Как научиться разбираться в электронных схемах


Как читать электрические схемы ⋆ diodov.net

При изучении электроники возникает вопрос, как читать электрические схемы. Естественным желанием начинающего электронщика или радиолюбителя является спаять какое-то интересное электронное устройство. Однако на начальном пути достаточных теоретических знаний и практических навыков как всегда не хватает. Поэтому устройство собирают вслепую. И часто бывает, что спаянное устройство, на которое было затрачено много времени, сил и терпения, — не работает, что вызывает только разочарование и отбивает желание у начинающего радиолюбителя заниматься электроникой, так и не ощутив все прелести данной науки. Хотя, как оказывается, схема не заработала из-за допущения сущего пустяковой ошибки. На исправление такой ошибки у более опытного радиолюбителя ушло бы меньше минуты.

В данной статье приведены полезные рекомендации, которые позволят свести к минимуму количество ошибок. Помогут начинающему радиолюбителю собирать различные электронные устройства, которые заработают с первого раза.

Как научиться читать электрические схемы

Любая радиоэлектронная аппаратура состоит из отдельных радиодеталей, спаянных (соединенных) между собой определенным образом. Все радиодетали, их соединения и дополнительные обозначения отображаются на специальном чертеже. Такой чертеж называется электрической схемой. Каждая радиодеталь имеет свое обозначение, которое правильно называется условное графическое обозначение, сокращенно – УГО. К УГО мы вернемся дальше в этой статье.

Принципиально можно выделить два этапа совершенствования чтения электрических схем. Первый этап характерен для монтажников радиоэлектронной аппаратуры. Они просто собирают (паяют) устройства не углубляясь в назначение и принцип работы основных его узлов. По сути дела – это скучная работа, хотя, хорошо паять, нужно еще поучиться. Лично мне гораздо интересней паять то, что я полностью понимаю, как оно работает. Появляются множества вариантов для маневров. Понимаешь какой номинал, например резистора или конденсатора критичный в данной случае, а каким можно пренебречь и заменить другим. Какой транзистор можно заменить аналогом, а где следует использовать транзистор только указанной серии. Поэтому лично мне ближе второй этап.

Второй этап присущ разработчикам радиоэлектронной аппаратуры. Такой этап является самый интересный и творческий, поскольку совершенствоваться в разработке электронных схем можно бесконечно.

По этому направлению написаны целые тома книг, наиболее известной из которых является «Искусство схемотехники». Именно к этому этапу мы будем стремиться подойти. Однако здесь уже потребуются и глубокие теоретические знания, но все оно того стоит.

Учиться читать электрические схемы мы будем из самых простых примеров и постепенно продвигаться дальше.

Обозначение источников питания

Любое радиоэлектронное устройство способно выполнять свои функции только при наличии электроэнергии. Принципиально выделяют два типа источников электроэнергии: постоянного и переменного тока. В данной статье рассматриваются исключительно источниках постоянного тока. К ним относятся батарейки или гальванические элементы, аккумуляторные батареи, различного рода блоки питания и т.п.

В мире насчитывается тысячи тысяч разных аккумуляторов, гальванических элементов и т.п., которые отличаются как внешним видом, так и конструкцией. Однако всех их объединяет общее функциональное назначение – снабжать постоянным током электронную аппаратуру. Поэтому на чертежах электрических схем источники они обозначаются единообразно, но все же с некоторыми небольшими отличиями.

Электрические схемы принято рисовать слева на право, то есть так, как и писать текст. Однако такого правила далеко не всегда придерживаются, особенно радиолюбители. Но, тем не менее, такое правило следует взять на вооружение и применять в дальнейшем.

Гальванический элемент или одна батарейка, неважно «пальчиковая», «мизинчиковая» или таблеточного типа, обозначается следующим образом: две параллельные черточки разной длины. Черточка большей длины обозначает положительный полюс – плюс «+», а короткая – минус «-».

Также для большей наглядности могут проставляться знаки полярности батарейки. Гальванический элемент или батарейка имеет стандартное буквенное обозначение G.

Однако радиолюбители не всегда придерживаются такой шифровки и часто вместо G пишут букву E, которая обозначает, что данный гальванический элемент является источником электродвижущей силы (ЭДС). Также рядом может указываться величина ЭДС, например 1,5 В.

Иногда вместо изображения источника питания показывают только его клеммы.

Группа гальванических элементов, которые могут повторно перезаряжаться, аккумуляторной батареей. На чертежах электрических схем они обозначается аналогично. Только между параллельными черточками находится пунктирная линия и применяется буквенное обозначение GB. Вторая буква как раз и обозначает «батарея».

Обозначение проводов и их соединений на схемах

Электрические провода выполняют функцию объединения всех электронных элементов в единую цепь. Они выполняют роль «трубопровода» — снабжают электронные компонент электронами. Провода характеризуются множеством параметров: сечением, материалом, изоляцией и т.п. Мы же будем иметь дело с монтажными гибкими проводами.

На печатных платах проводами служат токопроводящие дорожки. Вне зависимости от вида проводника (проволока или дорожка) на чертежах электрических схем они обозначаются единым образом – прямой линией.

Например, для того, что бы засветить лампу накаливания необходимо напряжение от аккумуляторной батареи подвести с помощью соединительных проводов к лампочке. Тогда цепь будет замкнута и в ней начнет протекать ток, который вызовет нагрев нити лампы накаливания до свечения.

Проводник принять обозначать прямой линией: горизонтальной или вертикальной. Согласно стандарту, провода или токоведущие дорожки могут изображаться под углом 90 или 135 градусов.

В разветвленных цепях проводники часто пересекаются. Если при этом не образуется электрическая связь, то точка в месте пересечения не ставится.

Если в месте пересечения проводников образуется электрическая связь, то это место обозначается точкой, называемой электрическим узлом. В узле могут пересекаться одновременно несколько проводников. Здесь я советую познакомиться с первым законом Кирхгофа.

Обозначение общего провода

В сложных электрических цепях с целью улучшения читаемости схемы часто проводники, соединенные с отрицательной клеммой источника питания, не изображают. А вместо них применяют знаки, обозначающие отрицательных провод, который еще называют общий или масса или шасси или земля.

Рядом со знаком заземления часто, особенно в англоязычных схемах, делается надпись GND, сокращенно от GRAUND – земля.

Однако следует знать, что общий провод не обязательно должен быть отрицательным, он также может быть и положительным. Особенно часто за положительный общий провод принимался в старых советских схемах, в которых преимущественно использовались транзисторы pnp структуры.

Поэтому, когда говорят, что потенциал в какой-то точке схемы равен какому-то напряжению, то это означает, что напряжение между указанной точкой и «минусом» блока питания равен соответствующему значению.

Например, если напряжение в точке 1 равно 8 В, а в точке 2 оно имеет величину 4 В, то нужно положительный щуп вольтметра установить в соответствующую точку, а отрицательный – к общему проводу или отрицательной клемме.

Таким подходом довольно часто пользуются, поскольку это очень удобно с практической точки зрения, так как достаточно указать только одну точку.

Особенно часто это применяется при настройке или регулировке радиоэлектронной аппаратуре. Поэтому учиться читать электрические схемы гораздо проще, пользуясь потенциалами в конкретных точках.

Условное графическое обозначение радиодеталей

Основу любого электронного устройства составляют радиодетали. К ним относятся резисторы, светодиоды, транзисторы, конденсаторы, различные микросхемы и т. д. Чтобы научиться читать электрические схемы нужно хорошо знать условные графические обозначения всех радиодеталей.

Для примера рассмотрим следующий чертеж. Он состоит из батареи гальванических элементов GB1, резистора R1 и светодиода VD1. Условное графическое обозначение (УГО) резистора имеет вид прямоугольника с двумя выводами. На чертежах он обозначается буквой R, после которой ставится его порядковый номер, например R1, R2, R5 и т. д.

Поскольку важным параметром резистора помимо сопротивления является мощность рассеивания, то ее значение также указывается в обозначении.

УГО светодиода имеет вид треугольника с риской у его вершины; и двумя стрелочками, острия которых направлены от треугольника. Один вывод светодиода называется анодом, а второй – катодом.

Светодиод, как и «обычный» диод, пропускает ток только в одном направлении – от анода к катоду. Данный полупроводниковый прибор обозначается VD, а его тип указывается в спецификации или в описании к схеме. Характеристики конкретного типа светодиода приводятся в справочниках или «даташитах».

Как читать электрические схемы реально

Давайте вернемся к простейшей схеме, состоящей из батареи гальванических элементов GB1, резистора R1 и светодиода VD1.

Как мы видим – цепь замкнута. Поэтому в ней протекает электрический ток I, который имеет одинаковое значение, поскольку все элементы соединены последовательно. Направление электрического тока I от положительной клеммы GB1 через резистор R1, светодиод VD1 к отрицательной клемме.

Назначение всех элементов вполне понятно. Конечной целью является свечение светодиода. Однако, чтобы он не перегрелся и не вышел из строя резистор ограничивает величину тока.

Величина напряжения, согласно второму закона Кирхгофа, на всех элементах может отличаться и зависит от сопротивления резистора R1 и светодиод VD1.

Если измерить вольтметром напряжение на R1 и VD1, а затем полученные значения сложить, то их сумма будет равна напряжению на GB1: V1 = V2 + V3.

Соберем по данному чертежу реальное устройство.

Как читать электрические схемы с минимальным набором радиодеталей мы разобрались. Теперь можем перейти к более сложному варианту.

Добавляем радиодетали

Рассмотрим следующую схему, состоящую из четырех параллельных ветвей. Первая представляет собой лишь аккумуляторную батарею GB1, напряжением 4,5 В. Во второй ветви последовательно соединены нормально замкнутые контакты K1.1 электромагнитного реле K1, резистора R1 и светодиода VD1. Далее по чертежу находится кнопка SB1.

Третья параллельная ветвь состоит из электромагнитного реле K1, шунтированного в обратном направлении диодом VD2.

В четвертой ветви имеются нормально разомкнутые контакты K1.2 и бузер BA1.

Здесь присутствуют элементы, ранее нами не рассмотрены в данной статье: SB1 – это кнопка без фиксации положения. Пока она нажата ее, контакты замкнуты. Но как только мы перестанем нажимать и уберем палец с кнопки, контакты разомкнутся. Такие кнопки еще называют тактовыми.

Следующий элемент– это электромагнитное реле K1. Принцип работы его заключается в следующем. Когда на катушку подано напряжение, замыкаются его разомкнутые контакты и размыкаются замкнутые контакты.

Все контакты, которые соответствуют реле K1, обозначаются K1.1, K1.2 и т. д. Первая цифра означает принадлежность их соответствующему реле.

Бузер

Следующий элемент, ранее не знакомый нам, — это бузер. Бузер в какой-то степени можно сравнить с маленьким динамиком. При подаче переменного напряжения на его выводы раздается звук соответствующей частоты. Однако в нашей схеме отсутствует переменное напряжение. Поэтому мы будем применять активный бузер, который имеет встроенный генератор переменного тока.

Пассивный бузер – для переменного тока.

Активный бузер – для постоянного тока.

Активный бузер имеет полярность, поэтому следует ее придерживаться.

Теперь мы уже можем рассмотреть, как читать электрическую схему в целом.

В исходном состоянии контакты K1.1 находятся в замкнутом положении. Поэтому ток протекает по цепи от GB1 через K1.1, R1, VD1 и возвращается снова к GB1.

При нажатии кнопки SB1 ее контакты замыкаются, и создается путь для протекания тока через катушку K1. Когда реле получило питание ее нормально замкнутые контакты K1.1 размыкаются, а нормально замкнутые контакты K1.2 замыкаются. В результате гаснет светодиод VD1 и раздается звук бузера BA1.

Теперь вернемся к параметрам электромагнитного реле K1. В спецификации или на чертеже обязательно указывается серия применяемого реле, например HLS‑4078‑DC5V. Такое реле рассчитано на номинальное рабочее напряжение 5 В. Однако GB1 = 4,5 В, но реле имеет некоторый допустимы диапазон срабатывания, поэтому оно будет хорошо работать и при напряжении 4,5 В.

Для выбора бузера часто достаточно знать лишь его напряжение, однако иногда нужно знать и ток. Также следует не забывать и о его типе – пассивный или активный.

Диод VD2 серии 1N4148 предназначен для защиты элементов, которые производят размыкание цепи, от перенапряжения. В данном случае можно обойтись и без него, поскольку цепь размыкает кнопка SB1. Но если ее размыкает транзистор или тиристор, то VD2 нужно обязательно устанавливать.

Учимся читать схемы с транзисторами

На данном чертеже мы видим транзистор VT1 и двигатель M1. Для определенности будем применять транзистор типа 2N2222, который работает в режиме электронного ключа.

Чтобы транзистор открылся, нужно на его базу подать положительный потенциал относительно эмиттера – для npn типа; для pnp типа нужно подавать отрицательный потенциал относительно эмиттера.

Кнопка SA1 с фиксацией, то есть он сохраняет свое положение после нажатия. Двигатель M1 постоянного тока.

В исходном состоянии цепь разомкнута контактами SA1. При нажатии кнопки SA1 создается несколько путей протеканию тока. Первый путь – «+» GB1 – контакты SA1 – резистор R1 – переход база-эмиттер транзистора VT1 – «-» GB1. Под действием протекающего тока через переход база-эмиттер транзистор открывается и образуется второй путь току – «+»GB1SA1 – катушка реле K1 – коллектор-эмиттер VT1 – «-» GB1.

Получив питание, реле K1 замыкает свои разомкнутые контакты K1.1 в цепи двигателя M1. Таким образом, создается третий путь: «+» GB1SA1K1.1M1 – «-» GB1.

Теперь давайте все подытожим. Для того чтобы научиться читать электрические схемы, на первых порах достаточно лишь четко понимать законы Кирхгофа, Ома, электромагнитной индукции; способы соединения резисторов, конденсаторов; также следует знать назначение всех элементом. Также поначалу следует собирать те устройства, на которые имеются максимально подробные описания назначения отдельных компонентов и узлов.

Разобраться в общем подходе к разработке электронных устройств по чертежам, с множеством практических и наглядных примеров поможет мой очень полезный для начинающих курс Как читать электрические схемы и создавать электронные устройства. Пройдя данный курс, Вы сразу почувствуете, что перешли от новичка на новый уровень.

Еще статьи по данной теме

Как научиться читать электрические схемы - Другое

Даже хорошо зная условные обозначения, используемые в электронных схемах, трудно понять, как именно сигнал проходит от компонента к компоненту. Чтобы научиться не только называть отдельные компоненты на схеме, но и определять, как они взаимодействуют друг с другом, необходимо освоить ряд приемов.

Инструкция

один

Научитесь различать цепи питания и сигнальные цепи.Обратите внимание, питание каскада практически всегда изображено в верхней части соответствующего фрагмента схемы. Источник питания постоянного тока почти всегда сначала проходит через нагрузку, а уже потом - на анод лампы или коллектор транзистора. Точка соединения соответствующего электрода с нижним выводом нагрузки - это место снятия усиленного сигнала с каскада.

2

Входные каскадные цепи обычно не требуют пояснений.Однако отметим, что вспомогательные компоненты, расположенные вокруг управляющего электрода активного компонента, играют гораздо более важную роль, чем кажется на первый взгляд. Именно с их помощью задается напряжение так называемого смещения, с помощью которого компонент переводится в наиболее оптимальный режим постоянного тока. Особенности вытесняющего метода подачи различны для разных активных компонентов.

3

Обратите внимание на конденсаторы, расположенные как перед входом, так и после выхода каскада, усиливающие переменное напряжение.Эти конденсаторы не проводят постоянный ток, поэтому ни входной сигнал, ни входное сопротивление следующего каскада не могут вывести каскад из режима постоянного тока.

четыре

Также обратите внимание, что некоторые из каскадов предназначены для усиления постоянного тока. Формирователи напряжения смещения в них отсутствуют, и между собой они соединены без конденсаторов. Некоторые из этих каскадов работают в аналоговом режиме, некоторые - в ключевом. Во втором случае нагрев активного компонента минимален.

пять

Если в схеме несколько каскадов, научитесь определять последовательность, с которой сигнал проходит через них. Развивайте навыки определения каскадов, которые выполняют определенные преобразования по отношению к сигналу, например, преобразование частоты или обнаружение. Обратите внимание, что в одной схеме может быть несколько параллельных цепочек каскадов, в которых несколько сигналов обрабатываются независимо друг от друга.

6

Осветить все тонкости, без знания которых невозможно безошибочно прочитать электрические схемы, невозможно в рамках одной статьи.Поэтому обязательно приобретите любой учебник по схемотехнике.

,

Электроника для начинающих: простое введение

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 4 марта 2020 г.

Они хранят ваши деньги. Они следят ваше сердцебиение. Они несут звук вашего голоса в чужие дома. Они привозят самолеты на землю и безопасно направлять машины к месту назначения - они даже стреляют подушки безопасности, если у нас возникнут проблемы. Удивительно подумать, сколько вещи, которые «они» действительно делают.«Они» - электроны: крошечные частицы внутри атомов, которые движутся по определенным путям, известным как цепи, несущие электрическую энергию. Одна из величайших вещей людей в 20 веке научились использовать электроны для управления машины и информацию о процессе. Революция электроники, как это как известно, разгонял компьютер революции, и обе эти вещи изменили многие области нашей жизни. Но как именно наноскопически маленькие частицы, слишком маленькие видеть, достигать таких грандиозных и драматичных вещей? Возьмем присмотрись и узнай!

Фото: Компактная электронная плата веб-камеры.Эта плата содержит несколько десятков отдельных электронных компонентов, в основном небольшие резисторы и конденсаторы, плюс большой черный микрочип (внизу слева), который выполняет большую часть работы.

В чем разница между электричеством и электроникой?

Если вы читали нашу статью об электричестве, вы узнаете, что это своего рода энергия - очень универсальный вид энергии, который мы можем производить и использовать всевозможными способами во многих других. Электричество - это создание электромагнитной энергии обтекать контур так, чтобы он приводил в движение что-то вроде электродвигателя или нагревательного элемента, электропитание таких устройств, как электромобили, чайники, тостеры и лампы.Как правило, электрические приборы требуют большого количества энергии, чтобы они работают, поэтому они используют довольно большие (и часто довольно опасные) электрические Токи. Нагревательный элемент мощностью 2500 ватт внутри электрочайника работает от тока около 10 ампер. Напротив, электронные компоненты используют токи скорее всего, будет измеряться в долях миллиампера (что составляет тысячные доли ампера). Другими словами, типичный электрический прибор, вероятно, будет использовать токи в десятки, сотни или тысячи раз больше, чем типичный электронный.

Электроника - это гораздо более тонкий вид электричества, в котором крошечные электрические токи (и, по идее, отдельные электроны) тщательно направлен на гораздо более сложные схемы для обработки сигналов (например, те, которые носят радио и телепрограммы) или хранить и обрабатывать Информация. Представьте что-то вроде микроволновки печь и легко увидеть разницу между обычным электричество и электроника. В микроволновой печи электричество обеспечивает мощность, генерирующая высокоэнергетические волны для приготовления пищи; электроника контролирует электрическую цепь, которая выполняет приготовление пищи.

Изображение: микроволновые печи питаются от электрических кабелей (серых), которые подключаются к стене. По кабелям подается электричество, питающее сильноточные электрические цепи и слаботочные электронные цепи. Сильноточные электрические цепи питают магнетрон (синий), устройство, которое создает волны, которые готовят вашу пищу. и поверните поворотный стол. Слаботочные электронные схемы (красные) управляют этими мощными цепями, и такие вещи, как цифровой дисплей.

Аналоговая и цифровая электроника

Есть два очень разных способа хранения информации, известные как аналоговый и цифровой.Это звучит как довольно абстрактная идея, но это действительно очень просто. Предположим, вы сделали старомодную фотографию кто-то с пленочной камерой. Камера фиксирует поток света в через заслонку спереди в виде узора света и темные участки на химически обработанном пластике. Сцена, в которой ты фотографирование превращается в своего рода мгновенную химическую живопись - «аналогия» того, на что вы смотрите. Вот почему мы говорим, что это аналог способ хранения информации. Но если сфотографировать именно то та же сцена с цифровой камерой, камера хранит совсем другую запись.Вместо сохранения узнаваемый узор из света и тьмы, он преобразует свет и тьму области в числа и вместо этого сохраняет их. Хранение числового, закодированного версия чего-то известна как цифровая.

Фото: Цифровые технологии: такие большие цифровые часы, как эти, легко и быстро читают бегуны. Фото Джи Л. Скотта любезно предоставлено ВМС США.

Электронное оборудование обычно работает с информацией в любом аналоговом или цифровой формат. В старомодном транзисторном радиоприемнике широковещательные сигналы поступают в схему радиоприемника через торчащую антенну вне корпуса.Это аналоговые сигналы: это радиоволны, путешествовать по воздуху от дальнего радиопередатчика, который вибрировать вверх и вниз по шаблону, который точно соответствует словам и музыку они несут. Так громкая рок-музыка означает больше сигналов, чем тихая классическая музыка. Радио сохраняет сигналы в аналоговой форме, так как принимает их, усиливает и превращает обратно в звуки, которые вы можете слышать. Но в современном цифровом радио все происходит по-другому. Во-первых, сигналы передаются в цифровом формате. формат - в виде кодированных чисел.Когда они приходят к вашему радио, числа преобразуются обратно в звуковые сигналы. Это совсем другой способ обработки информации и имеет как преимущества, так и недостатки. Как правило, большинство современных форм электронного оборудования (включая компьютеры, сотовые телефоны, цифровые фотоаппараты, цифровые радио, слуховые аппараты и телевизоры) использовать цифровая электроника.

Электронные компоненты

Если вы когда-нибудь смотрели на город из окна небоскреба, вы восхищались всеми крошечными строениями под вами и улицы, соединяющие их воедино множеством замысловатых способов.каждый здание имеет функцию и улицы, по которым люди могут путешествовать из одной части города в другую или посещать разные здания в поверните, заставьте все здания работать вместе. Коллекция здания, их расположение и многочисленные связи между это то, что делает динамичный город больше, чем сумма его отдельные части.

Цепи внутри электронного оборудования немного похожи на города тоже: они забиты компонентами (похожий на здания), которые выполняют разные работы, и компоненты связаны вместе кабелями или печатными металлическими соединениями (похожий на улицы).В отличие от города, где практически каждое здание уникально и даже два предположительно идентичных дома или офисных блока могут быть тонко разные, электронные схемы состоят из небольшого количества стандартные компоненты. Но, как и LEGO®, эти компоненты вместе в бесконечном количестве разных мест, поэтому они выполнять бесконечное количество разных работ.

Вот некоторые из наиболее важных компонентов, с которыми вы столкнетесь:

Резисторы

Это самые простые компоненты в любой схеме.Их задача - ограничить поток электронов и уменьшить ток или напряжение, протекающие путем преобразования электрической энергии в тепло. Резисторы бывают разных форм и размеров. Переменные резисторы (также известные как потенциометры) имеют дисковый регулятор, поэтому они измените количество сопротивления при их повороте. Регуляторы громкости в в аудиоаппаратуре используются такие переменные резисторы.

Подробнее читайте в нашей основной статье о резисторах.

Фото: Типовой резистор на плате от магнитолы.

Диоды

Электронные эквиваленты улиц с односторонним движением, диоды, пропускающие электрический ток. через них только в одном направлении. Они также известны как выпрямители. Диоды могут использоваться для изменения переменного тока (обратного тока). и далее по кругу, постоянно меняя направление) на прямое токи (те, которые всегда текут в одном направлении).

Подробнее читайте в нашей основной статье о диодах.

Фото: Диоды похожи на резисторы, но работают по-другому и делать совершенно другую работу.В отличие от резистора, который можно вставить в цепь в любом случае диод должен быть подключен в правильном направлении (соответствует стрелке на этой плате).

Конденсаторы

Эти относительно простые компоненты состоят из двух частей проводящего материала (например, металла), разделенных непроводящий (изолирующий) материал, называемый диэлектриком. Они есть часто используются в качестве таймеров, но они могут преобразовывать электрические токи и другими способами. На радио одна из самых важных работ, настройка на станцию, которую вы хотите слушать, осуществляется конденсатором.

Подробнее читайте в нашей основной статье о конденсаторах.

Фото: Маленький конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Транзисторы

Транзисторы - самые важные компоненты компьютеров. включать и выключать крошечные электрические токи или усиливать их (преобразовывать небольшие электрические токи в гораздо большие). Транзисторы, которые работают поскольку переключатели действуют как память в компьютерах, в то время как транзисторы работают поскольку усилители увеличивают громкость звуков в слуховых аппаратах.когда транзисторы соединены вместе, они образуют устройства, называемые логическими вентилями, которые могут выполнять очень простые формы принятия решений. (Тиристоры немного похожи на транзисторы, но работать по-другому.)

Подробнее читайте в нашей основной статье о транзисторах.

Фотография: Типичный полевой транзистор (FET) на электронной плате.

Оптоэлектронные (оптико-электронные) компоненты

Существуют различные компоненты, которые могут превращать свет в электричество или наоборот.Фотоэлементы (также известные как фотоэлементы) генерируют крошечные электрические токи, когда на них падает свет, и они используются как лучи "волшебных глаз" в различных типах измерительного оборудования, включая некоторые виды дымовых извещателей. Светодиоды (LED) работают наоборот, преобразовывая небольшие электрические токи в свет. Светодиоды обычно используются на приборных панелях стереосистемы. оборудование. Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), например, используемые в ЖК-телевизоры с плоским экраном и ноутбук компьютеры, являются более сложными примерами оптоэлектроники.

Фото: Светодиод, установленный в электронной схеме. Это один из Светодиоды, подающие красный свет внутри оптической компьютерной мыши.

У электронных компонентов есть нечто очень важное. Какую бы работу они ни выполняли, они работают, управляя потоком электронов. через их структуру очень точным образом. Большинство этих компонентов сделаны из цельных частей частично проводящих, частично изолирующих материалы, называемые полупроводниками (описаны подробнее в нашем статья о транзисторах).Потому что электроника предполагает понимание точные механизмы того, как твердые тела пропускают электроны через себя, это иногда называют физикой твердого тела. Вот почему вы часто будете видеть части электронного оборудования, описанные как «твердотельные».

Электронные схемы и платы

Ключ к электронному устройству - это не только его компоненты. содержит, но то, как они расположены в цепях. Простейший Возможная схема представляет собой непрерывный цикл, соединяющий два компонента, например на одно колье крепятся две бусины.Аналоговые электронные приборы как правило, имеют гораздо более простые схемы, чем цифровые. Базовый транзистор радио может иметь несколько десятков различных компонентов и печатную плату вероятно, не больше, чем обложка книги в мягкой обложке. Но в чем-то как компьютер, в котором используются цифровые технологии, схемы намного больше плотные и сложные и включают сотни, тысячи или даже миллионы отдельный пути. Вообще говоря, чем сложнее схема, тем больше сложные операции, которые он может выполнять.

Фото: Электронная плата внутри компьютерного принтера. Какие электронные компоненты ты видишь здесь? Я могу различить конденсаторы, диоды и интегральные схемы (большие черные детали, которые описаны ниже).

Если вы экспериментировали с простой электроникой, вы знаете, что Самый простой способ построить схему - просто соединить компоненты вместе с короткими отрезками медного кабеля. Но чем больше компонентов вам нужно подключать, тем сложнее становится.Вот почему дизайнеры электроники обычно выбирают более систематический способ размещения компонентов на том, что называется монтажная плата. Базовая схема доска просто прямоугольник из пластика с медными соединительными дорожками с одной стороны и участками просверленных отверстий. Вы можете легко соединить компоненты вместе протыкая их через отверстия и используя медь, чтобы связать их вместе, удаляя при необходимости кусочки меди и добавляя дополнительные провода сделать дополнительные подключения. Платы этого типа часто называется «макетной платой».

Электронное оборудование, которое вы покупаете в магазинах, развивает эту идею дальнейшее использование печатных плат, которые производятся автоматически на заводах. Точная компоновка схемы нанесена химическим способом на пластиковый платы, при этом все медные дорожки создаются автоматически во время производственный процесс. Затем компоненты просто проталкиваются предварительно просверлил отверстия и закрепил на месте своего рода электрически проводящий клей, известный как припой. Схема, изготовленная таким образом называется печатной платой (PCB).

Фото: Пайка компонентов в электронный цепи. Дым, который вы видите, исходит от плавления припоя и превращения его в пар. Синий пластиковый прямоугольник, на который я припаиваю здесь, представляет собой типичную печатную плату, и вы видите, как из нее торчат различные компоненты, в том числе связка резисторов спереди и большая интегральная схема наверху.

Хотя печатные платы - большой шаг вперед по сравнению с печатными платами с ручной разводкой, их все еще довольно сложно использовать, когда вам нужно подключить сотни, тысячи или даже миллионы компонентов вместе.Причина рано компьютеры были такими большими, энергоемкими, медленными, дорогими и ненадежными. потому что их компоненты были соединены вручную в этом по старинке. Однако в конце 1950-х инженеры Джек Килби и Роберт Нойс самостоятельно разработал способ создания электронных Компоненты в миниатюрной форме на поверхности кусочков кремния. С помощью эти интегральные схемы, это быстро стало можно выжать сотни, тысячи, миллионы, а затем и сотни миллионов миниатюрные компоненты на микросхемах кремния размером с ноготь пальца.Так компьютеры стали меньше, дешевле и намного более надежный с 1960-х годов.

Фото: Миниатюризация. Больше вычислительной мощности в микросхеме обработки, которая лежит здесь на моем пальце, чем вы бы нашли в комнате размером с комнату компьютер 1940-х годов!

Для чего используется электроника?

Электроника сейчас настолько распространена, что о ней почти легче думать. вещи, которые не используют, чем вещи, которые используют.

Развлечения были одной из первых областей, которые извлекли выгоду из радио (и позже телевидение) оба критически в зависимости от прибытия электронные компоненты.Хотя телефон был изобретен до того, как электроника была должным образом развита, современные телефонные системы, сети сотовой связи, и компьютерные сети в сердце Интернета извлекает выгоду из сложная цифровая электроника.

Попробуйте придумать что-нибудь, что не связано с электроникой и вы можете бороться. Ваш автомобильный двигатель вероятно, есть электронные схемы в нем - а как насчет спутника GPS навигационное устройство, которое подскажет, куда идти? Даже подушка безопасности в твоей рулевое колесо приводится в действие электронной схемой, которая определяет, когда вам нужна дополнительная защита.

Электронное оборудование спасает нам жизнь и другими способами. Больницы упакованы всевозможными электронными гаджетами, от пульса от мониторов и ультразвуковых сканеров до сложных сканеров головного мозга и рентгеновских машины. Слуховые аппараты были одними из первых устройств, в которых разработка крошечных транзисторов в середине 20 века, и интегральные схемы все меньшего размера позволили слуховым аппаратам стать меньше и мощнее в последующие десятилетия.

Кто бы мог подумать, что у вас есть электроны. мог бы когда-либо вообразить - изменит жизни людей во многих важных пути?

Краткая история электроники

  • 1874: ирландский ученый Джордж Джонстон Стоуни (1826–1911) предполагает, что электричество должно быть «построено» из крошечных электрических сборы.Он придумал название «электрон» примерно 20 лет спустя.
  • 1875: американский ученый Джордж Р. Кэри строит фотоэлемент, который вырабатывает электричество, когда светит Это.
  • 1879: англичанин сэр Уильям Крукс (1832–1919) разрабатывает свою электронно-лучевую трубку (похожую на старую, "ламповое" телевидение) для изучения электроны (которые тогда были известны как «катодные лучи»).
  • 1883 г .: выдающийся американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) открыл термоэлектронную эмиссию (также известную как Эдисон эффект), где электроны испускаются нагретой нитью накала.
  • 1887: немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) узнал больше о фотоэлектрическом эффекте, связь между светом и электричеством, на которую Кэри наткнулся предыдущее десятилетие.
  • 1897: британский физик Дж. Дж. Thomson (1856–1940) показывает, что катодные лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы. Вскоре их переименовали в электроны.
  • 1904: Джон Эмброуз Флеминг (1849–1945), английский ученый, создает клапан Флеминга (позже переименовал диод). Он становится незаменимым компонентом радиоприемников.
  • 1906: американский изобретатель Ли Де Форест (1873–1961), идет на один лучше и разрабатывает улучшенный клапан, известный как триод (или аудион), значительно улучшающий конструкцию радиоприемников. De Фореста часто называют отцом современного радио.
  • 1947: американцы Джон Бардин (1908–1991), Уолтер Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989) разработали транзистор в Bell Laboratories. Это революция в электронике и цифровых технологиях. компьютеры во второй половине 20 века.
  • 1958: Работая независимо, американские инженеры Джек Килби (1923–2005) из Texas Instruments и Роберт Нойс (1927–1990) из Fairchild Semiconductor (а позже и Intel) разрабатывают интегральные схемы.
  • 1971: Марсиан Эдвард (Тед) Хофф (1937–) и Федерико Фаггин (1941–) удается втиснуть все ключевые компоненты компьютера в один чип, на котором производится первый в мире универсальный микропроцессор Intel 4004.
  • 1987: американские ученые Теодор Фултон и Джеральд Долан из Bell Laboratories разрабатывают первый одноэлектронный транзистор.
  • 2008: Исследователь Hewlett-Packard Стэнли Уильямс создает первый рабочий мемристор, новый вид компонента магнитной цепи, который работает как резистор с памятью, впервые представленный американским физиком Леоном Чуа почти четырьмя десятилетиями ранее (в 1971 году).
,

цепей - Урок - TeachEngineering

Circuits - Урок - TeachEngineering

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 9 (9-11)

Требуемое время: 15 минут

Зависимость уроков: Нет

Тематические области: Физические науки, физика

Подпишитесь на нашу рассылку новостей

Резюме

Студенты знакомятся с несколькими ключевыми понятиями электронных схем.Они используют сопутствующие практические занятия, чтобы узнать о некоторых физических принципах схем, ключевых компонентах схемы и их распространении в наших домах и повседневной жизни. Студенты узнают о законе Ома и о том, как он используется для анализа схем.

Инженерное соединение

Для проектирования и создания бесконечного количества устройств и процессов, использующих электричество и схемы, инженерам требуется базовое понимание электричества и физики, лежащей в основе схем.Инженеры-электрики проектируют схемы продуктов, которые мы используем каждый день. Они также проектируют компьютеры и телекоммуникационные устройства, освещение и электропроводку для зданий, а также действующие электростанции. Инженеры-электрики занимаются энергосбережением в наших домах и на предприятиях, разрабатывая более эффективные способы проектирования и реализации схем и электронных устройств для эффективного использования и, в конечном итоге, экономии энергии.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

  • Определите электрический ток и напряжение.
  • Объясните взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением (закон Ома).
  • Перечислите несколько различных компонентов схемы.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными предметами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты имеют иерархическую структуру: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии - Технология
ГОСТ
Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Больше подобной программы

Электроны в движении

Студенты узнают о текущем электричестве и необходимых условиях существования электрического тока.Учащиеся конструируют простую электрическую схему и гальванический элемент, чтобы помочь им понять напряжение, ток и сопротивление.

Цепи: один путь для электричества

Студенты узнают, что движение заряда по цепи зависит от сопротивления и расположения компонентов схемы.В одном из связанных практических занятий студенты создают и исследуют характеристики последовательных цепей. В другом задании студенты конструируют и собирают фонарики.

Продолжайте движение

Учащиеся понимают разницу между электрическими проводниками и изоляторами и приобретают опыт распознавания проводника по свойствам материала.На практике студенты создают тестер проводимости, чтобы определить, являются ли различные объекты проводниками или изоляторами.

Оба поля одновременно ?!

В рамках продолжающегося исследования аппаратов МРТ студенты изучают последствия одновременного воздействия на заряд электрического и магнитного полей.С помощью нескольких примеров задач ученики вычисляют напряжение Холла, которое зависит от ширины пластины, скорости дрейфа и магнитного поля.

Предварительные знания

Базовые знания об электричестве, включая замкнутые и открытые цепи.

Введение / Мотивация

Знаете ли вы, почему в сотовом телефоне должна быть батарея или почему для работы компьютер должен быть подключен к сети? (Ответ: Этим устройствам для работы требуется электричество.) Знаете ли вы, что батарея или источник питания, идущий из розетки в стене, является частью электрической цепи? Когда аккумулятор вставляется в сотовый телефон или когда к нему подключен компьютер, цепь в устройстве замыкается или «замыкается», позволяя течь электрическому току.

Цепи

можно найти повсюду вокруг нас - в наших домах, школах и на предприятиях. Инженеры-электрики чаще всего связаны с разработкой схем, но они не единственные инженеры, которые работают со схемами и знают о них.Большинство инженеров должны понимать электричество и физику электрических цепей, чтобы они могли проектировать любые устройства, использующие электричество. Инженеры-механики, например, используют схемы при проектировании двигателей. Аэрокосмические инженеры используют схемы при проектировании средств управления космическими кораблями. Сегодня мы собираемся узнать о некоторых физических принципах, лежащих в основе схем, а также о некоторых ключевых компонентах, которые используются для создания схем.

Схема внутри вашего компьютера может выглядеть примерно так. Авторское право

Copyright © 2008 Denise W.Карлсон, программа ITL, Университет Колорадо в Боулдере

Чтобы начать разбираться в схемах и электричестве, давайте начнем с электрического тока. Электрический ток - это поток положительного заряда. По сути, это мера количества положительных зарядов, которые проходят через заданную границу (точку в пространстве, поперечное сечение провода и т. Д.) За единицу времени. (Примечание: в реальной цепи движущиеся заряды - это электроны, которые содержат отрицательный заряд. Следовательно, электрический ток фактически определяется как движущийся против пути, по которому проходят электроны.)

Единица электрического тока - это единица заряда ( кулон, ) в секунду. Кулон в секунду также называется ампер (А) или для краткости ампер. Ток в бытовых устройствах обычно составляет около 1 А. Однако в электронных устройствах, таких как стереосистемы и компьютеры, ток часто измеряется в миллиамперах (1 мА = 10 -3 А) или микроампер (1 мкА = 10 -6 А).

Два типа тока: переменного тока и постоянного тока .Переменный ток выходит из обычных настенных розеток в домах, школах и на предприятиях. Он называется «переменным», потому что направление тока постоянно меняется. В США переменный ток от настенных розеток составляет 60 Гц (Герц). Это означает, что ток меняет направление 60 раз каждую секунду. Постоянный ток - это ток, вырабатываемый батареями. Он всегда движется в одном направлении. Ток важен, потому что движущиеся заряды несут энергию и могут совершать работу.

Напряжение - это мера разницы электрических потенциалов между любыми двумя точками. Единица измерения напряжения - джоули на кулон (энергия на заряд), получившая название вольт (В). Электрический потенциал - это потенциальная энергия на единицу заряда (джоулей / кулон), связанная с электрическим полем. Напряжение похоже на разницу в гравитационной потенциальной энергии объекта из-за его высоты. Как и в случае с гравитационной потенциальной энергией, электрический потенциал полезен только тогда, когда мы анализируем разницу между двумя точками.Каждый раз, когда выполняется измерение напряжения, оно измеряется между двумя точками (поэтому мультиметр имеет два контакта). Напряжение также имеет так называемую полярность , или положительный и отрицательный полюсы (аналогично магниту с северным и южным полюсами). Полярность важна для определения того, поглощает ли элемент в цепи энергию или передает ее.

В качестве наглядного примера напряжения давайте посмотрим, как работает аккумулятор. Каждой батарее соответствует номинальное напряжение, например 1.5 вольт для аккумулятора D, 9 вольт, автомобильные аккумуляторы 12 вольт. Это означает, что 9-вольтовая батарея, помещенная в электронное устройство, имеет 9 джоулей электрической потенциальной энергии между двумя своими выводами. Эта батарея обеспечивает устройство 9 джоулями энергии на каждый кулон заряда, который он перемещает по длине батареи.

Теперь, когда мы определили и обсудили напряжение и электрический ток, давайте немного поговорим о схемах. Одно из основных физических соотношений, используемых для анализа всех цепей, известно как закон Ома .Закон Ома гласит, что напряжение на резисторе пропорционально току, протекающему через резистор. В форме уравнения это выглядит так:

В = ИК

, где V - напряжение на резисторе, I - ток, протекающий через резистор, а R - сопротивление резистора.

Единица измерения сопротивления - Ом (Ом). Закон Ома дает нам определение резистора. Резистор - это объект, который вызывает падение напряжения на своих выводах, чтобы противодействовать прохождению через него электрического тока.Обратите внимание, что закон Ома работает только при постоянном сопротивлении компонента. Многие компоненты, такие как лампочка или диод, не имеют постоянного сопротивления. Компоненты с постоянным R называются омическими, а компоненты, в которых R меняется, считаются неомическими. Взаимосвязи, описываемые законом Ома, дают нам возможность вычислить такие переменные, как ток через резистор или напряжение на резисторе в цепи. Закон Ома важен при анализе цепей, когда ток или напряжение на резисторе неизвестны.

В схему можно встроить несколько компонентов для различных целей. Некоторые из этих компонентов включают резисторы (любые два контактных объекта, которые обеспечивают падение напряжения, чтобы противодействовать прохождению через него тока), конденсаторы (хранят энергию в электрическом поле), индукторы (хранят энергию внутри электрического поля) и транзисторы. (обычно используется как усилитель или переключатель). Интегральная схема - это схема, которая была разработана для выполнения данной задачи и часто состоит из нескольких других компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы.Отдельные компоненты интегральной схемы все производятся на одном кристалле кремния (чипе) одновременно. И транзисторы, и интегральная схема являются неотъемлемой частью современной электронной революции, которая привела к появлению сотовых телефонов, компьютеров и многих электронных устройств, которые мы используем каждый день.

Схемы выполняют множество функций при проектировании энергоэффективных домов. Они могут быть предназначены для включения света, когда человек входит в комнату, и выключения, если никого нет рядом.Они используются для регулирования температуры воздуха внутри зданий путем управления оборудованием для отопления и кондиционирования воздуха (см. Упражнение «Проектирование термостата», чтобы студенты исследовали компоненты контура и разрабатывали свои собственные термостаты). Их даже можно использовать для контроля температуры воды, количества света, попадающего в комнату, и хранения энергии от фотоэлектрических систем для последующего использования.

Предпосылки и концепции урока для учителей

Как работают батареи

Способ получения заряда батареями - это вопрос химии.В батарее электроны движутся от положительной клеммы к отрицательной через провода и схемы устройства и обратно в положительную клемму батареи. Это называется замкнутым контуром . Когда электроны на один кулон заряда (-1,601 x 10 -19 кулонов заряда) перемещаются от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи, происходит увеличение энергии, равное 9 джоулей. Расчет для этого показан ниже, где EP - электрический потенциал.

(Примечание: значения для EP 1 и EP 2 могли быть любыми, если их разница равнялась 9, так как это напряжение батареи; как и потенциальная энергия, необходимо установить данные, на которых все остальные измерения выполняются. В случае напряжения инженеры часто используют землю или 0 вольт в качестве исходной точки отсчета. Таким образом, на одной клемме 0 EP. Кроме того, заряд отрицательный, потому что электроны имеют отрицательный заряд.) На отрицательной клемме 1 кулон заряда электронов имеет определенную энергию; после перехода к положительному выводу энергия увеличилась на 9 джоулей из-за разницы в электрическом потенциале, обнаруженном в батарее.Этот процесс показан на Рисунке 1.

Рис. 1. Как работает напряжение в батарее. Авторское право

Copyright © 2008 Тайлер Малин, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Этот расчет также включает полярность. Каждое напряжение и, следовательно, каждая батарея имеет положительную и отрицательную клеммы; отрицательный вывод - это нижний (часто заземляющий или нулевой) электрический потенциал. Если электроны в цепи текут от положительной клеммы к отрицательной клемме любого источника напряжения (как показано на рисунке 1), источник напряжения подает энергию.Но если электроны движутся в противоположном направлении, в отрицательном направлении и выходят из положительного полюса, источник поглощает энергию. Это основная идея аккумуляторных батарей.

Общие компоненты цепи

Однако каждая цепь в мире состоит не только из источника напряжения (например, батареи) и одного или двух резисторов. Могут быть добавлены многочисленные компоненты схемы, позволяющие решать некоторые увлекательные задачи. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных компонентов схемы.

Конденсаторы - это компоненты, накапливающие энергию в электрическом поле. Это часто достигается за счет одинаковой, но противоположной зарядки двух параллельных пластин. В этом случае одна пластина имеет избыток протонов, а другая - электронов. Этот сценарий приводит к возникновению электрического поля между двумя пластинами из-за разницы в заряде. Это электрическое поле накапливает энергию для последующего высвобождения. Конденсаторы не могут создавать энергию, они просто накапливают энергию, полученную при протекании тока между пластинами.На рис. 2 показан весь процесс, от момента, когда конденсатор впервые накапливает заряд и, следовательно, энергию, до полного заряда.

Рис. 2. Конденсатор с параллельными пластинами, заряжаемый батареей. Авторское право

Авторское право © 2008 Тайлер Малин, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Емкость (C) конденсатора является важной величиной, связанной с конденсаторами. Определяется как отношение заряда (Q) к напряжению конденсатора:

Единица измерения емкости - фарад, определяемый как 1 кулон на вольт.Большинство конденсаторов никогда не имеют емкости в одну фараду, и часто большинство конденсаторов измеряется в микрофарадах (мкФ). Одно из классических применений конденсатора - вспышка камеры. Энергия для создания вспышки хранится в конденсаторе. Чтобы создать вспышку при фотографировании, конденсатор разряжается, высвобождая накопленную энергию в виде света.

Катушки индуктивности - это обычные компоненты схемы, которые используют магнитное поле для хранения энергии. Индукторы чаще всего создаются путем наматывания катушки проволоки вокруг сердечника, называемого соленоидом.Они используются для создания индуктивности . Индуктивность аналогична конденсатору, а емкость - способ измерения количества энергии, хранящейся в магнитном поле, создаваемом, когда ток проходит через катушки соленоида. Единица индуктивности - генри (H). В отличие от резисторов и напряжения, уравнения, определяющие физику катушек индуктивности и конденсаторов, требуют знания исчисления одной переменной, что является более сложным, чем этот урок.

Транзисторы - это компоненты схемы, изготовленные из полупроводника (материала, который иногда действует как изолятор, а иногда как проводник) и часто используются в качестве усилителя или переключателя.Транзисторы считаются строительными блоками для всех современных электронных устройств, включая компьютеры и сотовые телефоны. Они часто встречаются в интегральных схемах; например, усовершенствованный микропроцессор в компьютере содержит более 1,7 миллиарда транзисторов. Они являются самой большой причиной развития электроники в 20, 90–116-м, 90–117 веке.

Интегральные схемы - распространенные компоненты электронных схем. Эти специализированные схемы предназначены для выполнения определенной задачи и часто состоят из нескольких других компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транзисторы и диоды.Отдельные компоненты интегральной схемы все производятся на одном кристалле кремния (чипе) одновременно. Примеры интегральных схем включают операционные усилители, микропроцессоры и логические схемы. Все более эффективное и быстрое производство интегральных схем привело к низкой стоимости каждой микросхемы, что открыло путь для быстрого технического прогресса электронных устройств.

Сопутствующие мероприятия

Закрытие урока

Сегодня мы начали изучение цепей с того, что сначала узнали об электрическом токе и напряжении.Какое важное математическое выражение в физике связывает напряжение и ток? Правильно - закон Ома, который описывает взаимосвязь между током и напряжением и дает нам определение резистора.

Схемы - это основа электроники. Без схем у нас не было бы многих вещей, которые мы принимаем как должное в повседневной жизни. Цепи также подходят для автоматизации процессов и повышения энергоэффективности за счет управления многими рутинными задачами.Могут быть разработаны цепи для включения света, когда человек входит в комнату, и выключения его после того, как люди ушли. Они могут регулировать и контролировать системы отопления и охлаждения для создания желаемой температуры воздуха в домах и зданиях. Они могут сказать вашему компьютеру, когда выключить экран, если он не использовался какое-то время. Что еще вы знаете о схемах?

Словарь / Определение

переменный ток: ток, который постоянно меняет направление, например, электрический ток, доступный через настенные розетки в наших домах и на предприятиях.

ампер: единица измерения электрического тока. Определяется как 1 кулон в секунду.

емкость: способность электрического поля в конденсаторе накапливать энергию. Основное измерение конденсаторов. Определяется как соотношение заряда и напряжения конденсатора.

конденсатор: компонент схемы, который хранит энергию внутри электрического поля.

замкнутая цепь: цепь, по которой течет ток.

кулон: единица измерения заряда.

постоянный ток: ток, который движется только в одном направлении, например ток, поступающий от батареи.

электрический ток: поток положительных зарядов через проводник (провод, пластину, электрическое поле).

электрический потенциал: мера потенциальной энергии, содержащейся в электрическом поле.

фарад: Единица измерения емкости или электрической емкости.Назван в честь физика-инженера Майкла Фарадея.

индуктивность: способность магнитного поля накапливать энергию. Основная мера индуктора.

индуктор: компонент схемы, который хранит энергию внутри магнитного поля.

Интегральные схемы: схемы, построенные на кремниевом кристалле или микросхеме, которые содержат множество общих схемных компонентов и предназначены для выполнения определенных задач.

Закон Ома: утверждение о физическом соотношении, согласно которому для любой цепи сила электрического тока (I) прямо пропорциональна напряжению (V) и обратно пропорциональна сопротивлению (R) цепи.V = ИК

сопротивление: мера способности объекта ограничивать прохождение тока через него.

резистор: любые два контактных объекта, которые обеспечивают падение напряжения, чтобы противодействовать прохождению через него тока.

Транзистор: полупроводник, который обычно используется в качестве усилителя или переключателя. Это строительный блок всех современных схем, включая компьютеры и сотовые телефоны.

вольт: единица измерения напряжения.Определяется как джоуль на кулон.

напряжение: мера разницы в электрическом потенциале между двумя точками в электрическом поле.

оценка

Оценка перед уроком

Вопрос для обсуждения : запрашивайте, объединяйте и обобщайте ответы студентов, записывая их ответы на доске. Спросите у студентов:

  • Что вы используете каждый день с электрическими цепями? (Возможные ответы: компьютеры, мобильные телефоны, плееры iPod, стереосистемы, телевизоры, автомобили и т. Д.)

Оценка после введения

Мозговой штурм : В классе предложите учащимся провести открытое обсуждение. Напомните им, что в ходе мозгового штурма нет «глупых» идей или предложений. Все идеи следует с уважением выслушать. Занять некритическую позицию, поощрять дикие идеи и препятствовать критике идей. Попросите учащихся поднять руки, чтобы ответить. Напишите их идеи на доске. Спросите у студентов:

  • Как можно использовать электрические цепи, чтобы сделать устройство или дом более энергоэффективным? (Возможные ответы: цифровой термометр с точкой включения / выключения, схема, которая автоматически выключает свет, когда он не нужен, заставки компьютера / монитора / копира / спящий режим, которые потребляют меньше энергии, если какое-то время неактивны, автоматический кофе горшок, который отключается сам по себе и т. д.)
  • Многие автоматические процессы используют схемы для выполнения задачи. Термостаты, автоматические выключатели света, двигатели и домашние системы безопасности используют электрические цепи. Помимо обычных электронных устройств, таких как стереосистемы, плееры iPod, компьютеры, сотовые телефоны, видеоигры, телевизоры, DVD-плееры, какие еще в нашем мире устройства используют схемы? (Возможные ответы: автомобили, термостаты, автоматические выключатели света, спринклерные системы, автоматические двери, светофоры, кнопки перехода, пульты дистанционного управления, голосовая почта, двигатели, выключатели домашней безопасности, сборочные линии / фабрики / заводы и т. Д.)

Этот цифровой термостат регулирует отопление и охлаждение дома для обеспечения эффективного использования энергии. Авторское право

Copyright © 2008 Дениз В. Карлсон, Программа ITL, Университет Колорадо в Боулдере

Итоги урока Оценка

Math Application : Напишите на доске уравнение I = V ÷ R. Напомните студентам, что это называется законом Ома. Объясните, что I = ток = поток электрического заряда через цепь (он остается постоянным в замкнутой цепи), V = напряжение = используемые батареи и R = сопротивление = используемые лампы.Предложите студентам ответить на следующие вопросы с точки зрения закона Ома:

Чтобы повысить энергоэффективность своего дома, семья из Колорадо установила на крыше солнечную панель. Они хотят добавить еще одну солнечную панель, чтобы увеличить свою способность накапливать энергию на зиму.

  • Что происходит с током (I), когда они добавляют еще одну солнечную панель (V)? (Ответ: ток увеличивается.)
  • Что происходит с током (I), когда они добавляют прибор в свою цепь (R)? (Ответ: ток уменьшается.)
  • Что происходит с током (I), когда у них открытый переключатель? (Ответ: ток (I) = 0, поскольку электроны не могут двигаться по цепи.)

Мероприятия по продлению урока

Поручите студентам изучить различные типы термостатов. Существует несколько типов электрических и механических термостатов. Попросите их описать, как работает цифровой термостат.

Инженеры-электрики часто работают с элементами управления системами, включая элементы управления телекоммуникациями.Вовлеките студентов в обсуждение телекоммуникаций и их важности в современном обществе.

Ссылки

Hambley, Allan R., Электротехника: принципы и приложения, Третье издание. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Education Inc., 2005 г.

авторское право

© 2007 Регенты Университета Колорадо.

Авторы

Тайлер Малин; Лорен Купер; Малинда Шефер Зарске; Дениз В. Карлсон

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Подтверждения

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано за счет гранта Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), U.S. Министерство образования и Национальный научный фонд ГК-12, грант No. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 27 февраля 2020 г.

,

3 правила работы схемы | ОРЕЛ

Приветствую новых инженеров. Это прекрасное место для начала с простой схемы, которая составляет строительный блок для каждой электроники в нашем мире. После того, как вы полностью поймете, вы будете готовы начать собственное путешествие по их разработке и устранению неисправностей самостоятельно.

Строительные блоки схемы

Перед тем, как погрузиться в полную схему, разумно сначала поразмыслить над отдельными частями, составляющими целое, такими как поток, нагрузка и проводимость.Мы разбили эти принципы на три основных правила:

  • Правило 1 - Электричество всегда будет течь от более высокого напряжения к более низкому.
  • Правило 2 - У электричества всегда есть работа, которую нужно сделать.
  • Правило 3 - Электричество всегда требует пути.

Правило 1. Все дело в потоке

Каждой электронной схеме нужен источник питания, будь то батарея AA, которую можно вставить в контроллер Xbox One, или что-то более мощное, например настенная розетка, которая может питать большое количество устройств.Электроэнергия, выходящая из этих источников, измеряется напряжением или вольтами, или просто В.

Да, мы говорим о таком напряжении! Когда он достаточно высок, это может нанести серьезный ущерб.

Независимо от того, откуда течет эта энергия, ее цель всегда одна - переходить из одной области в другую и в процессе выполнять некоторую работу, например, заряжать компьютер или включать свет.

Основным компонентом этого потока энергии является то, что электричество всегда, хочет течь от более высокого напряжения к более низкому напряжению.Всегда. Это называется потенциалом . Можно сказать, что это потенциальное электричество, которое должно перемещаться из одного района в другой.

Поток высокого (положительного) напряжения в низкое (отрицательное) напряжение.

Как это соотносится с нашим реальным миром? Возьмем для примера простую батарею:

  • Батарея имеет две стороны, отрицательная сторона - это низкое напряжение при измерении 0 В, положительная сторона - высокое напряжение, при измерении при 1,5 В.
  • Энергия всегда будет вытекать из положительной стороны батареи, чтобы перейти к отрицательной стороне, чтобы найти баланс.
  • Для этого он должен протекать по чему-то, обычно по медному проводу, и выполнять при этом некоторую работу, например, включать свет или вращать двигатель.

В конце концов, все электричество хочет найти равновесие на земле (0v). Единственный способ сделать это в батарее - сместить положительный полюс на отрицательный. Мы извлекаем выгоду из этого естественного стремления к энергии, размещая некоторые объекты так, чтобы они проходили через них, что позволяет нам включать свет, двигатели, а также включать и выключать транзисторы в компьютере.

Все это составляет Правило 1 - Электричество всегда будет хотеть течь от более высокого напряжения к более низкому напряжению. Помните это; это никогда не изменится.

Правило 2 - Начало работы

Итак, у вас может быть электричество, которое хочет перетекать с более высокого напряжения на более низкое, но какой в ​​этом смысл? Единственная причина заставить электричество течь - это немного поработать. Этот процесс, когда электричество выполняет работу в цепи, называется нагрузка .Без нагрузки или работы с электричеством нет смысла иметь цепь. Нагрузка может быть чем угодно, например:

  • Spinning двигатель, который вращает пропеллеры дрона.
  • Включение светодиода на кабеле для зарядки, чтобы указать, что ваш ноутбук подключен.
  • Подключение гарнитуры к ноутбуку по беспроводной сети для прослушивания музыки.

В этот сезон электрическая нагрузка бывает разных форм, одна из которых питает эти светодиоды.(Источник изображения)

Обратите внимание, что все эти нагрузки являются действиями. Электричество всегда заставляет происходить что-то физическое, даже если мы не можем увидеть это собственными глазами. Но почему это называется нагрузкой? Вы можете думать об этом как об обузе для всего, что питает вашу схему. Для вращения мотора требуется электричество, и это забирает у вашего источника питания энергию, которая раньше была у него.

Помните Правило 2 - У электричества всегда есть работа, которую нужно выполнить . Без работы схема бесполезна.

Правило 3 - Следование по пути

Третье и последнее правило - это то, что делает возможными первые два правила - электричеству нужен путь для передвижения. Этот путь действует как своего рода посредник. Допустим, вы подключаете зарядное устройство ноутбука к розетке, а затем к ноутбуку. Очевидно, он заряжается, но без этого шнура между компьютером и розеткой ничего бы не произошло.

Это потому, что электричеству нужен путь, по которому можно добраться из одного пункта назначения в другой.И путь всегда одинаковый:

  • Электроэнергия - Электричество всегда исходит от источника, такого как батарея или розетка.
  • Journey - Затем он путешествует по тропе, выполняя свою работу по пути.
  • Назначение - Затем он прибывает в конечный пункт назначения, находя покой в ​​точке с самым низким напряжением.

Этот путь, по которому проходит электричество, состоит из так называемого проводящего материала, который состоит из обычных металлов, таких как медь, серебро, золото или алюминий.Электроэнергетика любит ездить на этой фигне. Электричество также очень избирательно, и оно не мешает путешествовать по дорожкам, сделанным из индуктивных материалов. Сюда входят такие вещи, как резина, стекло и даже воздух.

Видите все эти медные провода? Электричество любит путешествовать по этому проводящему материалу.

Запомните Правило 3 - Электричеству всегда нужен путь для проезда по . Без пути он никуда не денется.

Собираем все вместе - полная схема

Давайте теперь объединим все эти правила в полное определение схемы.

Цепь - это просто путь, по которому может течь электричество.

И с помощью этой простой концепции мужчины и женщины начали строить безумно сложные цепи, которые отправили человечество в космос и в глубины наших глубочайших океанов. А пока постараемся упростить задачу и составим нашу первую схему. Вот что вам понадобится, если вы хотите продолжить:

  • (1) аккумулятор 9 В
  • (1) резистор 470 Ом
  • (1) Стандартный светодиод
  • (3) Измерительные провода с зажимами типа «крокодил»

Шаг 1 - Добавление источника питания

Возвращаясь к нашему правилу трех, первое гласит, что электричество всегда будет течь от более высокого напряжения к более низкому.Итак, это означает, что нам нужен какой-то источник питания в этой цепи, мы добавим нашу батарею на 9 В.

Начало нашей схемы начинается с батареи 9 В.

Правило 1 теперь выполнено. У нас есть какой-то источник питания, у которого высокое напряжение на положительном конце (+) и 0 В на отрицательном конце (-). Но все это электричество будет потрачено зря, если мы не будем с ним что-то делать, поэтому давайте дадим ему немного работы (нагрузку).

Шаг 2. Добавление работы

Теперь мы хотим, чтобы электричество поработало за нас, прежде чем оно успокоится, поэтому давайте включим простой светодиодный индикатор.Скорее всего, вы видели это повсюду: на своей елке, фонариках, лампочках и т. Д. Итак, мы возьмем этот светодиод и поместим его с другой стороны нашей батареи.

Единственное, что следует упомянуть о светодиодах, это то, что они действительно чувствительны и не могут пропускать слишком много энергии, поэтому нам нужно добавить так называемый резистор. Мы не будем вдаваться в подробности сейчас, но просто знаем, что резистор будет действовать, как сказано в его названии, - сопротивляться потоку электричества, достаточному для того, чтобы наш светодиод справился с ним. Поместим резистор слева от светодиода.

Добавляем немного работы в нашу схему с помощью светодиода и резистора.

Отлично, Правило 2 выполнено, и у нашего электричества есть над чем поработать. Но у него нет возможности завершить свою работу без пути, давайте добавим это сейчас.

Шаг 3 - Предоставление пути

Эта деталь проста, нам просто нужно соединить зажимы типа «крокодил» между всеми компонентами нашей схемы. Если вы все сделаете правильно, то ваш светодиод будет ярко светить! Помните, что при подключении проводов к батарее всегда подключайте сначала положительный конец, а затем отрицательный.Посмотрите на картинку ниже, чтобы увидеть, как все это должно быть связано вместе.

Теперь у нашего электричества есть проход с добавленными зажимами из крокодиловой кожи

Типы цепей

Теперь, прежде чем вы выбегаете на волю и строите свои собственные схемы, вам нужно знать о двух способах описания схемы, один из которых может испортить жизнь вашей схемы, они включают:

Замкнутый или открытый контур

Цепь считается замкнутой цепью , когда есть полный путь, по которому может проходить электричество.Это также называется полной схемой. Теперь, если ваша цепь не работает должным образом, это означает, что это разомкнутая цепь . Это может быть вызвано несколькими причинами, включая неплотное соединение или обрыв провода.

Вот простой и наглядный способ понять разницу между замкнутой и разомкнутой цепями. Посмотрите на схему ниже и обратите внимание, что это та же самая цепь, которую мы создали выше, только теперь в ней есть переключатель.

Вот схема цепи, которую мы сделали выше.Обратите внимание на добавление переключателя.

Прямо сейчас переключатель поднят, и вы увидите, что электричество не имеет плавного пути, так как переключатель разрывает соединение. Это разомкнутая цепь. Но что будет, если щелкнуть выключателем?

Теперь наш выключатель срабатывает, замыкая цепь, позволяя электричеству течь к нашему светодиоду!

Ага! Теперь вы просто проложили полный путь для вашего электричества, и ваш светодиод включится! Это замкнутая схема.

Короткое замыкание

Затем короткое замыкание . Если вы не даете своей схеме никакой работы, но все же обеспечиваете некоторую мощность, приготовьтесь к некоторым проблемам. Посмотрите на нашу схему ниже, мы вынули светодиод, резистор и переключатель, оставив только медный провод и батарею.

Вот цепь, которая скоро станет коротким замыканием! Без какой-либо работы эта батарея скоро сгорит.

Если мы соединим эту штуку вместе в ее физической форме, то аккумулятор и провод станут очень горячими, и в конечном итоге батарея разрядится.Почему это происходит? Когда вы даете электричеству некоторую работу в цепи, такую ​​как зажигание светодиода или вращение двигателя, это ограничивает количество электричества, которое будет проходить через вашу цепь.

Но в ту минуту, когда вы убираете из своей цепи какую-либо работу, электричество сходит с ума и бежит по своему пути на полной скорости, и ничто не сдерживает его. Если вы позволите этому случиться в течение длительного периода времени, то окажетесь с поврежденным источником питания, разряженной батареей или, может быть, что-то еще хуже, например, пожар!

Ух ты! Не пытайтесь сделать это дома.Вот здоровенная батарея фонаря на 12 В, замкнутая во имя науки. (Источник изображения)

Итак, если вы когда-либо работали с цепью, и ваш провод или батарея сильно нагреваются, тогда немедленно выключите все и ищите любые короткие замыкания.

Ты теперь опасен

Итак, молодой мастер электроники, теперь у вас есть вся информация, необходимая для управления скромной схемой. Поняв, как работает схема, вы скоро сможете выполнять проекты любых форм и размеров.Но перед тем, как начать собственное путешествие, вспомните Руководящее правило троек:

.

  • Правило 1 - Электричество всегда будет течь от более высокого напряжения к более низкому.
  • Правило 2 - У электричества всегда есть работа, которую нужно сделать.
  • Правило 3 - Электричество всегда требует дороги.

И если ваша схема когда-нибудь станет очень горячей, выключите ее! У вас короткое замыкание.

Готовы построить свою первую схему сегодня? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно.

,

Смотрите также