Освой Arduino играючи

Сайт Александра Климова

Шкодим

/* Моя кошка замечательно разбирается в программировании. Стоит мне объяснить проблему ей - и все становится ясно. */
John Robbins, Debugging Applications, Microsoft Press, 2000

Кратко об электрической цепи

Батарейка, лампочка и провода (можно ещё добавить переключатель) - простая электрическая цепь. Необходимо отметить, что цепь представляет собой замкнутый круг. Лампочка зажжётся лишь в том случае, если контур от батареек к лампочке, далее к переключателю и обратно к лампочке будет непрерывным. Достаточно любого разрыва — и лампочка погаснет. Выключатель нужен для того, чтобы управлять этим процессом.

Самый распространённый материал для проводов - это медь. Сопротивление меди невелико, но оно присутствует. Чем длиннее провод, тем выше его сопротивление. Если бы вы попытались зажечь фонарик с проводами длиной в несколько километров, то их сопротивление оказалось бы чрезмерным, и фонарик бы не работал.

Чем толще провод, тем ниже его сопротивление. Это может показаться странным. Кажется, что чем толще провод, тем больше нужно электричества, чтобы его «наполнить». На самом деле в толстом проводе доступно гораздо больше электронов, образующих электрический ток.

Что такое ток?

Ток - это кот наоборот. Действительно, если прочитать слово задом наперёд, то получим кота. Принято считать, что направление тока направлено от положительного полюса к отрицательному, хотя на самом деле электроны движутся от отрицательного полюса к положительному. Получается, что по проводам идёт не ток, а кот. Точнее, много котов.

Кот бежит по цепи

Постоянный ток

У батареи два полюса: положительный и отрицательный. Электроны всегда движутся от одного полюса к другому и не могут изменить своего направления. Такой ток, направление которого не меняется во времени, называется постоянным. Направление движения электронов не изменяется, само значение напряжения меняется медленно или не меняется вовсе – все неизменно. Постоянный ток обозначается как «DC», что на английском означает «direct current», или «постоянный ток».

В любительской электронике в основном используется постоянный ток для опытов.

Переменный ток

Полярность напряжения и направление движения электронов при протекании в цепи переменного тока постоянно изменяются. Переменный ток на английском языке называется «alternating current» и поэтому обозначается сокращением «AC» или волнистой линией (синусоидой).

Напряжение

Электрическое напряжение – это сила, которая «двигает» электроны по проводу. Для явлений, связанных с передачей электрического тока, обычно используют аналогию с водой, которая течёт по трубе. Объем воды в сосуде соответствует напряжению в батарее. Соответственно, как объем воды обозначается в литрах, для напряжения также существует мера измерения: вольты. Эта единица измерения обозначается большой буквой «V» (или «В» на русском). В формулах для обозначения величины напряжения используется буква «U».

Короткое замыкание

Если соединить положительную и отрицательную клемму стандартной батареи коротким отрезком медной проволоки, то получим короткое замыкание (short circuit). Само словосочетание указывает на смысл, хотя многие не задумываются о его значении. Напряжение батареи равна 1,5 вольта, но сопротивление очень низкое. Узнаем силу тока, разделив 1,5 вольта на очень малое значение. Сила тока получится огромной. По проводу побежит "армия" электронов (очень много котов). Фактическое значение силы тока ограничено физическим размером батареи. Вероятно, батарея окажется не в состоянии выдать ток такой силы, и напряжение упадёт ниже 1,5 вольта. Если батарея окажется достаточно велика, то провод разогреется, поскольку электрическая энергия станет превращаться в тепловую. Если провод нагреется слишком сильно, он может раскалиться и даже расплавиться.

На этом принципе превращать электрическую энергию в тепловую основана лампа накаливания.

Измерение напряжения и силы тока

Для измерения напряжения мультиметр должен присоединяться параллельно участку цепи, а для измерения тока прибор должен быть включён последовательно в измеряемую цепь.

Принципиальные схемы

Чтобы описать подключения, в электронике используют так называемую электрическую принципиальную схему. Это специальный чертёж, в котором используются единые международные символы для всех электрических компонентов. Некоторые символы в разных странах отличаются.

Не имеет значения, где на схеме располагаются отдельные компоненты, однако, соединяя их, нужно стремиться создать как можно меньше изгибов в соединительных линиях.

Для электрических соединений используют только горизонтальные и вертикальные линии. Это правило можно нарушать лишь в тех редких случаях.

Символ любого компонента можно поворачивать на угол, кратный 90 градусам.

По возможности, необходимо располагать источники питания и внешних сигналов слева, причём отрицательный полюс – внизу.

Каждый компонент относится к определённому типу. Символам компонентов каждого типа (резисторы, диоды, транзисторы, лампочки и т. д.) присваивается определённая буква. Для этого существует норма (DIN EN 81346-2), но часто используют старый стандарт (DIN 40 719-2). Это иногда приводит к путанице. Если в схеме используется несколько компонентов одного типа, за буквой пишется номер, при этом компоненты нумеруются по порядку возрастания слева направо.

Электрическая принципиальная схема не является образцом для расположения компонентов на макетной плате или готовом изделии. Если батарея указана на схеме слева, в реальной конструкции она может находиться справа или под лампой накаливания. На принципиальной схеме показаны только электрические соединения между компонентами, чтобы облегчать понимание принципов работы схемы.

Пересекающиеся соединения без электрического подключения друг к другу изображаются на принципиальной схеме в виде простого пересечения. На старых чертежах все пересечения, не являющиеся соединениями, были более наглядно оформлены в виде небольшой дуги, символически обходящей пересекаемую линию. Однако нарисовать таким образом много линий достаточно сложно.

Причиной отказа от обходящей дуги для изображения пересечений без электрического соединения стало повсеместное развитие чертёжных компьютерных программ, CAD. Внедрить в конце 70-х в программу логику вырисовывания дуги над пересекаемой линией, так чтобы эту дугу было видно на мониторах того времени, оказалось трудной задачей. А вот раньше, в 50–70-е годы, дугу над пересекаемой линией рисовали из-за низкого полиграфического качества печати. Чертёж, нарисованный карандашом или тушью на бумаге, фототипировался, при этом отличить пересечение с точкой от просто пересечения было бы невозможно, приходилось рисовать пересечение с дугой. Получается, разные эпохи развития техники диктовали свои условия.

По современному стандарту изображения принципиальных схем, в тех случаях, когда линия имеет электрическое подключение к другой линии, в месте их пересечения ставится жирная точка. При соединении более двух компонентов или в месте ответвления линии тоже ставится жирная точка. Собственно говоря, ответвления фактически представляют собой три компонента, а именно три линии. Соприкасающиеся пересечения представляют собой четыре компонента (например, провода).

Последовательное соединение

В последовательном соединении во всех элементах схемы течёт одинаковый ток.

При измерении напряжения определяется, на какую величину падает напряжение, проходя через компонент. Поэтому измерять напряжение следует в разных места. Например, на схеме из двух лампочек и батареи можно измерить напряжение у каждой лампочки и у батарейки. При последовательном соединении падения напряжения на лампочках суммируются друг с другом, и их сумма равна общему падению напряжения в цепи или напряжению на выводах батареи (учитывая погрешность).

При последовательном соединении две лампы будут светить вполнакала, так как они забирают часть напряжения.

Параллельное соединение

Если лампочки подключить параллельно, светить они будут ярче. При параллельном включении элементов напряжение на выводах любых соединённых компонентов одинаково. Частичные токи в параллельном включении суммируются, давая величину общего тока.

Закон Кирхгова

Существуют сложные электрические схемы, которые являются комбинацией из последовательных и параллельных цепей, называемые разветвлёнными цепями.

Немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф сформулировал два важных правила, с помощью которых можно рассчитать токи и падения напряжений для произвольных разветвлённых электрических цепей. Чтобы понять и рассчитать схемы, их необходимо разложить по частям на небольшие структурные блоки, которые называются замкнутые контуры. Оба правила используются для того, чтобы полностью определить значения всех токов и напряжений в схеме. Если правильно использовать оба правила в каждой точке соединения трёх и более линий тока (такая точка соединения называется узлом, а линии – ветвями), то можно быть уверенным, что все токи и напряжения могут быть определены.

Первый закон Кирхгофа: Сумма входящих токов в узле электрической цепи равна сумме выходящих токов.

Второй закон Кирхгофа: В замкнутой цепи с током сумма падений напряжений на всех участках цепи равна нулю.

Урок 14. Законы Кирхгофа простыми словами с примерами - YouTube

Реклама