Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

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!

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).

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!