Как устроен передатчик

Вожделенная тема многих: передатчики. Каждый человек, мало-мальски умеющий обращаться с паяльником, просто мечтает собрать какой-нибудь "жучок", или передатчик, чтобы выйти в эфир… Жажда славы портит людей… =)))
В этом параграфе мы рассмотрим, из каких блоков состоит любой передатчик. В последующих параграфах мы разберем каждый блок на мелкие детальки =). Поехали!

Итак, задача передатчика - послать в эфир электромагнитные волны. Чтобы появились электромагнитные волны - должны быть колебания, которые их порождают. То есть - колебания тока в передающей антенне. Чтобы появились колебания тока - нужно какое-то устройство, которое преобразовало бы постоянный ток источника питания (батарейки) в переменный ток. Это устройство называется генератор высокой частоты (ГВЧ). Почему высокой? Потому что радиовещание ведется на сравнительно высоких частотах (ВЧ), от 100 кГц и выше. Для сравнения: частоты звукового диапазона считаются низкими (НЧ), потому что их частота не превышает 20 кГц. Поэтому, все блоки схемы, работающие с радиосигналом - высокочастотные. Генератор - в том числе. А блоки, работающие со звуковым сигналом - низкочастотные. О них мы поговорим чуть дальше.

Если подсоединить к выходу ГВЧ антенну - на антенне появится переменный ВЧ ток, который преобразуется в электромагнитные волны. Всё! Мы в эфире!

Вот как выглядит схема нашего передатчика:

На этой схеме почти нет привычных нам элементов: транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д. Есть только какая-то кисточка и страшный большой ящик. Не пугайтесь. Просто - это структурная схема. В структурной схеме обозначаются лишь некоторые электрические элементы. Остальные же элементы "прячут" в "ящик". Иными словами, отдельные части схемы показываются как прямоугольники. Такие схемы рисуются для сложных устройств, чтобы наглядно показать связи между его отдельными частями.

На данной структурной схеме - один блок (ГВЧ) и один электрический элемент - антенна. Да, кстати, познакомьтесь! Такая симпатичная кисточка - это как раз она.

Но не все так просто! Задача генератора - сгенерировать. Однако, мощность сигнала на выходе генератора не велика, и ее может не хватить для того, чтобы передать сигнал на нужное расстояние. Чтобы увеличить мощность, отдаваемую в антенну, нужен усилитель. Причем, не какой-нибудь, а усилитель мощности высокой частоты (УМВЧ). Схема усложняется:

Ну, вроде бы все здорово. Но… А что мы, собственно, передаем? Просто ВЧ колебания? На фиг они кому нужны! Мы то ведь, на самом деле, хотим передать Арию Ивана и Лягушки из сказки Сектора Газа! (Надо же народ просвещать… =)) Что же для этого делать?

А вот что! Надо каким-то образом запрятать звук в излучаемый ВЧ сигнал. Иначе говоря, нужно промодулировать высокочастотный радиосигнал низкочастотным звуковым сигналом. Промодулировать - это значит так хитро, по-особому, смешать эти сигналы, чтобы передавая ВЧ-радиосигнал, передавать вместе с ним и полезный звуковой НЧ-сигнал. Дело в том, что сам по себе, звуковой сигнал далеко не "улетит". Для того, чтобы преодолеть большие расстояния, ему нужен "помощник" - сигнал высокой частоты. Вот он то, как раз, с легкостью преодолевает большие расстояния, и не против помочь в этом другим. Ну, не против - получай! Вот тебе на шею наш звук - неси его куда подальше, через все невзгоды и радости…
Кстати, этот ВЧ сигнал так и называют - "несущая". Подразумевается "несущая частота". Она носит на себе модулирующий сигнал, то есть, в нашем случае - звуковой.

Модуляция - это есть процесс усаживания на шею бедной несущей толстого и ленивого модулирующего звукового сигнала. =) Этим занимается специальное устройство - модулятор.

Итак, в нашей схеме появился новый блок:

Что нам может еще потребоваться?

Вероятно, мощность подводимого к модулятору звукового сигнала невелика. Ее может и не хватить! Значит, нужно поставить в схему еще один усилитель - низкой частоты (УНЧ). Схема становится такой:

Вот это уже можно назвать полноценным передатчиком. Теперь, как и обещал, разбираем каждый блок на мелкие детальки

Волны

Итак, что такое колебания - вроде бы знаем. Волны - это следствие колебаний.

Простейший пример: раскладываем на земле длинную веревку, берем в руку ее конец, и начинаем болтать рукой вверх - вниз. То есть - совершать колебательные движения. Что случится с веревкой? Точно! По ней побегут волны, от "колеблющейся" руки к свободному концу. То есть, колебания одной точки на веревке порождают колебания всех остальных ее точек.

Другой пример - знакомый всем с детства: кидаем камень в воду - от него расходятся круги. Как это происходит?

В месте ударения камня вода как бы прогибается вниз. Камень скрывается под водой - вода поднимается на прежнее место. То есть, в момент падения камня, в точке его падения происходит колебание воды. Это колебание вызывает колебание соседних точек поверхности воды - то есть, идет волна.

По той же причине, мы слышим звуки. Но у волн на воде и звуковых волн несколько разная структура. Волны на воде - это сменяющие друг друга выпуклости и впадинки водяной поверхности. Звуковые же волны представляют собой чередующиеся области повышенного и пониженного давления воздуха. Говоря научным языком, волны на воде - "поперечные", потому что колебания происходят поперек направления их распространения. Звуковые волны - "продольные", потому что их колебания происходят вдоль направления распространения.

Волны различают не только на продольные и поперечные. Для их описания используют и другие характеристики. Вот некоторые из них: амплитуда, длина, скорость распространения.

Пара слов о каждом.

1. Амплитуда - расстояние между гребнем волны (наивысшей точкой) и точкой покоя (нуль). Иначе говоря - половина расстояния между самой высокой и самой низкой точками. Чем больше амплитуда волны - тем громче звук, тем сильнее шторм… :)

2. Скорость распространения - сколько метров пробегает волна за секунду. Например, скорость распространения звуковой волны (скорость звука) - около 330 м/с.

3. Длина волны - расстояние между гребнями соседних волн. 

Длина зависит от скорости распространения волны и от частоты колебания, породившего эту волну. Рассчитываем по формуле:

л = v/F

где:
л - длина волны,
v - скорость распространения,
F - частота колебания.

Например, звук с частотой 100 Гц (100 колебаний в секунду) будет иметь длину волны 3,3 метра. Почему? Звук пробегает за 1 секунду 330 метров. За это же время совершается 100 колебаний. То есть, в 330 метрах уложится 100 волн. Делим 330 метров на 100 и получаем - 3,3 метра. Все, как всегда, просто! =)

Умение рассчитывать длину волны нам пригодится в дальнейшем, когда мы будем говорить о приемниках, передатчиках и их антеннах.

Кроме волн на воде и волн звуковых, существует еще целая куча всевозможных волн. Но нас эта куча не касается. За исключением одного вида - волн электромагнитных.

Что такое электромагнитные волны, на самом деле точно не знает никто. Даже самый умный ученый не откроет вам эту тайну. Не потому что вредный - просто и он тоже не знает. :) Однако, именно этим волнам мы обязаны и радиосвязью, и телевидением, и даже зрением. Свет - это тоже электромагнитные волны. Только их длина ничтожно мала - тысячные доли миллиметра.

Все электромагнитные волны распространяются со скоростью света - 300 000 км/с.

Для радиосвязи используют волны с длиной от нескольких сантиметров, до нескольких километров.
Например, длина волн всеми любимого диапазона "FM" - порядка 3 метров.
А первый канал телевидения вещает на волне 6,25 м.

От длины волны, кстати, зависит размер антенны. Чем длиннее - тем больше. В идеале, один "ус" антенны должен быть равен четверти длины волны. Но обычно все же, применяют так называемые "укороченные" антенны. В таких антеннах длина "наращивается" за счет специальной схемы включения. Об этом мы еще поговорим.

Итак, мы вплотную подошли к радиосвязи.

О непостоянстве…

В этом параграфе мы поговорим о том, какой бывает ток. А бывает он, собственно, постоянный и не постоянный, то есть - переменный.

Постоянный - это тот, который в батарейке. У нее на одном контакте написано "+", на другом "-". Если к батарейке подключить нагрузку - да хоть ту же лампочку - ток в ней всегда потечет от "+" к "-". И никогда - обратно. В этом то и есть его постоянство =)

Переменный ток у нас в розетке. Каждую сотую долю секунды полярность (то есть, расположение "+" и "-") любой розетки изменяется на противоположную. Таким образом, за одну секунду полярность успевает поменяться аж 100 раз! Соответственно, и ток в нагрузке 50 раз в секунду течет в одну сторону, 50 раз - в другую.

Если говорить по научному, то надо нарисовать график:

На этом графике изображена зависимость направления тока и его силы от времени. Время идет по горизонтали - то есть по оси X. Ток изменяется по вертикали, то есть его мы откладываем по оси Y. В крайней левой точке ток и время равны 0, то есть, это - точка отсчета.

Нажимаем на кнопочку - время пошло =) Ток тоже пошел, "туда", то есть - в положительном направлении. Его сила постепенно увеличивается. Через 0,005 с эта сила становится максимальной, после чего начинает плавно уменьшаться. Еще через 0,005 с, то есть, в точке 0,01 с, она уменьшается до 0. В этот момент происходит смена полярности. Далее сила тока начинает снова возрастать, но течет он уже в обратную сторону. То есть, его направление отрицательно. В точке 0,015 с сила тока становится максимальна (по модулю), и начинает уменьшаться. Еще через 0,005 с, в точке 0,02 с, она опять становится нулевой. Все начинается по новой.

Только что мы рассмотрели один период переменного тока.

Период - это то время, за которое ток успевает из нуля мотнуться сначала до упора вверх, вернуться в ноль, мотнуться до упора вниз и снова прийти к нулю. Иными словами - это время, за которое ток совершает одно полное колебание.
Период обозначается T, измеряется в секундах (с)

Соответственно, чем быстрее ток сделает это одно колебание - тем короче будет период. А чем короче период - тем больше периодов успеет пройти за одну секунду. То есть - тем больше будет частота колебаний. Понятие "частота" встречается в электронике просто повсюду, поэтому - о ней подробнее.

Частота - от слова "часто". То есть, она характеризует, насколько часто происходит какой-то процесс. В нашем случае - насколько часто происходят колебания тока.
Частота обозначается F, измеряется в Герцах (Гц). Если за секунду проходит 50 колебаний, то мы скажем: частота переменного тока равна 50 Гц.

Частота обратно пропорциональна периоду. Справедливы две формулы:

F = 1/T
T = 1/F

Иными словами, чем больше период, тем меньше частота. Это и понятно, ведь чем период длиннее, тем меньше таких периодов "влезет" в секунду.

В Герцах измеряются абсолютно все частоты, не только в электронике, но и в механике и прочих отраслях физики. Например, частота вращения колеса. Для больших частот, пользуются кратными приставками. Поэтому, наряду с Герцем, есть килогерц, мегагерц, гигагерц.

На слух, человек может различать звуковые колебания с частотой 20 Гц … 20 кГц.
Радиотрансляция ведется, начиная с сотен килогерц.
Частоты телевизионных каналов лежат в диапазоне от 40 до 900 МГц.
Сотовая связь работает на частотах от 450 МГц - 1,8 ГГц.
Процессор современных компьютеров лопатит данные с частотой более 3 ГГц.
На подобных и даже еще более высоких частотах работают радиолокационные станции…
Далее располагаются частоты инфракрасных лучей, затем - видимого света, далее - ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Их частоты настолько велики, что трудно даже представить, что что-либо может так быстро колебаться. А вот может ведь! Иначе, как бы Вы читали этот текст… :)

Вот таков расклад частот в нашем мире. В общем. В дальнейшем мы, конечно, будем говорить о различных диапазонах частот более подробно.

В электронике слово "частота" употребляется, в основном, применительно к колебаниям электрического тока. Чтобы обработать при помощи электроники какие-то другие, не электрические колебания, надо предварительно преобразовать эти другие колебания в электрические. Иначе - никак. Например, чтобы "поймать" радиостанцию, надо преобразовать в электрические колебания электромагнитные волны, приходящие от передатчика. Этим преобразованием занимается антенна. Когда мы говорим по телефону - микрофон в телефонной трубке преобразует звуковые колебания нашей речи опять таки - в колебания тока в телефонной линии.

С другой стороны, электрические колебания человек может "пощупать", разве что, схватившись за два несчастных гвоздя в розетке. Если же, по какому - то проводу передается музыка или последние известия (то есть - колебания звукового диапазона), то чтобы послушать их, нам надо преобразовать электрические колебания в звуковые. То есть - поставить динамик. Динамик, в отличие от микрофона, преобразует в другую сторону - электрические колебания он делает звуковыми. Трубка телевизора - тоже преобразователь. Она делает "видимым" видеосигнал.
А вот антенна в этом смысле - универсальна. Она может преобразовывать в обе стороны. Поэтому, в радиотелефонах всего одна антенна. Она одновременно работает и на прием и на передачу.

Транзистор

Ну вот, собственно, миновав семь скучных и бесполезных глав о всякой муре =), мы дошли-таки до самого интересного и захватывающего. До транзистора.

Современная электроника не смогла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая навороченная микросхема, где-то в глубине своей силиконовой души состоит из тех же самых транзисторов. Только - очень маленьких.

Транзистор - это усилительный элемент. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.

Поясняю. Все мы ездили хоть раз на поезде, на электричке или, хотя бы, на трамвае. Когда поезд тормозит, всегда слышно характерное шипение. Это работает пневматический привод тормозов. Иными словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки подключены к поршню. Когда на поршень начинает давить сжатый воздух - поршень движется вперед и прижимает колодки плотно к колесу. Поезд тормозит… А отчего воздух начинает поступать на поршень? Вероятно, так хочет машинист. Он открывает у себя в кабине вентиль, и воздух идет. Все до неприличия просто!

Небольшая поясняющая картинка:

Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы качком он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.

Посмотрим, что получилось: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.

Смею Вас заверить, в транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база.

Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (Iк), между базой и эмиттером - слабый управляющий ток базы (Iб). Величина коллекторного тока зависит от величины тока базы, так же как и напор сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Причем, коллекторый ток всегда больше тока базы в определенное количество раз. Эта величина называется коэффициент усиления по току, обозначается h21э. У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

Итак, коэффициент усиления по току - это отношение коллекторного тока к току базы:

h21э = Iк / Iб

Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:

Iк = Iб * h21э

Рисуем схему.

В этой схеме транзистор управляет яркостью свечения лампочки. Иными словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.

Управляющий ток базы ограничивается резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h21э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.

Немножко посчитаем :

.

Задачка:

Пусть наша лампочка кушает ток 0,33 А,
а транзистор имеет h21э = 100.
Какой нужен ток базы, чтобы лампочка горела в полный накал?
И каким при этом будет сопротивление R1?

Полный накал - это когда ток потребления равен номинальному.
Номинальный - 0,33 А. Таким образом, необходимый ток коллектора - 0,33 А.
Ток базы должен быть меньше коллекторного в h21э раз. То есть - в 100 раз. То есть, он должен быть равен 0,33/100 = 0,0033А = 3,3 мА.
Ура, решили!!!

Теперь осталось вычислить сопротивление резистора в цепи базы. Вычисляем (по закону Ома):

R = U/I

U - нам известно - это напряжение питания, 9В
I - только что нашли - 0,0033 А

Арифметика, 2 класс: R = 9/0,0033 = 2700 Ом = 2,7 кОм.

Ответ: сопротивление резистора = 2,7 кОм

Просто? Еще бы! Но - не обольщайтесь. Дальше - хуже! =)

В следующих нескольких параграфах мы поговорим о вещах, отвлеченных от транзистора. Но после этого, обязательно к нему вернемся, уже с новыми интересными знаниями. И сможем уже более широко использовать этот элемент.

Еще одно понятие - мощность

Мощность не нуждается в особом представлении. Мощность - и все тут. Чем она больше - тем ярче светит лампочка, тем жарче греет обогреватель, тем быстрее варит плита, тем громче горланят колонки… И тем бешенее несется колесико электросчетчика… =(.

Электрическую мощность измеряют в Ваттах (Вт), и обозначают буквой P.
А рассчитывается она по формуле:

P = UI

где:
U - напряжение (В)
I - сила тока (А)

То есть, чем больше сила тока и больше напряжение - тем больше мощность. Вперед, и ни шагу назад!

Для чего нам это может пригодиться?
Например, замерив ток, который кушает из розетки какое-нибудь устройство, и умножив его на 220В (напряжение в розетке) мы автоматом получаем мощность этого устройства.

С другой стороны, зная мощность и напряжение питания, всегда можно вычислить, какой ток жрет устройство. По формуле:

I = P/U

Таким же образом узнается напряжение из известных мощности и тока:

U = P/I

Не будем подробно останавливаться на мощности. Ее мы еще не раз будем касаться в дальнейшем с самых разных сторон.

Делаем фонарик с регулируемой яркостью

Итак, ставлю задачу: необходимо с помощью известных деталей сделать фонарик, который мог бы светиться на полную яркость или в пол-накала, в зависимости от положения выключателя.

Как это сделать? Вероятно, для того чтобы лампочка светилась в полный накал - надо подавать на нее питание непосредственно с батарейки. Чтобы она светилась в пол-накала, надо ограничить ток, идущий через нее. То есть - подать на нее питание через резистор.

Нарисуем для каждого режима свою схему.

1 режим - полный накал

2 режим - неполный накал

Чтобы их объединить, надо поставить второй выключатель, который будет пускать ток либо через резистор, либо в обход него. Вот как будет выглядеть такая схема:

Теперь, когда выключатель SB2 замкнут, ток течет в обход резистора R1, то есть, подается на лампочку без ограничений. Когда SB2 разомкнут - току ничего не остается как течь через резистор.

Теперь задание для самых не ленивых: рассчитать сопротивление резистора R1.
Нам известно, что батарейка выдает напряжение 9В, лампочка при этом потребляет ток 0,33 А.

Думаем. Лампочка должна гореть в пол-накала, иными словами - напряжение на ней должно быть в два раза меньше, чем отдает батарейка, то есть - 4,5В. Оставшиеся 4,5 вольта должен взять на себя резистор. Очевидно, что сопротивление резистора должно быть равно сопротивлению лампочки. Почему? По закону Ома. Объясняю:

Токи I1, I2, I3, I4 равны между собой, потому что это, по сути - один и тот же ток. Он так и бегает все время по кольцу: батарейка - выключатель - резистор - лампочка - батарейка… Значит, через лампочку и резистор течет один и тот же ток.

Iл = IR1

Вспоминаем закон Ома. I = U/R.
Для резистора он звучит так:

IR1 = UR1/R1

Для лампочки - так:

Iл = Uл/Rл

Поскольку токи и напряжения в обеих формулах равны, то значит - и сопротивления будут равны! Не правда ли, очевидно?

Теперь самое страшное - найти сопротивление лампочки. Мы знаем её напряжение питания - 9В, знаем ток потребления - 0,33 А (когда она включена без резистора). По закону Ома находим сопротивление.

R = U/I = 9/0,33 = 27 Ом

Сопротивление резистора равно сопротивлению лампочки. То есть, оно составляет тоже 27 Ом.

Только что мы рассчитали нашу первую схему. Хоть на расчет и ушло пол-страницы текста - все же, это очень и очень простая схема. Однако настоятельно рекомендую вдуматься в ход расчета, потому что без понимания таких простейших вещей нечего делать дальше. Потому что дальше нам предстоит рассчитывать усилительные каскады, генераторы, времязадающие звенья, трансформаторы и много много еще чего страшно сложного… но - интересного! =)

Новая деталь - резистор

Резистор - это элемент, обладающий определенным электрическим сопротивлением. Вообще, справедливости ради, скажу так - сопротивлением обладают не только резисторы, но и все остальные элементы: лампы, двигатели, диоды, транзисторы и даже простые провода. Однако у всех остальных элементов сопротивление - это не главная характеристика, а так скажем - побочная. На 

самом деле, лампочка - светит, двигатель - вращается, диод - выпрямляет, транзистор - усиливает, а провод - проводит. А вот у резистора нет иной "профессии", кроме как оказывать сопротивление идущему через него току. Ну, правда, он нагревается, и его можно использовать вместо обогревателя долгими зимними вечерами. Однако - это несколько из области нестандартных применений…

На картинке изображены различные резисторы. Маленькая черненькая фичка в нижней части - это тоже резистор, только без ножек. Такие детали используются для поверхностного монтажа и носят имя SMD. Здесь мы имеем счастье наблюдать SMD-резистор.

А на схеме его в любом случае обозначают только так:

Рядом с изображением обычно указывают его порядковый номер в схеме и номинальное сопротивление (то, на которое он рассчитан). В нашем примере он 12-й по счету и его сопротивление - 15 килоом (т.е., 15 000 Ом). Буква R перед порядковым номером говорит нам о том, что это - резистор. (Для каждого вида деталей в схеме ведется свой счет.)

Итак, резистор обладает сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (см. главу 2 - Закон Ома). Каждый резистор рассчитан на какое-то определенное сопротивление. Чтобы узнать это определенное сопротивление - достаточно посмотреть на корпус резистора. Оно должно быть там написано. Однако не ищите надписей вроде 215 Ом. Так уже давно никто не обозначает, потому как - длинно получается. Сейчас весь мир перешел к трехзначной маркировке. Поэтому, на резисторе можно встретить, например, такие обозначения: 1К5, К20, 10Е, М36. Или такие: 152, 201, 100, 364. Или вообще не найти никаких букв, а только странные цветные полоски. В последнем случае - не отчаивайтесь - это цветовая маркировка. Ее довольно легко читать (если знать как =)). Сейчас мы начнем разгребать все способы маркировки. Но до этого, немного вспомним кратные приставки.

Кратные приставки мы постоянно используем в повседневной жизни. Например, покупая леску толщиной 0,25 миллиметра, или отправляясь на дачу на 54-й километр, или оценивая, сколько мегабайт занимает файл и влезет ли он на винчестер объемом 10 гигабайт. Или, на худой конец, объясняя соседу, что болевой порог человеческого уха - 120 децибелл и ваш усилок никак не обеспечит такой мощи, даже если очень захочет… "Миллиметр", "километр", "мегабайт", "гигабайт", "децибелл" - все эти слова образованы из слов "метр", "байт" и "Белл" при помощи кратных приставок: "милли-", "кило-", "Мега-", "Гиго-", "деци-". Все прекрасно знают, что в 1-м километре - 1000 метров, а в 1-м грамме - 1000 миллиграмм, а в одном гигабайте - где-то 1000 000 000 байт. И можно, в принципе, говорить не "3 километра" а "3 тысячи метров", не "40 милиграмм" а "0,04 грамма". Однако - это долго и неудобно. Для того, собственно, и служат эти приставки - чтоб облегчить нам с вами жизнь. Они образуют из некоторой базовой виличины (метр, грамм, байт и т.д.) новую величину, которая больше или меньше базовой во сколько-то раз. Во сколько - об этом нам как раз и скажет кратная приставка! Ниже приведена таблица кратных приставок. Обратите внимание, что некоторые приставки пишутся с большой буквы, некоторые - с маленькой. Об этом нельзя забывать, иначе вы рискуете перепутать милливольт с Мегавольтом. Последствия будут печальны =(…

Тера - 1 000 000 000 000 (10^12) (триллион)
Гига - 1 000 000 000 (10^9) (миллиард)
Мега - 1 000 000 (10^6) (миллион)
кило - 1 000 (10^3) (тысяча)

деци - 0,1 (10^-1) (десятая)
санти - 0,01 (10^-2) (сотая)
милли - 0,001 (10^-3) (тысячная)
микро - 0,000 001 (10^-6) (миллионная)
нано - 0,000 000 001 (10^-9) (миллиардная)
пико - 0,000 000 000 001 (10^-12) (триллионная)

Для обозначения сопротивления тоже используют кратные приставки. Чаще всего в схемах можно найти резисторы от нескольких десятков Ом до нескольких сотен килоом. Встречаются резисторы и по нескольку мегаом, но - редко. Итак:

1 кОм = 1000 Ом
1 МОм = 1000 кОм = 1 000 000 Ом

Несколько примеров:

1,5 кОм = 1,5*1000 = 1500 Ом
0,2 кОм = 0,2*1000 = 200 Ом
и т.д.

Теперь поехали лопатить обозначения на корпусе!

Маркировка резисторов

Маркировка - это условные обозначения, наносимые на корпус детали, по которым мы можем узнать о некоторых её свойствах. Маркировка резистора может сказать нам о самом главном его свойстве - сопротивлении.

Существует несколько различных способов маркировки резисторов.

Способ 1-й, совдеповский.

Пример: 1К5, 68К, М16, 20Е, К39 и т.д.

Расшифруем:
1К5 = 1,5 кОм
68К = 68 кОм
М16 = 0,16 МОм = 160 кОм
20Е = 20 (единиц) Ом
К39 = 0,39 кОм = 390 Ом

Маркировка всегда состоит из двух цифр и одной буквы, обозначающей кратную приставку. Причем, буква ставится вместо десятичной запятой. Например, чтобы записать 1,5 кОм, надо написать 1К5. Если число 3-значное, скажем - 390 Ом, то надо выразить его с помощью 2-х знаков: 0,39 кОм. Ноль не пишем. Получается К39. Если число целое, то есть, после запятой нет знаков, буква ставится в самом конце: 68 К = 68,0 кОм

Способ 2-й, буржуазный

Пример: 152, 683, 164, 200, 391.

Расшифруем:
152 = 15 00 Ом = 1,5 кОм
683 = 68 000 Ом = 68 кОм
164 = 16 0000 Ом = 160 кОм
200 = 20 Ом
391 = 39 0 Ом.

Я не случайно писал нули через пробел. Усекли фишку? Правильно! Первые две цифры - это некоторое число. Последняя - количество нулей, дописываемых после этого числа. Проще некуда!

Способ 3-й, цветовой

Не подходит для дальтоников и ленивых.
Идеалогия - как в предыдущем способе, но вместо цифр - цветные полоски. Каждой цифре соответствует свой цвет. Вот таблица соответствия (ее лучше выучить наизусть, или распечатать на цветном принтере и везде носить с собой =)):

Как читать?
Берем резистор с цветовой маркировкой. На корпусе - 4 полоски. Три находятся рядом, одна - чуть в стороне. Переворачиваем резистор так, чтобы эта одиночная полоска была справа. Далее берем таблицу и переводим цвета трех левых линий в цифры. Получается трехзначное число. Далее - см. предыдущий способ.

Пример:

Вот и все! Оказывается, это так легко!!! =) Однако, если все же по каким-то причинам не удается прочесть маркировку резистора - сопротивление всегда можно померить измерительными приборами. О них мы еще поговорим.

Cхема электрическая. Принципиальная.

Мы уже затрагивали в наших разговорах как минимум три электрических элемента: батарейку, лампочку и соединительный проводник (провод). Возьмем простейшую конструкцию: лампочка подключена к батарейке двумя проводками. Нарисуем это:

Неправда ли, нужно обладать некоторыми данными художника, чтобы изобразить подобную картину. А ведь это – самое простое, что вообще можно представить! Если бы мы, допустим, захотели включать лампочку при помощи выключателя – пришлось бы рисовать еще и выключатель… А если лампочек и батареек несколько? Ужас!!! Вот поэтому, умные люди придумали каждому элементу свое условное обозначение. Вот как обозначаются элементы нашей конструкции:

 - батарейка. Длинная полоска – «+», короткая – «-».
 - лампочка
 - проводник. 

Обозначения всех элементов схемы можно поворачивать в любую сторону под углом 90град. Проводники можно изгибать в любую сторону, также под углом 90градусов. Если два проводника соединены электрически, то на схеме в месте их соединения ставится жирная точка.

 - проводники пересекаются без соединения
 - пересекающиеся проводники соединены

Нарисуем теперь схему нашего устройства по всем правилам:

До неприличия просто :-).
Если мы захотим теперь добавить орган управления – выключатель, это сделать легко и просто. Вот как он обозначается:

Рисуем схему:

Заметим, что лампочки бывают разные: маленькие и большие, на 5 и на 220 В, на 40 и на 150 Вт. А на схеме они все обозначаются одинаково, и имеют одинаковый размер. Распространенная ошибка – рисовать увеличенными в размере элементы с большей мощностью, большим напряжением и т.п. То же и с батарейками, и с проводами, и с любыми другими электрическими элементами. Дальше мы будем узнавать все больше новых элементов: резисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы, и т.д. И не раз убедимся в том, что между внешним видом элемента и его обозначением на схеме порой вообще нет ничего общего…

Как работают батарейки и аккумуляторы

Для каждого нового опыта с бутылками нам приходилось переливать воду из правой в левую. Для чего? А для того, чтобы создать разность уровней, чтобы возник ток воды в шланге. Постепенно вода перетекала из левой бутылки в правую, уровни сравнивались и ток прекращался. Мы снова переливали воду, и процесс начинался заново. Значит, идея такова: чтобы ток воды не прекращался, надо постоянно поддерживать разность уровней воды.

Попробуем! Для этого надо взять какой-нибудь черпачок, например – кофейную чашечку. Этим черпачком мы будем вычерпывать воду из правой бутылки, и выливать её в левую. Причем надо вычерпывать с такой скоростью, чтобы количество переливаемой воды было не меньше количества поступающей по шлангу за то же время. Иначе, если отчерпывать меньше, чем за то же время переливается по шлангу – через некоторое время уровни все равно сравняются и ток прекратится.

Переходим к электричеству.
Итак, у нас есть две заряженные гайки от трактора Беларусь. Или лучше, давайте возьмем просто две металлические пластины. Потенциал одной – 10 В, другой – 15 В. Между ними напряжение – 5В. Подключаем к ним лампочку. Лампочка светится, ток идет. Идет, идет, идет… И вот уже не идет, и лампочка не горит! Почему? А потому что ток уровнял потенциалы двух пластин, и напряжение между ними стало 0В. Чтобы лампочка загорелась снова, надо что? Надо перенести заряд с одной пластины на другую и тем самым снова создать разность потенциалов. Для этого надо привлечь к работе какие-то сторонние силы, которые бы занялись перекачкой зарядов. В опыте с бутылками этой сторонней силой являлся тот, кто вычерпывал воду. В электротехнике такой силой может служить, например, химическая реакция.

Любая батарейка или аккумулятор – это ни что иное, как две металлические пластины, помещенные в специальное химическое вещество – электролит. Одна пластина подключена к выводу «+», другая – к выводу «-». Допустим, батарейка рассчитана на 9 Вольт. Пока ее не трогают, напряжение между пластинами остается равным 9В. Но стоит подключить к батарейке нагрузку, например, лампочку, как от пластины «+» к пластине «-» потечет ток. Напряжение начнет уменьшаться. И тут же «включится» химическая реакция в электролите, которая начнет перекидывать электроны с «-» (отрицательной) пластины обратно на положительную, поддерживая тем самым разность потенциалов между ними. Чем больше сила тока в нагрузке (чем больше мощность лампочки), тем интенсивнее будет протекать реакция.

Все реакции можно делить на две большие группы: те, в результате которых выделяется энергия, и те, для проведения которых необходима энергия извне. Реакция внутри батарейки относится к первому типу. К этому же типу относится реакция горения. При горении, в результате соединения молекулы топлива с кислородом, выделяется энергия в виде тепла и света, и образуется новое вещество – окисленное топливо. Например, если топливом является уголь (состоящий, в-основном, из углерода) – при соединении с воздухом получается оксид углерода (углекислый газ). Углекислый газ не горит, и его мы больше использовать не можем. То есть – он является отходом, бесполезным продуктом реакции. По мере горения, количество исходных веществ (топлива и кислорода) уменьшается, а количество бесполезного продукта (углекислого газа) увеличивается. В конечном итоге, наступает момент, когда продукты реакции сгорают полностью, и реакция прекращается.

В электролите тоже протекает реакция, в ходе которой выделяется энергия в виде электрического тока. При этом, расходуются исходные вещества, и выделяется бесполезный продукт. Чем меньше остается расходных веществ – тем тяжелее батарейке поддерживать нужное напряжение между пластинами. Батарейка «садится».

Мы уже делили все реакции на два вида. Поделим еще раз, но по-другому.
Реакции бывают обратимыми и необратимыми.

Если продукт реакции можно снова преобразовать в исходные вещества – то такая реакция обратима. То есть, она идет «в обе стороны».

Если в результате реакции получается продукт, который нельзя преобразовать обратно, то реакция необратима.

«Фарш невозможно провернуть назад
И мясо из котлет не восстановишь…»

Чем отличается батарейка от аккумулятора? Тем что батарейку нельзя заряжать, а аккумулятор – можно. То есть, в батарейке протекает необратимая реакция, а в аккумуляторе – обратимая. Когда мы подключаем аккумулятор к зарядному устройству, ток внутри него начинает течь в обратном направлении, то есть – от «+» к «-». И реакция в электролите также начинает идти в обратном направлении. В результате, продукт реакции разлагается на исходные вещества. Аккумулятор «заряжается»

Пожалуй, это все о батарейках и аккумуляторах.

От воды – к электричеству. Закон Ома

 Итак, в прошлой главе мы пользовались тремя понятиями:

- сила тока,
- разность уровней,
- сопротивление.

Теперь привожу три термина, используемых в электронике:
- сила тока,
- разность потенциалов, или напряжение,
- электрическое сопротивление.

Ну а теперь – игра: «найди 10 различий!» :).

Различие 1-е – все что было «водяным» – стало «электрическим». Электрический ток, электрическое сопротивление.

Различие 2-е – появилась непонятная «разность потенциалов». Что это такое??? Объясняю.

Потенциал – это заряд какой-то частицы, измеренный относительно глобального нуля. Измеряется в вольтах. Глобальным нулем всегда принято считать заряд матушки Земли. Значит так: возьмем две железяки, например, гайки от трактора Беларусь, и зарядим их так, чтобы потенциал одной был 10 Вольт, другой – 15 Вольт. Очевидно, что разность потенциалов двух гаек составляет 5 Вольт. Разность потенциалов – это и есть электрическое напряжение между ними. Если соединить гайки проволокой, то по ней потечет ток. Он будет течь до тех пор, пока потенциалы гаек не уравняются, то есть, их разность не станет равна нулю. Не правда ли, похоже на уровни воды в бутылках! Заряженные гайки = бутылки с водой, проволока = шланг.

Раз уж так все похоже, и так все просто – тогда что нам мешает вывести такой же закон для электричества.
Итак:

Чем больше напряжение и меньше сопротивление, тем больше электрический ток.

В физике вообще, и в частности – в электротехнике, каждая величина обозначается буквой и измеряется в определенных единицах. Например, масса обозначается m, измеряется в граммах [г], скорость – v [м/с] и т.д. Так же дело обстоит и с силой тока, напряжением и сопротивлением.

	Обозначение	Единицы измерения	Единицы измерения (сокращенно)
Сила тока	I	Ампер	А
Напряжение	U	Вольт	В
Сопротивление	R	Ом	Ом

Теперь попробуем записать все тот же закон совсем по-научному, с помощью букв. Вот как он будет выглядеть:

I = U/R
Ампер = Вольт / Ом

Сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R) Формула, которую мы получили называется «Закон Ома». Это самый главный закон электротехники. Его надо помнить лучше, чем свой адрес и год рождения…

На последок, две формулы, которые получаются из закона Ома. По ним можно вычислить соответственно, напряжение и сопротивление.

U = I*R
R = U/I

Эти формулы не обязательно запоминать, если уметь их выводить. Если выводить не умеем, а запоминать – лениво, есть еще один способ – треугольник:

Пользоваться им очень легко. Нужно просто закрыть пальцем ту величину, которую мы ищем. Если две оставшиеся величины находятся на одном уровне – значит надо их перемножить. Если одна над другой – значит надо разделить верхнюю на нижнюю.

Пожалуй, все.

Электрический ток

Начнем с начала. У всех дома есть электрические розетки. Возьмем два гвоздя… Впрочем, нет, давайте сначала подойдем с теоретической стороны, к практике приступим несколько позже.

Радиоэлектроника, электротехника, электрика - всего этого не могло бы быть, если бы не было электрического тока. И уж коль скоро Вы решились познать науку Радиоэлектронику, надо бы разобраться в начале, а что, собственно, такое - электрический ток. В учебнике физики дано такое определение: электрический ток - это направленное движение заряженных частиц. Движущиеся заряженные частицы - это электроны, причем их заряд отрицателен. Есть еще протоны - частицы с положительным зарядом и нейтроны - с нейтральным зарядом, но ни те ни другие не движутся. Значит, говоря об электрическом токе, мы будем иметь ввиду некую оголтелую толпу именно электронов, несущихся из пункта А в пункт Б, с очень большой скоростью… Это в общем.

Даже под самым наисовременнейшим микроскопом, нам ни за что не разглядеть электрон. А уж пощупать его - тем более никак. Вы, уважаемый читатель, можете, конечно возразить, мол, если сунуть два гвоздя в розетку, а потом за них схватиться - вот тут то как раз и можно очень мило все пощупать. Да еще как пощупать!!! "А вот ни фига" - отвечу я. То мы почувствуем - это всего лишь результат прохождения тока через живые ткани организма. А один отдельно взятый электрон пощупать НЕЛЬЗЯ! К чему все это? Да к тому, что в физике полно таких вот виртуальных вещей: они как бы есть, но на что они похожи - никто толком не знает. Как же тогда можно их изучать?.. Вот поэтому физику и чтят в народе наукой темной и безнадежно свирепой. А меж тем, дело решается очень просто. Надо только найти что-то более знакомое, то, что каждый человек тысячу раз видел, щупал, нюхал, пробовал на зуб и т.д. Причем, это что-то по поведению должно быть похожим на то, что мы изучаем. В данный момент мы изучаем электрический ток. Давайте попробуем подобрать что-то такое, что на него похоже, и что каждый видел.

Вот часто говорят: "ток течет". Это наводит на хорошую аналогию. А не сравнить ли нам электрический ток с током воды? Итак. Ток течет по проводам - вода течет по трубам. Ток течет от "+" к "-" - вода течет сверху вниз… Как видим - общего много. Поехали!

Для начала, давайте соберем хитроумную экспериментально-научную установку для выяснения свойств электрического тока на водяной модели. Для этого нам потребуется:
- 2 одинаковые пластиковые бутылки любого объема с пробками,
- кусок тонкого шланга (примерно 30 см).
- два гвоздя.

Отрезаем у бутылок дно, в пробочке ковыряем (сверлим) дырочки, вставляем туда концы шланга. Подвешиваем конструкцию на стенку при помощи гвоздей на одном уровне:

Приступаем к проведению научных экспериментов.
После каждого эксперимента мы будем делать вывод на основании полученных результатов. Если эксперименты и выводы покажутся Вам идиотскими - не удивляйтесь. Оно так и есть - все до идиотизма просто! Значит все у нас получится :). 

Эксперимент 1.
Заполним левую бутылку водой (правая пока пуста), и смотрим, что происходит.
А происходит вот чего: вода начинает перетекать по шлангу из левой бутылки в правую. Сначала, когда в правой бутылке еще почти нет воды, а левая полна до краев - скорость перетекания воды большая. Но постепенно, по мере того, как заполняется правая и опустошается левая бутылка, скорость уменьшается. В тот момент, когда уровни воды в обеих бутылках сравняются, скорость станет равна нулю. Иначе говоря, ток воды в шланге исчезнет.
Вывод 1: Вода течет из бутылки, уровень воды в которой больше.
Вывод 2: Чем больше разность уровней - тем сильнее ток воды в шланге
Вывод 3: Если уровни равны, вода не течет вообще.

Эксперимент 2. Для него нам понадобится секундомер.
Перельем воду из правой бутылки в левую. То есть, снова сделаем так, чтобы в левой было много, а в правой - ничего. Запустим секундомер. Когда уровни в бутылках уровняются - остановим секундомер. Время запишем.
Повторим то же самое, но слегка зажмем шланг (но так, чтобы вода могла течь).
Сравним результаты измерений времени в первом и втором опыте. Время 2-го опыта, очевидно, будет больше.
Вывод: Чем тоньше шланг - тем меньше в нем сила водяного тока.

По результатам проделанных экспериментов, подведем итоги. А именно - выясним, от чего зависит сила тока в шланге.
Итак,

1. Чем больше разность уровней в бутылках - тем больше сила тока.
2. Чем сильнее сжат шланг, то есть, чем больше сопротивление шланга текущей по нему воде - тем меньше сила тока. 

Объединим это в один закон:
Чем больше разность уровней и чем меньше сопротивление - тем больше сила тока