Беседы по Электротехнике. Электричество - от простого к сложному

А.Л.Кульский, г.Киев
     Можно с полнейшим основанием утверждать, что ареной разнообразнейших физических процессов являются не только земные просторы, но также невообразимый по своим масштабам звездный мир и вся бесконечная Вселенная. Не удивительно, что колоссальное количество этих процессов основывается на проявлении ОЧЕНЬ ОГРАНИЧЕННОГО числа СИЛ - ГРАВИТАЦИОННЫХ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, МАГНИТНЫХ и ЯДЕРНЫХ.

      Гравитационные силысамые загадочные. Именно они управляют движением галактик, звезд и планет, они же вызывают притяжение всех тел на Земле к ее центру. Но при воздействии элементарных частиц, атомов, моле- кул, небольших тел, гравитационные силы играют роль настолько малую, что ими впол- не можно пренебречь. Ядерные силы, обеспечивая устойчивость атомного ядра, очень быстро убывают с рас- стоянием и вне атомного ядра практически не проявляются. А вот ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИЛЫ в природе имеют удивительно широкую "арену деятельности". Изучение и использование ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИЛ лежит в основе всех известных электротехнических явлений. Что и породило ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ. А развитие электротехники дало толчок к возникновению ЭЛЕКТРОНИКИ.

     Для того чтобы наглядно представить себе, где проходит граница между электротехникой и электроникой, полезно запомнить следующее. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА - это область науки и техники, рассматривающая законы функционирования и методы расчета различных электрических цепей. Например, представим себе цепи, в составе которых имеются лампочки, электромоторы, трансформаторы и т.д. Но если цепь способна самостоятельно реагировать на ВНЕШНЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ независимо от того, имеет ли оно непосредственно электрический характер или даже неэлектрический, но преобразуемый к электрическому виду специальными преобразовательными устройствами (датчиками), т.е. если электрическая цепь предназначена для работы с ВНЕШНИМ сигналом, это уже ЭЛЕКТРОНИКА !

     Внешний сигнал может представлять собой и световое воздействие, и тепловое, а также механическое, химическое, биологическое и т.д. Когда таким сигналом являются электромагнитные волны, применяют термин РАДИО- ЭЛЕКТРОНИКА. Можно утверждать, что "возраст" радио- электроники лишь немногим превышает 100 лет. Все удивительные чудеса, которые оказалось возможным реализовать благодаря успехам РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (компьютеры, телевизоры, аудио и видеоаппаратуру, миниатюрные кинокамеры, радиотелефоны, пейджеры и т.д.) это, в сущности, еще только НАЧАЛО электронных чудес! Радиоэлек- троника (и будущее только подтвердит это) может неизмеримо больше!... Радиоэлектронику можно уподобить удивительной сказочной стране, бесконечно богатой разнообразнейшими чудесами и тайнами. И тот, кто однажды попал в эту страну, уже ни за что не захочет покинуть ее! Но, как и полагается во всех сказках (даже в том случае, если они абсолютно реальны), чтобы попасть в эту удивительную страну, необхо- дим ВОЛШЕБНЫЙ КЛЮЧИК. Именно он способен открыть двери, ведущие в этот сказочный мир. Этим ключиком, правда, надо еще завладеть. Что же он из себя представляет? Прежде всего - это знание основных законов электротехники и электроники. Понимание сущности физических процессов, лежащих в основе этих законов. Последовательное и настойчивое изучение современной компонентной базы, методов конструирования и монтажа. И конечно же, проявление творческой инициативы. Но даже всего этого - КРАЙНЕ НЕДОСТА- ТОЧНО! Почему? Когда мы греемся вечером у костра или когда ставим на кухне чайник на плиту, мы имеем дело с огнем. Он видимый, очень горячий, а потому - ПОНЯТНЫЙ! Когда же мы имеем дело с электрической цепью, то, на первый взгляд, НИКАКОЙ ОПАСНОСТИ она не несет. И это в основном так и есть.

Правильно смонтированная и эксплуатируемая электротехническая цепь - образец безопасности! Но при этом не стоит забывать, что внесение в эту цепь (случайное или намеренное) посторонних проводящих предметов способно коренным образом нарушить эту благостную картину. Если обычный костер разгорается медленно (в лучшем случае для этого требуются минуты), и температура его независимо от размеров костра ограничена (немногим более 800° С), то температура, развиваемая при аварийной ситуации в эле- ктротехнической цепи, МГНОВЕННО достигает МНОГИХ ТЫСЯЧ ГРАДУСОВ! В пар превращаются самые тугоплавкие металлы - платина и вольфрам! Их раска- ленные брызги разлетаются с высокой скоро- стью и способны нанести тяжелейшие трав- мы и ожоги. Помимо этого, электротехнические цепи обладают еще одним поражающим фактором. Он ВСЕГДА ПРИСУТСТВУЕТ в любой, нормально функционирующей электрической цепи. Речь идет об электрическом напряжении. Его наличие в определенной точке цепи совершенно незаметно! До того самого момента, пока неосторож- ный пользователь не соприкоснется с ним. Поэтому будущим энтузиастам электроники полезно усвоить на всю дальнейшую жизнь несколько правил, которые необходимо помнить всегда и везде:

1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО - ЭТО НАДЕЖНЫЙ И НЕЗАМЕНИМЫЙ ДРУГ, НО ОЧЕНЬ СТРАШНЫЙ, СМЕРТЕЛЬНО ОПАСНЫЙ ВРАГ!

2. ЛЮБЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ РАБОТЫ НЕСОВМЕСТИМЫ С РАЗГИЛЬДЯЙСТВОМ И ХАЛАТНОСТЬЮ.

3. ВСЕ ЭЛЕКТРОМОНТАЖНЫЕ РАБОТЫ ВЫПОЛНЯЮТСЯ ТОЛЬКО ПРИ ОТКЛЮЧЕННОМ ЭЛЕКТРОПИТАНИИ И ВЫНУТОЙ ИЗ СЕТЕВОЙ РОЗЕТКИ ВИЛКИ.

4. НЕОБХОДИМО ПОМНИТЬ, ЧТО ПРИ НЕКОТОРЫХ УСЛОВИЯХ ОПАСНОСТЬ ДЛЯ ЖИЗНИ ПРЕДСТАВЛЯЕТ НАПРЯЖЕНИЕ, РАВНОЕ 12 В!

     Это, естественно, не означает, что электроника - нечто крайне опасное и недоступное. Ни в коем случае! Но вот собранность, сосредоточенность и внимательность - это качества, необходимые для будущего электронщика. Теперь можем начать подробный разговор об электричестве и электронике... Мы не можем сказать в точности, когда люди впервые обнаружили, что тела могут быть НАЭЛЕКТРИЗОВАНЫ. Во всяком случае произошло это очень давно. Документально описал этот факт впервые философ из Эллады Фалес Милетский (IV-й век до н.э.). По его словам, ткачихи заметили способность янтаря притягивать к себе легкие предметы, НЕ СОПРИКАСАЯСЬ с ними, после того как этот янтарь потерли о шерсть. Странное поведение янтаря и некоторых других веществ, поначалу казалось всего лишь любопытным курьезом. А между тем здесь проявляются законы, управляющие большинством явлений на Земле. Как же сегодня поясняется явление электризации?

     Согласно нашим современным знаниям, все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, имеют сложное устройство. В середине атома расположено ядро, вокруг которого, как часто принято говорить, ВРАЩАЮТСЯ электроны. Каждый из электронов несет ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ отрицательный заряд. При этом, как подтвердили ВСЕ экс- перименты, НЕ СУЩЕСТВУЕТ ситуации, при которой заряд электрона можно изменить в ту или иную сторону! Другое дело - скорость и энергия электрона. Вот они-то великолепно поддаются регулированию. Заметим, что в действительности электроны вокруг атомного ядра НЕ вращаются! Они как бы присутствуют на различных расстояниях от ядра. И ВЕРОЯТНОСТЬ их присутствия в определенной области внутри атомного пространства характеризуется различными значениями. Добавим, что различные атомы (в зависимости от состава ядра) имеют и разное количество электронов. В нейтральном атоме количество ПРОТОНОВ в ядре равно количеству НЕЙТРОНОВ. А количество ЭЛЕКТРОНОВ равно количеству протонов. Электрические заряды протона и электрона равны по величине и ПРОТИВОПОЛОЖНЫ по знаку! А вот их массы отличаются почти в 1800 раз. Вот в каком соотношении находятся массы "тяжелого" протона и "легкого" электрона.

  Следующее фундаментальное понятие, без которого невозможно изучать электротехнику, - это законы ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ электрических зарядов. Прежде всего отметим, что ОДНОИМЕННЫЕ электрические заряды ВСЕГДА взаимно отталкиваются, РАЗНОИМЕННЫЕ всегда притягиваются. Иначе говоря, заряды ВСЕГДА взаимодействуют друг с другом. Вот уже сотни лет, как продолжается в физике великий спор - как же осуществляется взаимодействие двух зарядов? Первоначально полагали, что электрические заряды непосредст- венно через пустоту (вакуум) действуют друг на друга. При этом каждый заряд на расстоянии "чувствует" присутствие другого. Подобная точка зрения известна, как ТЕОРИЯ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ.

Английский физик Майкл Фарадей предложил иной подход. Он ввел в физику понятие ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. Что позволило, как тогда полагали, полностью отказаться от "дальнодействия" в физике. Согласно Фарадею, заряды НЕ взаимодействуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в пространстве электрическое поле, величина которого ( или НАПРЯЖЕННОСТЬ) убывает по мере удаления от заряда. Действие этого заряда передается в пространстве от точки к точке посредством электрического поля. Эта точка зрения известна, как ТЕОРИЯ БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. Современная электрофизика базируется именно на этой теории. Но заметим, что к настоящему времени имеются очень тонкие экспериментальные факты, которые работают на возрождение теории дальнодействия. Однако говорить о них мы пока не будем... Наука об электричестве делится на электростатику и электродинамику. Первая изучает взаимодействие электрических зарядов посредством чисто ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ полей.

Вторая (электродинамика) - это наука о взаимодействии ДВИЖУЩИХСЯ электрических зарядов с ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ полем, точнее, электромагнитные эффекты, возникающие при ДВИЖЕНИИ любых электрических зарядов в металлах или вакууме. Именно здесь мы встречаемся с явлением протекания ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА в замкнутой цепи. Что же представляет собой электрический ток в металлах? Поскольку ядра у атомов металлов массивные, они остаются в узлах кристаллической решетки, а электроны (как очень подвижные и "легкие") свободно движутся в объеме кристалла. Это относится к периферийным электронам, которые очень слабо связаны электрическими силами с .далеким. атомным ядром. А поэтому до- статочно небольшой добавочной энергии, чтобы они покинули свой атом и стали мигрировать внутри кристаллической решетки.

Как только электрон покидает атом, тот немедленно становится ПОЛОЖИТЕЛЬНО заряженным. И какой-либо свободный электрон из числа тех, что свободно движутся внутри кристалла, немедленно занимает "вакансию". Атом вновь становится нейтральным, но ненадолго... Заметим, что электроны внутри кристалла движутся беспорядочно, и скорость их довольно велика. Она зависит в значительной степени от температуры кристалла. При комнатной температуре средняя скорость электронов составляет несколько метров в секунду. Много это или мало? Если принять во внимание размеры электрона и соотнести их с величиной перемещения, совершаемого им в течение секунды, то это соотношение впечатляет, например, внутри обыкновенного кинескопа, скорость электрона достигает ДЕСЯТКОВ ТЫСЯЧ КИЛОМЕТРОВ В СЕКУНДУ! Но это в вакууме. Теперь для наглядности представим себе отрезок проволоки, например, медной (рис.1).

 Здесь свободные электроны изображены в виде кружочков, снабженных стрелками. Эти стрелки, представляющие собой вектора, иллюстрируют тот факт, что средняя скорость свободных электронов при данной температуре, примерно одинакова, чего нельзя сказать о направлении их (электронов) движения. Оно имеет неупорядоченный, хаотический  характер. Это означает, что за некоторую единицу времени, например, за одну СЕКУНДУ, количество электронов, которые пересекают плоскость сечения проволоки (обозначенную, как 2) в направлении СПРАВА НАЛЕВО и тех, что за это же время пересека-ют это сечение СЛЕВА НАПРАВО одинаково! В этом случае вполне справедлив следующий вывод: несмотря на то что значительное количество свободных электронов непрерывно совершает движение внутри кристаллической структуры металла, никакого тока НЕТ! А теперь внесем в представленную выше картину некоторое изменение (рис.2).

 У КАЖДОГО свободного электрона появилась некоторая дополнительная составляющая средней скорости, что обозначено на рис.2 пунктирными стрелками. По своей абсолютной величине эти стрелки (вектора) в ДЕСЯТКИ раз меньше векторов средней хаотической скорости. Но ВСЕ они действуют согласованно, в ОДНОМ и том же направлении. Поскольку действует правило сложения векторов, то средние скорости электронов, которые движутся слева направо, будут больше, чем средние скорости электронов, которые движутся справа налево! А поскольку в этом случае НЕТ равенства между количеством электронов, которые проходят через плоскость сечения в противоположных направлениях, то мы вправе утверждать, что в этом случае ПОЯВЛЯЕТСЯ электрический ТОК! На идеализированных рис.1 и 2 (чтобы не загромождать картину) изображено только по ШЕСТЬ электронов.

В то время как в каждом грамме медного провода содержится примерно по десять в двадцать второй степени атомов! И даже если каждый атом обеспечит только один свободный электрон, который способен "путешествовать" внутри кристаллической структуры, то их общее количество будет колоссально. Электрический заряд отдельного электрона чрезвычайно мал. Но поскольку, как правило, на практике мы име- ем дело с астрономическим числом электронов, результирующие электрические заряды получаются значительными. Единицей электрического заряда является КУЛОН, который численно равен 6,28 х1018 элементарных зарядов электрона. Отсюда очень просто найти единицу электрического тока. Если через сечение проводника за ОДНУ секунду проходит ОДИН кулон электричества, то величина электрического тока равна ОДНОМУ АМПЕРУ.

Будем помнить, что электрический ток может иметь ДВА совершенно различных механизма. В самом деле, представим себе, что, например, в условиях открытого космоса какой-либо металлический предмет, получивший в силу каких-либо сторонних причин некоторый электрический заряд (скажем, отрицательный) приближается к другому металлическому предмету, у которого или избыточного заряда вообще нет, или он противоположен по знаку. Кроме того, пусть первый предмет имеет конструкцию, подобную представленной на рис.3.

 Тогда в момент соприкосновения предметов 1 и 2 избыточный заряд электронов распределится между ними таким образом, что концентрации уравняются. Но поскольку электроны от 1 перетекут в 2 через стержень, в который встроен АМПЕРМЕТР, то, естественно, последний зафиксирует прохождение электрического тока. Величина этого тока будет иметь НЕ постоянный, а экспоненциальный характер, как показано на рис.4. Вот пример того, что электрический ток может протекать в НЕЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ. Кстати сказать, начальная величина тока может достигать огромных значений, например, при ударе молнии в металлический предмет. Совсем иной механизм явления имеет место в ЗАМКНУТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ. Электротехника и электроника базируются именно на функционировании ЗАМКНУТЫХ электрических цепей.

 Для получения электрического тока в замкнутой цепи необходим прежде всего ИСТОЧНИК, за счет которого совершалась бы РАБОТА по перемещнию электрических зарядов. Таким источником, в частности, может служить гальванический элемент (батарейка), аккумулятор, солнечная батарея, элек- трогенератор, реактивный двигатель, ядерный реактор и т.д. Заметим, что наличие именно такого источника дало нам право пририсовать к кружочкам, изображающим электроны (см. рис.2) пунктирные стрелки! Иначе говоря, именно подобный источник и является той СИЛОЙ, которая генерирует ток в проводнике. И еще одно - зависимость тока от времени может, в частности, иметь постоянный, неизменный характер. Важнейшей физической особенностью генерации источником электрического тока в замкнутой цепи является то, что ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, генерируемое этим источником, обеспечивает каждому свободному электрону некоторое ПРИРАЩЕНИЕ составляющей средней скорости.

Интересно, что даже в сильных электрических полях приращение средней скорости составляет не более ЕДИНИЦ САНТИМЕТРОВ в секунду. И в то же время электрическое поле обеспечивает это приращение каждому СВОБОДНОМУ электрону в электрической цепи ПОЧТИ ОДНОВРЕМЕННО. Это называется скоростью распространения электрического поля в проводнике. Она представляет собой величину, несколько превышающую 200000 км в секунду! Что несколько меньше скорости света в вакууме (300000 км в секунду). Любой источник или генератор электрического поля характеризуется ЭЛЕ- КТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ (ЭДС), кото- рая посредством генерируемого элек- трического поля сообщается перемеща- емым по цепи электронам. ЭДС изме- ряется в ВОЛЬТАХ. При перемещении электрического заряда в ОДИН КУЛОН (1 Кл) источник тока выполняет работу в ОДИН ДЖОУЛЬ (1 Дж), если этот источник обладает ЭДС, равной 1 В. Ес- ли же ЭДС равна, например, 5 В, то выполненная работа соответствует 5 Дж. Кстати сказать, 1 Дж - это работа по поднятию груза массой в 109 г на высоту 1 м !

Итак, источник тока в силу определенных внутренних процессов на ВНЕШНИХ ВЫВОДАХ поддерживает некоторую разность электрических состояний, или ЭДС. Но когда мы соединяем какой - либо ПРОВОДЯЩЕЙ СИСТЕМОЙ эти электроды, по этой системе начинает протекать электрический ток. Вот эта ВНЕШНЯЯ, проводящая электрический ток система и называется электрической цепью! А в силу того что эта электрическая цепь замыкает (по определению) оба электрода источника ЭДС, такая внешняя цепь является замкнутой. В самом общем случае эта внешняя электрическая цепь характеризуется таким параметром, как СОПРОТИВЛЕНИЕ (R), которое выражается следующим соотношением:

R = U/I, где U - напряжение, I - ток.

Полезно запомнить: 1 В = 1000 мВ = 1000000 мкВ. 1 А = 1000 мА = 1000000 мкА. 1 Ом = 0,001 кОм = 0,000001 МОм. Или, что более привычно: 1МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом. Вообще, принято говорить, что цепь, по которой течет ток, равный 1 А, при напряжении, равном 1 В, обладает сопротивлением 1 Ом.

В электронике часто применяются и такие величины: 1 мкА = 1000 нА = 1000000 пА. 1 ГОм = 1000 МОм= 1000000 кОм= = 1000000000 Ом! 1 кВ = 1000 В. Для того чтобы легко и наглядно описывать функционирование как угодно сложных электрических цепей, принята система условных обозначений. Воспользуемся ими, чтобы изобразить две ПРОСТЕЙШИЕ электрические цепи. На рис.5,а изображена электрическая цепь обыкновенного переносного фонарика.

Она содержит электрическую лампочку Л, выключатель S и источник ЭДС (батарейку) G. В качестве батарейки можно использовать "Крону" или КБС. Изображение любой электрической цепи (в документации) с помощью системы условных графических обозначений элементов, носит стандартное название ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ этой цепи. Таким образом, на рис.5,б изображена принципиальная электрическая схема, содержащая резистор R1, выключатель S и батарейку G. Вообще, резистор в электротехнике и особенно в электронике находит широчайшее применение. Знакомство с некоторыми свойствами резистора начнем с ЗАКОНА ОМА. Если в простейшей цепи замкнуть переключатель S, то будет обеспечено протекание тока I, который легко определить из соотноше- ния: I=U/R, где U - напряжение источника, В; R - электрическое сопротивление, Ом. Электрическое сопротивление есть величина, обратно пропорциональная ПРОВОДИМОСТИ. Естественно, если изготовить этот резистор из материала, кристаллическая решетка которого имемежду узлами такой решетки малы, то ПРИРАЩЕНИЕ средней скорости электронов при наложении электрического поля будет невелико! Это произойдет из-за того, что избыток скорости ПОГЛОЩАЕТСЯ структурой кристалла при соударениях свободных электронов с атомами решетки. При этом атомы получают дополни- тельную энергию, которая имеет тепловой характер. Поэтому вполне обоснованно можно сказать, что в резисторах происходит превращение энергии эле- ктрического поля, т.е. энергии источника - в тепло.

Тепловую энергию (рис.6,а) легко подсчитать по формуле

 Р = UI = (IR)I = I2R.

Это означает, что НАГРУЗКА (в данном случае резистор R) потребляет от источника электрическую энергию, равную Р. Заметим, что разность потенциалов в точках "А" и "В", как легко видеть из рис.6,а равна U. В таком случае говорят, что ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ между точками "А" и "В" равно U. Теперь перейдем к рис.6,б. в котором два резистора, а именно, R1 и R2 включены ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО по отноше- нию к источнику напряжения. В этом случае: I = U/(R1+R2); U = I(R1+R2). А вот падение напряжений на резисторах R1 и R2 запишем так

 U1 = IR1; U2 = IR2; U = U1 + U2.

 Рассмотрим еще один случай. На рис.7 показано так называемое СМЕШАННОЕ подключение резисторов R1, R2 и R3, т.е. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ включение резистора R1 и группы резисторов R2 и R3, соединенных между собой ПАРАЛЛЕЛЬНО.

Для этого случая запишем

 U=U1+U2; U1=IR1; U2=I(R2||R3)=IR2R3/(R2+R3).

Ну а какие достаточно наглядные электронные цепи можно собрать практически, исходя из уже достигнутого "теоретического уровня"? В настоящее время одним из самых распространенных и дешевых электронных компонентов являются так называемые СВЕТОДИОДЫ. Это удивительные изделия! Согласно своему названию, они способны излучать свет. Значит, они являются некоторой разновидностью электрической лампочки? А вот и нет, поскольку физический механизм излучения светодиодов совершенно иной. Для сравнения - нить лампочки накаливания, которая используется в ручном фонарике, раскалена почти до 2000°С! А кристаллик светодиода практически холодный, потому что его температура редко превышает 50°С. Кроме того, лампочка испускает беловато желтый свет, а светодиод, только выбирай - спектрально чистые цвета: желтый, зеленый, оранжевый, красный! В последнее время появились даже голубые и синие.

 В отличие от лампочки, светодиод является БЕЗЫНЕРЦИОННЫМ прибором, поэтому его излучение может быть промодулировано, например, человеческим голосом. Тогда фоторегистрирующий прибор, находящийся на значительном расстоянии, может выделить эту речь. Следовательно, возможно изготовление сравнительно несложного ПЕРЕГОВОРНОГО устройства, использующего излучение светодиода. Кстати, а почему в названии этого компонента явно присутствует слово ДИОД? Дело в том, что если электрическую лампочку, имеющую два вывода, для того чтобы она засветилась, можно под-соединить к батарейке, не обращая ни- какого внимания на то, какой вывод подсоединен к "плюсу", а какой- к "минусу", то для светодиодов все обстоит иначе! У них полярность подачи напряжения имеет первостепенное значение. Вот почему при работе со светодиодами (их символическое обозначение приведено на рис.8), необходимо СТРОГО придерживаться следующих правил.

1. Напряжение, при котором работает светодиод, составляет не менее 2 В и не более 2,4 В соответственно для "красного" и "зеленого"!

2. Подключение светодиода (даже на кратчайшее время) к батарейке типа КБС (4,5 В) напрямую - приводит к МГНОВЕННОМУ ВЫХОДУ прибора из строя!

3. При соблюдении правильности в подключении, светодиод способен нор-мально работать в течение многих СОТЕН ТЫСЯЧ ЧАСОВ !

А что значит- правильное подключение светодиода? Оно показано на рис.9. Пунктиром обведена функционально полная "боевая двойка", состоящая из собственно светодиода и защитного резистора Rзащ. Величину Rзащ. легко подсчитать, исходя из следующих требований. Прямой ток через светодиод, как пра- вило, не должен превышать 5- 10 мА. Напряжение батарейки (чаще всего это "Крона") равно 9 В. Падение напряжения на той части принципиальной схемы, которая обведена пунктиром, принимаем равным 4 В. Тогда, используя полученный ранее "боевая двойка" и R включены ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО,

то: R = 5000 мВ/10 мА= 500 Ом.

Ну а что случится, если мы по ошибке или рассеянности подключим "боевую двойку" непосредственно к батарейке "Крона"? Ток через светодиод, что естественно, возрастет, но НАПРЯЖЕНИЕ на самом светодиоде практически не изменится! Это одна из интересных особенностей этого прибора. Но тогда весь "избыток" напряжения примет на себя

Rзащ.: URЗАЩ = 9 В - 2 В = 7 В.

Ток в этом случае I = 7000 мВ/200 Ом = 35 мА. Светодиод при этом будет светиться очень ярко, но останется исправным в течение некоторого, достаточно продолжительного времени, которого наверняка хватит для того, чтобы осознать ошибку, отключить цепь и ввести в ее состав резистор R. Кстати, сделав резистор R регулируемым, можно плавно управлять интенсивностью свечения светодиода. Например, так, как это показано на рис.10. Здесь минимальный ток через светодиод равен 10 мА, а максимальный - 17,5 мА. В самом деле Iмакс = (9-2) В/400 Ом = = 7000 мВ/ 400 Ом = 17,5 мА.

Но можно составить и более интересную цепь, например, как на рис.11. Здесь мы видим СМЕШАННОЕ соединение. Так, замкнув переключатель SA2, мы включаем "красный" светодиод, а замкнув переключатель SA3 "зеленый". Но можно одновременно замкнуть оба переключателя. Тогда по резистору R будет протекать суммарный ток I1 + I2 = 20 мА Если добавить еще одну "боевую двойку", включающую в себя "желтый" светодиод, то получится СВЕТОФОР, ко-торый можно использовать для игр.

 Вы, наверное, уже обратили внимание, что в качестве ИСТОЧНИКА ТОКА мы используем обыкновенную электрическую батарейку. Хотя, казалось бы, пользоваться электрической энергией от сети значительно выгоднее и экономичнее. Это, безусловно, так и есть. И в дальнейшем, усвоив основы электротехники, мы так и будем поступать. Но в данный мо- мент для нас предпочтительнее . именно БАТАРЕЙКА! Во.первых, потому что ее применение ГАРАНТИРУЕТ безопасность! А во.вторых, потому что в электрической сети присутствует так называемое ПЕРЕМЕННОЕ напряжение, которое для простейших электрических цепей не годится. Однако необходимо обратить внимание на следующие явления.

Батареи, как правило, представляют из себя либо отдельный, конструктивно завершенный ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, либо некоторую комбинацию подобных элементов, именно в последнем случае и можно говорить об ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ БАТАРЕЕ. Мы упоминали о таком понятии, как ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА (ЭДС). Заметим, что величина ЭДС определяется чисто химическими, точнее, электрохимическими свойствами активных материалов, из которых изготовлены электроды, а также свойствами электролита, и НЕ ЗАВИСИТ от их (электродов) размеров! Зависимость ЭДС от температуры (в разумных пределах) очень невелика. Следует различать такие понятия, как ЭДС батарейки и ее НАПРЯЖЕНИЕ. Потому что ЭДС . это такая разность электрических потенциалов на электродах, которая зависит только от химических свойств применяемых материалов. Ее за- меряют при РАЗОМКНУТОЙ внешней це- пи. В то время как НАПРЯЖЕНИЕ измеряют исключительно при ЗАМКНУТОЙ внешней цепи или, как принято говорить, под нагрузкой.

Это напряжение зависит от ряда фак- торов, в частности, от ЭДС батарейки (Е), тока нагрузки (Iн) и так называемого ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ батареи (Rвн) U = Е . IнRвн. Однако не следует думать, что этого достаточно, чтобы однозначно опреде- лить численную величину напряжения, которое развивает на нагрузке батарея. Это не так, поскольку Rвн НЕ ЕСТЬ величина постоянная! Она существенно зависит от степени эксплуатации батарейки, следовательно, от степени ее раз- ряда. Различают НАЧАЛЬНОЕ, СРЕДНЕЕ и КОНЕЧНОЕ напряжения. ВНУТРЕННЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (Rвн) зависит от применяемого электролита, материала электродов и сепараторов, т.е. прокладок между электродами. Естественно, чем Rвн меньше, тем лучше, поскольку тем большим может быть РАЗРЯДНЫЙ ТОК при заданном напряжении на нагрузке.

Одним из важнейших параметров батареи является также ее ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ (Q). Если ток разряда можно считать постоянным в течение всего времени разряда, то электрическая емкость представляет собой произведение: Q = IрТ, где Iр . ток разряда; Т . время разря- да. Если же сила тока (по мере разряда ба- тареи) изменяется, то пользуются СРЕД- НИМ значением тока. Оно представляет среднее арифметическое токов соответ- ственно в начале и в конце разряда. Iср = (Iн.р + Iк.р) / 2. В последние годы на этикетках элект- рических батареек помимо ЭДС принято указывать, какой ток разряда (иначе говоря, какой ток нагрузки) является для данного типа батарейки (элемента) ОПТИ- МАЛЬНЫМ. Кроме того, указывают и ве- личину электрической емкости. Все вышесказанное характерно и для такого класса источников электрической энергии, как АККУМУЛЯТОРЫ. В насто- ящее время они (за определенным исклю- чением) выпускаются в том же самом стандарте корпусов, что и электрические батареи, но стоят существенно доро- же. Однако эта относительная дороговизна в действительности оборачивается (при правильной эксплуатации аккумуляторов) колоссальным выигрышем как в смысле экономии, так и в смысле практичности. Поскольку, в отличие от электрической батареи, которая исчерпав свою емкость, превращается в утиль, аккумуляторы мож- но вновь зарядить с помощью внешнего источника электрической энергии. Современные бытовые аккумуляторы, как правило, допускают от 700 до 1000 перезарядов! На рис.12 показана зависимость тока от напряжения при различной величине внешнего сопротивления. Иначе говоря, представлено СЕМЕЙСТВО ХАРАКТЕРИСТИК, наглядно демонстрирующих, что такое РЕЗИСТОР.

Зная конкретное значение сопротивления резистора, очень легко установить, какой ток будет идти через этот резистор при любом, произвольно заданном постоянном напряжении, приложенном к его (резистора) выводам. Но наш рассказ о простейших цепях ПОСТОЯННОГО ТОКА будет неполным, если обойти вниманием тот факт, что в этих цепях используются (притом достаточно широко) и компоненты, характери- стики которых очень существенно ОТЛИЧАЮТСЯ от ранее приведенных.

Рассмотрим (рис.13) характеристику <1>. Она состоит из двух совершенно не похожих друг на друга частей. Первая начинается в точке <нуль> и заканчивается в точке <А>. Она интересна тем, что повышение напряжения от 0 до 5,6 В НЕ ПРИВОДИТ к появлению тока! Но в момент достижения этой КРИТИ- ЧЕСКОЙ точки картина меняется самым существенным образом. Потому что про- текающий через этот УДИВИТЕЛЬНЫЙ компонент ток лавинообразно нарастает! Это при том, что напряжение на выводах этого компонента увеличивается на очень малую величину. Таким образом, с полным основанием можно говорить о том, что при увеличе- нии тока через этот <странный> компо- нент практически от 0 до 30 мА, падение напряжения на нем ПОЧТИ не меняется! Ну а что случится, если ток превысит 30 мА? Оказывается, никаких принципиальных изменений не произойдет и в этом случае. Но необходимо учитывать, что с увеличением тока через рассматривае- мый компонент резко возрастает и рас- сеиваемая в нем электрическая мощность! Но она не может быть сколько угодно большой! Поэтому при превышении МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОЙ мощности происходит ТЕПЛОВОЙ пробой компонента. Он, проще говоря, сгорает! Отметим, что этот <удивительный> компонент очень широко применяется в электротехнике и электронике.

Реально он представляет достаточно сложную ПОЛУПРОВОДНИКОВУЮ СТРУКТУРУ и называется СТАБИЛИТРОНОМ. Нередко задают вопрос: стабилитрон подчиняется Закону Ома или нет? Если подчиняется, то чему равно его сопротивление? Но о сопротивлении стабилитрона вообще говорить не принято. Этот параметр в электротехнике и электронике (касательно стабилитронов) никогда не рассматривают! Вместо этого принято говорить о ДИНАМИЧЕСКОМ СОПРОТИВЛЕНИИ стабилитрона

(Rд.ст) Rд.ст = dU / dI.

Обычно Rд.ст не превышает нескольких десятков ом. Это у весьма посредствен- ных экземпляров, у хороших стабилитро- нов . несколько ом или даже меньше. На рис.13. приведена еще характеристика <2>. Ее точка перелома <С> соответствует 9,5 В. Это означает, что данный стабилитрон имеет НАПРЯЖЕНИЕ СТАБИЛИЗАЦИИ 9,5 В. Необходимо отметить, что РЕАЛЬНЫЕ характеристики стабилитронов отличаются более плавным изломом (рис.14). Поэтому реальные стабилитроны характеризуются не только напряжением стабилизации, но и также МИНИМАЛЬНЫМ и МАКСИМАЛЬНЫМ током стабилизации. На рис.14. Iст.мин = 5 мА, Iст.макс = 28 мА. Далее рассмотрим, как с помощью стабилитрона осуществляется СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ и за- чем это так необходимо.

 Электронные стабилизаторы напряжения - это отдельная, вполне самостоятельная, уверенно развивающаяся область электронной техники. Без них все остальные области и направления электроники "забуксовали" бы давным-давно. А начиналось все с достаточно простой исходной схемы (рис.15). Согласно представленной схеме внешняя цепь, состоящая из балластного резистора Rб, собственно стабилитрона VD1 и некоторого сопротивления нагрузки, обозначенного как Rн, потребляет от источника питания, обозначенного ( + U ), некоторый ток I1. В точке "А" ток I1 разделяется на две составляющие: I1 = I2 + Iн. Для наглядности, примем +U = 15 В, напряжение стабилизации VD1 равно 6,8 В; Rб = 510 Ом. Что касается Rн, то его сопротивление может быть различным, для примера Rн.мин = 680 Ом; Rн.макс = 5 кОм. Поскольку, благодаря стабилитрону, потенциал точки "А" относительно земли фиксирован, то U Rб = U - Uст = 15 - 6,8 = 8,2 В. Тогда I1 = 8,2 / 510 = 16 мА; Iн = 6,8 / 680 = 10 мА. Откуда I2 = I1 - Iн = 16 - 10 = 6 мА. Это при Rн.мин = 680 Ом. Теперь посмотрим, что изменится, если Rн.макс = 5 кОм. U Rб = 8,2 В; I1 = 16 мА. А вот Iн в этом случае равно Iн = 6,8 / 5000 = 1,4 мА ; I2 = I1 - Iн = 16 - 1,4 = 14,6 мА.

Вышенайденные значения токов I2мин и I2макс, соответственно равные 6 и 14,6 мА, заведомо НЕ ДОСТИГАЮТ в данном примере паспортных значений минималь- ного и максимального токов стабилизации для используемого стабилитрона (в данном случае КС168). Это означает, что приняв Uст неизменным, мы были полностью правы и нисколько не погрешили против истины. Следовательно, стабилитрон позволяет поддерживать НЕИЗМЕННЫМ напряжение на нагрузке в том случае, если сопротивление нагрузки непостоянно. А теперь представим другую ситуацию, которая на практике встречается очень часто. Пусть напряжение питания НЕСТАБИЛЬНО и изменяется в пределах от 12 до 18 В. Что в этом случае произойдет в точке "А" при Rмин= 680 Ом?

1) URб = Uмин - Uст = 12 - 6,8 = 5,2 В; I1 = 5,2 / 510 = 10,2 мА; Iн = 6,8 / 680 = 10 мА; I2 = I1 - Iн = 10,2 - 10 = 0,2 мА !

2) URб = Uмакс - Uст = 18 - 6,8 = 11,2 В; I1 = 11200 / 510 = 22 мА; Iн = 10 мА; I2 = 22 - 10 = 12 мА.

А что будет, если R н.макс = 5 кОм ? При U мин = 12 В имеем U Rб = 5,2 В; I1 = 5,2 / 510 = 10,2 мА; Iн = 6,8 / 5 = 1,4 мА; I2 = 10,2 - 1,4 = 8,8 мА.

При U макс = 18 В имеем U Rб = 18 - 6,8 = 11,2 В; I1 = 11200 / 510 = 22 мА; Iн = 6,8 /5 = 1,4 мА; I2 = 22 - 1,4 = 20,6 мА.

В этом случае можно утверждать, что при U мин = 12 В и Rн.мин = 680 Ом наблюдается НАРУШЕНИЕ режима стабилизации, поскольку ток стабилитрона становится меньше, чем 3 мА. Во всех остальных случаях, т.е. при Rн.макс = 5 кОм, а также при Uмакс= 18 В стабилитрон НЕ ВЫХОДИТ за пределы паспортного режи- ма стабилизации напряжения. От нарушения стабилизации можно из- бавиться, если, например, Rб = 390 Ом. Произведя несложные подсчеты, легко убедиться в том, что КАК ПРИ ИЗМЕНЕ- НИИ напряжения питания, ТАК И ПРИ ИЗМЕНЕНИИ Rн (в вышеназванных преде- лах, разумеется) применение стабилитро- на позволяет поддерживать напряжение на нагрузке НЕИЗМЕННЫМ и равным Uст. Что касается недостатков приведенной выше ПРОСТЕЙШЕЙ схемы стабилизации напряжения, то стоит перечислить их:

1) ток нагрузки ВСЕГДА сравним по величине с током, текущим через стабилитрон. Это означает, что КПД простейше- го стабилизатора не достигает и 40%;

2) допустимый диапазон изменения тока нагрузки не превышает, как правило, 2 - 3 раз. Любой стабилитрон характеризуется таким важнейшим параметром, как ТКН - температурный коэффициент напряжения. Он оговаривается в технических параметрах на все типы стабилитронов. ТКН показывает, насколько изменяется напря- жение стабилизации данного типа стабилитронов ПРИ НЕИЗМЕННОМ ТОКЕ, если температура окружающей среды изменя- ется в некотором диапазоне температур. Этот диапазон зависит прежде всего от того, предназначен ли стабилитрон для бытовой, промышленной или специальной электроники. Обычно ТКН выражается как процентное отношение макси- мально допустимого температурного изме- нения напряжения стабилизации dUст к паспортному напряжению стабилизации Uст.ном ТКН = dUст / Uст. ном. В зависимости от величины ТКН стабилитроны делятся на обычные и прецизионные. В простейшей схеме стабилизации (рис. 15) нет никакого смысла применять прецизионные стабилитроны. Прежде все- го потому, что, как было показано выше, основа функционирования такой схемы - это именно изменение тока стабилитрона. Но в этом случае ни о каком фиксирован- ном значении ТКН говорить не приходит- ся. Отсюда еще один недостаток простей- шей схемы: не обеспечивается достаточная стабильность напряжения в точке "А". "Выгул" этого напряжения достигает не- скольких десятков милливольт, что, как будет показано в дальнейшем, недопустимо для питания большинства радиотехнических схем. Отметим, что схемы, подоб- ные простейшей, называют ПАРАМЕТРИ- ЧЕСКИМИ стабилизаторами напряжения.

 Основа современной электротехники это переменный ток, который, в свою очередь, вызывается ПЕРЕМЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ. Это такое напряжение, величина и полярность которого имеют периодический характер в функции от времени (рис.16). На графике показаны важнейшие характеристики переменного напряжения. Заметим, что зависимость амплитуды Uа переменного напряжения от времени t имеет СИНУСОИДАЛЬНЫЙ характер, поскольку этот процесс относится к числу колебательных, волновых. В течение каждого периода, т.е. временного промежутка, вмещающего в себя одну отрицательную полуволну и одну положительную, или, иначе говоря, ОДИН ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ полупериод и ОДИН ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ, амплитуда переменного напряжения проходит через нуль не менее (но и не более) трех раз. Физический смысл этого состоит в том, что в точке "0" (см. рис.16) никакого напряжения, а значит, и тока в про- воднике нет! Затем под действием источ- ника переменного напряжения появляется положительное напряжение, достигающее своего максимума через промежуток времени t1 (точка "А"). В течение временного промежутка t2 напряжение плавно спадает до нуля, после чего появляется снова, но теперь его полярность ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ. Максимальное отрицательное напряжение получается в точке "Б". После чего в течение временного промежутка t4 напряжение вновь достигает нулевого значения. Весь цикл завершается в те- чение времени: Т = t1 + t2 + t3 + t4. Это и есть ПЕРИОД. Величину, обратную периоду, называют ЧАСТОТОЙ КОЛЕБАНИЯ.

]

Этот параметр показывает, сколько раз в течение ОДНОЙ секунды переменное напряжение поменяло свою полярность, или же сколько ПЕРИОДОВ (циклов) переменное напряжение претерпело за одну секунду. На рис.17 изображены некоторые основные величины, характеризующие переменное напряжение. Как видим, максимальное и минимальное значения напряжения (соответственно Uа + и Uа -) равны по абсолютной величине (по мо- дулю) между собой. Но кроме АМПЛИТУДНОГО значения для переменного напряжения очень важ- ным параметром является ЭФФЕКТИВНОЕ напряжение. Как видно из рис.17, заштрихованная часть положительного полупериода РАВНА по площади зашт- рихованной части прямоугольника, в ко- торый "вписан" этот полупериод. При этом прямоугольник, образованный про- изведением величин Uэфф и Т/2, по площади ТОЧНО РАВЕН положительному полупериоду. Иными словами, пере- менное напряжение, имеющее амплиту- ду Uа, проходя по резистору R, выделя- ет столько же теплоты, сколько ее вы- деляет за то же время постоянное напря- жение, величина которого равна Uэфф! Поэтому когда говорят, что напряже- ние электрической сети равно 220 В, то речь идет об ЭФФЕКТИВНОМ напряжении, которое связано с МАКСИМАЛЬНЫМ АМПЛИТУДНЫМ следующим соотношением: Uэфф = 0,707 Uа.

Следовательно, амплитудное напряжение электрической сети равно Uа = Uэфф /0,707 = 311 В. А вот связь переменного напряжения с переменным током более сложная и зависит от характера цепи, на которую подано это напряжение. Если нагрузка имеет чисто активный характер (т.е. ее можно аппроксимировать обычным резистором), соотношение между напряжением и током показано на рис.18. В отличие от ранее рассмотренных цепей ПОСТОЯННОГО тока, цепи переменного тока содержат КРОМЕ активных элементов еще и РЕАКТИВНЫЕ. Это прежде всего КОНДЕНСАТОР. Этот исключительно необходимый и популярный компонент электрической цепи представляет в общем случае две металлические пластины, расположен- ные на некотором расстоянии друг от друга (рис.19). Конденсаторы характеризуются таким важнейшим для электротехники параметром, как ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ, которую можно подсчитать по формуле С = 0,0885mS/ r, где S - площадь пластин; r - расстояние между пластинами, m - диэлектрическая проницаемость.