Изучая темы, связанные с электричеством, возможно, вы захотите поэкспериментировать с электрическими схемами, смоделированными собственноручно с использованием резисторов и источников питания. Есть разные доступные варианты для этого, какие-то попроще, другие посложнее. В этом разделе рассмотрим несколько методов изготовления, которые не только помогут вам строить схемы, показанные в этой главе, но и создавать более сложные цепи.
Использование перемычек с зажимом типа «крокодил» для построения схемы
Если всё, что нужно построить – это простенькая схема с одним аккумулятором и одним резистором, то для этого прекрасно подойдут перемычки типа «крокодил». Выглядит это примерно вот так:
Рис. 1. Простейшая схема с одним источником питания и одним резистором.
Проводные перемычки с пружинными зажимами типа «крокодил» на каждом конце обеспечивают безопасный и удобный метод электрического соединения компонентов.
Если нужно построить простую последовательную схему с одной батареей и тремя резисторами, можно было бы применить ту же технику построения «точка-к-точке» с использованием перемычек:
Рис. 2. Простая последовательная цепь с одним источником питания и тремя резисторами.
Использование беспаечной макетной платы для более сложных схем
Вышеприведённый метод, однако, малопрактичен для более-менее сложных схем, из-за неудобства перемычек и их физической хрупкости. Более распространённым вариантом для электронщиков-любителей является беспаечная макетная плата – устройство в пластиковом корпусе с сотнями подпружиненных соединительных разъёмов, соединяющих вставленные концы компонентов и/или провода 22-го калибра (примечание переводчика – возможно, здесь подразумевается стандарт AWG). После фотографии реальной макетной платы приведена иллюстрация, демонстрирующая простую последовательную схему, построенную на плате:
Рис. 3. Беспаечная макетная плата со сконфигурированной простой последовательной схемой.Рис. 4. Простая последовательная схема, сконфигурированная на беспаечной макетной плате с рисунка 3.
Под каждым отверстием в макетной плате находится металлический пружинный зажим, предназначенный для захвата любого вставленного провода или вывода элемента. Эти металлические пружинные зажимы соединены под лицевой стороной макета, обеспечивая связь между вставленными выводами. Схема подключения соединяет каждые пять отверстий вдоль вертикального столбца (как показано на длинной оси макета, расположенной горизонтально):
Построение последовательной схемы на макетной плате
Таким образом, когда провод или вывод компонента вставляется в отверстие на макетной плате, в вертикальной колонке с этим отверстием доступны ещё четыре отверстия, обеспечивающие потенциальные точки подключения других проводов и/или выводов компонентов. В результате получается чрезвычайно гибкая платформа для построения временных цепей. Например, вышеприведённая схема с тремя резисторами может быть построена на такой макетной плате вот таким образом:
Однако у макетных плат есть свои ограничения. В первую очередь, они предназначены только для строительства временных цепей. Если взять макетную плату, перевернуть ей и встряхнуть, любые подключенные к ней компоненты наверняка расшатаются и даже могут выпасть из соответствующих отверстий. Кроме того, макетные платы ограничены схемами с довольно низкой силой тока (менее 1 А). Пружинные зажимы имеют небольшую площадь контакта и поэтому не могут выдерживать высокие токи без чрезмерного нагрева.
Пайка или обмотка проводов
Для большей устойчивости можно выбрать пайку или обмотку проводов. Эти методы включают прикрепление компонентов и проводов к какой-либо конструкции, обеспечивающей надежное механическое расположение (например, на фенольной или стекловолоконной плате с просверленными в ней отверстиями, что делает подобную поверхность схожей с макетной платой, но без внутренних пружинных зажимов), а затем провода крепятся к закрепленным компонентам.
Пайка – это вид низкотемпературной сварки с использованием сплава олово/свинец или олово/серебро, который также плавится и электрически связывает медные предметы. Для соединения элементов служат или концы проводов, припаянные к выводам, или очень маленькие контактные площадки в виде медных колечек, прикрепленные к поверхности печатной платы.
При проводной обмотке небольшая проволока плотно наматывается на выводы компонентов, а не припаивается к выводам или медным площадкам. Натяжение намотанного провода обеспечивает надежное механическое и электрическое соединение для соединения компонентов вместе.
Печатные платы
Пример печатной платы, используемой любителями для создания электрических схем:
Рис. 8. Печатная плата.
Эта плата смотрит медной стороной вверх: на этой стороне и осуществляется пайка. Каждое отверстие окружено небольшим слоем металлической меди для приклеивания к припою. Все отверстия на этой конкретной плате независимы друг от друга, в отличие от отверстий на беспаечной макетной плате, которые соединены вместе группами по пять штук. Печатные платы, сделанные по тому же шаблону что и макетные платы (с рядами по 5 соединённых отверстий), можно найти в специализированных магазинах.
Производственные печатные платы имеют следы меди, нанесенной на фенольный или стекловолоконный материал подложки, позволяющие формировать пути соединения, которые функционируют как провода в цепи. На фотографии ниже показан пример такой платы, это устройство фактически представляет собой схему «источника питания», предназначенную для приема 120-вольтного переменного тока (AC) от бытовой розетки и преобразования его в низковольтный постоянный ток (DC). На этой плате присутствует резистор, пятый по счёту компонент (если считать снизу), расположенный в середине правой области платы.
Рис. 9. Схема спроектированных путей подключения.
На следующем фото, если взглянуть на нижнюю часть платы, то можно заметить следы меди, соединяющие компоненты вместе, а также видны серебристые отложения припоя, соединяющие компоненты, ведущие к этим следам:
Рис. 10. Припаяная проволочная обмотка.
Паяная или обмотанная проволокой схема считается цельной: то есть она вряд ли случайно развалится от малейшего движения. Однако эти методы строительства цепей иногда слишком цельные. Если понадобится заменить элемент или вообще существенно изменить схему, придётся затратить немало усилий и времени на отключение соединений. Кроме того, как пайка, так и проводная обмотка требуют специальных инструментов, которые не всегда в наличии.
Клеммные колодки
Ещё одна альтернатив, используемая во всем мире, – это клеммная колодка. Клеммная колодка (также известная, как барьерная полоска или терминальный блок), состоит из отрезка непроводящего материала с несколькими небольшими металлическими стержнями, встроенными вовнутрь. Каждый металлический стержень имеет по крайней мере один крепёжный винт или другой крепёж, под которым может быть закреплён провод или вывод элемента. Несколько проводов, скреплённые одним винтом, являются электрически общими друг с другом, как и провода, прикреплённые к нескольким винтам на одной шине. На следующей фотографии показан один из вариантов клеммной колодки с несколькими подключенными проводами.
Рис. 11. Клеммные колодки
Ещё одна клеммная колодка меньшего размера показана на следующей фотографии. Эта разновидность, иногда называемая «европейским» стилем, имеет утопленные винты, что предотвращает случайное замыкание между клеммами с помощью отвертки или другого металлического предмета:
Рис. 12. Клеммная колодка в европейском стиле.
Конструирование электрических схем на клеммной колодке
Рис. 13. Клеммная колодка и построенная на её основе последовательная цепь.
Если в клеммной колодке используются крепёжные винты для фиксации элементов и их концов проводов, для закрепления новых соединений или разрыва старых соединений не потребуется ничего, кроме отвёртки. В некоторых клеммных колодках используются подпружиненные зажимы, аналогичные тем, что в беспаечной макетной плате, разве что в клеммных колодках зажимы гораздо более прочны. Они вставляются и отключаются с помощью отвёртки в качестве толкателя (без скручивания). Электрические соединения, устанавливаемые на клеммной колодке, достаточно надёжны и подходят для создания как постоянных, так и для временных цепей.
Перевод принципиальной схемы в схему с учётом физического расположения соединений элементов
Один из важных навыков, которым должен обладать любой, кто интересуется электричеством и электроникой, это умение «переводить» принципиальную схему в реальную схему, где элементы могут быть ориентированы по-разному.
Схематические диаграммы обычно рисуются для максимальной читабельности (за исключением тех немногих примечательных примеров, нарисованных так, чтобы создать максимальную путаницу!). Однако при практическом построении схем часто требуется другая ориентация компонентов. Построение простых схем на клеммных колодках – это один из способов развить навык пространственного мышления, когда «перетягиваются» провода для создания тех же путей соединения что и на диаграмме.
Преобразование простой параллельной схемы в реальную схему
Рис. 14. Параллельная цепь, построенная на основе клеммной колодки, состоящая из одного источника питания и трёх резисторов.
Переход от красивой, аккуратной принципиальной схемы к схеме реальной - особенно когда подключаемые резисторы физически расположены линейно на клеммной колодке - для многих не очевиден, поэтому опишем процесс шаг за шагом. Во-первых, начнём с чистой принципиальной схемы и всех компонентов, прикрепленных к клеммной колодке, без соединительных проводов:
Рис. 15. Клеммная колодка, к которой в ряд подсоединены три резистора.
Теперь повторим соединение от одного вывода источника питания к первому компоненту на схеме, закрепив соединительный провод между соответствующими двумя точками на реальной цепи. Будет полезным перерисовать провод на схеме изобразив его линией другого (например, красного) цвета, указав таким образом, какое именно соединение сделано в реальной схеме:
Рис. 16. На клеммной колодке воспроизведено первое соединение – от одного из выводов источника питания до первого резистора.
Продолжаем этот процесс, подсоединяя провод за проводом, пока не будут учтены все соединения из принципиальной схемы. Полезно также рассматривать общие провода в духе работы с программой SPICE: создавая пошагово соединения с общим проводом, убедившись при этом, что каждый компонент, подключенный к этому проводу, действительно имеет соединение с этим проводом, прежде чем соединять следующие две точки цепи. На следующем шаге видно, как верхние (на схеме) стороны двух оставшихся резисторов соединяются вместе, при этом имея общую точку с проводом, закреплённым на предыдущем шаге:
Рис. 17. Схематическая диаграмма, часть которой перерисована в стиле программы SPICE
Когда верхние стороны всех резисторов (как показано на схеме) соединены вместе и подсоединены к положительной (+) клемме батареи, всё, что остаётся сделать, это соединить нижние стороны между собой и подключить их ко второй стороне батареи:
Рис. 18.Резисторы, соединённые вместе и подключённые к обеим клеммам источника питания.
Обычно в промышленности все провода маркируются цифровыми бирками, а электрически общие провода имеют тот же номер бирки, как и при моделировании в программе SPICE. В этом случае мы можем пометить провода цифрами 1 и 2:
Рис. 19. Общие номера проводов, представляющие электрически общие точки.
Другое общепринятое соглашение заключается в незначительном изменении принципиальной схемы, чтобы указать фактические точки подключения проводов на клеммной колодке. Для этого потребуется система маркировки для самой полосы: номер «TB» (номер терминального блока, т.е. какая это по счёту клемма на колодке) для очередной полоски, с указанием другого номера, который показывает, к какой другой клемме она подсоединена с помощью провода.
Рис. 20. Клеммные колодки с надписями, обозначающие точки подключения.
Теперь схему можно использовать в качестве своеобразной «карты» для определения точек в реальной цепи, независимо от того, насколько запутанной и сложной может казаться соединительная проводка. Это может показаться чрезмерно усложнённым для простейшей схемы с тремя резисторами, но подобная детализация абсолютно необходима для построения и обслуживания больших схем, особенно если эти реальные схемы разнесены на большое расстояние. Или же, детализация тем более уместна, если используется не одна, а несколько клеммных колодок, или для одной цепи используется несколько беспайных макетных плат и т.п.
Итог
Беспайная макетная плата с разъёмами – устройство, используемое для быстрой сборки временных схем, с подключением проводов и элементов с помощью электрически общих пружинных зажимов, расположены снизу в отверстиях, которые рядами расположены на пластиковой панели.
Пайка – процесс низкотемпературной сварки, в котором используется сплав свинец/олово или олово/серебро для соединения проводов и выводов элементов, при этом обычно компоненты крепятся к плате из стекловолокна.
Обмотка проводов – альтернатива пайке, при которой проволока небольшого сечения плотно наматывается вокруг выводов элементов (а не сварное соединение компонентов, как при пайке).
Клеммная колодка, также известная как барьерная полоска или терминальный блок – ещё одно устройство, используемое для соединения компонентов и проводов при сборке электрических цепей. Винтовые клеммы или тяжёлые пружинные зажимы, прикреплённые к металлическим стержням, обеспечивают точки соединения для концов проводов и выводов элементов. Металлические стержни устанавливаются отдельно на кусок непроводящего материала (такого как пластик, бакелит или керамика).
