жительную обратную связь между каскадами. Так, собственно,
строятся генераторы. Тогда становится понятно, почему циф-
ровая микросхема работает в качестве генератора тактовых
импульсов.
В литературе можно встретить и симметричный мультиви-
братор, например, на микросхеме К155ЛАЗ (рис. 16.4).
Чтобы лучше познакомиться с цифровой техникой, я сове-
тую прочитать книгу [5].
На макете несимметричный генератор выглядит так
(рис. 16.5). Для этой схемы вам понадобятся детали, представ-
ленные в табл. 16.2.
Перечень необходимых деталей
Таблица 16.2
Компонент
Резистор
Конденсатор
Микросхема
Модель
С1-4
К10-17А
К155ЛН1
Номинал
1 кОм,0,25 Вт
470 пФ, 50 В
-
Рис. 16.5. Повторение цифрового генератора на макете
(вид на мониторе ПК)

274
Электроника для любознательных
I Генератор
на микроконтроллере
Новичок: И где схема?
Я сошлюсь, нет, не на Конституцию, а на главу 14. Надеюсь,
вам понятно, почему.
И на макетной плате это выглядит так (рис. 16.6). Для этой
схемы вам понадобятся детали, представленные в табл. 16.3.
Перечень необходимых деталей
Таблица 16.3
Компонент
Резистор
Светодиод
Микроконтроллер
Модель
С1-4
АЛЗО7
PIC16F628A
Номинал
220 Ом, 0,25 Вт
-
-
Рис. 16.6. Генератор на микросхеме PIC16F628A (вид на мониторе ПК)

ГЛАВА 17
ТЕРМОСТАТ
Если у вас есть электрический обогреватель, то вы пой-
мете меня.
Простые схемы |
регулятора нагрева II
Самым простым устройством для создания нагревателя с
регулируемой температурой был ртутный термометр с выво-
дами. Подвижный вывод позволял менять заданную темпера-
туру, а реле, обмотка которого замыкалась через ртуть, позво-
ляло поддерживать заданную температуру. Недостаток такого
решения был в небольшом допустимом токе через термометр
и быстрому его износу. Вид ртутного контактного термометра
на рис. 17.1.
При всех недостатках этот прибор оказывается самым про-
стым и эффективным в части схемного решения. Но ртутный
термометр достаточно труден в изготовлении и небезопасен
как в производстве, так и при использовании.
С появлением транзистора схему изменили, что суще-
ственно увеличило срок службы ртутного термометра. Теперь
термометр управлял током базы транзистора, который может
быть очень небольшим, вдобавок напряжение на термометре
стало на порядок меньше (рис. 17.2).

276
Электроника для любознательных
Рис. 17.1. Вид ртутного контактного термометра
с сайта «Термоприбор»
Ртутный
термометр
U=12B -
R1
Нагреватель
С\ S1
Рис. 17.2. Схемы с контактным
ртутным термометром
R1
Нагреватель
Управление нагревателем с помощью контактного тер-
мометра возможно тогда, когда нагреваемый объект имеет
большую инерционность. Так, у современной электрической
кухонной плиты с регулировкой температуры и обычными
нагревательными элементами достаточная инерционность,
чтобы включение и выключение нагревателя происходило не
слишком часто.
Если же инерционность объекта мала, приходится заду-
маться, как избежать постоянного дребезга реле — едва кон-

Глава 17. Термостат
277
такты термометра замкнулись и нагреватель выключился, тем-
пература упала и разомкнула контакты термометра. Решить
эту проблему поможет схема задержки.
Термостат
при малой инерционности
Простое решение для схемы с транзистором можно предло-
жить, если вспомнить то, о чем мы говорили в главе 2, вспом-
нить о конденсаторе (рис. 17.3).
R1
Нагреватель
Рис. 17.3. Добавление конденсатора для задержки включения
При такой модификации схемы, когда термометр размы-
кает контакты, конденсатор С1 будет заряжаться через рези-
стор R2. Пока он не зарядится до напряжения открывания
транзистора, реле не включится. При замыкании контактов
термометра конденсатор будет разряжен.
Решение задачи для цифровой микросхемы можно пред-
ставить так (рис. 17.4).
Новичок: И как это все работает ?
Я бы спросил вначале, а работает ли это? Честно говоря, эту
схему я придумал сейчас, что называется на ходу, чтобы пока-
зать, как можно найти какое-то цифровое решение.

278
Электроника для любознательных
Рис. 17.4. Цифровое решение для задержки коммутации
С моделированием в программе Oucs возникли проблемы,
что справедливо, схему пришлось немного изменить, чтобы
получить графики.

Глава 17. Термостат 279
Как я рассуждал, когда рисовал эту схему:
♦ При включении питания триггер Y1 устанавливается в
единицу за счет RC-цепочки, подключенной к выводу уста-
новки S (на рис. 17.4 не показано). Транзистор Т1 включает
нагреватель R3.
♦ Счетчик на D-триггерах Y2 и Y3 переходом выхода из со-
стояния ноль в единицу будет переписывать на выход триг-
гера Y1 состояние термометра S1.
♦ Пока температура не достигла нужного уровня, контакты
разомкнуты и переписывается единица, которая не выклю-
чит нагреватель.
♦ Когда температура достигла заданного уровня, контакты
термометра S1 замкнутся, а счетчик Y2-Y3 перепишет на
выход триггера Y1 ноль, выключая транзистор Т1 и нагре-
ватель R3.
На графиках показано, что выключение происходит на
восьмой секунде — напряжение вольтметра стало пять вольт,
то есть, транзистор выключен (и нагреватель R3 вместе с ним).
Но контакты S1 замкнулись через шесть секунд (timers на
рис. 17.4 рядом с «термометром»).
Мои рассуждения могут оказаться правильными, но могут
быть ошибочны. Проверить это предстоит вам.
Поскольку счетчик работает постоянно, время задержки
может оказаться случайным. Но, наверное, схему можно изме-
нить, чтобы счетчик запускался только тогда, когда меняется
состояние термометра. Такое изменение даст возможность
точно устанавливать время задержки. Хорошее упражнение
для вас, не так ли?
Когда-то я пробовал собрать схему термостата, она получи-
лась неудачной, я ее забросил. Но не так давно, вспомнив про
термостат, я решил собрать схему на доступной сегодня совре-
менной элементной базе.

280
Электроника для любознательных
I Схема термостата
с микроконтроллером
Основное отличие этой схемы от предыдущих в том, чтобы
не включать и выключать обогреватель, а использовать воз-
можность микроконтроллера формировать импульсы с регули-
руемой длительностью (модуль PWM). Питаясь такими импуль-
сами, нагреватель будет формировать разный уровень темпе-
ратуры, зависящий от длительности импульсов.
В качестве датчика температуры я использовал хороший
датчик DS18B20, с которым микроконтроллер отлично ладит.
Добавив вентилятор, направляющий воздух от нагревателя в
термокамеру, я получил неплохой результат. Схема получилась
такая, как показано на рис. 17.5.
LCD1
ч «? Щ »I „,
Рис. 17.5. Схема термостата с управляющим микроконтроллером
(вид на мониторе ПК)

Глава 17. Термостат
281
Рис. 17.6. Проверка схемы на макетной плате
Эту схему я проверял на макете на разных этапах работы —
мне было интересно, насколько хорошо это работает (рис. 17.6).
Проверку я проводил с двумя разнесенными датчиками
температуры (Т1 и Т2 на рис. 17.6). Результат представлен в
табл. 17.1.
Результаты опыта с двумя разнесенными датчиками
Таблица 17.1
№
опыта
1
Датчик
Т1
Т2
Показания
датчика
024,3750
025,0625
Разность показаний
Т2-Т1
0,6875
Температура
нагревателя
53°С

ГЛАВА 18
ЦИФРОВОЙ
ИНДИКАТОР
Многие приборы, устройства и оборудование требует
вывода чисел на индикатор. Существуют разные индика-
торы, применяемые для этой цели.
Семисегментный индикатор
Новичок: Этот индикатор, наверное, самый первый из
цифровых?
Пожалуй...
Ой, нет. До этих индикаторов пользовались индикатор-
ными лампами как ИН-8, ИН-14. Позже, когда появились све-
тодиоды, по мере совершенствования технологии светодиоды
смогли «вмонтировать» в семисегментные полупроводнико-
вые индикаторы (рис, 18.1).
Рис. 18.1. Семисегментный индикатор

Глава 18. Цифровой индикатор 283
Подавая напряжение на нужные выводы, можно получить
все цифры от 0 до 9.
Когда-то все увлекались сборкой цифровых часов. Если
использовать удобный для работы со счетчиками кварц, то
часы получаются очень точными. Генератор с кварцем фор-
мировал импульсы, которые подавали на счетчики-делители
частоты с тем, чтобы получить на выходе секундные импульсы.
Эти импульсы другой счетчик считал до 60, переключая счет-
чик минут.
К этому счетчику уже можно было подключить семисег-
ментный индикатор минут. Два счетчика могли считать до 60.
Один показывал значения до 9, а второй до 5. Для вывода зна-
чений на индикаторы, для перевода двоичного числа на выходе
счетчиков в управляющие сигналы, использовали дешифра-
торы.
Следующие два счетчика считали минуты до 60 и показы-
вали часы.
Четыре дешифратора, четыре индикатора и получались
хорошие цифровые часы.
Сегодня в приборах и устройствах используют подобные
индикаторы, собранные в модуль из четырех или восьми инди-
каторов. На Aliexpress вы можете купить недорогой модуль
(рис. 18.2).
Сегодня пять штук таких модулей обойдутся вам в 210
рублей. Можно собрать часы. Можно собрать вольтметр или
амперметр. На предприятии такой индикатор может показы-
вать, например, количество объектов на конвейере, прошед-
ших мимо датчика.
Рис. 18.2. Модуль из четырех индикаторов

284 Электроника для любознательных
I Индикаторы
и микроконтроллер
В схеме с микроконтроллером не обязательно приме-
нять дешифратор. Микроконтроллер позволяет подключить
индикатор к своим выводам, с помощью программы реали-
зуя нужные сигналы на выходах, с чем мы встречались ранее
(рис. 13.21).
Новичок: Я посчитал количество выводов у четырех инди-
каторов, посчитал количество выводов у микро-
контроллера, о котором вы рассказывали, и
выводов не хватит.
Это правильно. Поэтому прибегают к небольшой хитрости.
Подключают выводы всех сегментов к одному порту, подклю-
чают выводы зажигания светодиодов к другому порту. Затем
включают индикаторы последовательно один за другим, пода-
вая на них нужные числа. Если переключать индикаторы очень
быстро, то будет казаться, что они горят все сразу.
Но в схемах с микроконтроллерами чаще используют бук-
венно-цифровые дисплеи (рис. 18.3).
Рис. 18.3. Буквенно-цифровой дисплей и микроконтроллер

ГЛАВА 19
ГЕНЕРАТОР
АНАЛОГОВЫЙ, ЦИФРОВОЙ
И МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫЙ
Генератор - один из обязательных приборов для прове-
дения экспериментов и создания собственных устройств.
Аналоговый генератор
В главе 5 была представлена схема функционального гене-
ратора на цифровой микросхеме (рис. 5.18). Но, тем не менее,
это аналоговый генератор. Есть схемы подобных генераторов,
использующие операционные усилители.
Цифровой генератор
Цифровой генератор, несомненно, легко создать в качестве
формирователя прямоугольных импульсов. В том, что касается
сигналов другой формы, мне в голову приходит только исполь-
зование счетчика для формирования генератора нарастающего
напряжения (рис. 19.1).
Резисторы образуют матрицу с сопротивлениями R8-R1
(1-2-4-8-16-32-64-128 кбм). Сигнал формируется ступеньками

286 Электроника для любознательных
Рис. 19.1. Генератор на микросхеме CD4040 (К561ИЕ20)
(вид на мониторе ПК)
Рис. 19.2. Ступенчатое напряжение, формируемое матрицей
(вид на мониторе ПК)
при переключении счетчика, но при большом количестве этих
ступенек кажется, что процесс непрерывный, хотя при увели-
чении изображения сомнения пропадают (рис. 19.2).
Есть еще реверсивные счетчики, с помощью которых можно
формировать треугольные импульсы.

Глава 19. Генератор аналоговый, цифровой и микроконтроллерный
287
Генератор |
на микроконтроллере II
Как и цифровые микросхемы, микроконтроллер легко фор-
мирует прямоугольные импульсы в широком диапазоне частот.
Достаточно просто можно сформировать сигнал подобный
тому, что формирует счетчик. Формирование такого сигнала
можно видеть на рис. 15.11. Небольшое изменение программы
позволит формировать сигналы треугольной формы:
#pragma config FOSC = INTOSCIO
#pragma config WDTE = OFF
#pragma config PWRTE = OFF
#pragma config MCLRE = OFF
ttpragma config BOREN = OFF
#pragma config LVP = OFF
#pragma config CPD = OFF
#pragma config CP = OFF
#define _XTAL_FREQ 4000000
#include <xc.h>
void main(void) {
TRISB = 0;
while (1) {
for (int i = 0; i <=255; i++) {
PORTB = i; // записать переменную в порт
delay_ms (1); // пауза 1 миллисекунда
for (int i = 255; i
PORTB = i; //
delay_ms (1); //
>=0; i--) {
записать переменную в порт
пауза 1 миллисекунда
return;
Наблюдать этот сигнал можно на экране осциллографа,
выглядит он так, как на рис. 19.3.

288
Электроника для любознательных
Рис. 19.3. Сигнал треугольной формы,
формируемый микроконтроллером (вид на мониторе ПК)
ПРИМЕЧАНИЕ.
Обратите внимание, что в данном случае пере-
менная типа int (целое). Хотя достаточно байта,
переменная типа char трактуется в данном слу-
чае компилятором кок число со знаком и меняется
от -128 до
Наконец, есть такая идея: если значения «ступенек» умно-
жать на синус, то не получится ли синусоидальный сигнал?
Я не уверен, что перевод с языка моих желаний на язык Си
правилен, но, я получил нечто похожее на желаемое (рис. 19.4),
оттранслировав такую программу:
#pragma config FOSC = INTOSCIO
#pragma config WDTE = OFF
#pragma config PWRTE = OFF
#pragma config MCLRE = OFF

Глава 19. Генератор аналоговый, цифровой и микроконтроллерный 289
#pragma config BOREN = OFF
#pragma config LVP = OFF
#pragma config CPD = OFF
#pragma config CP = OFF
#define _XTAL__FREQ 4000000
#include <xc.h>
#include <math.h>
void main(void) {
TRISB = 0;
while (1) {
double k;
for (int i = 0; i <=255; i++) {
k - i*(M__PI/255);
PORTB = i*(sin(k)); // записать переменную
в порт
delay_ms (1); // пауза 1 миллисе-
кунда
return;
Рис. 19.4. Формирование микроконтроллером синусоидального сигнала
(вид на мониторе ПК)

290 Электроника для любознательных
В главе 15 мы с помощью микроконтроллера разбирались,
как работает аналого-цифровой преобразователь. Эту главу мы
закончили примером того, как может работать цифро-анало-
говый преобразователь. На вход порта В (рис. 19.4) приходят
цифровые данные, на выходе резисторной матрицы мы полу-
чаем аналоговый сигнал. Если сгладить некоторые неровности,
то отпадают все сомнения.
Скорее всего, похожим образом организован «музыкаль-
ный магазин» вашего МЗ-плейера или вашего смартфона.
Оцифрованные музыкальные записи хранятся в цифровой
памяти, откуда извлекаются по вашему желанию, и цифровой
поток, преобразованный в обычный звук, уносит вас в мир
музыки.

ГЛАВА 20
НЕСКОЛЬКО
ПРОСТЫХ СХЕМ:
КАК ОНИ РАБОТАЮТ
С какими-то схемами мы уже знакомы. Но схем такое вели-
кое множество, что нет ни одной книги, где были приве-
дены все существующие в мире схемы.
Автоматическая II
регулировка усиления I
Полевой транзистор очень хорошо может заменить регули-
руемый резистор (рис. 20.1).
На схеме полевой транзистор входит в делитель напряже-
ния, образующий отрицательную обратную связь. Отношение
сопротивления резистора R2 к сопротивлению исток-сток
транзистора определит коэффициент усиления каскада по
напряжению.
Новичок: В свою очередь, сопротивление полевого транзи-
стора определится напряжением на его затворе,
полученном за счет выпрямления выходного
напряжения диодом D1.
На первой диаграмме видно, что напряжение выпрями-
теля (ctrl) первоначально равное нулю возрастает до -2 вольт,
закрывая транзистор. Это увеличивает сопротивление его
канала. А на второй диаграмме видно, что пока напряжение

292
Электроника для любознательных
Рис. 20.1. Схема автоматического регулятора усиления
на затворе равно нулю, выходное напряжение (амплитуда)
около двух вольт.
С появлением запирающего напряжения на затворе (время
на диаграмме 1 миллисекунда, 1е-03) напряжение на выходе
усилителя падает. Если в схеме менять входной сигнал от
источника VI в пределах от 300 до 600 милливольт (изменение
в два раза), то выходное напряжение изменится очень незна-
чительно. Что и демонстрирует возможность автоматической
регулировки усиления.
ПРИМЕЧАНИЕ
Реальные схемы, применяемые для этих целей,
отличаются не столь разительно от приведен-
ной на рис. 20Л. А автоматическая регулировка
усиления используется и в телевизорах для опти-
мизации уровня радиосигнала, и в радиоприемни-
ках, и в мобильных телефонах, словом, везде, где
можно или нужно автоматически регулировать
уровень сигнала.

Глава 20. Несколько простых схем: как они работают 293
Цифровая схема формирования импульсов |
заданной длительности II
Иногда важно получить импульсы, которые имели бы
заданную длительность. В этом случае пригодится схема фор-
мирователя, изображенного на рис. 20.2.
Новичок: Вы говорили, что у цифровых микросхем только
ноль и единица. И как работает эта схема?
Положим, на входе элемента Y1 ноль. На его выходе еди-
ница, а конденсатор С1 заряжается через резистор R1 до высо-
кого уровня напряжения, то есть, на нем единица. На выходе
всей схемы ноль, поскольку на выходе Y2 единица. Когда на
вход схемы приходит высокий уровень, единица, на выходе
элемента Y1 устанавливается ноль.
Но на входе элемента Y2 две единицы удерживаются до тех
пор, пока не разрядится конденсатор С1. В течение этого вре-
мени на выходе схемы удерживается высокий уровень. Когда
же конденсатор разрядится, выход схемы переходит в состоя-
Рис.20.2. Схема, уменьшающая длительность импульса

294
Электроника для любознательных
ние с низким уровнем напряжения, хотя на входе схемы пока
единица, высокий уровень напряжения.
В каких случаях эта схема может пригодиться?
Мы говорили о записи данных в регистр. Чтобы данные
были записаны правильно, управляющий импульс должен
появиться позже установки данных. Каждый из элементов этой
схемы имеет задержку распространения импульса от входа к
выходу. Суммарная задержка видна на рис. 20.3.
6 2е-04
time
Рис. 20.3. Задержка управляющего импульса (вид на мониторе ПК)
Вдобавок данные можно снять раньше, что ускоряет работу
всего устройства.
Еще одни пример применения схемы формирователя
импульсов можно понять из следующего рис. 20.4.
С ростом частоты на выходе формирователя, благодаря
цепочке R2C2, формируется напряжение, которое можно
использовать, например, для построения частотомера или
управления яркостью светодиода (лампочки накаливания).

Глава 20. Несколько простых схем: как они работают 295
Рис. 20.4. Зависимость среднего значения напряжения
от частоты импульсов
ПРИМЕЧАНИЕ.
Г Генератор с регулируемой частотой в последнем ]
I случае можно собрать, используя таймер 555. \
Схема управления |
яркостью лампочки 1
Новичок: Листая старые журналы, я когда-то встретил
схему, где транзистор используется для регули-
ровки яркости свечения лампочки накаливания.
Я видел эту статью. Я не буду приводить всю схему, но
частично ее повторю (рис. 20.5).
В оригинале схемы ток базы транзистора менялся за счет
изменения напряжения (здесь VI). Но можно изменять и зна-
чение резистора в цепи базы (отмечено на рис. 20.5). Важно
менять ток базы.

296 Электроника для любознательных
Рис. 20.5. Управление напряжением на лампочке
Когда базовый ток большой, напряжение на лампочке
(резистор R2, он же R3) тоже большое (правая диаграмма), с
уменьшением тока базы уменьшается напряжение на лам-
почке накаливания (левая диаграмма).
Новичок: Здесь транзистор работает как сопротивление?
Да, сопротивление, регулируемое с помощью базового тока.
Ваша задача, вы это уже знаете, как это сделать, посчитать
падение напряжения на транзисторе, ток через лампочку и
мощность рассеивания на транзисторе для двух случаев, пока-
занных на картинке. Эти вычисления помогут вам решить
вопрос: стоит ли повторять схему, и как ее следует выполнить
конструктивно, если вы решите ее повторить.
ВНИМАНИЕ!
Не пытайтесь повторить эту схему на макете.
Это может быть очень опасно!

Глава 20. Несколько простых схем: как они работают 297
Рис. 20.6. Измерение мощности, рассеиваемой транзистором
Но ничто не мешает вам экспериментировать в программе
Qucs. Расчеты вы можете проверить, проведя измерения (вир-
туальными приборами!). Как подключить приборы, вы можете
увидеть на рис. 20.6.
Для добавления уравнения в схему используйте основное
меню (рис. 20.7).
Еще интереснее будет объединить две идеи, используя
для управления транзистором импульсы, как это мы рассма-
тривали выше (рис. 20.4). Если схему получится реализовать,
вы можете сравнить рассеиваемую мощность для двух вариан-
тов построения схемы.
Рис. 20.7. Раздел основного меню для добавления уравнения

298 Электроника для любознательных
I Имитатор подскакивающего
шарика для пинг-понга
Это забавная схема, которую можно повторить на макетной
плате (рис. 20.8).
Рис. 20.8. Схема имитатора падения шарика для пинг-понга
Для макетирования вам понадобится малогабаритный
громкоговоритель с сопротивлением катушки порядка 8 Ом.
В оригинале применен громкоговоритель 1ГД-4. Источник VI
замещает при моделировании батарейку с кнопкой. Вы можете
проверить работу схемы на макете без резистора R2 и диода
D1, характер звука изменится.
Работа схемы основана на том, что конденсатор С1 может
до того момента, как он зарядится, пропускать ток. При этом
появляется ток базы транзистора 2N9505A, появляется ток базы
второго транзистора, открывающий его. Но через некоторое
время конденсатор заряжается, ток через него прекращается,
а транзистор 2N2222A закрывается, как и первый транзистор.
Когда конденсатор разрядится, процесс может повториться.

ГЛАВА 21
от слов
К ДЕЛУ
Вы приступаете к работе. С чего начать? Кто-то ищет
паяльник, кто-то спешит в магазин, а кто-то идет к при-
ятелю, чтобы рассказать, какую прекрасную «штуку» он
сейчас сделает. Так, с чего же все-таки начать?
Насколько II
понята схема? II
Вы выбрали устройство, которое намерены воплотить
в жизнь. Вы выбрали схему, которая вам приглянулась. Вы
готовы начать работу?
Новичок: Конечно. Схема есть, есть желание ее собрать.
Что еще?
Еще хорошо бы понять, насколько хорошо вы понимаете
схему. Было бы совсем не лишне, если бы вы могли сказать,
зачем нужна каждая деталь в схеме, почему номинал, скажем,
резистора такой, а не иной.
СОВЕТ.
Для ответа на эти вопросы я советую, если схема
сложнее той, о которой пойдет речь ниже, раз-
бить схему на функциональные узлы. Каждый
узел рассмотреть в программе моделирования и
повторить его на макетной плате.

300 Электроника для любознательных
Когда все составляющие устройства стали вам понятны,
соедините их вместе, вначале в программе моделирования,
если программа может справиться с задачей. Нужно это для
того, чтобы стала понятна связь (или связи) всех функциональ-
ных узлов и их взаимное влияние. Время, потраченное на эту
часть работы, окупится впоследствии.
СОВЕТ.
Если схема поместилась в программу моделирова-
ния, то распечатайте ее, тоже пригодится.
Опишите работу схемы, напишите, как проверить схему и
как наладить работу устройства. Распечатайте описание и при-
крепите к схеме. Подобная привычка избавит вас от многих
ошибок в дальнейшем.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Работая над книгой, я стал проверять описание
работы одной из схем. Эту схему я переделывал
для лучшего ее прочтения. Но забыл, что преды-
дущая схема работала несколько иначе, чем пере-
деланная. Если бы я не читал описание ее работы,
то ошибка, наверное, осталась бы. И это, как мне
кажется, вам не понравилось бы. Это о пользе
записывать все в рабочую тетрадь.
|Со схемой вы разобрались,
что дальше?
Давайте разберемся. Вы нарисовали или распечатали элек-
трическую схему будущего устройства. Затем вы пишите спец-
ификацию: составляете список всех компонентов. Затем вы

Глава 21. От слов к делу 301
рисуете то, как будут монтироваться все компоненты (рису-
ете монтажную схему). На любом участке этого процесса воз-
можны ошибки. А ошибки могут привести не только к тому, что
устройство не будет работать, но и к выходу компонентов из
строя, да и к травмам, извините.
ВНИМАНИЕ!
Электролитические конденсаторы могут взры-
ваться, транзисторы и микросхемы могут так
нагреваться, что их можно использовать вместо
паяльника.
Этих неприятностей можно избежать, пользуюсь услугами
вашего друга — компьютера.
Я часто упоминаю программную среду разработки Qucs.
Не только потому, что это бесплатная программа. Программа
позволяет вам «нарисовать» электрическую схему, проверить
ее работу, понять назначение всех составляющих и подгото-
виться к дальнейшей работе. Схему вы можете сохранить в
виде рисунка, чтобы распечатать на принтере или оставить
картинкой на экране монитора.
Для этой главы я выбрал простую схему, о которой говорили
в главе 9 (рис. 9.1). Я мог бы выбрать и большую схему, но это
только усложнит понимание и затормозит рассказ. Все большие
схемы начинаются с маленьких прототипов. Поэтому герой этой
главы еще не вырос, но уже вполне амбициозен (рис. 21.1).
Новичок: Эту схему я знаю, зачем она?
На электрической схеме полезно проставить номера выво-
дов (цоколевку микросхемы). Позже это пригодится, поскольку
у микросхемы нет названий выводов. Кроме того, для монтаж-
ной схемы следует удалить VI (рис. 21.1), на плате батарейки
не будет. Выводы подключения батарейки и выхода следует
заменить портами.

302
Электроника для любознательных
Рис. 21.1. Генератор на микросхеме таймера 555
Среди компонентов программы Qucs есть такой компонент
среди резисторов и конденсаторов в программе: Р1 и Р2. Кстати,
я забыл добавить порт на вывод земли. Не уподобляйтесь мне!
Программа OucsStudio пока есть в версии на немецком
языке и английском. Для тех, кто предпочитает русифициро-
ванные версии программ — есть программа Qucs, есть про-
грамма KiCAD. Это составляющие программы OucsStudio. Обе
русифицированы.
Но схема, разработанная и проверенная в Qucs, должна
быть перерисована в OucsStudio. К сожалению, схемы из Qucs
не совместимы с новой версией. И лучше проверить ее работу
заново. А файлы для KiCAD могут использоваться в русифици-
рованной версии.
I Разводка печатной платы,
начало
Когда-то монтажную схему приходилось рисовать вручную.
Даже простую схему приходилось перерисовывать многократно.

Глава 21. От слов к делу
303
Стирая предыдущий вариант, рисуя новый, подчас в итоге
можно было получить лист с большими дырами. За компьюте-
ром все иначе. Повторов много, а экран остается как новый.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Многие программы моделирования и разводки
печатных плат поддерживают традиции про-
фессиональной разработки - все чертежи выпол-
няются на фоне черного экрана. Так глаза устают
меньше, а профессионалам приходится проводить
за компьютером много времени.
Некоторые программы позволяют изменить фон рабочего
поля программы, но делать это следует с осторожностью —
некоторые компоненты могут совпасть с цветом нового экрана
и исчезнуть подобно хамелеону.
Новичок: Ясно, запомню! Давайте теперь вернемся к нашей
плате.
В данном случае можно использовать свойство программы
QucsStudio — ее приспособленность для сквозного проектиро-
вания (рис. 21.2).
*
ate РСЪ r-tfci
Рис. 21.2. Переход к разводке печатной плоты

304 Электроника для любознательных
При переходе из режима работы с электрической схемой к
разводке, следует использовать команду, которую вы видите в
меню Tools (рис. 21.2).Разводка платы осуществляется в про-
грамме KiCAD, но это не только составная часть QucsStudio,
это самостоятельная программа, которую можно загрузить и
использовать отдельно (рис. 21.3).
Рис. 21.3. Переход в программу KiCAD
Пока программа предоставляет в ваше распоряжение
шаблон чертежа. Кроме основного меню вы можете видеть
несколько инструментальных панелей. О назначении и основ-
ного меню, и этих панелей лучше узнать из руководства к про-
грамме. По мере создания монтажной схемы необходимые эле-
менты управления программой я постараюсь представить, но
не все, конечно. А сейчас нужно загрузить список соединений
(netlist) (рис. 21.4).

Глава 21. От слов к делу 305
Рис. 21.4. Загрузка netlist
Загрузка списка соединений не происходит автоматически
без вашего участия. Причин может быть несколько. Я предпо-
лагаю, что после разводки может потребоваться изменение
исходной схемы. Обычно при этом меняется название файла,
следовательно, меняется и называния файла netlist. Поэтому
загрузке файла предшествует диалог с пользователем.
В появившемся окне диалога вам следует указать файл с
расширением net, который создан программой QucsStudio,
используя кнопку Browse Netlist Files (рис. 21.5).
Если нажать кнопку Read Current Netlist, а затем закрыть
диалог, то теперь рядом с чертежом появится «кучка компо-
Рис. 21.5. Диалоговое окно загрузки netlist

306 Электроника для любознательных
Рис. 21.6. Первый этап создания платы
нентов», которая называется ratsnest (рис. 21.6). Я не знаю, как
профессионалы называют этот термин, но он из двух слов, обо-
значающих крысиную нору (или кластер!). А у первого слова
есть и такой перевод: предатель, человек. Какой смысл вклады-
вали создатели термина я не знаю, но, нора, так нора.
I Подготовка к автоматическому
размещению деталей
Автоматическое размещение деталей для начинающих
очень удобно. Я советую использовать этот режим. Впрочем, и
позже этим не стоит пренебрегать. Запуск расстановки компо-
нентов требует двух этапов.

Глава 21. От слов к делу 307
Рис. 21.7. Выбор активного режима
Перед продолжением работы необходимо нарисовать кон-
тур платы: выбрать активный режим (рис. 21.7), нарисовать
границы платы, иконка средства рисования на рис. 21.8.
Теперь, нарисовав плату (как прямоугольник, например),
можно расставить компоненты, используя возможности про-
граммы, а для этого найдите такую иконку инструментальной
панели (рис. 21.9).
Рис. 21.8. Выбор иконки средства рисования

308 Электроника для любознательных
Рис. 21.9. Выбор режима расстановки компонентов
Завершив эти предварительные настройки, вы готовы перейти
к главному. Для этого щелкните правой клавишей мышки по
«складу компонентов» (ratsnest), а из выпадающего меню выбе-
рите команду автоматической расстановки (рис. 21.10).
Рис. 21.10. Включение автоматической расстановки компонентов
Повторив эту операцию несколько раз, можно получить
автоматическую расстановку всех компонентов на плате
(рис. 21.11).
Если вас устраивает такое расположение компонентов,
выполненное, скорее всего, из соображений наилучшей ком-
пактности, то можно перейти к разводке.
Новичок: А если расположение компонентов не устраи-
вает?
Рис. 21.11. Расстановка компонентов, выполненная автоматически

Глава 21. От слов к делу 309
Если нет, то, повторяя щелчок правой клавиши мышки по
каждому из компонентов, выбирайте для этого компонента
перемещение (Move) и перемещайте его в нужное место.
Поскольку задача создать заготовку для печатной платы не
стоит, я говорил об этом, лучше всего поместить детали так,
чтобы монтажная схема была похожа на электрическую схему.
Если это возможно.
Впоследствии, когда по монтажной схеме вы соберете
макетную плату, вам предстоит отлаживать устройство или
проводить опыты. Чем больше монтажная схема похожа на
электрический прототип, тем легче вам будет ориентироваться
при работе.
Еще один вариант размещения всех деталей показан на
рис. 21.12.
Рис. 21.12. Пример расположения компонентов
Новичок: Бывает ли так, что не все компоненты автома-
тически размещаются на плате?
Бывает. Тогда оставшуюся часть можно перенести на плату,
используя механизм перемещения: выделить компонент щелч-
ком правой клавиши мышки и выбрать команду (рис. 21.13).
После размещения компонентов можно перейти к раз-
водке платы.

310
Электроника для любознательных
R1
С1
C=33nF'
Р1
—О
Р2
Tng
OutU-Q
■±•1
LM555 р4
О
Рис. 21.13. Перемещение отдельных компонентов
По умолчанию плата двухсторонняя. Вы можете предпо-
честь такой монтаж, но первый опыт лучше получить, выпол-
няя монтаж односторонний. Для этого в основных настройках
(Preferences->General Options) требуется указать количество
слоев (рис. 21.14).
Рис. 21.14. Выбор количества слоев меди на плате
I Автоматическая
разводка платы
Как и автоматическая расстановка деталей на плате, так и
разводка без вашего участия позволит вам сэкономить время
и силы.
Выбираем режим разводки (рис. 21.15).
Рис. 21.15. Переход к режиму разводки печатной платы

Глава 21. От слов к делу 311
Рис. 21.16. Включение автоматической разводки платы
Щелчок правой клавиши мышки в этом режиме по компо-
ненту позволяет запустить процесс автоматической разводки
(рис. 21.16).
Не следует огорчаться, если по причине неудачного распо-
ложения компонентов или из-за выбора одностороннего мон-
тажа, разводка может оказаться не полной. Вот (рис. 21.17)
пример такого положения (я заменил цвет дорожек, чтобы
было лучше видно, где дорожки не получились). Поначалу все
сталкиваются с такого рода трудностями.
Возможно, со временем это проходит, но для этого нужно
много раз разводить разные платы, используя разные схемы.
Если вы будете повторять на макетной плате все предложен-
ные в этой книге схемы, то быстро освоите первые шаги в раз-
водке. Это не значит, что вы овладели этим искусством, но уже
«научились ходить».
Несколько соединений пересекают друг друга. Поскольку
сейчас подразумевается монтаж изолированным проводом,

312 Электроника для любознательных
Рис. 21.17. Не полностью разведенная плата
это не так важно, но если впоследствии вы задумаете сделать
печатную плату, это вам повредит.
Новичок: Что можно сделать в этом случае?
Можно выбрать двухсторонний печатный монтаж и повто-
рить все операции. Но я советую повторить все операции,
попробовав разместить все компоненты иначе (рис. 21.18).
Повторение — мать учения!
Как видно на рис. 21.18, не все соединения удалось полу-
чить и в этот раз. И я хочу повторить еще раз, что разводка
печатной платы требует и умения, и опыта. И дело не только в
размещении компонентов для получения дорожек на печатной
плате, есть еще и взаимное влияние компонентов из-за пара-
зитных связей, есть паразитные емкости и индуктивности...

Глава 21. От слов к делу
313
Рис. 21.18. Результат повторной разводки платы
Но теперь у вас есть рисунок безошибочных соединений,
который и был нужен. В работе с программой разводки KiCAD
вам поможет руководство к этой программе. На моем сайте [7]
есть перевод руководства, но я встречал в Интернете и перевод
к более поздним версиям программы.
Программа позволяет вам увидеть трехмерное изображе-
ние платы, что тоже очень полезно (рис. 21.19).
Рис. 21.19. Трехмерное изображение платы

314 Электроника для любознательных
ПРИМЕЧАНИЕ.
Первый вывод микросхемы отмечен на плате ква-
дратной площадкой.
Выполнять ли монтажную схему вручную на бумаге, про-
делать ли всю работу в программе — выбор за вами.
Новичок: Но это для изготовления печатной платы. Вы
советуете сделать печатную плату, я правильно
понял?
Нет, рисунок печатной платы позволит правильно выпол-
нить монтаж на макете. И я надеюсь, что вы повторили на
макетной плате те эксперименты, о которых рассказано в этой
книге. А следующий рассказ начнется с того, как организовать
свое рабочее место для макетирования, пайки и т. д., и что для
этого нужно. Но это уже в следующий раз.

ПОСЛЕСЛОВИЕ
Когда-то ученые и инженеры проводили эксперименты,
чтобы понять, что такое электричество? Итогом стали законы
Ома, Кирхгофа и многие другие.
Проводя эксперименты, однажды, исследуя электрический
ток в стеклянной колбе с выкачанным воздухом, они изобрели
электронную лампу. Со временем электронные лампы позво-
лили создать разные электронные устройства.
Опыты с полупроводниковыми материалами привели к
появлению полупроводниковых приборов. Совершенствование
технологии изготовления этих приборов привело к вытеснению
ламп из электронных устройств. Их место заняли транзисторы.
Дальнейшее совершенствование технологии позволило
собрать целые схемы внутри одного маленького элемента —
микросхемы. Микросхемы стали вытеснять из электронных
приборов транзисторы. Так появились и цифровые микро-
схемы.
Затем микропроцессоры вытеснили в ЭВМ цифровые
микросхемы. А создание микроконтроллеров стало вытеснять
из устройств автоматики и приборов цифровые микросхемы.
Сегодня прибор, с которого мы
начали рассказ, умещается на
небольшой плате и может выгля-
деть так (рис. П. 1).
Как он будет выглядеть лет
через десять, через двадцать или
тридцать — это зависит от моло-
дых, от сегодняшних школьников
Рис.П.1. Современный прибор и студентов.
в картинках Яндекса Все в ваших руках!

список
ЛИТЕРАТУРЫ
И ИНТЕРНЕТ-
РЕСУРСОВ
1. Брайан Керниган, Деннис Ритчи Язык программирования
Си. - СПб.: Невский диалект, 2016. - 304 с.
2. Гололобов В.Н. Arduino для любознательных или парово-
зик из Ромашково. — СПб.: Наука и техника, 2018. — 368 с.
3. Трейстер Р. Радиолюбительские схемы на ИС типа 555. —
М.: Мир, 1988. -264 с.
4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. — М.:
Радио и связь, 1987. - 352 с.
5. Шустов М.А. Цифровая схемотехника. Основы построе-
ния. — СПб.: Наука и техника, 2018. — 320 с.
6. Сайт Microchip: http://www.microchip.coni/
7. Сайт автора: http://vgololobov.narod.ru
8. Сайт поборников FlowCode: http://flowcode.info/
9. Сайт производителя FlowCode: http://www.matrixtsl.com/
flowcode/download/

ЗНАКОМЬТЕСЬ,
ВИРТУАЛЬНЫЙ
ДИСК
Что вошло II
в состав виртуального диска II
В состав виртуального диска на момент сдачи книги в
печать вошли семь разделов.
1. Проекты, использованные в книге
2. Руководство к программе Oucs
3. Описание (datasheet) PIC16F628A
4. Книга «Oucs и FlowCode»
5. Программа Oucs 0.0.18
6. Книга «Flowcode 6»
7. Перевод руководства к программе KiCAD
Виртуальный диск обновляемый и расширяемый, поэтому
в дальнейшем в его состав могут войти и другие интересные
разделы.
Руководство ||
к программе Qucs II
На виртуальный диск записаны схемы, собранные в про-
грамме Oucs.
Используя готовые проекты, вы можете продвигаться
быстрее при чтении книги. Чтобы не было расхождений в вер-
сиях программы, на диске есть та версия, которая использова-
лась при написании книги. Но использовать готовые файлы в

программе - я бы уподобил это пролистыванию книги без ее
чтения. Быстро, но бесполезно.
СОВЕТ.
Чтобы результат стал лучше, я советую сначала
переделывать схемы, проводя свои эксперименты,
а потом научиться создавать свои схемы.
Для этого на виртуальном диске вы найдете руководство к
программе. Руководство не официальное, но я его создавал под
руководством одного из авторов программы.
I Рассказ
«Qucs MFlowcode»
И еще программа описана в рассказе «Qucs nFlowcode»,
который тоже есть на диске. Рассказ написан очень давно, но
основные операции в программе сохранились во всех ее вер-
сиях. Не буду уверять, что в программе Qucs (расшифровы-
вается название как «Почти универсальный симулятор элек-
трических цепей») вы сможете моделировать любые схемы.
Даже не самые сложные из них требуют некоторых навыков
и настроек. Но как не бывает приборов для любых измере-
ний, так не бывает и программ для любого моделирования.
Возможно, со временем такие программы появятся, но основ-
ное достоинство программы Qucs в том, что она бесплатная,
полнофункциональная и очень полезная.
Вторая часть рассказа «Qucs nFlowcode» посвящена среде
разработки программ для микроконтроллеров. Это плат-
ная программа. Но у кого-то она может вызывать интерес, не
вызывая проблем с финансами.
В рассказе очень старая версия программы, поэтому на
диске вы найдете краткий рассказ о более поздней версии

«Flowcode 6». Что можно сделать в этой программе, чем она
может помочь в освоении микроконтроллеров - это вы про-
чтете в книге, а еще я советую заглянуть на сайт поддержки
программы.
О микроконтроллере II
PIC16F628AII
Поскольку речь зашла о микроконтроллере, в книге упоми-
нается одна модель, недорогой и доступный микроконтроллер,
описание которого, что и послужило критерием выбора, есть на
русском языке. Найденная в Интернете справка к PIC16F628A
тоже будет добавлена на виртуальный диск.
Особой популярностью у радиолюбителей пользуются AVR-
микроконтроллеры фирмы Atmel.
Прочитать о программировании этих контроллеров вы
можете в этой книге:
Белов А.В. «Микроконтроллеры AVR: от азов про-
граммирования до создания практических устройств.
2-е изд., перераб. и доп. + виртуальный CD».
А овладевать искусством программирования этих микро-
контроллеров я советую с помощью модуля Arduino. Аргументы
в пользу такого подхода я приводил в своей книге:
Гололобов В.Н. «Arduino для любознательных».
Дополнительным аргументом может служить то, что
микроконтроллеры модуля можно программировать и вне
программы проекта Arduino, используя среду разработки
AtmelStudio или Flowcode.
И еще, модуль ArduinoUno позволит вам обзавестись про-
стеньким, но очень полезным осциллографом. Сегодня подоб-
ная ситуация описывается термином «Три в одном»!
Успехов Вам в освоении ЭЛЕКТРОНИКИ!

Издательство «Наука и Техника»
КНИГИ ПО КОМПЬЮТЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ,
МЕДИЦИНЕ, РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ
Уважаемые читатели!
Книги издательства «Наука и Техника» вы можете:
> заказать в нашем интернет-магазине
WWW.nit.COm.ru (более 100 пунктов выдачи на территории РФ)
«Новый книжный» Сеть магазинов
ТД«БИБЛИО-ГЛОБУС»
Московский Дом Книги,
«ДК на Новом Арбате»
Московский Дом Книги,
«Дом технической книги»
Московский Дом Книги,
«Дом медицинской книги»
Дом книги «Молодая гвардия»
> приобрести в Москве:
тел. (495) 937-85-81, (499) 177-22-11
ул. Мясницкая, д. 6/3, стр. 1, ст. М «Лубянка»
тел. (495) 781-19-00,624-46-80
ул.Новый Арбат, 8, ст. М «Арбатская»,
тел. (495) 789-35-91
Ленинский пр., д.40, ст. М «Ленинский пр.»,
тел. (499) 137-60-19
Комсомольский пр., д. 25, ст. М «Фрунзенская»,
тел. (499) 245-39-27
ул. Б. Полянка, д. 28, стр. 1, ст. М «Полянка»
тел. (499) 238-50-01
> приобрести в Санкт-Петербурге:
Санкт-Петербургский Дом Книги Невский пр. 28, тел. (812) 448-23-57
Буквоед. Сеть магазинов тел. (812) 601 -0-601
> приобрести в регионах России:
г. Воронеж, «Амиталь» Сеть магазинов
г. Екатеринбург, «Дом книги» Сеть магазинов
г. Нижний Новгород, «Дом книги» Сеть магазинов
г. Владивосток, «Дом книги» Сеть магазинов
г. Иркутск, «Продалить» Сеть магазинов
г. Омск, «Техническая книга» ул. Пушкина, д.101
тел. (473) 224-24-90
тел. (343) 289-40-45
тел. (831) 246-22-92
тел. (423) 263-10-54
тел. (395) 298-88-82
тел. (381) 230-13-64
Мы рады сотрудничеству с Вами!