Часть 1. Электроника для начинающих

Глава 1. Что на плате электронного устройства?

Резистор

Как и собирался, я с помощью отвертки, открутив винты, открыл испорченный стрелочный прибор, который нашел в своей «хламежке». Из него удалось извлечь несколько плат из стеклотекстолита с печатным монтажом; на платах много резисторов, есть конденсаторы, транзисторы, микросхемы – почти все, что мне нужно для рассказа.

Рис. 1.1. Один из героев повествования, г-н Прибор

На самой большой плате передо мной, следовало бы посчитать, но не хочется, на первый взгляд больше всего резисторов. Резистор или сопротивление, наверное, простейший для понимания компонент любого электронного устройства...

Вот так, не успев начать рассказ, я уже сделал ошибку. Больше всего на плате не резисторов, а проводников! И, пожалуй, именно проводники самые простые компоненты. Проводники соединяют все остальные элементы устройства в сложные или простые цепи, поэтому электрическую схему я буду часто называть электрической цепью. Как правило, проводники делают из металла, вещества хорошо проводящего электрический ток. Если под током понимать любое направленное движение электрических зарядов, то проводники мало сопротивляются этому движению, то есть, их сопротивление обычно невелико. Свойства проводников хорошо понятны, если рассматривать атомное строение вещества, договорившись, что атомы состоят из тяжелого электрически заряженного ядра и легких электронов, субатомных частиц противоположного знака, носящихся вокруг ядра. У разных веществ заряд ядра разный, но количество электронов такое, что в целом атом электрически нейтрален. У металлов, уж так они устроены, электроны, далеко расположенные от ядра, слабо связаны с ним и могут «бродить» по металлу от атома к атому (но не могут самопроизвольно покинуть металл). Движутся они, конечно, беспорядочно, но под действием внешнего электрического поля, которое можно создать с помощью источника питания, его еще называют источником электродвижущей силы (батарейка, аккумулятор, блок питания),

их движение упорядочивается и можно говорить о протекании тока от одного полюса источника питания к другому; благодаря большому количеству носителей зарядов в металлах (электронов-бродяг), те оказываются хорошими проводниками тока. За техническое направление тока принято направление от плюса источника ЭДС (электродвижущей силы) к минусу, хотя реально в металле под действием внешнего электрического поля двигаться будут отрицательно заряженные электроны от минуса источника, поставляющего электроны в металл, к его плюсу. Если можно посчитать количество зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника, то можно оценить силу тока – чем больше зарядов проходит через это сечение, тем больше ток. Определяется сила тока отношением количества зарядов, прошедших за определенное время через поперечное сечение, к этому времени. И

еще о токе можно сказать, что если его величина и направление не меняется со временем, то мы имеем дело с постоянным током, иначе с переменным током. Батарейка – источник постоянного тока, а силовая сеть, куда мы подключаем пылесос или телевизор, источник переменного тока.

Создатели теории электричества, изучая эффекты, сегодня привычные нам и не всегда интересные, часами наблюдали, измеряли и искали аналогии увиденному. Так всегда удобно поступать, если что-то новое входит в ваш обиход. Приступая к освоению электричества, можно представлять себе электрический ток в виде воды в городском водопроводе: вода бежит по трубам, растекаясь по ответвлениям и к соседям справа, и слева, и сверху. Если насос, а гонит ее по трубам насос, маленький или плохой, вода уныло вытекает из открытого крана, а насос хороший и большой – хлещет и брызжет, только не догляди. И бежит вода из водохранилища, которое может обмелеть, как старая батарейка, и которое нужно наполнить, как вы заряжаете аккумулятор мобильного телефона или своего автомобиля. И пусть батарейка – и насос, и озеро в одной упаковке – устроена иначе, на первых порах вам достаточно любого представления об электрическом токе, которое поможет вам не столько понять его сущность, сколько привыкнуть к нему, чтобы в последствии не думать, что такое электрический ток, а измерять или вычислять его величину.

Все вещества по тому, как они проводят электрический ток, можно разделить на проводники, хорошо проводящие ток, изоляторы, вещества не проводящие ток, и полупроводники – «ни рыба, ни мясо», проводят ток много хуже проводников, но лучше изоляторов. Их оценивают по сопротивлению, маленькому у проводников и огромному у изоляторов. Единица сопротивления в электротехнике – Ом.

Теперь можно перейти к тому, с чего я по ошибке начал, к резисторам. Мы уже договорились, что разные вещества по-разному проводят электрический ток. Это касается и металлов. Хотя они все проводники, но одни металлы лучше проводят ток, другие хуже. Очень хорошо, например, проводят ток медь, серебро, золото. Хуже алюминий. Еще хуже сплавы металлов, как нихром, манганин, константан. Отчего зависит сопротивление проводника? От вещества, из которого он сделан, от толщины проводника и от длины проводника.

Если у вас есть мультиметр и медные провода одинаковой длины, но разного диаметра, вы можете измерить их сопротивление (провода лучше взять достаточно длинные). Если у вас найдется проводник из нихрома (от перегоревшей спирали старого нагревательного прибора) такой же длины, вы непременно заметите разницу.

Есть еще одно обстоятельство, влияющее на сопротивление проводника, это температура. При нагревании сопротивление проводника увеличивается, потому что при нагревании электроны бродяги становятся еще энергичнее в своем хаотическом движении и их труднее заставить двигаться направленно. Убедиться в том, что при нагревании сопротивление увеличивается, можно подключив к мультиметру в режиме измерения сопротивления

Такие платы применяют при создании прототипов электрических устройств. На макетной плате можно спаять устройство, проверить, наладить, а когда оно полностью готово, можно перейти к изготовлению образца. Очень часто макетная плата – это набор контактных площадок из меди с отверстиями для выводов компонентов электрической схемы. Плату можно изготовить самостоятельно из фольгированного листового материала, а при его отсутствии из любого жесткого листового изолятора, желательно термостойкого, чтобы плата не плавилась при пайке. При механической обработке стеклотекстолита - сверлении, распиливании, обработке напильником – следует соблюдать осторожность, поскольку пыль стекловолокна травмирует дыхательные пути. Можно использовать подходящий кусок фанеры. Контактные площадки для припаивания компонентов можно сделать из кусочков медного электрического провода без изоляции, продев из в два просверленных рядом отверстия и загнув с обратной стороны. Можно обойтись и без контактных площадок, просверлив отверстия, в которые продеваются выводы элементов схемы, а к выводам с обратной стороны припаиваются проводники. Если макетную плату снабдить стойками в 1-1.5 см, то работать с ней будет еще удобнее.

Для пайки используется паяльник (еще один пример полезного использования сопротивления), у меня паяльник на 25 ватт 220 вольт, изготовленный в Подмосковье. Сегодня можно купить хорошую паяльную станцию – паяльник с регулировкой температуры нагрева, с множеством насадок для пайки и удобной подставкой. Ручка моего паяльника сделана так, что его можно положить на ровную поверхность без подставки, но я привык использовать подставку, которую сегодня, думаю, тоже можно купить в магазине. Кроме паяльника для пайки нужен припой, лучше ПОС-61 в виде тонкого прутка, и паяльный флюс, например, канифоль, хотя я использую жидкий флюс ЛТИ-120, который держу в пузырьке изпод лака для ногтей с кисточкой, достаточно удобно. Флюс растекается по месту пайки, помогая припою лучше соединить детали, ведь пайка – это один из способов соединения деталей, кстати, не единственный, хотя в электронных изделиях наиболее широко применяемый. Кроме пайки можно использовать скрутку, одно время монтаж с помощью скрутки был очень популярен. При работе с паяльником тоже следует соблюдать осторожность и не только с тем, чтобы не обжечься. Припой, испаряясь, не принесет пользы при вдыхании. Не следует паяльник постоянно держать включенным, лучше лишний раз подождать, когда он нагреется, или собрать одну из простых схем, о которых мы поговорим позже.

Пока я все это рассказывал, я успел включить паяльник и выпаять резисторы из платы.

До того, как продолжить рассказ об электрических цепях, я хочу заметить, что описать электрическую цепь и все, что с ней связано, можно только словами, не прибегая ни к чему другому, но получается длинно, и далеко не всегда понятно. Поэтому для изображения электрических схем используют графическое представление – лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Каждый компонент рисуют в виде небольшой простой картинки, а провода, соединяющие элементы схемы, изображают в виде линий. Собственно, такое графическое представление и называют схемой устройства. Простые схемы можно нарисовать так, как они будут нарисованы ниже, более сложные схемы рисуются на многих листах бумаги, а для объяснения их работы используют еще один графический вид – функциональные схемы: все устройство можно, и должно, разбить на части, функциональные узлы, как, скажем, выпрямитель, усилитель, преобразователь и т.д., которые изображаются в виде прямоугольников, связанных линиями или стрелками. К таким сложным (очень полезно, если и к простым) схемам прилагают их описание, которое может занимать несколько томов.

Графическое изображение элементов электрической схемы в разных странах, в разные годы выглядело несколько по-разному. Так для изображения батарейки используют изображение из двух черточек, одна из которых длиннее другой, с перпендикулярными к ним

Зачем же нужно вводить обозначение для общего провода схемы, который часто называют земляным проводом, или, просто, землей?

Забегая вперед, скажу, что в схеме удобно измерять напряжения относительно одной точки схемы, или одного общего проводника, удобно смотреть сигналы относительно этого проводника. Кроме того, если этот общий провод схемы соединить с землей – специально устраиваемым заземлением, имеющим хороший контакт именно с землей (грунтом, почвой) – схема меньше подвержена вредным влияниям внешних электрических полей, поэтому общий провод схемы часто называют «землей».

Мы пока познакомились только с тремя компонентами электронного устройства: батарейка, проводник, резистор. Можно ли с их помощью построить что-либо интересное?

Можно. Во-первых, можно провести несколько экспериментов для знакомства с тремя законами: закон Ома и два закона Кирхгофа. Все законы мы рассмотрим в их простейшем виде, а более сложный вид при необходимости можно найти в учебной литературе. Этих трех законов электротехники, я надеюсь, мне хватит на протяжении всей книги, и не появится необходимости в других. Как схемы удобнее изображать в графическом виде, так законы удобнее записывать в виде математических соотношений. Для этого используется латинская буква R для сопротивления, латинская буква I для тока, и латинские U или V для напряжения.

Закон Ома (для участка цепи) звучит так:

Падение напряжения (или напряжение) на участке цепи равно произведению тока на сопротивление: U=I*R.

Не знаю, как вас, меня удивляет, вызывает чувство уважения и восторга проницательность и ум человека, который смог подметить и определить столь простую и полезную связь между этими тремя величинами. Именно его именем названа единица сопротивления.

Соотношение между этими тремя величинами с точки зрения математики можно записать в трех видах: U=R*I, I=U/R и R=U/I. Все три вида записи можно применять на практике, но не следует забывать, что, например, последнее соотношение позволяет вычислить сопротивление, однако сопротивление проводника или резистора определяется свойствами материала и геометрией проводника, а ток, вычисляемый по напряжению и сопротивлению, как упорядоченное движение носителей заряда, вызывается источником электродвижущей силы. Напряжение в этом смысле можно рассматривать, как некоторое напряжение в отношениях между током, протекающим по проводнику, и материалом проводника, оказывающим сопротивление протеканию тока.

Для экспериментальной проверки соотношения между напряжением, током и сопротивлением можно собрать схему, аналогичную изображенной на рисунке 1.3, в которую следует добавить два измерительных прибора: вольтметр и амперметр (или использовать мультиметр, произведя два измерения). Вольтметр – это прибор используемый для измерения напряжения. Бывают вольтметры для измерения постоянного напряжения, которым воспользуемся мы, а бывают вольтметры переменного напряжения, о которых речь пойдет дальше. Амперметр – это прибор для измерения тока, который также бывает для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Эти приборы могут быть сконструированы по-разному. Я говорил о мультиметре. В его основе лежит работа специализированной и достаточно сложной микросхемы, называемой аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Многие мультиметры могут кроме этой микросхемы не иметь других микросхем, лишь вспомогательные резисторы, переключатель и дисплей, отображающий цифры. Возможно, к концу книги мы рассмотрим работу такого прибора, а сейчас, все-таки опять забегая вперед, я немного расскажу о стрелочном

Как видно из рисунка, к источнику питания 10V (10 Вольт, на схеме обозначен VDC1) подключен резистор 1 кОм (1000 Ом), параллельно которому включен вольтметр VP1, и последовательно с которым включен амперметр I1. График измерения тока показывает, что ток равен 10.00m (10 миллиампер) или 0.01 А. Если умножить сопротивление на ток, то есть, 1000 Ом умножить на 0.01 А, то получится падение напряжения в 10 вольт, которые и показывает второй график, отображающий показания вольтметра. Для получения правильных значений при расчетах следует пользоваться основными единицами, в данном случае ампер, ом и вольт.

А вот, что получилось с макетом. На батарейке, которую я использую, написано 9V, на резисторе 1к, ток должен получиться 9мА (9 миллиампер, 0.009А). Измеренный ток 8мА.

В чем ошибка? Во-первых, я не измерил ЭДС (напряжение на батарейке), во-вторых, не измерил сопротивление. Реальное сопротивление резистора, если его измерить, не 1 кОм (килоом, 1000 Ом), а 910 Ом. А ЭДС батарейки после подключения резистора оказывается равной 7.31 вольт. Отсюда и расхождение, скорее не в теории и практике, а в моем представлении о том, что я делаю, с тем, что делаю в действительности. Доверяй, но проверяй!

От закона Ома можно плавно перейти ко второму закону Кирхгофа. Почему ко второму, а не к первому? Мне так удобнее.

Закон Кирхгофа в упрощенном виде:

ЭДС в замкнутом контуре равна сумме падений напряжений.

Действительно, на рисунке выше ЭДС (источника питания VDC1) 10 В, а напряжение на резисторе тоже 10 В. Можно изменить схему, включив последовательно два резистора, например, по 500 Ом, измерить на них напряжения и убедиться, что на каждом из них будет падение напряжения 5 В, а сумма этих напряжений получится 10 В. Попробуйте включить несколько резисторов разной величины, несколько вольтметров и амперметров, и если вы при этом получите, что сумма напряжений на всех резисторах не будет равна ЭДС, обязательно сообщите мне об этом, я перепишу всю главу наново.

Здесь уместно добавить, что более верно этот закон звучал бы так: алгебраическая сумма всех ЭДС в замкнутом контуре равна алгебраической сумме падений напряжений.

Первоначально, написав эту главу, я не стал добавлять пояснений, но, занимаясь правкой, ошибок я делаю много, и, подчас, они носят принципиальный характер, занимаясь правкой я решил дополнить главу еще одним примером, правда, использовал программу Qucs, но надеюсь, это не помешает понять происходящее.

Если источников ЭДС несколько, то в одном контуре могут протекать токи разных направлений, создавая падения напряжения разных знаков, а источники питания могут быть включены встречно друг другу. В следующем примере источник ЭДС V1 приводит к появлению тока в 10 мА, что определяется суммой сопротивлений R1 и R2. Но второй источник V2 создает встречный ток в 5 мА. В результате по цепи протекает ток равный разности этих токов 10 — 5 = 5 (мА), создающий два падения напряжения на резисторах по 2.5 В. Алгебраическая сумма всех ЭДС, а источники питания включены встречно, будет равна 10 + (- 5) = 5 В. В данном случае цепь очень простая, бывают и более сложные, но не думаю, что вам часто придется иметь с ними дело.

Рис. 1.6. Два источника ЭДС в одной цепи

Хотя для разговора о первом законе Кирхгофа следовало бы нарисовать другую схему (другую цепь), я использую схему рисунка 1.4. Выше я говорил о том, что часто вольтметр – это тоже измеритель тока, то есть, ток протекает не только через резистор R1, но и через вольтметр. Таким образом, в точке соединения вольтметра и резистора ток разветвляется, одна его часть протекает по резистору, другая по вольтметру, а затем обе эти части соединяются и протекают через амперметр.

Сумма токов, вытекающих из узла электрической цепи при ее ветвлении, равна току, втекающему в этот узел.

Так в упрощенном виде звучит первый закон Кирхгофа. Соответственно, если в узел втекают токи, а из него вытекает ток, то он будет равен сумме втекающих токов. В реальной схеме это можно было бы проверить, включив еще два амперметра в ветвях схемы, одна из которых относится к резистору, а вторая к вольтметру.

На практике, проводя измерения, всегда следует помнить, что вольтметр имеет некоторое внутреннее сопротивление, которое может повлиять на результаты измерения. Так достаточно хороший вольтметр может иметь внутреннее сопротивление в 100 кОм. Много это или мало? Это не много и не мало, но ровно столько, сколько есть. Как это может повлиять на ваше понимание происходящего? Положим, у вас есть вольтметр и амперметр, и вы хотите провести измерения. Вольтметр имеет внутреннее сопротивление равное 100 кОм. Вы хотите определить, используя закон Ома, величину сопротивления, маркировка которого стерлась от времени (но это был резистор в 100 кОм, о чем ни вы, ни я не знаем). В схеме на

рисунке 1.4 я заменю вольтметр (напряжение на резисторе R1 при измерении будет равно 10 В) сопротивлением в 100 кОм, и такое же сопротивление будет иметь резистор R1. По результату измерения тока в цепи определим величину сопротивления.

Рис. 1.7. Ток в цепи при определении величины сопротивления по закону Ома

Как видно из рисунка, ток равен 200 мкА. При падении напряжения в 10 В, величина сопротивления определится делением этого напряжения на ток и будет равна 50 кОм. Так мы измерили неизвестное сопротивление без учета сопротивления вольтметра. И ошиблись в два раза. А это уже не мало. В данном конкретном случае нам помогло бы проведение двух измерений с помощью тестера или мультиметра. Первый раз мы могли бы измерить напряжение, а второй раз ток. Думаю, мы получили бы правильный результат. Но... но только в этом случае. Если немного усложнить цепь, скажем, включив последовательно с измеряемым сопротивлением еще одно такой же величины, то и методика двух измерений может дать неверный результат.

Имея опыт работы с измерительными приборами, достаточно быстро соотносишь полученные результаты с параметрами прибора. Иногда это происходит еще до измерения. Но, даже имея опыт работы, и начиная пользоваться прибором, с которым раньше не работал, можно ошибиться. Чтобы избежать подобных ошибок, следует разумным образом организовывать свою самостоятельную работу, и не спешить с выводами, обдумывая полученные результаты. Если вы повторяете готовую схему, имеющую подробное описание, то обратите внимание на рекомендации по наладке схемы, зачастую там есть указания на то, с помощью каких приборов проводились измерения.

Несколько советов по организации своих разработок я постараюсь дать в конце книги. Но главный совет — не спешить. Увлекаясь, в надежде получить быстрый результат забываешь проверить даже состояние источника питания, а когда результаты измерений плохо отвечают ожиданиям, начинаешь что-то менять в схеме. Это, обычно, плоды не столько небрежности, сколько поспешности.

Рис. 1.8. Измерение величины сопротивления без учета сопротивления вольтметра

По графикам трудно определить точные значения, но приблизительно это будет напряжение 3.35 В и ток 66 мкА. В результате деления получается значение около 51 кОм. Такое измерение в одних случаях может только затруднить понимание реального положения дел, но в других может привести к неприятностям, которых лучше избежать, если помнить, что каждый прибор имеет определенные параметры, и их следует учитывать при пользовании прибором.

Можно объединить все три закона в одно правило, если кому-то удобно запомнить его.

Сумма падений напряжений в электрической цепи, равных произведению сопротивлений на ток, протекающий через них, равна сумме ЭДС в этой цепи, а

сумма токов, вытекающих из узла по всем ветвям цепи, равна втекающему в узел току.

И следует помнить, что на всех компонентах электронных устройств проставляют номинальное значение, которое, в зависимости от изготовления, может отличаться от реального на 5-20%, хотя есть и компоненты, изготовленные с большей точностью, 0.1-1%, но они применяются реже и стоят дороже.

Напомню, что за техническое направление протекания постоянного тока принято направление от плюса к минусу. Цифровые мультиметры, как правило, показывают знак измеряемого напряжения и тока, и они не так чувствительны к подключению с неверной полярностью, как стрелочные приборы. Последние зашкаливают «в обратную сторону» и могут от этого пострадать. Всегда следует проверять полярность подключения стрелочных приборов. Минус у тестеров при измерении напряжения и тока зачастую помечают значком в

виде звездочки. В простых цепях, изображенных на рисунках, все достаточно очевидно, но в сложных цепях, когда есть много сопротивлений, включенных сложным образом, когда есть несколько источников питания, тогда определение напряжений и токов усложняется. Конечно, существуют математические методы расчета подобных цепей, описанные в учебниках, однако я сомневаюсь в их популярности в любительских кругах, поскольку удобнее измерить интересующую величину, чем рассчитать ее, но очень важно иметь ясное представление об основных процессах в электрической цепи. Подключая прибор, следует начинать измерение с безопасного для прибора предела измерения – самого большого напряжения или тока, позже его можно изменить.

Законы Ома и Кирхгофа помогают легче понять, что происходит при последовательном и параллельном включении резисторов. При последовательном включении резисторов ясно, общее сопротивление увеличивается. Но при параллельном, возьмем для простоты эксперимента два резистора, по закону Кирхгофа падение напряжения на общем сопротивлении равно ЭДС, значит каждый из резисторов ведет себя так, как если бы второго не было, то есть, ток через него, по закону Ома, такой же что и при его одиночном включении. А по другому закону Кирхгофа ток в точке ветвления должен быть равен сумме токов, растекающихся по двум параллельно включенным резисторам, то есть ток увеличивается так, как если бы вместо двух резисторов был включен один, меньшей величины. При параллельном включении резисторов удобно складывать величины обратные их сопротивлению (проводимости), а результирующее сопротивление будет обратной величиной к полученному результату.

Пример с резисторами может создать ложное впечатление, что законы Ома и Кирхгофа относятся только к ним. Отнюдь. У транзистора типа p-n-p, о самом транзисторе речь пойдет ниже, ток, втекающий в эмиттер, разветвляется на токи базовой и коллекторной цепи. Сопротивление в цепи базы, как правило, значительно больше, чем сопротивление в цепи коллектора, и ток в коллекторной цепи значительно больше базового. Токи базы и коллектора связаны определенной зависимостью, а в цепи коллектора может не быть резистора, но сумма тока базы и тока коллектора всегда будет равна току эмиттера. То же можно сказать о напряжениях. Если транзистор включен, как это показано на рисунке 1.28 (много дальше), то можно сказать, что ЭДС равна сумме падения напряжения на переходе эмиттер-база и падению напряжения на резисторе в цепи базы, а для коллекторной цепи – ЭДС равна сумме падения напряжения на транзисторе (эмиттер-коллектор) и на сопротивлении нагрузки в цепи коллектора.

В любой мало-мальски интересной схеме можно встретить элементы, о которых выше не было ни слова, и позже мы поговорим об этом, но я постараюсь показать, что достаточно сложные, если в них вникнуть, процессы можно в любительской практике свести к таким понятиям, как сопротивление, напряжение и ток.

При работе с электрическими цепями важно учитывать мощность, определяемую произведением напряжения на ток. Если мы измеряем ток, уходящий от источника питания, и умножаем его на ЭДС (напряжение) источника питания, то мы можем говорить о мощности, потребляемой схемой. Если мы измеряем напряжение на сопротивлении и ток, протекающий через него, то можем говорить о мощности, потребляемой этим сопротивлением и обычно выделяющейся на нем в виде тепла. Естественно, что резистор при этом нагревается, и если неправильно выбрать такой его параметр, как допустимая мощность рассеяния, то сопротивление перегреется и может сгореть. Обычно на схеме указывается мощность любого сопротивления, или она указывается в спецификации – перечне всех элементов схемы с их параметрами. По параметру допустимой мощности сопротивления делятся на ряд значений, из которых наиболее часто употребляемые в схемах – это резисторы 0.25 Вт и 0.5 Вт. Мощность, рассеиваемая резистором, не должна превышать этой величины. Вместе с тем,

следует помнить, что нагрев сопротивления приводит к изменению его величины. Чем ближе допустимая мощность рассеивания резистора к мощности, выделяемой на нем, тем сильнее он будет разогреваться. Если вам важно сохранить величину сопротивления, то следует выбрать более мощное сопротивление. В измерительных приборах, равно как любых цепях, относящихся к измерению, там где значение сопротивления очень важно, кроме сопротивлений с более высокой допустимой мощностью рассеяния применяют специальные сопротивления, мало меняющие свое значение при нагреве.

Есть еще несколько интересных, и как мне кажется, важных моментов, относящихся к сопротивлению. Многие неисправности в электронных устройствах связаны с проблемами источников питания. Батарейки, например, со временем «садятся». Простейший способ проверить батарейку – измерить ток, который она может отдавать. Для этого достаточно включить мультиметр (или тестер) в режим измерения максимального для конкретного прибора постоянного тока, мой мультиметр измеряет токи до 10 А, и подключить амперметр к батарейке. Свежая батарейка, в зависимости от типа, покажет ток в несколько ампер, тогда как разряженная сможет дать только десятки миллиампер. Зная закон Ома, мы можем определить ожидаемый ток до проведения измерения. Положим батарейка имеет напряжение 1.5 вольта. Амперметр имеет сопротивление 0.1 Ом. Тогда мы должны получить ток 15 А. Проверим это утверждение сначала в программе PSIM.

Рис. 1.9. Проверка батарейки на пригодность

В схеме на рисунке сопротивление R1 – это сопротивление реального измерительного прибора. Как мы и рассчитали, при измерении протекает ток в 15 А. Но едва ли вы увидите такой ток, если проведете реальное измерение. И дело не в плохой батарейке. Дело в том, что

реальная батарейка, как любой источник питания, это не идеальный источник ЭДС. Любой реальный источник питания имеет, как и реальный измерительный прибор, внутреннее сопротивление. Небольшое, зависящее от типа источника, но это внутреннее сопротивление есть. Оно-то и уменьшает ток через батарейку. То есть, в схеме на рисунке 1.9 следовало бы нарисовать последовательно с источником питания еще одно сопротивление, а при расчете по закону Ома использовать сумму двух резисторов. Однако внутреннее сопротивление батарейки – это параметр, который не увидишь на этикетке. Плохо ли, что батарейка имеет внутреннее сопротивление, да еще и меняющееся со временем? С одной стороны плохо. А с другой... современные мобильные телефоны имеют аккумуляторы с очень низким внутренним сопротивлением. Они могут отдавать большой ток. По этой причине многие из них приходится снабжать специальным устройством, ограничивающим этот ток. И проблема не в том, что если этого не сделать, и вы коснетесь выводов аккумулятора, то вас «тряхнет» током. Нет. Проблема в том, что если этого не сделать, и вы решите почистить выводы аккумулятора безопасной бритвой, бывает такое, то при замыкании выводов бритвой большой ток через нее может расплавить бритву (вспомните про нагревание резистора), а расплавленный металл вызвать серьезные ожоги. При этом процесс происходит настолько быстро, что расплавленный металл разбрызгивается в разные стороны. Что хорошо в одних случаях, плохо в других. На практике, если внутреннее сопротивление источника на порядок меньше сопротивления цепи, то им можно пренебречь.

Коль скоро я упомянул внутреннее сопротивление батареек, хочу немного рассказать о граблях, на которые сам временами наступаю. Схему на рисунке ниже я выберу самую простую.

Вы все знаете, что часто в пультах управления, плеерах и т.п. ставят две батарейки, включая их последовательно. Иногда две батарейки включают параллельно, соединяя их положительные и отрицательные выводы. В этом случае они могут дать больший ток, или служат вдвое дольше. Что будет, если при параллельном включении соединить их разнополярно: положительный вывод одной батарейки соединить с отрицательным другой, а отрицательный с положительным? Согласно закону Кирхгофа сумма ЭДС должна быть равна сумме падений напряжений. Но сумма ЭДС (алгебраическая, то есть, с учетом знака) равна нулю. Значит сумма падений напряжений (напряжение) тоже будет равно нулю. А ток?

Если я отвечаю не подумав, то скажу – нет напряжения, нет и тока. Но это не так. Нарисуем эту схему в программе PSIM, добавив внутренние сопротивления батареек, амперметр для измерения тока и вольтметр для измерения напряжения. Параметры измерительных приборов учитывать в данном случае не будем, чтобы не усложнять общую картину.

Рис. 1.10. Встречное включение батареек

Как видно на рисунке напряжение, измеряемое с помощью VP1, близко к нулю и равно нескольким микровольтам, тогда как ток, измеряемый I1, равен 15 А. Действительно, если убрать общий провод (землю) и повернуть схему, то можно рассматривать два источника питания, как включенные последовательно и нагруженные на цепь, состоящую из резисторов (внутренние сопротивления батареек) R1 и R2. Тогда ЭДС схемы будет 3 В, сопротивление цепи 0.2 Ома, ток по закону Ома 15 А, а сумма падений напряжений U1=15A*0.1 Ом плюс такое же U2. Падение напряжения происходит на внутренних сопротивлениях источников питания. Если бы внутреннее сопротивление не было скрыто от глаз, было бы проще ответить правильно, но, что глаз не видит, того, вроде бы, и нет.

Две батарейки по 1.5 вольта в реальном эксперименте показали 0.2В. Отчего так? Попробуйте менять внутреннее сопротивление R1 в схеме на рисунке 1.10.

Есть еще один интересный эксперимент, который легко провести, чтобы понять, что в электротехнике называют источником тока в отличие от источника напряжения. Представим, что внутреннее сопротивление батарейки очень велико. Скажем, 100 кОм. Напряжение батарейки для определенности пусть будет 10 В. Тогда максимальный ток, который батарейка может отдавать во внешнюю цепь будет не более, чем 10В/100кОм = 0.0001А (или 100 мкА). Если мы к такой батарейке подключим сопротивление в 1 кОм, то ток, практически, не изменится. То есть, в достаточно широком диапазоне изменений сопротивления внешней

цепи ток, протекающий по этой цепи, не будет зависеть от сопротивления цепи. Конечно, напряжение такой батарейки будет меняться очень сильно, но ток нет, что и находит применение на практике, конечно, не в виде батареек с большим внутренним сопротивлением, а в виде специальных генераторов тока. Так например, в мультиметре при измерении величины сопротивления фактически измеряется падение напряжения на испытуемом резисторе, а ток поддерживается постоянным в широком диапазоне измеряемых сопротивлений с помощью источника тока (а не источника напряжения).

Источник питания, напряжение которого мало зависит от сопротивления внешней цепи, мы будем называть источником напряжения, а тот, ток которого мало зависит от сопротивления нагрузки, источником тока.

Итак. Всего несколько понятий: ЭДС, напряжение, ток и сопротивление; всего три закона электротехники: закон Ома и два закона Кирхгофа, – дали нам возможность провести ряд интересных экспериментов. И это далеко не все интересные эксперименты, которые можно было бы провести. Попробуйте составлять цепи из многих батареек и сопротивлений, включая их разными способами, и попытайтесь ответить на вопрос о падении напряжения на любом из резисторов и токе через него! Уверен, вы найдете много интереснейших вариантов.

Прежде, чем продолжить рассказ, я хочу еще раз обратить ваше внимание на то, что электричество всегда несет с собой некоторую опасность. Я уже говорил, что некоторые источники питания при неаккуратном обращении с ними могут привести к травмам, как аккумулятор сотового телефона, но речь шла об ожогах при коротком замыкании. Теперь я хочу сказать о других опасностях. Некоторые аккумуляторы, источники питания многократного применения, очень похожи на батарейки. Если не обратить внимания на предостерегающие надписи, если попытаться заряжать батарейки обычным зарядным устройством, то это может вызвать вытекание электролита, а в качестве электролита может использоваться щелочь. Попадая на руки, электролит тоже вызовет болезненный и долго не заживающий ожог. Прежде, чем пытаться заряжать что-либо, следует проверить, подлежит ли оно заряду? И еще немного о поражении электрическим током. Если через человека проходит очень небольшой ток в несколько десятков миллиампер, то это может вызывать, если и не смертельное, то весьма опасное поражение электрическим током. Всего несколько десятков миллиампер! А батарейка для фонарика может дать ток в несколько ампер! Опасна ли она? Здесь следует вспомнить закон Ома. Если напряжение батарейки 1.5 В, а сопротивление внешней цепи (то есть, человека, который взялся одной рукой за один вывод батарейки, а другой рукой за другой вывод) несколько десятков тысяч ом, то ток будет измерятся единицами микроампер и вреда не принесет. Сопротивление человека в основном зависит от многих внешних и природных факторов и составляет несколько тысяч ом, поэтому при маленьких напряжениях можно не слишком беспокоиться о поражении электрическим током. Но такой подход может сыграть злую шутку, если небольшое напряжение, безопасное с точки зрения расчетов, пройдет через человека неудачным образом. Лучше сразу выработать привычку, даже работая с батарейками от карманного фонаря, никогда не касаться двух полюсов одновременно, если есть возможность, то не проводить измерений под напряжением. Нужно измерить напряжение в схеме, выключите питание, подключите прибор и включите питание. Небрежность, пренебрежение правилами безопасности могут навсегда отбить охоту к работе со схемами. Но небрежность, всегда небрежность. Ни электроника, ни схема ни в чем не виноваты.

Резюмируя свои предостережения, я хочу посоветовать начинающим использовать в экспериментах либо простейшие батарейки, либо качественные (с защитой) блоки питания, а все сомнительные эксперименты вначале проводить за компьютером, используя программы САПР, такие как PSIM и Qucs. Насколько они полезны станет понятно, когда мы начнем говорить о переменном токе.