Собрал одно, собрал другое — не работает. Что делать?

Достаточно часто можно услышать подобный крик души начинающего любителя. Особенно обидно, когда, доверившись солидному изданию, повторяешь схему на самостоятельно изготовленной печатной плате, а схема не работает. Бывалые справедливо советуют читать книги и осваивать теорию. Совет правильный, но трудно сказать, что больше может огорчить в подобной ситуации, то, что схема не работает, или то, что нужно выбросить свою работу и начать читать что-то. Однако можно найти компромисс. В первую очередь, если есть навыки, можно проверить работоспособность активных элементов: микросхем, транзисторов, тиристоров. Если проверить их жизнеспособность не получается, лучше пожертвовать ими, спасая печатную плату, в которую вложено много труда. Микросхемы «выкусывают», располагая кусачки как можно ближе к корпусу, вывод за выводом — эти выводы позже можно легко выпаять. Как правило, микросхемы легко купить, а повторить изготовление платы много сложнее. Аналогично можно удалить транзисторы. Оставшиеся элементы следует проверить, затем проверить правильность монтажа по электрической схеме устройства, исправляя ошибки, если они обнаружатся. И теперь можно перейти к работе с макетной платой, используя все доступные средства для выявления причин неудачи: книги, приборы, программы и советы более опытных товарищей по увлечению. В конечном счете первая неудача быстро превратится в обычную работу с любой электрической схемой, и обязательно пополнит багаж знаний.

Схемы для повторения могут отличаться капризным характером. Одни требуют буквального повторения всей элементной базы и работают только в таком виде, другие требуют тщательной наладки, без которой их нельзя «оживить», третьи могут содержать ошибки, не замеченные при публикации. Хорошо повторяются схемы, использующие типовые решения, наихудшим образом могут повторяться «оригинальные» решения. Иногда складывается впечатление, что автор этого оригинального решения сам не понимает, как работает схема. Читая статью в каком-нибудь издании, где приводятся формулы призванные обосновать выбор решения, обычно не затрудняешь себя повторением всех выкладок, но, вооружившись бумагой и карандашом, можешь к собственному удивлению обнаружить, что приводимые формулы, собственно, никакого отношения к схеме не имеют. Бывает и такое. Но схема работает, во всяком случае, работала у автора, и он повторял ее несколько раз. Ваша попытка повторить схему может оказаться неудачной. Бывает и такое.

Но вернемся к вопросу, заданному в начале этой истории. Что же делать? В первую очередь не следует спешить в принятии решения. Вы несколько раз проверили правильность монтажа и не нашли ошибок. Это еще не значит, что их нет. Отложите плату на время и попробуйте понять, как работает схема. Разбейте ее на функциональные узлы и разберите работу этих узлов, даже если полная работа схемы основана на взаимосвязях этих узлов, каждый из них выполняет часть работы, которую можно проверить. Как это сделать, зависит от ваших предпочтений: на бумаге, где вы рисуете этот узел, на макетной плате, где вы собираете этот узел или в программе EDA, где есть возможность легко менять и схему, и элементы схемы, и режимы работы. Не забывайте только, что не всегда программа может моделировать все, что угодно, и не всегда то, что вы ожидаете от программы, соответствует тому, что в программе происходит. Чтобы не быть голословным, я хочу привести несколько экспериментов со схемой, работу которой, честно говоря, не понимаю. Схема очень проста, но тем не менее.

Рис. 7.1. Схема генератора импульсов

Светодиод D1 должен давать кратковременные вспышки с некоторой частотой. Мне понятно, что в процессе образования автоколебаний принимает активное участие конденсатор C1, но как он это делает, мне не понятно. Попытка запустить симуляцию схемы дает тот самый эффект, что и нужен. Схема «молчит». Найти причину этого без понимания работы схемы я, увы, не в состоянии. Поэтому первое, что я собираюсь сделать, это проверить работу программы в части заряда конденсатора — я хочу понять, отрабатывает ли программа этот процесс. Удалим из схемы все кроме резистора, конденсатора и батарейки. Нарисуем график зависимости напряжения на конденсаторе от времени. Ведь, если программа игнорирует это, она не сможет правильно симулировать работу схемы, а я потрачу много времени впустую, пытаясь «оживить» схему.

Из практики я знаю, что конденсаторы большой емкости можно проверить с помощью тестера, включив его в режим измерения сопротивления и присоединив его щупы к выводам конденсатора. В начальный момент стрелка прибора отклонится, показывая некоторое сопротивление, затем это сопротивление начинает расти, а ток через микроамперметр прибора уменьшаться. Таким образом, при подключении конденсатора через сопротивление ток через него некоторое время протекает. Посмотрим, что происходит в программе.

В начальный момент времени напряжение на выходе равно нулю и сохраняется до 200 мС таким, а затем сразу возрастает до 3 В. Это должно соответствовать замыканию контактов выключателя. Посмотрим, что происходит с напряжением на конденсаторе в этом случае.

Рис. 7.4. Заряд конденсатора через резистор при использовании генератора «ступеньки»

Теперь конденсатор ведет себя так, как я и представляю заряд конденсатора, напряжение на нем увеличивается по экспоненте.

Но замена батарейки генератором ступенчатого напряжения в основной схеме все-таки не приводит к успеху, как и замена светодиода из набора для анимации на основной тип.

Что можно еще сделать? Можно перейти к макетной плате, но мне интересно понять работу схемы, а понимания я пока не достиг. Итак. Вернемся к моменту, когда напряжение изменяется от нуля к 3 В, напряжению батарейки. Для этого момента времени конденсатор можно заменить резистором малой величины, а идеальный конденсатор даст короткое замыкание между выводом резистора R1, подключенным к базе транзистора Q2 и катодом светодиода, соединенным с коллектором транзистора Q1. В этом случае через базу транзистора Q2 должен протекать ток, открывающий транзистор, что откроет и транзистор Q1, светодиод будет гореть. Обычно на светодиоде, включенном в прямом направлении, падает 1.5-2 вольта (хотя не всегда так).

Произведя необходимые изменения в схеме я не вижу ожидаемых результатов, что вызывает у меня желание изменить тактику и просто проверить все токи в цепях. Удалив графики я расставляю амперметры, используя диалог свойств, меняю их на миллиамперметры и наблюдаю нечто меня удивляющее — токи в цепях соответствуют моим ожиданиям, кроме тока через светодиод, который, похоже, не протекает.

К катоду светодиода я добавлю пробник тока, который с помощью режима вращений (и отображений) поверну так, чтобы направление тока удобно отображалось на графике. График, где я наблюдаю изменение напряжения на светодиоде и тока через него, выглядит так.

Рис. 7.7. График изменения напряжения и тока через светодиод

Теперь понятна причина неудачи при измерении токов — светодиод открывается при напряжении больше 6 В. Для сравнения я повторяю этот эксперимент с другим светодиодом из компонент Proteus.

Рис. 7.8. Второй эксперимент с другим светодиодом

Этот светодиод открывается при напряжении порядка 2 В. Если теперь повторить схему рисунка 7.5, заменив светодиод, то ток в цепи светодиода протекает, что и следовало ожидать, если не делать ошибок, особенно, учитывая, что я сам замечал, что не для всех светодиодов падение напряжения на них в рабочем режиме около 2 вольт.

Теперь, когда отдельные вопросы включения и переключения несколько яснее, мне интересно посмотреть на схему в другом ключе, на эту мысль наводит меня график происходящего на резисторе R1.

Рис. 7.9. Повторный эксперимент со схемой при увеличении напряжения до 5 В

В сущности схема, если удалить конденсатор C1 — это двухкаскадный усилитель. Манипулируя величиной резистора R1 можно задать рабочую точку такой, чтобы на коллекторе транзистора Q1 было напряжение равное половине питающего напряжения, при этом светодиод лучше заменить эквивалентным резистором, а генератор «ступеньки» на батарейку. На входе усилителя можно поставить генератор синусоидального напряжения с частотой, положим, 10 кГц, и посмотреть сигналы на входе и выходе.

Несколько попыток с измерением постоянного напряжения на выходе и подстройкой напряжения генератора заканчиваются тем, что можно увидеть графики напряжений.

Рис. 7.10. Испытания схемы, как двухкаскадного усилителя

В первую очередь меня интересует соотношение сигналов на входе и на выходе, но не по величине, а по фазе. Сигналы по фазе совпадают. Таким образом, включая конденсатор C1, как на рисунке 7.9, мы вводим положительную обратную связь. Положительная обратная связь должна приводить к автогенерации. Следовательно, хотя бы этот механизм позволяет мне понять, как должна работать схема.

Осталось выяснить, виновата ли в отсутствии симуляции программа Proteus, виновата ли схема, или виноват я, использовав случайные транзисторы вместо рекомендованных. Положительная обратная связь должна приводить к самовозбуждению, но я использовал транзисторы, которые могут иметь очень большой коэффициент усиления, что, в свою очередь, может приводить к тому, что транзистор Q1, работающий в режиме насыщения, входит в столь глубокое насыщение, что срывает генерацию. Попробуем регулировать рабочий режим транзистора Q1, меняя величину резистора R1. Это изменит частоту генерации (при удачном исходе), но с частотой можно разобраться либо позже, либо на макетной плате. Контролировать выбор резистора мне помогает вид сигнала на резисторе R1.

После нескольких попыток появляется сигнал на выходе, который мне представляется достаточно правомерным для этой схемы, исключая частоту повторения импульсов.

Рис. 7.11. Работа схемы после ее настройки

Подобрать частоту повторения, если это важно, можно изменением величины конденсатора C1.

После проведенных экспериментов работа схемы мне представляется следующей. В начальный момент транзисторы закрыты, пока не завершится заряд конденсатора C1 и транзисторы не откроются. Через полностью открытый транзистор Q1 конденсатор быстро разряжается (собственно, цепь разряда, видимо, переход база-коллектор Q2 и база-эмиттер Q1), что приводит к новому циклу заряда конденсатора при закрытых транзисторах.

В итоге, возвращаясь к началу рассказа, я могу ответить на вопрос, что бы я делал, если бы схема не захотела работать. Я проделал бы все, что проделал, повторил это на макетной плате, постаравшись использовать рекомендованные компоненты схемы: транзисторы и светодиод. А после того, как схема заработает, аккуратно удалил бы активные компоненты и те, что изменились в результате наладки, с печатной платы и перенес бы компоненты с макетной платы. Думаю, устройство заработало бы.