Полезные советы по разработке и отладке электронных схем
Эта тема общего назначения и направлена на понимание возможностей электроники. Когда мы в детстве ходили гулять или в кино, как правило нас интересовал сам процесс. Цели как таковой не было. Это относилось к развлечению. С электроникой на первых порах такое тоже возможно. Но в целом любое развитие требует цели. Так же и электроника и её знание – это инструмент для реализация Ваших целей.
Так, например, у многих из нас в семьях есть дачи или огороды, где мы выращиваем фрукты, овощи или просто цветы. Как правило важен и сам процесс, но прежде всего важная цель. Думаю, выращивать картошку не самый вдохновляющий процесс, но он имеет место быть, так как картошка – это продукт питания. Цветы например выращивают с большим удовольствием, так как они несут в себе эстетическую красоту.
Но возвращаемся к электронике. Электроника как наука достаточно сильно расширяет Ваши возможности и даёт прикоснуться Вам к чему-то скрытому и сверхъестественному. Отсюда – интерес, мотивация и желание побыстрее ознакомиться с ней.
Но как ни странно, создание схем требует особого подхода. Отмечу, что знать схемы на уровне 3-10 элементов, где есть источник питания, есть выключатель, трансформатор и нагрузка, должен каждый мужчина. Так как эти схемы есть в каждой квартире в нашем быту. Вы решили сделать освещение квартиры (ваша цель), вы создаете электрическую цепь – прокладываете кабель, устанавливаете выключатели и светильники, подключаете всё это к автоматическому выключателю. Или другой вариант, Вы решили создать собственные транзисторный приемник. Находите его электрическую схему и изготавливаете устройство, а потом наслаждаетесь его работой.
Вы не поверите, но аналогичным образом поступают, строители, агрономы и люди других профессий. Сперва мы формируем цель, что мы хотим сделать, затем стремимся к ней.
То есть любая схема – это лишь инструмент для достижения нашей цели. Мы хотим качественный звук, можем пойти и купить готовый усилитель, а можем найти схему и собрать его самостоятельно. Или например Мы хотим сделать дистанционное управление освещением. Тогда мы продумываем структурную схему(это может быть просто набросок в голове), после которой приступаем к принципиальной схеме.
К примеру управление освещением дистанционно может быть реализовано несколькими способами:
1. Собственная разработка на аналоговой передаче радиоволны с конкретным кодом.
2. Использование готовых устройств использующих выделенный 433 мГц диапазон. и уже с помощью модулей собираете схему включения светильников.
3. Используете модули на основе wi-fi сети и подключаете их к облачному сервису в интернет.
Как видим задача одна, варианты решения разные, но все будут касаться электроники, только с разной степени глубины познания электричества.
Но это был общий пример. Если взять например усиление звука, Все начинающие радиолюбителя сперва собирают по чужим – готовым схемам, но в процессе обретают навык работы с сигналом и его управлением. Постепенно схема может усложняться. Расширяться частотный диапазон усилителя, добавление различных фильтров, увеличение допустимой мощности выходного каскада.
Пример трёх схем усилителя звука.
Самая простая схема
Если Вы решитесь собрать эту схему, то на времянке, справитесь за 30 минут. Если Вы хотите понять работу и создать усилитель звука, то эта же схема подойдет для начала. Но вы заметили, что схема одна, а цели разные.
Но к сожалению по этой схеме не собрать, так как не указаны номиналы и типы элементов, напряжение источников питания и сигнала. Необходимая мощность входного сигнала и внутреннее сопротивление динамика. Опытный человек, это сразу поймет, а начинающий, сообразит, когда будет делать заказ компонентов.
Зато эта схема, намного сложнее, но она более информативна и даст больший результат. По ней можно уже купить компоненты и собрать схему и есть большая вероятность, что она заработает. Останется лишь приготовить монтажную плату и корпус.
Еще одна схема усилителя звука:
Симметричный Hi-Fi усилитель Димитра Костова и Йона Имануела
Она еще сложнее и взяться сделать такую схему, новичку уже не просто, а тем более её придумать. Но сейчас речь о другом.
Мы видим, что у нас была одна задача – создать усилитель звука, а вариантов решения могут быть тысячи и все они имеют разное качество, стоимость и сложность исполнения.
Как вы понимаете, идея статьи показать Вам то, что начинать нужно с простых и понятных схем, самое главное чтобы Вы могли достигнуть после её создания своей цели. Почему это так важно, После того как Вы взялись за дело, вы его уже не бросите, пока не добьетесь результата. Но это часть вопроса. Взяв простую схему, ВЫ сможете её исполнить, но результат скорее всего будет посредственным, но за то, он будет !
После этого появится желание, либо улучшить схему, либо сделать еще-что-то посложнее. Если Вы смекалистый и сообразительный человек, то сможете самостоятельно доработать схему.
После того, как Вы собрали несколько чужих схем, а потом разобрались в них, то можете приступить к созданию собственной схемы. Но тут и возникает вопрос, а как же они подбирают эти элементы и откуда берутся номиналы сопротивлений, емкостей и так далее.
А теперь перейдем к ключевым моментам.
У большинства радиолюбителей, не имеющих инженерного образования отлично развит навык и они из опыта понимают, какой элемент и на что влияет. Они на “собственной шкуре” познали(извините я это называю жопочасами), какие элементы и куда лучше ставить, а какие нет. Но если они будут создавать свою схему, то в большинстве своем будут это делать на основе тех, что знают.
С другой стороны, инженер без опыта, например, я в своё время (а в некоторых вещах и по сей день) может сам нарисовать собственную схему и рассчитать её, но нас учили это делать по конкретным методикам, Опять же полученная схема, не факт, что заработает качественно или вообще заработает. Во всяком случае я свои первые схемы (они были простыми) собирал поэтапно(так проще искать ошибку).
Как мы видим в итоге любой путь приведет к более менее стандартной схеме. Но отличие первой схемы от последней в том, что для создания первой необходимо подобрать “примерно” элементы, а третья схема нуждается в более точных элементах и требует уже настройки.
Как Вы понимаете расчет и создание последней схемы, требует знаний следующих дисциплин:схемотехника(понимание работы элементов),математические основы передачи сигнала (гармоники и теорема Котельникова в частности), ТАУ (теория автоматического упраления для введения ООС,ПОС и построения фильтров) и еще некоторые знания, которые изучаются в ВУЗах или самостоятельно.
Немного отвлекаясь скажу, что со стороны строительства, для большинства людей бетон- это простая серая масса из песка, цемента и воды, так и есть. А для профессионального строителя – это конкретный бетон, под конкретную задачу (влагостойкий, для фундамента пром. зданий, для обычного пола, или монолитной конструкции и т.д.).
Аналогично и со схемами, если вы в начале пути, то большие сложные схемы могут Вас ввести в заблуждение, но это когда, вы не понимаете структуры. Когда Вы понимаете, что есть конкретная структура и она разбита на блоки, а каждый блок подогнан под следующий, то схема начинает читаться легко.
Опять возвращаюсь к строительству, основой всего является фундамент. Глупо ставить на квадратный фундамент- круглые стены. Значит фундамент будет определять форму стен, но частично этажность и допустимую высоту (ограниечние допустимой нагрузки),
После того как есть фундамент, Вы понимаете, что нужны окна и двери, их можно при желании изменить в процессе или добавить, но фундамент уже останется прежним. Аналогично с планировкой и инженерными системами. После этого закрываем крышей.(хотя крышу можно и по раньше сделать).
Аналогично и в электронике – есть типовые решения, обусловленные уже временем и собственно своей работой. А далее будет лишь улучшение или подгонка под Ваши условия.
Если вы в начале пути, то учитесь понимать простые вещи и простые схемы. К тому же сейчас полно программ, которые помогают смоделировать схему виртуально и проверить её работу. После того как появится небольшой навык реализации проектов, то Вы уже самостоятельно сможете развить его изготавливая более сложные схемы.
Схема Ардуино
Вот например принципиальная схема Ардуино. Для меня тоже кажется большой и непонятной, особенно когда долго не используешь навык работы со схемами.
Здесь я выделил основные элементы для примера, слева контроллер в большом овале, для организации подключения контроллера к компьютеру через порт USB. Справа непосредственно сам микроконтроллер, в который мы “заливаем” нашу программу через левый микроконтроллер. В маленьких овалах для примера два кварцевых генератора, которые определяют тактовую частоту работы каждого из микропроцессоров. Аналогично есть другие элементы на схеме, которые нужны для организации удобства работы с Атмегой. И все они указаны в инструкции подключения Атмеги(datasheet). То есть глядя в инструкцию, подключаете те выходы или входы что планируете использовать по заданной схеме.
А теперь подходим к самому главному, многие хотят разбираться и создавать что-либо на ардуинах, но стопорятся на этапе мигания светодиода. Что делать дальше не знают. А все просто, нет конкретной цели или если она есть, то не знают как к ней идти.
Так всегда с новой задачей, когда не можешь её разложить на маленькие и понятные. Так вот, и со схемами, и реализациями всё просто: маленькими шагами – этапами к реализации своего проекта.
Решили сделать управление климатом. Нарисовали общую схему. затем принципиальную или нашли готовые решения. Вспомнили принципы измерения температуры, научились измерять её, дальше изучаем принципы управления и исполнительные механизмы(например электро конвектор). Собираем цепь управления для реле, которое будет согласовано по нагрузке с конвектором и включать его. А дальше программно создаем регулятор, который будет поддерживать заданную температуру. Как видите, поэтапно все это выглядит проще.
Можно собрать аналоговый регулятор – ищите схему управления через реле и собираете её. Но тут уже вариантов много. Статья немного затянулась, но думаю Вам понравится, ключевым для Вас будет предпоследний абзац, все остальное – это подводящее. Мои первые схемы были :
1. Измеритель переменного напряжения с помощью компактного амперметра и набора шунтов, собранных в мыльнице
2. Блок питания с возможностью регулировать напряжение от 6 до 12 вольт. Трансформатор был выковырен из советского блока питания и встроен в схему с возможностью регулировки и защитой от КЗ. Несколько лет честно прослужил мне.
Если же профессионально хотите создавать схемы, то это ВУЗ или спец курсы, но начинается все по классике ТЗ – Проект – реализация. Проект, состоит из структурной, функциональной и принципиальной схем. А также описания ПО, если оно есть.
Вы хотите изучать электронику, чтобы иметь возможность создавать свои собственные устройства?
Существует масса ресурсов для изучения электроники. Но с чего начать?
И что тебе из этой массы информации действительно нужно?
И в каком порядке?
Как итог, если вы не знаете, что вам нужно изучить, вы можете легко потратить много времени на изучение ненужных вещей.
И если вы пропустите некоторые простые, но важных первые шаги, вы будете долго бороться даже с базовыми цепями.
Если ваша цель состоит в том, чтобы создавать собственные проекты с помощью электроники, тогда этот контрольный список шагов для вас!
Начните с чтения всех шагов до конца, чтобы получить общее представление.
Затем решите, какой учебный материал вы будете использовать для решения каждого шага.
ШАГ 1: Изучите понятие “замкнутый контур”
Если вы не знаете, что нужно для работы схемы, как вы можете создавать схемы?
Первое, что нужно изучить, это понятие “замкнутый контур”.
Электрический ток – это поток электронов в проводе. Электроны текут, когда у вас есть «замкнутый контур» – путь от отрицательного к положительному полюсу батареи.
Например, если вы подключите небольшую лампочку к положительному и отрицательному полюсу батареи, вы получите замкнутый контур, по которому могут течь электроны и заставлять лампу светить.
После завершения этого шага вы должны знать, как сделать какую-нибудь простую схему. И вы должны быть в состоянии исправить одну из самых распространенных ошибок в цепи – отсутствующее соединение.
Шаг 2: Получите базовые знания о напряжении, токе и сопротивлении
Ток течет, сопротивление сопротивляется, напряжение напрягает:)))))) Что то в таком роде происходит, подумаете вы. Но не совсем.
Все они влияют друг на друга.
Это важно знать, чтобы правильно изучать электронику.
Поймите, как они работают в цепи, и этот выполните данный шаг.
В помощь вам, я написал отличную статью:
Как использовать Закон Ома: инструкция для чайников с примерами
После завершения этого шага вы сможете посмотреть на очень простую схему и понять, как в ней течет ток и как напряжение распределяется между электронными компонентами.
Шаг 3: Изучите электронику, построив схемы из принципиальных схем
Больше не нужно ждать – вы должны начать разрабатывать схемы уже сейчас. Не только потому, что это весело, но и потому, что это то, что вы хотите научиться делать хорошо.
Если вы хотите научиться плавать, вы должны практиковаться в плавании. То же самое с электроникой. Не бойтесь ошибаться!
После завершения этого шага вы должны знать, как работают принципиальные схемы и как использовать макетную плату для построения из них реальных цепей.
Отличная статья вам в помощь:
Шаг 4: Получите базовое понимание этих компонентов
Наиболее распространенные компоненты, которые вы увидите в начале изучения электроники:
- Резистор
- Светодиод
- Конденсатор
- Транзистор
Вы можете получить базовое понимание каждого из них быстро, если у вас есть хорошие учебные материалы.
После выполнения этого шага вы должны знать, как эти компоненты работают и что они делают в цепи.
Вы должны быть в состоянии взглянуть на простую принципиальную схему и подумать:
«Ага, эта схема делает это!».
Шаг 5: Получите опыт использования транзистора в качестве переключателя
Транзистор является наиболее важным компонентом в электронике.
На предыдущем шаге N4 получили представление о том, как работает транзистор. Теперь пришло время использовать его на практике.
Постройте несколько различных цепей, где транзистор действует как переключатель.
После выполнения этого шага вы должны знать, как управлять моторами, зуммерами или лампами с помощью транзистора.
Шаг 6: Научитесь паять
Прототипы, построенные на макете, легко и быстро создаются. Но они не выглядят хорошо, и связи могут легко выпадать/разъединяться.
Если вы хотите создавать проекты, которые хорошо выглядят и работают долго, вам нужно научиться паять.
Пайка это весело, и этому действительно легко научиться!
После выполнения этого шага вы должны знать, как сделать хорошее паяное соединение.
На своем сайте я написал подробную статью, которая поможет пройти вам данный шаг:
Шаг 7: Узнайте, как диоды и конденсаторы ведут себя в цепи
На этом этапе у вас должна быть уже хорошая база в голове, и вы должны уже уметь создавать простые схемы.
Но ваши знания по электронике не должны стоять на месте.
Теперь пришло время узнать, как работают более сложные схемы.
После выполнения этого шага – если вы видите принципиальную схему с резистором, конденсатором и диодом, подключенным каким-либо образом – вы сможете увидеть, что произойдет с напряжениями и токами при подключении аккумулятора. И в тоге вы должны понять, что делает схема.
Статьи по теме, которые я написал на канале Дзена:
Шаг 8: Построение схем с использованием интегральных схем
До сих пор вы использовали отдельные компоненты для создания забавных и простых схем. Но вы все еще ограничены самыми основными функциями.
Как вы можете добавить в свои проекты классные функции, такие как звук, память, интеллект и многое другое?
В таком случае вам нужно научиться использовать интегральные схемы (ИС).
Эти схемы могут выглядеть очень сложными, но это не так сложно, как может показаться на первый взгляд. Всего-лишь нужно научиться работать с ними. И это откроет вам новый мир возможностей.
Шаг 9: Создай свою собственную печатную плату
К этому шагу вы должны были построить уже немало цепей.
И вы можете оказаться немного ограниченными, потому что некоторые схемы, которые вы хотите сделать требуют большого количества соединений.
Поэтому, сейчас самое время научиться создавать свои собственные печатные платы!
Вы можете начать с простой программы, такой как Fritzing. Если этого недостаточно для ваших нужд, изучите более совершенное программное обеспечение для проектирования печатных плат, такое как Eagle или KiCad.
После выполнения этого шага вы должны знать, как проектировать печатную плату на компьютере и как заказать дешевые прототипы печатной платы вашего дизайна онлайн через интернет.
Почитайте мою статью по теме:
Шаг 10: Научитесь использовать микроконтроллеры в своих проектах
Благодаря встроенным микросхемам и собственному проекту печатной платы вы можете многое сделать.
Но, тем не менее, если вы действительно хотите свободно создавать то, что хотите, вам нужно научиться использовать микроконтроллеры . Это действительно выведет ваши проекты на новый уровень.
Научитесь использовать микроконтроллер, и вы сможете создавать расширенные функциональные возможности с помощью нескольких строк кода вместо использования огромного набора компонентов для той же цели.
Одни из популярных микроконтроллеров сейчас – это AVR, ARM. К примеру в популярной линейке устройств Arduino применяются микроконтроллеры Atmel AVR.
Вот несколько моих проектов на Ардуино с которыми вы можете ознакомиться:
Начинающие радиолюбители нередко начинают свои пробы пера со сложных устройств, которые отнимают много времени и сил. Что порой приводит к ошибкам, переутомлению и потере всякого интереса мастерить самодельные устройства.
Поэтому куда целесообразнее начинать с простых элементарных схем, которые сможет осилить любой новичок. Для этого мы рассмотрим топ 5 простых электронных схем для начинающих.
Схема №1. Детская крякающая игрушка с мигающими глазами
Схема подходит для модернизации любого полого устройства, в которое можно поместить готовую плату и батарейку питания. Наиболее актуальным вариантом являются утки, лягушки и т.д.
У глаз вставляются светодиоды, акустический капсюль размещается у любых отверстий, из которых будет нормально слышен звук. Принципиальная схема приведена на рисунке ниже:
Рисунок 1: схема крякающей игрушки
Для ее сборки вам понадобятся такие элементы:
- Биполярный транзистор (на схеме обозначен VT1, VT2) в количестве 2 штук, в данном случае применяются транзисторы марки КТ361Б;
- Светодиоды для обеспечения световых эффектов ( на схеме обозначаются HL1, HL2) в количестве 2 штук, в данном случае применяется марка АЛ307Б;
- Конденсаторы в количестве 2 штук C1 – 100мкФ 10В и C2 – 0,1 мкФ;
- Резисторы R1, R2 на 100 кОм, R3 на 620 Ом;
- Акустический капсюль BF1, в данном примере используется ТМ2;
- Переключатель SA1
- Элемент питания GB1 с питающим напряжением 4.5-9 В;
Параметры звуковых колебаний можно регулировать путем изменения величины сопротивления резистора R1.
Схема №2 Мигающий фонарик
Применяется для изготовления устройства аварийной или другой сигнализации, устанавливающейся при вынужденной остановке авто в темное время суток. Также можно применить и для других бытовых нужд, достаточно определить корпус, в который будет устанавливаться лампочка и плата.
Рисунок 2: схема мигающего фонарика
В данном примере для сборки применяется:
- транзистор VT1 марки КТ361, VT2 марки КТ315Б по 1 шт.;
- транзистор VT3 марки КТ814Б;
- конденсатор C1 емкостью на 10мкФ и номинальное напряжение 12В;
- Резисторы R1 на 47 кОм, R2 – 12 кОм, R3 на 910 Ом, R4 на 5,1 кОм;
- Лампочка на 12В.
Схема №3 Автоматическое отключение света
Не требует никаких действий с выключателем для обесточивания цепи питания светильника. Может применяться в освещении любых помещений или территорий – вам достаточно нажать клавишу, а отключение произойдет спустя заданный промежуток времени без вашего участия.
Рисунок 3: схема автоматического отключения освещения
Для ее реализации вам понадобится:
- транзистор, в данном примере используется марка КТ801А;
- конденсатор, в данном случае устанавливается модель емкостью 4700мкФ и напряжением на 16В;
- резистор с омическим сопротивлением 20 кОм;
- реле для формирования логики отключения, используется модель РЭС22
- кнопка для операции включения, используется модель с одним положением без фиксации.
Схема № 4 Датчик дождя
Позволяет сигнализировать о выпадении осадков путем подачи звуковых сигналов. Может использоваться дачниками и владельцами частных домов для их оповещения и своевременного принятия, соответствующих мер во время дождя.
Рисунок 4: схема датчика дождя
Чтобы собрать такое устройство вам понадобится:
- датчик, выдающий электрический импульс при контакте с водой;
- резисторы сопротивлением на 10кОм и 330кОм;
- транзисторы VT1, VT2, в данном примере используются модели BC548 и BC 558 соответственно;
- элемент питания на 3В;
- конденсатор емкостью 100 мкФ;
- динамик или другое звукогенерирующее устройство.
Схема №5 Датчик прикосновения
Данное устройство позволяет выдать световой сигнал в случае касания рукой двух контактов. Схематическая реализация датчика приведена на рисунке ниже.
Рисунок 5: схема датчика прикосновения
Для сборки используются такие элементы:
- транзистор, в данном примере устанавливается модель BC547;
- резистор сопротивлением на 470 Ом;
- пара светодиодов, но их количество не принципиально, можете устанавливать один или больше;
- источник питания на 9 В.
Следует отметить, что светодиоды для этого датчика подбираются с таким расчетом, чтобы через них и резистор протекал ток порядка 20 мА. Если у вас уже есть светодиоды с заданными параметрами, то можно использовать резистивный элемент с другим номиналом для получения нужной величины тока.
Датчик касания будет работать, если вы замкнете его выводы пальцем или ладонью за счет чего откроется транзистор и ток начнет протекать по цепи резистора и светодиодов – произойдет срабатывание световой сигнализации.