Текст книги "Самоучитель по радиоэлектронике"

Автор книги: Михаил Николаенко

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 13 страниц)

3.8. Источники питания

3.8.1. Формирование батареи аккумуляторов

Радиоуправляемые модели и другие электронные устройства часто получают питание от аккумуляторной батареи напряжением 7,2 или 9,6 В. Такой блок состоит из 6 или 8 элементов по 1,2 В, соединенных последовательно и помещенных в специальный корпус. При отсутствии подходящего корпуса его упрощенный вариант легко изготовить из отрезка велосипедной камеры, в который плотно вставлены спаянные друг с другом элементы (рис. 3.17). Хотя внешний вид такой конструкции оставляет желать лучшего, она не требует практически никаких расходов и вполне пригодна как временная мера.

Рис. 3.17. Батарея аккумуляторов

3.8.2. Соединительный элемент для батарейки 9 В

Малогабаритная девятивольтовая батарейка (типа «Крона») широко используется для питания портативных электронных устройств с незначительным потреблением энергии. Она подключается при помощи специального разъема. Прежде чем выбрасывать отслужившую батарейку, снимите с нее верхнюю пластину. Припаяйте к контактам пластины два провода, аккуратно изолируйте места пайки – и вы получите готовый соединительный элемент, который может пригодиться в будущем.

3.9. Слесарно-монтажные работы

3.9.1. Выбор корпуса

Выбор корпуса для разрабатываемого устройства диктуется размерами последнего, назначением, требованиями эстетики, стоимостью и, наконец, наличием нужной модели в каталогах изготовителей или поставщиков. Если устройство выполняется согласно рекомендациям, почерпнутым из специальной литературы, можно довериться выбору автора. В противном случае стоит, оставив в стороне эстетическую сторону вопроса, сделать временный корпус из оргалита по размерам, указанным в каталоге. Это даст более точные представления о законченности схемы, ее внешнем виде и о свободном пространстве в корпусе. В дальнейшем будет легче внести нужные изменения.

3.9.2. Экранирование устройств

Иногда нужно обеспечить качественное экранирование устройства или его узла, чувствительного к наводкам (например, предусилителя приемника ИК излучения). Проблема решается довольно просто, если корпус устройства выполнен из металла и его можно заземлить (следует помнить о возможности появления ненулевого потенциала на гнездах соединителей и др.). В противном случае можно спаять экранирующий корпус из фольгированного стеклотекстолита или гетинакса (рис. 3.18а). Вскрывать такой корпус довольно сложно, поэтому размещаемый в нем узел следует заранее тщательно проверить.

Для небольшой сборки корпус можно изготовить из отрезка медной трубы, которая с одного конца запаивается обрезком фольгированного стеклотекстолита, а с другой закрывается заглушкой (рис. 3.18б).

Рис. 3.18. Варианты экранов из фольгированного стеклотекстолита (а) и отрезка медной трубы (б)

3.9.3. Крепление печатных плат

Как правило, на печатной плате имеется нескольких крепежных отверстий. Впоследствии соответствующие отверстия необходимо разметить на дне корпуса или на другой несущей поверхности. Нередко вместо точной разметки осей отверстий предпочитают брать печатную плату и размечать места сверления по ней или прямо сверлить отверстия в корпусе сквозь отверстия в плате. Хотя такой подход ускоряет решение задачи, точность разметки падает. Случается, что, когда расставлены крепежные стойки, печатную плату поставить на место уже невозможно. Чтобы избежать подобной ситуации, нужно вначале просверлить печатную плату и корпус сверлом диаметром 3 мм, а затем расширить отверстия в плате до 3,2 или 3,5 мм. Это облегчит сборку, а качество практически не пострадает.

3.9.4. Стойка для крепления платы

Для крепления печатной платы на некотором расстоянии от корпуса и от других плат используются стойки из различных материалов. Если под рукой нет стоек подходящего размера, можно воспользоваться длинными винтами диаметром 3 мм (такие винты обычно наиболее удобны) с гайками для крепления плат на нужном расстоянии от корпуса (рис. 3.19). Со стороны металлизации печатной платы лучше использовать гайки из нейлона (или подложить под металлическую гайку изолирующую шайбу), чтобы изолировать винты от дорожек, проходящих вблизи крепежных отверстий.

Рис. 3.19. Стойка для крепления платы

3.9.5. Оформление лицевой панели

При оформлении лицевой панели современных приборов теперь уже не используют выступающие кнопки и поворотные переключатели, которые крепились на алюминиевом листе с надписями, нанесенными черной краской. Предпочтение отдается плоским поверхностям, за которые не выступают компоненты, служащие для управления и индикации (рис. 3.20). Эти компоненты размещаются группами в соответствии с выполняемыми функциями.

Рис. 3.20. Вариант оформления лицевой панели

Панель обычно выполняется из листового металла или пластмассы и имеет светлый фон с разноцветными надписями. Изготовление подобных панелей существенно облегчается при использовании современных цветных принтеров. Печать на прозрачных листах, которые используются для проекторов, позволяет быстро и качественно изготовить рисунок панели с необходимыми надписями. Другой способ изготовления рисунка – выполнение цветной ксерокопии с бумажного оригинала на прозрачную пленку. Пленку можно наложить на непрозрачную основу, в которой сделаны отверстия для индикаторов. Пленку с рисунком имеет смысл закрыть сверху прозрачной самоклеющейся пленкой, а все элементы закрепить по краям скотчем.

Печатная плата с индикаторами и сенсорными кнопками должна располагаться непосредственно за лицевой панелью. Для ее крепления используются винты с потайными головками, утопленными в панель под пленкой с рисунком. Монтаж компонентов следует выполнять после временного прикрепления печатной платы к лицевой панели и тщательной разметки необходимых отверстий. Размеры отверстий в местах установки кнопок должны выбираться с запасом. Желательно не поднимать компоненты над платой и располагать ее так, чтобы расстояние до лицевой панели определялось высотой кнопки.

Некоторые элементы, занимающие много места (например, кварцевые генераторы), можно разместить в «лежачем» положении или с противоположной стороны платы.

Необходимо определить способы монтажа до выполнения рисунка печатной платы. Рядом с каждой кнопкой следует расположить по крайней мере одну опору, чтобы плата не деформировалась при нажатии.

3.9.6. Сетка для громкоговорителя

Установка громкоговорителя за лицевой панелью и обеспечение его нормального звучания – довольно сложная задача. Выполнить ее можно двумя способами: либо просверлить большое число отверстий, расположив их, например, в форме звезды, либо сделать одно большое отверстие и закрыть его сеткой. Первое решение ухудшает внешний вид громкоговорителя, особенно если хотя бы одно отверстие расположено не на своем месте. Во втором случае сверление не требует высокой точности, поскольку окончательную подгонку отверстия можно выполнить с помощью напильника.

Сложнее приобрести или изготовить сетку, которая нужна для завершения конструкции и для защиты мембраны громкоговорителя. Есть простое и экономное решение задачи: можно использовать макетную плату из гетинакса, в которой половину отверстий в шахматном порядке расширяют с помощью сверла диаметром 2,5 или 3 мм (рис. 3.21). После удаления заусенцев сетку следует покрасить черной матовой или блестящей краской.

Рис. 3.21. Вариант сетки для динамика

3.9.7. Укорачивание корпуса прибора

При сборке портативного устройства, размещаемого в каркасе небольшой толщины, нередко возникает проблема монтажа полупроводникового прибора, имеющего значительную высоту корпуса, когда из-за нехватки места его невозможно разместить в горизонтальном положении. Это относится, например, к транзисторам в корпусе ТО220, которые встречаются чаще, чем приборы в небольшом корпусе (ТО92). В то же время в малогабаритных устройствах с питанием от батарейки рассеиваемая мощность обычно невелика. В таком случае вполне допустимо аккуратно отпилить верхнюю часть корпуса с отверстием (рис. 3.22) или удалить ее с помощью кусачек.

Рис. 3.22. Укорачивание корпуса ТО220

3.9.8. Сверление отверстий в печатной плате

Отверстия в печатных платах для монтажа большинства компонентов должны иметь диаметр 0,8 мм, для интегральных схем – 0,6 мм. Поскольку стеклотекстолит является сравнительно прочным материалом, сверлить его довольно сложно.

Существует два типа сверл: стальные и из карбида вольфрама. Первые дешевле, но срок их службы ограничен. Вторые стоят в несколько раз дороже и позволяют проделать большое количество отверстий, однако при боковых нагрузках легко ломаются. Имеет смысл приобрести два набора стальных сверл: диаметром 0,6 и 0,8 мм. Сначала сверлом 0,6 мм сверлят все отверстия. На следующем этапе нужные отверстия расширяют сверлом диаметром 0,8 мм. При этом инструмент меньше изнашивается и служит дольше.

Использование упрощенного варианта сверлильного станка (довольно дешевого) в виде штатива с приводом, обеспечивающим вертикальную подачу сверла, окажет неоценимую помощь в работе и обеспечит высокое качество сверления. В таком варианте сверло не испытывает боковых нагрузок, что особенно важно для сверл из карбида вольфрама.

Знатоки электроники не всегда являются специалистами по механической обработке, поэтому полезно привести простое правило сверления отверстий в таких материалах, как листовое железо или стеклотекстолит. Сначала следует просверлить отверстия меньшего размера. Например, чтобы просверлить отверстие диаметром 6 мм, следует начать со сверла диаметром 2–3 мм. Чем больше конечный диаметр, тем больше потребуется промежуточных сверлений. Это обеспечивает получение отверстий точного размера круглой формы и легкое выполнение операции без повышенного износа сверл. В любом случае отверстие необходимо предварительно наметить с помощью кернера.

3.9.10. Сверление отверстий большого диаметра

Для увеличения диаметра отверстий можно применять специальные фрезы или развертки конической формы. Они бывают различных размеров и могут приводиться во вращение как с помощью дрели, так и вручную. Любители широко используют специальное приспособление («балеринку») для выполнения больших отверстий в панелях из пластмассы или алюминия. «Балеринка» содержит ось с втулкой и поперечную планку с закрепленным на конце резцом. Перемещая планку и фиксируя ее во втулке, можно в широких пределах изменять расстояние резца от оси, определяющее диаметр вырезаемого отверстия. Таким же образом получают отверстия любого нужного размера для монтажа электрических соединительных элементов, громкоговорителей и т. д. Обычно затраты на приобретение или изготовление такого инструмента быстро окупаются. Следует помнить, что пластмассы при механической обработке могут плавиться, поэтому нужно применять дрель или сверлильный станок с малой скоростью вращения.

Глава 4
Тестирование и измерения

Первое включение только что собранного устройства – это всегда волнующий момент, итог длительных трудов по разработке и изготовлению, которому, возможно, предшествовали долгие недели размышлений над принципиальной схемой. Но иногда вместо удовлетворения от безошибочной работы приходит разочарование, вызванное непредвиденными обстоятельствами, или, хуже того, полный провал. Тогда для устранения неисправностей понадобится несколько необходимых приборов – от обыкновенного мультиметра до многоканального логического анализатора.

На стадии наладки неработающего устройства важной составляющей успеха является умение мыслить логически, способность к анализу и синтезу. Наличие микропроцессора не всегда поможет, поскольку иногда очень трудно определить, что является источником неисправности – технический дефект схемы или ошибка в программном обеспечении.

4.1. Подготовка к измерениям

4.1.1. Оснастка при измерениях

Часто при проведении электрических измерений в небольшой лаборатории количество шнуров, соединяющих приборы, оказывается слишком велико для эффективной работы. Для соединения измерительных приборов между собой можно использовать шнуры со стандартными наконечниками.

Слишком длинные шнуры превращают рабочий стол в джунгли. Предпочтительнее работать с несколькими короткими шнурами разных цветов, снабженных наконечниками типа Banana. На таких наконечниках есть гнезда, что позволяет вставлять их один в другой, увеличивая длину шнура (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Наконечник типа Banana

При отсутствии защитной изоляции следует надеть на неиспользуемые металлические части отрезки изолирующей трубки, чтобы избежать короткого замыкания. Знаменитые зажимы типа «крокодил» сейчас практически не используются для подключения схемы к источнику питания. Им на смену пришли зажимы, припаянные или закрепленные винтом на конце шнура, другой конец которого снабжен наконечником типа Banana. Напряжение сети подводится к схеме при помощи сетевого шнура, оснащенного вилкой; применение двух отдельных шнуров недопустимо. Закрепление сетевого шнура на макете осуществляется пайкой или с помощью винтовых зажимов.

Во время тестирования под схему, еще не помещенную в корпус, подкладывается картон или другой изолирующий материал. Чтобы тестируемая плата не упала при натягивании сетевого шнура, его следует закрепить (например, с помощью неметаллических зажимов).

4.1.2. Искусственная нагрузка

Тестирование источника питания или аналогичной схемы проходит через стадию поиска и выбора нагрузки, позволяющей моделировать реальные условия работы устройства. Для небольших мощностей в качестве пробной нагрузки вполне можно использовать резистор. Иная ситуация возникает, например, с источником постоянного напряжения, способным обеспечить ток порядка 5 А при выходном напряжении около 30 В. Параллельное и последовательное включение нескольких резисторов представляется трудной задачей, особенно для рассеивания мощности 150 Вт.

Значительно удобнее использовать автомобильные лампы. Существует богатый выбор таких ламп мощностью от 5 Вт (для габаритных огней) до 40 Вт и более (лампы для фар). Самым распространенным напряжением является 12 В. Последовательное соединение двух ламп позволяет удвоить это напряжение. Упомянутый выше источник питания можно протестировать, если подключить к нему четыре лампы 12 В/40 Вт с последовательно-параллельным соединением 2x2 (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Искусственная нагрузка

Для более высоких напряжений подойдут лампы, работающие от сети, а также специальные резисторы, применяемые для нагрева (в конвекторах и др.). При особенно высокой мощности источника питания в качестве нагрузки можно использовать электролитическую ванну. Для этого в подсоленную воду опускают две не соприкасающиеся между собой металлические полоски достаточного сечения. Подобную операцию настоятельно рекомендуется проводить в хорошо проветриваемом помещении или на улице. В любом случае мощность будет рассеиваться главным образом в форме тепла. Поэтому необходимо принять элементарные меры противопожарной безопасности, а также защитить глаза от интенсивного светового излучения лампы даже при небольших ее размерах.

4.1.3. Использование трансформатора тока

Не всегда получается просто измерить переменный ток, особенно если схема связана с сетью. Существует оригинальное решение этой проблемы с помощью трансформатора тока. Известно, что проводник с током создает магнитное поле, напряженность которого пропорциональна этому току. Если расположить датчик, в данном случае катушку, в непосредственной близости от проводника, можно уловить, а затем обработать наведенный в катушке сигнал.

На практике удобно использовать тороидальный сердечник (такие компоненты применяются в антипомеховых дросселях), намотав на него большое число витков эмалированного провода малого сечения. Количество витков должно быть тем больше, чем меньше измеряемый ток. Проводник с измеряемым током пропускают сквозь тороидальный сердечник. Таким образом формируется первичная обмотка трансформатора (рис. 4.3). Ток во вторичной обмотке может быть небольшим, если предусмотрена его обработка с помощью операционного усилителя, включенного по схеме преобразователя тока в напряжение.

Рис. 4.3. Включение трансформатора тока

Например, ток силой 0,5 А в первичной обмотке создаст ток 5 мА во вторичной обмотке при 100 витках провода и напряжении 0,5 В на выходе усилителя. Это значение соответствует номиналу резистора, указанному на рис. 4.3. Форма сигнала сохраняется, поэтому, чтобы получить постоянное напряжение, потребуется выполнить операции выпрямления и фильтрации. Большое преимущество схемы такого типа – полная изоляция измеряемого проводника от цепи обработки сигнала. Именно этот принцип используется в электроизмерительных клещах. В некоторых случаях можно подключить амперметр непосредственно к вторичной обмотке трансформатора.

4.1.4. Измерение переменного тока или напряжения

Измерение и обработка переменной величины обычно выполняются с помощью преобразователя переменного сигнала в постоянный. Обыкновенный диод в сочетании с конденсатором выполняет операции выпрямления и фильтрации сигнала. Но в действительности речь идет об измерении максимальной (пиковой) величины сигнала. При этом не учитываются ни форма сигнала, ни его частота. Следовательно, данный принцип может успешно применяться исключительно для тех сигналов, у которых изменяется только амплитуда, но не форма. В других случаях лучше использовать специализированные схемы или аналого-цифровое преобразование с последующей математической обработкой.

Классический мультиметр, которым измеряют переменные сигналы, рассчитан на индикацию эффективных значений и обеспечивает правильные показания только для синусоидальных сигналов. Показания для сигналов другой формы содержат ошибки тем более значительные, чем сильнее форма измеряемого сигнала отличается от синусоиды. Таким образом, на выходе преобразователя 12/220 В, построенного на трансформаторе с двумя коммутируемыми транзисторами, будет индицироваться напряжение, существенно превышающее его истинное значение. Для корректного измерения следует использовать осциллограф, который одновременно показывает и амплитуду, и форму сигнала.

4.1.5. Форма измеряемого сигнала

На рис. 4.4 представлены формулы для определения действующих (эффективных) значений сигналов различной формы. Эти формулы действительны как для токов, так и для напряжений. В них используются пиковые (максимальные) значения сигналов и коэффициент заполнения (величина, обратная скважности).

Рис. 4.4. Формулы для определения действующих значений напряжения гармонических сигналов

4.2. Работа с мультиметром

В своей деятельности радиолюбителю придется использовать множество контрольных приборов различного типа для тестирования, измерения и обнаружения неисправностей в электронном оборудовании.

Мультиметр является универсальным прибором, который используется практически каждый день. Имеется два основных типа мультиметров для общего использования: аналоговые и цифровые.

4.2.1. Аналоговые мультиметры

В аналоговом мультиметре (тестер или стрелочный авометр – ампервольтомметр) применяется стандартная измерительная шкала с указателем. Значение напряжения, тока или сопротивления отсчитываются от позиции указателя на измерительной шкале. Определение показаний аналогового мультиметра очень похоже на определение времени по стрелкам на часах. В случае часов приходится интерполировать число секунд между маркировками минут. Точно так же при работе с аналоговым мультиметром нужно определять или оценивать фактическое значение путем интерполирования между маркировками напряжений, токов или сопротивлений на измерительной шкале.

Аналоговые мультиметры все еще широко используются, поскольку они недороги и надежны в работе. Их основным недостатком является то, что они имеют невысокую точность и большой разброс при измерениях. В большинстве случаев погрешность аналогового мультиметра составляет менее 2 % от пределов измерения по шкале прибора, что вполне приемлемо в большинстве практических применений. Тем не менее во многих случаях желательны более точные измерения.

4.2.2. Цифровые мультиметры

Цифровой мультиметр подобен аналоговому в том отношении, что он также является универсальным измерительным прибором, способным измерять напряжение, ток и сопротивление. Основным отличием является то, что результаты измерений выводятся на индикаторную панель десятичной цифровой индикации. В большинстве цифровых ров имеется жидкокристаллический индикатор (дисплей). Значение тока, напряжения или сопротивления выводится в виде десятичных цифр на семисегментные индикаторы. Индикация в более старых цифровых мультиметрах осуществляется с использованием индикаторов на светоизлучающих диодах.

В дополнение к удобствам, связанным с использованием десятичных дисплеев, цифровые мультиметры обеспечивают также более высокую точность измерений. Хороший цифровой мультиметр обеспечивает точность измерений 0,5–1 % от фактического значения. Такие точные измерения предпочтительны при тестировании электронных схем, поскольку они дают наилучшую информацию о состояниях схем. Цифровые мультиметры имеют также более высокую разрешающую способность измерительной системы, что обеспечивает более высокоточные измерения.

Большинство мультиметров позволяют также измерять основные параметры транзисторов: коэффициент передачи тока базы h_21Э, обратный ток коллектора I_КО и обратный ток эмиттера I_ЭО.

При использовании мультиметра для измерения напряжений синусоидальных сигналов необходимо иметь в виду, что представляемая на индикации величина является эффективным или среднеквадратическим значением. Необходимо знать также, что мультиметр имеет ограничение по высокой частоте. Это предельное значение частоты варьируется от прибора к прибору, однако оно не превышает обычно нескольких килогерц.

4.2.3. Опасность появления ошибочных показаний

На всех цифровых мультиметрах стоят индикаторы, предупреждающие пользователя о том, что батарейка скоро разрядится. У многих дешевых приборов индикатор включается слишком поздно, когда в показаниях уже появились ошибки. Если результаты измерений вызывают подозрения, следует проверить состояние батарейки. При этом не стоит использовать мультиметр для проверки его собственной батарейки из-за опасности внутреннего короткого замыкания.

4.2.4. Измерения на разомкнутой цепи

При высоком входном сопротивлении цифрового мультиметра (приблизительно 10 МОм) в режиме измерения переменных сигналов на индикаторе нередко появляется напряжение (иногда до 220 В), хотя измерительные щупы не присоединены. На самом деле так проявляется антенный эффект, обусловленный, как правило, работой расположенного поблизости мощного прибора. Если цель измерения – убедиться в отсутствии напряжения перед проведением работ на схеме, это будет существенной помехой. В подобных случаях надо использовать либо гальванометрический (неэлектронный) вольтметр, либо индикатор напряжения.

4.2.5. Режим короткого замыкания

На стадии наладки схемы иногда требуется выполнить временное замыкание двух точек, чтобы проверить работу управляющей схемы реле или светодиода в режиме короткого замыкания, прежде чем монтировать схему в корпус. Включение мультиметра, выполняющего функцию амперметра и рассчитанного на соответствующий ток, вполне заменяет рискованную процедуру замыкания проводов. Измерительные щупы обеспечат электрический контакт, в то время как предохранитель, включенный последовательно с амперметром, гарантирует безопасность этого временного соединения.

После подобных манипуляций, как и всегда после использования мультиметра в качестве амперметра, измерительные провода сразу необходимо переместить в гнезда вольтметра. Это дает гарантию того, что при следующем использовании мультиметра в схеме или, что еще хуже, в сети не произойдет случайное короткое замыкание.

4.2.6. Мегаомметр

Мегаомметр используется для измерения сопротивления изоляции проводов или кабелей с целью определения их пригодности к использованию. Следует отметить некоторые особенности при работе с мегаомметром. В нем вырабатывается высокое напряжение, и если в установке, где производится измерение, есть элементы, которые могут быть повреждены этим напряжением, например, конденсаторы и полупроводниковые приборы, то они должны быть отсоединены или их выводы закорочены.

Не допускается пользование загрязненным и покрытым влагой прибором, так как это может исказить показания.

Перед измерением прибор должен быть проверен соединением концов его проводов при вращении рукоятки, при этом стрелка прибора должна показать «нуль», а при рассоединении проводов – «бесконечность». Чтобы прибор вырабатывал нужное напряжение, его рукоятку нужно вращать с частотой не меньшей, чем указана на щитке со шкалой.

4.2.7. Измерение емкости и индуктивности

В практических схемах измерителей напряжение треугольной формы прикладывается к измеряемой емкости, при этом ток, идущий через нее, имеет форму меандра и его амплитуда пропорциональна измеряемой емкости. При измерении индуктивности через нее пропускается ток треугольной формы, падение напряжения на индуктивности имеет форму меандра и пропорционально ее величине. Измеряемая емкость и эталонный резистор подключаются в соответствии с рис. 4.5а, а измеряемая индуктивность – по схеме рис. 4.56.

Рис. 4.5. Принцип измерения емкости (а) и индуктивности (б)