Книга является практическим введением в изучение начал радиоэлектроники с помощью компьютера и самостоятельного технического творчества. В популярной форме рассказывается о радиоэлектронике, поясняется смысл используемых понятий и явлений, приводятся занимательные эпизоды из истории изобретений и открытий. Основу практической части составляют описания простейших и в тоже время интересных и полезных самоделок из электронных наборов Мастер КИТ. Даются подробные советы по их сборке, наладке и применению в быту. Параллельно принципы действия рассматриваемых устройств раскрываются путем моделирования их схем на компьютере в простой программе игрового типа - Electronics Workbench.
Для широкого круга читателей, которые хотели бы подружиться с радиоэлектроникой, сев за компьютер и взяв в руки паяльник.
Содержание:
Предисловие 1
1. ЗАГЛЯНЕМ ВНУТРЬ 1
Путеводитель по электронным компонентам 1
1.1. Простейшие компоненты 2
1.2. Основные электронные компоненты 7
1.3. Дополнительные компоненты 15
1.4. Вспомогательные компоненты 23
2. МИР РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 25
2.1. Электроника виртуальная и реальная 25
2.2. С чего начинается радио 33
3. ЭЛЕКТРОННЫЙ ДОМ 41
3.1. Незаменимые помощники 41
3.2. Охрана и сигнализация - не шутки 42
3.3. Раскрывая тайны 51
3.4. Погода в доме 55
3.5. Рукотворный праздник 61
Приложение 64
Список принятых сокращений 64
Ресурсы Интернет 64
Список литературы 65
Кардашев Генрих Арутюнович
"Радиоэлектроника - с компьютером и паяльником"
Массовая радиобиблиотека
Выпуск 1276
Предисловие
Видеть и делать новое - очень большое удовольствие.
Вольтер
Открыв обложку этой книги, мы приоткрываем дверь, ведущую в загадочную страну с певучим названием "Ра-ди-о", ощущая ритм ее сердца-столицы: "Э-лек-тро-ни-ка". Люди более ста лет назад открыли этой чудесный край, и теперь мы все время живем в нем, смотря "видак", общаясь через "сотовый" и без устали молотя по клавиатуре терпеливого ПК.
"Но что же находится внутри этих умных устройств? Как они устроены? Нельзя ли сделать что-либо такое же или еще лучше самому?" Хотелось бы во всем этом разобраться.
Народная мудрость гласит: "Клин клином вышибают". Следуя ей, будем для постижения тайн электроники использовать саму электронику, ее высшее достижение - Компьютер.
Издавна инженеры и ученые для изучения и разработки устройств использовали различные модели. Одной из таких моделей и является принципиальная электрическая схема. Вот если бы только она была говорящей да показывающей, что там происходит в этой "мешанине" резисторов, да транзисторов. Это было бы чудо, но оно стало возможным: теперь это "обыкновенное чудо". Чтобы его совершить, вовсе не надо быть волшебником, а надо иметь ПК и установить на него какую-либо простейшую схемотехническую программу, например, Electronics Workbench ("Электронная лаборатория"), называемую далее EWB .
Заранее не пугайтесь слова "моделирование" - оно носит характер обычной компьютерной игры, но только с электронными компонентами. Правила, по которым происходит эта игра и есть правила моделирования электронных устройств в виде виртуальных схем-моделей, набираемых на компьютере.
Сегодняшний радиолюбитель без компьютера, это как прежний - без паяльника. Нет, сомнений, что читатели обладают навыками работы на ПК в Windows и смогут работать с книгой не "всухую" или не "вслепую", а параллельно с набором рассматриваемых схем на компьютере.
Это в части теории, но ее надо обязательно подкрепить практикой. Поэтому периодически откладываем в сторонку компьютерную мышь и вооружаемся паяльником. Выбор объекта является произвольным, но он обязательно привязан к какому-либо реальному устройству. Наиболее удобными в этом плане представляются наборы Мастер КИТ , позволяющие все пощупать своими руками, создать что-то полезное "для дома, для семьи" или для души, а в паре с компьютерным моделированием - и для ума. Для более систематического изучения электроники и компьютерного моделирования можно обратиться к двум ранее вышедшим нашим книгам по аналоговым и цифровым устройствам или иным источникам.
В данной книге популярно рассказывается, как собрать простейшие и в то же время интересные электронные самоделки, отладить их работу, одновременно выясняя принцип действия. Несомненно, на предлагаемом пути могут встретиться трудности: не всегда виртуальные модели и реальные устройства будут работать "как часы". "Не ошибается только тот, кто ничего не делает", хотя это и есть основная ошибка: ничего не делать.
В связи с использованием графического интерфейса конкретной компьютерной программы и схем-вкладышей, прилагаемых к наборам, между ними может наблюдаться некоторый диссонанс в условно-графических обозначениях. Кроме того, наборы совершенствуются, и меняется их элементная база. Однако это не изменяет существа и требует лишь дополнительного внимания. "Тяжело в учении". Зато, когда устройства заработают, можно радостно воскликнуть победное: "Ура!". И вот еще дымится паяльник, но уже "подмигивают" светодиоды, играет музыка, невидимые лучи сторожат ваше жилище… Это, безусловно, здорово - создать что-то своими руками и не менее интересно что-то постигнуть своим умом и открыть (пусть даже лишь для себя) заново.
Книгой можно пользоваться вместе с товарищами, а также при организации работы любительских кружков. Мы будем рады оказать Вам необходимую консультационную помощь в случае возникновения вопросов в данной области.
Итак, у нас наготове два конструктора: виртуальный и реальный, неведомая сила влечет нас. Включаем компьютер и паяльник.
Смело, вперед!
1. ЗАГЛЯНЕМ ВНУТРЬ
Переход от принципиальной схемы к ее практической реализации не прост. Объясняется это столь большим разнообразием типов и их модификаций, что человек, не знакомый с их особенностями, зачастую может стать в тупик.
Жан-Франсуа Машу.
Путеводитель по электронным компонентам
Функционирование и характеристики любого электронного устройства заложены в его "внутренностях", главным образом в компонентах , из которых оно изготовлено, и схемотехнике , т. е. способе соединения компонентов. Конечно, окончательная работоспособность устройства зависит и от многих других факторов: конструктивных особенностей, вида и качества сборки, внешних условий, режимов эксплуатации и т. п. Однако это все вторичные факторы, а первичными являются компоненты - "внутренние органы" и схемотехника, своеобразная "электроанатомия" устройств, раскрывающая взаимосвязь этих "органов". На радиолюбительском жаргоне это, соответственно, "радиодетали" и "схемы".
Вначале мы разберем электронные устройства по "косточкам" - компонентам, пощупаем их. "Вскрытие покажет" - любят говорить врачи. Мы же посмотрим, как устроены детали, попробуем их на вкус, запах и цвет, вспомним, как они рождались. Позже научимся составлять из них "живые" электронные устройства: виртуальные и реальные.
В виртуальных устройствах, моделируемых на компьютере, используется специальный графический язык, на котором реальные компоненты замещены на их условно-графические обозначения (УГО), а устройство "работает-живет" на дисплее в виде некоторой схемной модели. Поэтому, наряду с описанием реальных компонентов, приводятся их изображения на схемах, как в российском ГОСТ, так и в европейском стандарте DIN, принятом в одном из вариантов установки программы EWB .
Основу классификации компонентов составляют их физические характеристики и функциональное назначение в электронных устройствах.
Все радиоэлектронные компоненты можно очень условно разделить на несколько групп.
Простейшими являются батареи, резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки и трансформаторы.
К основным компонентам относятся электровакуумные, полупроводниковые и оптоэлектронные приборы. Среди них главенствующее положение занимают интегрированные устройства: микросхемы, микропроцессоры, микроконтроллеры и различные приборы программируемой логики.
Дополнительными компонентами являются электромеханические и электроакустические системы, а также антенно-фидерные устройства.
Существует также и группа различных вспомогательных компонентов, к которым относятся соединительные провода, разъемы и т. п.
Рассматривая электронные устройства как сложные электрические цепи, режимы их работы характеризуют протекающими токами и напряжениями на отдельных участках. "Жизнь" электронного устройства проявляется в его сигналах (внутренних и внешних). Однако как бы сложно не было электронное устройство, для своей работы оно требует источника питания. Ничто не дается даром (в частном случае - простейшем детекторном радиоприемнике - таковым является сам принимаемый сигнал).
Все источники питания являются преобразователями энергии. Различают первичные и вторичные источники.
Первичные - преобразуют какой-либо вид энергии в электрическую (электромагнитную) энергию. Например, электромашинные генераторы, приводимые в действие турбинами, или солнечные (световые) батареи.
Вторичные - преобразуют электрическую энергию с одними характеристиками в электрическую энергию с другими характеристиками. Например, выпрямители, инверторы и т. п. устройства.
Вторичные источники электропитания, как правило, являются отдельными выносными (адаптеры, стабилизаторы и т. п.) или внутренними блоками, собранными из других компонентов. Примеры этих источников приводятся в последующих разделах наряду с другими электронными устройствами, начнем же с обычных химических источников тока (ХИТ).
1.1. Простейшие компоненты
Химические источники тока
"Ежели бы вы видели электрическую батарею, из чего она составлена", - говорит телеграфист…
А. П. Чехов. Брак по расчету
Сколько ХИТу лет?
Поиск ответа на этот вопрос, как это ни странно, переносит нас в Иракский музей, находящийся в Багдаде. Там, по крайней мере до недавнего американского вторжения, можно было увидеть небольшой (около 18 см высотой) незамысловатый глиняный кувшин овальной формы, найденный в древнем захоронении в окрестности Багдада. Содержимое кувшина вызвало в свое время (1936 г.) большой переполох в мире археологов и привлекло внимание физиков. Уолтер Уинстон (физик-консультант Британского музея), увидевший внутри кувшина медную трубу с одним закрытым концом, железный прут в ней и кусочки осыпавшегося битума, воскликнул: "Добавьте немного кислоты или даже уксуса в медный сосуд, и вы получите простой элемент, генерирующий электрический ток". Для того чтобы убедиться, что этот "хит" того сезона и вправду ХИТ, Уинстону недоставало еще кувшинов вокруг и проводов, соединяющих их в батарею. Не помешало бы обнаружить рядом и какие-либо другие изделия, подтверждающие электротехническое назначение сосуда. Позже подобные и не одиночные кувшины были обнаружены в парфянском городе Ктесинофоне, недалеко от Багдада. Однако проводов и тут не оказалось, а жаль!
Загадочный кувшин, названный "багдадской батарейкой", по мнению одних исследователей использовался вавилонскими врачами для местной анестезии (при отсутствии под руками обычно применяемого ими электрического ската), а по мнению других - для гальванизации металлов. Последнее применение косвенно подтверждается тем, что примитивные методы гальванического покрытия серебром медных ювелирных изделий до сих пор используются местными умельцами. Наследована ли эта "технология" со времен Парфянского царства или нет, в настоящее время может быть, на наш взгляд, проверено путем детального металлографического анализа структуры покрытий изделий, датируемых от 250 г. до н. э. - 250 г. н. э. Возможно в будущем, может быть удастся подтвердить и электрофизиологические использования "багдадской батарейки" путем расшифровки надписей и рисунков на древних табличках (если таковые еще уцелели).
Все же для обеих версий явно маловато напряжение на одном кувшине и их надо бы соединить последовательно, а проводов-то нет! Рискнем, в шутку (в которой, как известно, всегда есть доля истины) предложить, для раздумий читателей, еще несколько (может быть и не слишком-то оригинальных) гипотез применения этого загадочного кувшина.
Одиночный кувшин, в который заливалось вино, служил для гурманов особым яством: при питье непосредственно из него они испытывали дополнительное раздражение вкусовых нервов во рту слабым электрическим током (убедитесь в этом, лизнув небольшую батарейку). По крайней мере, как размеры сосуда, так и его возможное действие этому не противоречат.
Другой возможный вариант использования заправленного вином или уксусом, в который оно рано или поздно превращалось, одиночного кувшина это своеобразная электрохимическая обработка водных растворов. В последнем случае этот небольшой кувшин необходимо было "с головой" погрузить в жидкость, находящуюся в большем сосуде, которая просто замыкала на себя торчащие из горловины электроды. Наконец еще одно предположение будет представлено ниже, в связи с описанием демонстрационных опытов знаменитого Алессандро Вольта.
Спор Гальвани и Вольта
Научная дата рождения ХИТ относится все же не ко временам Парфянского царства двухтысячелетней давности, а к периоду с конца XVIII начала XIX веков н. э. ХИТ был рожден в результате спора двух знаменитых итальянских ученых прошлого: Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта.
Гальвани, будучи заведующим кафедрой практической анатомии Болонского университета, в 1786 г. проводил серию опытов по изучению "спокойного" (т. е. в отсутствие грозы) атмосферного электричества на мышцы лягушки. Подвешивая на медном крючке свежепрепарированную лапку лягушки на железной решетке своего балкона, он долго ожидал ее реакции, но лапка не сокращалась ни при какой погоде. И вдруг, в одном из опытов, 26 сентября, лапка резко сократилась. Гальвани, со свойственной ему наблюдательностью экспериментатора, отметил, что причиной сокращения лапки послужило ее касание свисающим концом о балконную решетку, а отнюдь не атмосферные явления (хотя, как знать, может быть, вначале лапку все-таки качнул ветерок, приведя ее в решающее соприкосновение с решеткой).
Гальвани тут же принялся перепроверять полученный результат, поскольку отлично знал, что только строго контролируемые и воспроизводимые результаты могут иметь научную ценность.
Опыты были многократно повторены и на балконе, и на лабораторном столе в помещении. И всегда, как только образовывалась замкнутая цепь (которую мы бы сейчас назвали гальванической), состоящая из железа, меди (или других разнородных металлов) и лапки с нервом, лапка сокращалась. Гальвани стоял перед дилеммой поиска источника электричества: металлы или сама лапка лягушки. Он выбрал второе, более близкое ему по духу как медику, ошибочно истолковав результаты своего знаменитого "балконного опыта", но прозорливо предвосхитив существование биоэлектричества.
Алессандро Вольта, профессор физики университета в Павии и член Лондонского Королевского общества, в 1792 г. принялся тщательно изучать опубликованный Гальвани "Трактат о силах электричества при мышечном движении". Ставя, в отличие от Гальвани, количественные опыты с использованием электрометра собственной конструкции и значительно варьируя условия экспериментов, он приходит к выводу об отсутствии "животного электричества".
Источником электричества Вольта как физик провозгласил контакт разнородных металлов, считая, что лапка в "балконном опыте" Гальвани была всего лишь чувствительным электрометром. Этим он, как бы перечеркивает открытие Гальвани, но одновременно "на его костях", а точнее, лягушачьих лапках, делает новое, свое.
Чтобы продемонстрировать действие найденного источника электричества, Вольта берет две соединенные одними концами проволочки из олова и серебра и другими концами касается языка на кончике и чуть подальше. Когда кончика языка касаются серебром, то ощущается щелочной вкус, когда оловом - кислотный.
Вольта тут же интерпретирует это как изменение знака заряда с "плюса" на "минус" подводимого от пары металлов к кончику языка, являющегося неизменным индикатором. Поскольку все же электричество проходит через язык и вызывает разные реакции, то он задумывается над вопросом: не связана ли работа и других органов с электричеством, словно возвращаясь к "животному электричеству" Гальвани, но этот вопрос для него остается риторическим.
Для более эффектной демонстрации проявлений электричества Вольта устраивал настоящее шоу. Четыре человека образовывали друг с другом цепь так, что первый касался пальцем кончика языка соседа, следующий мокрым пальцем - глазного яблока своего другого соседа, двое остальных держались мокрыми пальцами один за спинку, а другой за лапку свежепрепарированной лягушки. Кроме этого, первый держал в другой мокрой руке цинковую, а последний - серебряную пластинку. После того как пластинки приводились в соприкосновение, у человека, кончика языка которого касались пальцем, возникало ощущение кислого вкуса, в глазу того, которого касались мокрым пальцем, возникало ощущение вспышки света и тут же сокращались лягушачьи лапки.
Эти опыты, проводимые с людьми-проводниками, позволяют предположить, что подобные "игры" могли происходить и в окрестностях Багдада 2000 лет тому назад: в "живую цепь" могла включаться описанная выше "багдадская батарейка" и не обязательно одна.
Несмотря на ясность сегодня многих проблем, связанных с природой электричества и его взаимодействием с живыми организмами, и в наши дни можно столкнуться с фактами явной профанации, рассчитанной разве что на полных невежд. Особенно это заметно по распространению "чудодейственных" электронных приборов для врачевания "от всего и вся".
Однако эта область использования электричества требует специального обсуждения, поэтому ограничимся простыми примерами. Талантами в области биоэлектричества журналисты в основном наделяют женщин.