Текст книги "Самоучитель по радиоэлектронике"
Автор книги: Михаил Николаенко
Жанр:
Радиоэлектроника
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 13 страниц)
Николаенко Михаил Николаевич
«Самоучитель по радиоэлектронике»
Введение
Это издание содержит наиболее полную подборку материалов по различным аспектам радиолюбительской деятельности и предназначено для широкого круга читателей – как радиолюбителей, так и специалистов, занимающихся проектированием и изготовлением радиоэлектронной аппаратуры и приборов.
Основное назначение книги – дать читателю рекомендации по самостоятельному изготовлению радиоэлектронных приборов, начиная с выбора электронных компонентов и заканчивая сборкой готового устройства. Предлагаемая книга призвана устранить некоторые «белые пятна» в литературе по электронике и вооружить радиолюбителя самыми необходимыми сведениями.
Первая глава посвящена вопросам правильного выбора различных радиоэлектронных компонентов.
Во второй главе приведены рекомендации по применению как типовых, так и оригинальных электронных схем, описано их использование в готовых устройствах.
В третьей главе представлены рекомендации по правильному производству пайки, описаны особенности пайки различных металлов и сплавов, выполнение контактного соединения с помощью токопроводящего клея. Даны советы по изготовлению печатных плат, методы разработки рисунка и нанесения его на плату, рационального размещения на ней электронных компонентов.
Четвертая глава посвящена советам по грамотному использованию контрольно-измерительных приборов в радиолюбительской практике и проведению тестирования компонентов и схем, описан порядок проведения некоторых электрических измерений.
В пятой главе содержатся полезные советы и сведения по ремонту изготовленных приборов.
В приложении приведены справочные сведения по некоторым широко используемым разъемам, аккумуляторам и список наиболее часто встречающихся англоязычных сокращений.
Глава 1
Применение компонентов
1.1. Использование резисторов
1.1.1. Выбор постоянного резистора
При выборе резистора нужно учитывать как его параметры, так и условия среды, где он будет работать – температуру, влажность, вибрацию и т. д. Параметры резистора должны соответствовать условиям его применения по нагрузке и внешней среде. Следует также знать, что у резистора существует максимальная частота работы, при которой его сопротивление начинает меняться, и максимальное допустимое напряжение. Фактическая мощность, рассеиваемая на резисторе, и его рабочая температура должны быть ниже предельных значении по техническим условиям.
Резистор выбирают с учетом особенностей цепей, где он работает, учитывая величину отклонения сопротивления от номинального. Если большое отклонение сопротивления мало влияет на работу устройства, то можно применять резисторы с допуском 20 %. Это могут быть резисторы в цепях управляющих сеток ламп, в цепи коллекторов транзисторов. Если от величины сопротивления зависит режим работы цепи, то следует применять резисторы с допуском 5 или 10 %. К ним относятся резисторы в цепях эмиттера и базы транзистора. В цепях, где требуется постоянство сопротивления, применяются резисторы с допуском не более 2 %.
Работа резистора в схеме проявляется его нагревом. Относительно сильный нагрев (до 300 °C) для резистора не опасен, но выделяющееся тепло может отрицательно повлиять на соседние детали. В таких случаях для уменьшения нагрева его нужно заменить на более мощный.
1.1.2. Нелинейный резистор
Полупроводниковый нелинейный резистор, в отличие от линейного, обладает способностью изменять свое сопротивление под действием управляющих факторов: температуры, напряжения, магнитного поля и др.
Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) бывают двух видов: стержневые (типа КМТ-1, СТЗ-1, ММТ-4) и дисковые (типа СТ1-2, КМТ-12, ММТ-12). Подобные чувствительные элементы используются для создания различных приборов – от электронных термометров до детекторов – в тех или иных промышленных системах управления, в которых должен осуществляться текущий контроль (мониторинг) и/или управление температурой.
Термисторы с положительным ТКС увеличивают свое сопротивление при возрастании температуры. При этом их сопротивление изменяется более резко и круто, чем у терморезисторов с отрицательным ТКС. Хорошим примером терморезистора с положительным температурным коэффициентом является нить лампы накаливания. Когда лампа выключена, нить накала имеет очень низкое сопротивление. Однако когда через лампу протекает ток, нить сильно накаляется и быстро нагревается до температуры белого каления. Это значительно увеличивает сопротивление нити. Например, стандартная лампа накаливания 100 Вт имеет в холодном состоянии сопротивление приблизительно 10 Ом. Когда же на лампу подается напряжение 120 В, нить нагревается с увеличением сопротивления до 144 Ом, то есть отмечается рост сопротивления более чем в 14 раз. Такая характеристика лампы накаливания может использоваться для целей регулирования в некоторых типах электрических и электронных схем.
1.1.3. Температурный дрейф подстроенного резистора
У всех резисторов, в особенности у подстроечных, номиналы могут изменяться в зависимости от температуры. Необходимо учитывать это явление как при разработке, так и при изготовлении схемы. По обе стороны от подстроечного резистора следует поместить постоянные резисторы (рис. 1.1), а также расположить подстроечный резистор как можно дальше от всех источников тепла.
Рис. 1.1. Устранение температурного дрейфа подстроенного резистора
Желательно удалить на максимальное расстояние охлаждающие радиаторы, стабилизаторы, мощные резисторы и трансформаторы. Дополнительные резисторы позволяют свести диапазон регулировки сопротивления к минимуму.
Кстати, к этой мере рекомендуется прибегать всегда, даже когда нет опасности перегрева. Как правило, после тестирования схемы необходимо уточнить рассчитанные параметры.
1.1.4. Многооборотный потенциометр
Многооборотные потенциометры (полное перемещение движка происходит за десять оборотов регулировочного винта) очень полезны, когда нужно отрегулировать какую-либо величину, например выходное напряжение источника питания, с высокой точностью. К сожалению, цена устройств часто слишком высока для любителей. В продаже имеются механические переключатели, объединенные с переменными резисторами, позволяющие трансформировать однооборотную модель потенциометра в многооборотную. Такие компоненты также дорого стоят и занимают много места. Есть простой и эффективный способ, позволяющий достичь точной и плавной регулировки: последовательное включение двух однооборотных переменных резисторов (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Использование двух резисторов для грубой и точной регулировки
Один из них имеет требуемое сопротивление (или чуть ниже), а второй, значительно меньший по номиналу, позволяет точно регулировать суммарное сопротивление. Вначале с помощью первого резистора получают приблизительную ((грубую) настройку, а окончательный результат обеспечивает тонкая настройка вторым резистором. Такой подход неприменим для потенциометрической схемы регулировки (со средней точкой).
1.1.5. Резисторная матрица
Резисторная матрица содержит несколько одинаковых резисторов. Любители используют этот компонент сравнительно редко. Однако у таких матриц есть некоторые преимущества по сравнению с эквивалентным набором дискретных резисторов. В частности, они позволяют ускорить сборку схем. Резисторные матрицы удобно использовать в цифровых устройствах для создания делителей, обеспечивающих набор калиброванных напряжений, или для ограничения тока нескольких светодиодов, расположенных близко друг от друга.
В аналоговых схемах матрицы могут применяться в сочетании с операционным усилителем, в частности в качестве резисторов в цепи отрицательной обратной связи. В этом случае гарантируется высокая стабильность коэффициента усиления и точность его задания, так как разброс параметров у резисторов матрицы, как правило, незначителен.
Существующие матрицы содержат четыре, семь или восемь резисторов, подключенных к выводам независимо или по схеме с общей точкой (рис. 1.3).
При наличии общего вывода он помечается маркировочной точкой на корпусе. Если есть сомнения по поводу типа матрицы или параметров резисторов, нетрудно проверить микросхему при помощи омметра.
Рис. 1.3. Резисторная матрица с общей точкой (а) и с независимыми выводами (б)
1.1.6. Прецизионный резистор
Иногда возникает необходимость в использовании прецизионных резисторов с допуском 1 % или даже меньше. Эти компоненты довольно дороги, не всегда можно найти нужный номинал, кроме того, они обычно продаются только в наборах.
Наиболее часто такие резисторы применяются для построения прецизионного делителя (например, при калибровке измерительного прибора) или если требуется набор идентичных резисторов, для которых абсолютная величина сопротивления не слишком важна. В последнем случае при помощи цифрового мультиметра можно провести сортировку обычных резисторов одного номинала и отобрать те из них, что имеют одинаковые сопротивления (например, 99,8 кОм при номинальном значении 100 кОм). Однако при этом стабильность параметров во времени, особенно в случае колебаний температуры, не гарантируется. Гарантию стабильности дает только использование прецизионных резисторов.
1.1.7. Рассеиваемая мощность резистора
Мощность, рассеиваемая резистором, является важным показателем, о котором при разработке схемы иногда забывают. В этом случае первое включение схемы может вызвать неприятные последствия. Например, нетрудно рассчитать, что резистор 2,2 кОм, предназначенный для ограничения до 20 мА тока, потребляемого светодиодом, при напряжении источника питания 48 В рассеивает мощность около 1 Вт. Если в схеме использован резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт, через короткое время он выйдет из строя. Поэтому при проектировании надо предусмотреть место на печатной плате для более мощного резистора.
При создании схем с мощными резисторами следует быть особенно внимательным. Необходимо учитывать, что допустимые значения мощности, указанные производителями, обычно гарантируются для рабочей температуры 25 °C. Но при работе мощного устройства эта температура может быть существенно выше. Бывает, что резистор с номинальной рабочей мощностью 10 Вт при 25 °C перегревается при рассеивании всего лишь 2,5 Вт, если температура окружающей среды составляет 70 °C. В подобных случаях следует выбирать резисторы в специальном корпусе, оснащенном пластинами для охлаждения, размещать их на радиаторе и обеспечивать адекватную вентиляцию. Отметим, что выбор заведомо более мощного резистора не всегда позволяет избежать перегрева, так как рассеиваемая мощность при этом остается прежней.
1.1.8. Рабочее напряжение резистора
Резистор, как и конденсатор, имеет максимально допустимое рабочее напряжение. Необходимость учитывать этот параметр ярко проявляется при работе со схемами, непосредственно подключенными к электрической сети. Примерами могут служить RC-цепи, служащие для подавления помех, или бестрансформаторные источники питания.
Классический резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт обычно имеет допустимое рабочее напряжение порядка 200 В. В упомянутых выше устройствах при номинальном эффективном напряжении сети 220 В возможны режимы, при которых пиковое значение напряжения на резисторах может достигать 650 В. Даже если требованию по рассеиваемой мощности удовлетворяет один резистор, в данном случае необходимо использовать по меньшей мере три последовательно соединенных компонента, чтобы напряжение на каждом из них всегда оставалось в допустимых пределах. Из этого можно сделать вывод, что, если в схеме, подключенной к сети, есть несколько последовательных резисторов, их нельзя заменять одним резистором соответствующего номинала (рис. 1.4). В противном случае возникает опасность его разрушения.
1.1.9. Переменный цифровой резистор
Часто регулирующие устройства должны имитировать изменяющееся сопротивление, для чего можно использовать цифровой (наборный) резистор, сопротивление которого варьируется в широких пределах с малым шагом в соответствии с заданным цифровым сигналом. Есть программируемые интегральные цифровые потенциометры, которые помогают в решении данной задачи. Однако такие микросхемы сравнительно дороги и не всегда обладают нужными параметрами, поэтому их часто заменяют дискретными компонентами.
Схема, приведенная на рис. 1.5, позволяет имитировать переменный резистор, характеристики которого можно выбирать исходя из конкретных требований. Переключения выполняются с помощью контактов реле, что обеспечивает полную изоляцию управляющей (цифровой) части устройства от исполнительной (аналоговой).
Рис. 1.5. Переменный управляемый резистор
Принцип работы схемы очень прост. В ней используется набор последовательно включенных резисторов, сопротивления которых при переходе от одного к другому изменяются путем умножения на 2, что соответствует изменению веса разрядов двоичного управляющего сигнала. Параллельно выводам каждого резистора подключен нормально замкнутый контакт реле, на обмотку которого подается цифровой сигнал соответствующего разряда. В состоянии покоя общее сопротивление равно нулю. Появление управляющего сигнала, соответствующего единице младшего разряда, размыкает контакт, шунтирующий первый резистор. В рассматриваемом примере на выходе появляется сопротивление 500 Ом. Включение второго реле, соответствующего следующему разряду двоичного сигнала (при отключении первого), дает на выходе сопротивление 1000 Ом. Дальнейшее увеличение двоичного слова на единицу (переход от 2 к 3 в десятичном коде) обеспечивает увеличение выходного сопротивления до 1500 Ом и т. д. Максимальное значение сопротивления составляет 7,5 кОм (все контакты разомкнуты), оно реализуется при подаче двоичного слова 0FH. Таким образом, получается переменный резистор 7,5 кОм с 16 дискретными значениями сопротивления с шагом 500 Ом.
Число разрядов и наименьшее сопротивление в наборе могут задаваться с учетом конкретных требований. Управление реле осуществляется с помощью дискретных транзисторов или микросхем. Подобный вариант схемы можно использовать в сочетании с двоичным счетчиком, реализующим счет вперед или назад, или с микроконтроллером. Очевидно, что при управлении с помощью механического реле выходное сопротивление будет изменяться сравнительно медленно.
1.2. Применение конденсаторов
1.2.1. Выбор конденсатора
В цепях с высокой стабильностью параметров, например в колебательных контурах, применяют керамические и воздушные конденсаторы с высоким классом точности. В цепях, к которым не предъявляются высокие требования по стабильности, например в цепях сглаживающих фильтров выпрямителей, фильтров развязки и блокировки, можно использовать электролитические бумажные конденсаторы. В этих цепях применяются также сегнетоэлектрические конденсаторы.
В цепях высокой частоты устанавливают конденсаторы с высокой предельной частотой, например керамические и вакуумные. Бумажные конденсаторы не применяют в цепях с частотой, превышающей единицы мегагерц.
В цепях при напряжении менее 10 В не рекомендуется применять конденсаторы с вкладными выводами, так как в них может нарушиться контакт с фольгой.
Герметизированные конденсаторы в металлическом корпусе имеют большую емкость на корпус. Если при монтаже ни один вывод конденсатора не соединяется с корпусом устройства, то его необходимо изолировать от шасси на опорах толщиной 0,5–1 см.
1.2.2. Электролитический конденсатор
Конденсаторы могут применяться в цепях как постоянного, так и переменного тока. Для цепей постоянного тока используют в основном электролитические конденсаторы. При монтаже конденсатора его плюсовой вывод присоединяют к положительному полюсу цепи с учетом соответствия напряжений участков цепи, а минусовой вывод (обычно корпус конденсатора) присоединяется к металлическому корпусу устройства. Следует учесть, что могут быть и неполярные электролитические конденсаторы.
Если полярный конденсатор включить в сеть переменного напряжения, то через него пойдет переменный ток, нагревая конденсатор, и он может выйти из строя. В крайнем случае при отсутствии нужного конденсатора на переменное напряжение вместо него можно применить полярный конденсатор при условии, что его напряжение много больше напряжения сети. Например, полярный конденсатор с напряжением 250 В может работать в сети переменного напряжения 50 В при частоте 50 Гц.
1.2.3. Качество диэлектрика
Качество диэлектрика характеризует сопротивление изоляции или ток утечки. В некоторых цепях существуют высокие требования к сопротивлению изоляции, например к конденсаторам связи между соседними каскадами. Наиболее высокое сопротивление изоляции имеют фторопластовые, стирольные и полипропиленовые конденсаторы, несколько ниже оно у слюдяных, керамических и поликарбонатных.
Для электролитических конденсаторов задается ток утечки, значение которого пропорционально емкости и напряжению. Наименьший ток утечки имеют танталовые конденсаторы (от единиц до десятков микроампер), а у алюминиевых конденсаторов он на один-два порядка больше.
1.2.4. Неполярный конденсатор
Довольно трудно найти неполярные конденсаторы (с изоляцией из слюды, бумаги или пленки) большой емкости с низким рабочим напряжением (менее 25 В). Однако иногда нужны именно такие компоненты, в частности при построении импульсных генераторов на логических вентилях с очень большим периодом (например, при разработке таймера для часов). Получение большой постоянной времени RC-цепи за счет увеличения сопротивления имеет определенный предел для каждого типа схем.
Для формирования конденсатора большой емкости можно соединить два полярных (электролитических) конденсатора, чтобы получить один неполярный (рис. 1.6). При этом надо выбрать два компонента одинакового номинала и включить их последовательно, соединив между собой отрицательные электроды. Результирующая емкость будет равна половине емкости каждого конденсатора.
Рис. 1.6. Получение одного неполярного конденсатора из двух полярных
1.2.5. Ионистор
В последние годы появился новый класс приборов, функционально близких к конденсаторам очень большой емкости, по существу, занимающих положение между конденсаторами и источниками питания. Это ионисторы, конденсаторы с двойным электрическим слоем.
Номинальное напряжение ионистора зависит от вида используемого в нем электролита и является для него максимально допустимым. Для получения более высокого рабочего напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но делать это самостоятельно не рекомендуется – параметры ионисторов в такой связке должны быть очень близкими.
В принципе, ионистор – неполярный прибор. Вывод + (плюс) указывают для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.
Долговечность ионистора зависит от условий эксплуатации. Так, при работе под напряжением Uном при температуре окружающей среды +70 "С гарантированная долговечность составит 500 ч. При работе под напряжением 0,8Uномона увеличивается до 5000 ч. Если же напряжение на ионисторе не превышает 0,6Uном, а температура окружающей среды менее +40 °C, то ионистор будет исправно работать 40000 ч и более.
Важнейший параметр ионистора – ток утечки. Это особенно важно при использовании его в качестве резервного источника питания. Весьма перспективен ионистор в качестве накопителя энергии при работе совместно с солнечными батареями. Здесь особенно ценна его некритичность к режиму заряда, практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Ионистор не требует ухода в течение всего срока службы.
1.3. Намоточные компоненты
1.3.1. Воздушный дроссель
Дроссели (катушки индуктивности) не пользуются большой популярностью среди любителей. Их применяют довольно редко, и если они используются в публикуемых схемах, то в списках компонентов приводятся хорошо известные и доступные типы. При разработке импульсных источников питания иногда нужно изготовить нестандартный дроссель. Такая же потребность может возникнуть при изготовлении фильтра низких частот для подавления высокочастотных гармоник, например в схемах с широтно-импульсной модуляцией.
На при… гаже чертежах (рис. 1.7) представлены воздушные (то есть не имеющие ферромагнитного стержня) дроссели, которые достаточно просто изготовить самостоятельно.
Рис. 1.7. Изготовление дросселя с однослойной (а) и многослойной (б) намоткой
Для расчета индуктивности однослойных и многослойных катушек в зависимости от их размеров и числа витков используются несложные формулы, которые легко найти в учебниках или справочниках. Экспериментальную проверку индуктивности дросселя можно выполнить с помощью небольшой схемы измерения резонансной частоты колебательного контура, состоящего из конденсатора и изготовленного дросселя. Для этого потребуются генератор соответствующего диапазона частот и осциллограф.
Наконец, при выборе сечения провода для обмотки следует учитывать значение тока, который будет проходить через катушку.
1.3.2. Соединение обмоток трансформатора
Силовые трансформаторы радиоэлектронных устройств имеют, как правило, две одинаковые вторичные обмотки. В зависимости от предполагаемого применения их можно соединять либо последовательно – для удвоения напряжения, либо параллельно – для удвоения тока. Небольшие трансформаторы, закрепляемые непосредственно на печатной плате, обычно имеют стандартное расположение выводов. Соединение обмоток выполняется по схеме, приведенной на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение вторичных обмоток трансформатора
Для некоторых моделей (например, с тороидальным сердечником) при отсутствии документации необходимо с помощью осциллографа исследовать напряжения на обмотках во избежание соединения их в противофазе. Иначе возникает риск перегрева и выхода из строя трансформатора и находящихся рядом деталей (не говоря уже об отсутствии напряжения на выходе).
1.3.3. Монтаж тороидальных трансформаторов
Тороидальные трансформаторы обычно используются в устройствах высокой мощности, поскольку занимают значительно меньше места, чем классические модели с Ш-образным сердечником. Во время их монтажа необходимо точно следовать указаниям производителя и применять для крепления только рекомендуемые кольца (из металла или неопрена). Если два тороидальных трансформатора располагаются в одном корпусе, нельзя использовать для них общий крепежный болт, проходящий по центру. В соответствии с законами магнетизма трансформаторы обязательно будут взаимодействовать, что приведет к нарушению работы устройства в целом.
1.3.4. Крепление трансформатора
Когда трансформатор (даже небольшого размера) монтируется на печатной плате, следует в дополнение к припаиванию выводов предусмотреть его механическое крепление. Если мощность трансформатора превышает 10 ВА, его весом уже нельзя пренебречь. Классические модели трансформаторов с наборным сердечником начиная с определенных размеров снабжены специальными монтажными скобами. Необходимо крепко стянуть набор с помощью болтов и надежно закрепить трансформатор на плате.
При проектировании размещения элементов нужно оставить достаточно места для выводов и крепежных отверстий.
Залитые трансформаторы часто имеют крепежные лапки или сквозные отверстия для крепления. Иногда они снабжены пластмассовыми вставками с отверстиями, которые предназначены для крепления с помощью винтов.
1.3.5. Особенности залитых трансформаторов
Залитые трансформаторы соответствуют более высоким стандартам по изоляции, чем обычные модели. Но у них есть свои недостатки: худшие условия теплоотвода и высокая цена. Некоторые из них снабжены встроенной термозащитой. Следует помнить о том, что такая защита необратима, то есть если она срабатывает, трансформатор просто выходит из строя.
1.3.6. Маркировка отечественных трансформаторов
При выборе необходимого трансформатора радиолюбители иногда сталкиваются с проблемой маркировки магнитопроводов. Некоторые особенности обозначений типоразмеров приведены ниже.
Магнитопровод трансформатора из тонких штампованных металлических пластин обозначают как Ш20х15. Это значит, что ширина средней части Ш-образной пластины должна быть 20 мм, а толщина стопки сложенных вместе пластин должна составлять 15 мм. Малогабаритные трансформаторы имеют обозначение ША8х10 или ШВЗх4.
Типоразмер ленточного броневого магнитопровода обозначается так же, как и пластинчатого, например ШЛ12х16, ШЛМ16х25, ШЛО8х10. Обозначение тороидального магнитопровода несколько иное, например ОЛ20/32-16, где 20 – внутренний диаметр, 32 – внешний диаметр, 16 – ширина ленты (размеры в миллиметрах).
Обозначение типоразмера Ш-образного ферритового сердечника совпадает с маркировкой магнитопровода из штампованных металлических пластин и имеет вид Ш8х8. Кольцевой ферритовый сердечник имеет маркировку К10,0x6,0x4,5, где 10,0 – внешний диаметр, 6,0 – внутренний диаметр, 4,5 – ширина кольца (размеры в миллиметрах).
