Текст книги "Как освоить радиоэлектронику с нуля. Учимся собирать конструкции любой сложности"

Автор книги: В. Дригалкин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 8 страниц)

Флюс – это противоокисляющие вещества. Их применяют для того, чтобы подготовленные к паянию места деталей или проводников не окислялись во время паяния. Без флюса припой может не прикрепиться к поверхности металла.

Флюсы бывают разные. Например, для ремонта металлической посуды пользуются «паяльной кислотой» – раствором цинка в соляной кислоте. Паять радиоконструкции с таким флюсом нельзя – со временем он разрушает пайку. Для радиомонтажа надо применять флюсы, в которых нет кислоты, например, канифоль. В магазинах вы, наверное, встречали смычковую канифоль, которой музыканты натирают смычки своих инструментов, – ее также можно использовать для паяния.

Чтобы паять в труднодоступных местах, желательно запастись редким флюсом. Для его приготовления канифоль измельчают в порошок и добавляют борный спирт (лучший вариант) или глицерин. Помешивая раствор палочкой, подсыпают канифоль до образования густой кашеобразной жидкости. Такой флюс наносят на места пайки тонкой палочкой или кисточкой.

Второй секрет – чистота жала паяльника и его нагревание. Если жало грязное, им тяжело работать, – припой будет плавиться, но к поверхности жала не пристанет. Жало обязательно надо зачистить и залудить – покрыть тонким пластом припоя. Делается это так: разогрейте паяльник и зачистите его жало напильником или наждачной бумагой, погрузите жало в канифоль, а потом троньте им кусочек припоя. Затем в пласте расплавленного припоя поводите жало по деревянной палочке (или по подставке) так, чтобы вся его поверхность покрылась пластом припоя. С течением времени жало будет покрываться окислительным налетом темного цвета, который может помешать паянию. Тогда его нужно снова залудить.

Третий секрет – чистота поверхностей, которые спаиваются. Места проводников и деталей, предназначенных для паяния, должны быть зачищены до блеска. Хорошо зачищенный проводник кладут на кусок канифоли и хорошо прогревают паяльником. Канифоль быстро расплавится, а припой, который есть на паяльнике, растечется по проводнику. Вращая проводник и медленно двигая по нему жало паяльника, добиваются равномерного распределения припоя по поверхности проводника. Только не переусердствуйте, многие детали нельзя сильно нагревать.

Четвертый секрет – правильное соединение проводов и хорошее прогревание места спаивания деталей. Если вы паяете транзистор, придерживайте пинцетом его выводы во избежание их перегрева. Если нужно спаять концы двух залуженных проводников, плотно сдавите их друг с другом и до места их соприкосновения дотроньтесь паяльником с каплей припоя на конце жала. Как только поверхность прогреется, припой растечется и заполнит промежутки между проводниками. Плавным движением паяльника распределите припой равномерно по всему месту спаивания. Продолжительность паяния не должна превышать 5 секунд. Припой быстро твердеет и крепко соединяет детали. Однако не стоит сдвигать с места спаянные проводники еще в течение 10 секунд.

Во время монтажа нужно учитывать, что, налаживая конструкции, приходится перепаивать проводники или заменять детали. Например, концы деталей, которые соединяются с общим проводником в соответствии со схемой, следует припаивать не в одной точке, а на некотором расстоянии один от другого. Не рекомендуется закручивать концы деталей вокруг проводника.

Помните, что во время паяния выделяются вредные для здоровья пары олова и свинца. Ни в коем случае нельзя наклоняться над местом паяния и вдыхать испарения. Летом старайтесь паять возле открытого окна, зимой чаще проветривайте помещение во время работы. Закончив паяние, обязательно вымойте руки теплой водой с мылом.

Глава 3
Основные правила безопасности

Радиолюбителям, занимающимся конструированием различных электронных устройств, постоянно приходится иметь дело с электрическим током. Любая неосторожность в процессе изготовления, наладки и эксплуатации устройств может привести к печальным последствиям, поэтому необходимо тщательно выполнять несложные правила техники безопасности.

Правила необходимо знать и соблюдать!

Безопасным для человека считается напряжение, не превышающее 36 В. Разумеется, речь идет о нормальных условиях – сухое помещение, чистая и сухая кожа. Поскольку при питании устройств от гальванических элементов и батарей напряжение ниже, следует соблюдать безопасность при работе с устройствами, имеющими сетевое питание. Значение тока, протекающего через тело человека, зависит от сопротивления конкретного человека. У всех людей оно разное. Необходимо помнить, что сопротивление снижается, когда руки или одежда влажные. Не следует начинать работу, если вы больны или устали, – реакция снижена, увеличивается вероятность несчастного случая.

При попадании человека под напряжение электрический ток обычно протекает от одной руки к другой, а также от руки к ноге. Поэтому не следует двумя руками одновременно прикасаться к элементам устройства, а также держаться рукой за трубу отопления или водопровода. Под ноги желательно подкладывать резиновый коврик, являющийся изолятором.

Жало паяльника следует заземлять – это обеспечит безопасность работы при нарушении изоляции паяльника и появлении на корпусе фазного напряжения (в этом случае сработают предохранители, и сеть будет обесточена).

Предохранители электросети (плавкие вставки или электромеханические «пробки») должны быть исправными. Замену элементов налаживаемой конструкции следует производить только в обесточенном состоянии. Если в устройстве имеются высоковольтные конденсаторы, их необходимо разрядить (вообще при проектировании устройства надо предусматривать разрядку таких конденсаторов после отключения напряжения питания). Для разрядки достаточно замкнуть контакты конденсатора, при этом возникнет искра. Если необходимо измерить напряжение на элементах, то один щуп вольтметра следует подключить к требуемой точке при обесточенном устройстве (например, с помощью лабораторного зажима типа «крокодил»). После включения устройства в сеть вторым щупом прикасаются к выводу элемента. При этом не следует пользоваться щупом, имеющим неизолированную часть (спицу) значительной длины – в этом случае можно надеть отрезок изоляционной трубки, оставив неизолированный конец длиной 2–3 мм.

Измерение лучше выполнять одной рукой. Некоторые радиолюбители проверяют наличие напряжения на зажимах с помощью языка. Так делать ни в коем случае нельзя, даже если известно, что напряжение не превышает 5–7 В. Говорят, что незаряженное ружье один раз в год стреляет – на этих зажимах может оказаться значительное напряжение.

В последнее время радиолюбители собирают приборы, используя транзисторы и микросхемы, питание которых осуществляется безопасным напряжением. Как правило, такие устройства питаются от сети через понижающий трансформатор. В этом случае опасное напряжение имеется на выводах первичной обмотки трансформатора, выключателя питания и патроне предохранителя (применение их обязательно). Монтаж этой части прибора, связанной с сетью, следует выполнять особенно тщательно, все соединения нужно изолировать поливинилхлоридной трубкой, лакотканью или изоляционной лентой. Если устройство не содержит трансформатор, то все элементы имеют гальваническую связь с сетью. При настройке и эксплуатации такого устройства следует соблюдать особую осторожность. В процессе его налаживания желательно питать его через разделительный трансформатор, у которого первичная и вторичная обмотки рассчитаны на напряжение сети. Плату и элементы устройства необходимо тщательно изолировать от корпуса, а сам корпус лучше выполнять из непроводящего материала. Изнутри его желательно выложить асбестовыми пластинами.

Ручки переменных резисторов, колпачки переключателей, другие элементы управления следует выполнять из изоляционного материала. Прежде чем включать прибор в сеть, подключите омметр к выводам сетевой вилки и убедитесь в отсутствии короткого замыкания.

При работе начинающего радиолюбителя с электронными устройствами желательно, чтобы в этом помещении находился второй человек, который в случае необходимости может отключить напряжение и оказать помощь.

Таковы основные правила техники безопасности при работе с электроустановками. Их необходимо соблюдать каждому радиолюбителю.

Действие электрического тока на человека

В зависимости от условий, при которых человек подвергается действию электрического тока, последствия могут быть различны. Но наиболее опасно влияние на нервную систему. Как известно, работа сердца регулируется нервными импульсами, исходящими от нервной системы, под действием которых происходит его сокращение в определенном ритме. Дыхание также управляется нервной системой. Действие электрического тока нарушает нормальное функционирование нервной системы, что может привести к беспорядочному сокращению мышц сердца, называемому фибрилляцией. Это равносильно его остановке и грозит летальным исходом.

Воздействие тока выражается в виде электрического удара и шока. Электрический удар в зависимости от последствий можно условно разделить на пять степеней:

• едва ощутимое сокращение мышц;

• судорожное сокращение мышц с сильными болями без потери сознания, при этом могут быть механические травмы под действием сокращения мышц;

• судорожное сокращение мышц с потерей сознания;

• потеря сознания с нарушением работы сердца и дыхания;

• клиническая смерть.

При оказании своевременной помощи человека можно спасти! Шок от удара электричеством имеет две фазы: возбуждения и торможения. Фаза возбуждения характеризуется сохранением активности и работоспособности, но потом она переходит в фазу торможения. Она характеризуется понижением давления, учащением пульса, ослаблением дыхания, возникает угнетенное состояние, потом клиническая смерть, которая без оказания помощи может перейти в биологическую.

Возможны и другие воздействия тока на человека. Тепловое воздействие характеризуется различными ожогами, химическое сопровождается электролизом крови и других веществ в организме, нарушением их химического состава и функций в организме. Механическое воздействие приводит к различным травмам частей тела под действием непроизвольного сокращения мышц. Основное значение имеет величина проходящего через тело человека тока, но важен и род тока, его частота, путь через тело, продолжительность воздействия тока и индивидуальные особенности пострадавшего.

Различные величины тока частотой 50 Гц действуют следующим образом:

• 5-10 мА – боль в мышцах, их судорожное сокращение, руки с трудом можно оторвать от электродов;

• 10–20 мА – боли, руки невозможно оторвать от электродов;

• 25–50 мА – боль в руках и груди, дыхание затруднено, возможен паралич дыхания и потеря сознания;

• 50–80 мА – при длительном действии возможна клиническая смерть;

• 100 мА и более – при длительности более трех секунд возможна клиническая смерть.

Будьте внимательны и осторожны!

Что представляет собой молния?

Каждый из нас неоднократно наблюдал грозу, видел молнии и слышал гром. И, конечно, хотел узнать, что это такое. Изучением этого явления природы занимались многие ученые, в частности Б. Франклин, М. В. Ломоносов, Г. В. Рихман. В 1753 году, исследуя атмосферное электричество, Г. В. Рихман погиб от удара молнии.

Как же образуются грозовые облака? При нагревании атмосферы теплые воздушные массы поднимаются, а холодные опускаются. В результате соприкосновения различные воздушные потоки и облака электризуются. При этом одна часть облака электризуется положительно, а другая – отрицательно (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Принцип образования грозовых облаков

Напряжение между двумя облаками, а также между облаками и землей достигает десятков миллионов вольт. В результате между облаками или между облаком и землей возникает гигантская искра – молния. Длина ее достигает нескольких километров, а диаметр ее канала иногда составляет метр и больше. Сила тока в канале молнии огромна: от 1 до 200 кА. Однако длительность разряда мала: она составляет тысячные доли секунды.

Удары молний очень опасны. Молния может разрушить здание, опору электропередач, заводскую трубу, вызвать пожар и т. д. Ее удар смертелен для всего живого, но в людей и животных молния ударяет сравнительно редко и только в тех случаях, когда сам человек из-за незнания создает для этого благоприятные условия. Находясь в поле, нельзя скрываться от дождя под одиноко стоящим деревом или в копне сена, в лесу надо уходить от очень высоких деревьев. В горах лучше всего прятаться от дождя в пещеру или под глубокий уступ.

Молния чаще ударяет в высокие предметы, а из двух предметов одинаковой высоты – в тот, который является лучшим проводником. Для защиты одиноко стоящих сооружений (зданий, опор линий электропередач и т. д.) вблизи них устанавливают мачту с заостренным металлическим стержнем, который хорошо соединен (спаян, сварен) толстым проводом с металлическим предметом, закопанным глубоко в землю. Это устройство получило название молниеотвода (часто называют громоотводом). Упрощенно принцип работы молниеотвода можно объяснить так. Грозовая туча своим электрическим полем вызывает в молниеотводе электрический заряд, у которого знак противоположен знаку заряда тучи. Этот заряд, стекая с острия молниеотвода, нейтрализует заряд тучи. Защищаемое молниеотводом пространство на поверхности земли определяется высотой молниеотвода.

Глава 4
Закон Ома

Предполагалось, что книга не будет содержать формул, и в принципе можно было бы для начала обойтись без них, но в электронике абсолютно все связано с законами физики, которые выражаются, как правило, формулами. И совершенно не последнюю роль играет закон Ома.

Основной принцип закона Ома

Закон Ома – это физический закон, определяющий соотношение между напряжением, силой тока и сопротивлением проводника в электрической цепи. Назван в честь его первооткрывателя Гeopra Ома. Суть закона проста: порождаемый напряжением ток обратно пропорционален сопротивлению, которое ему приходится преодолевать, и прямо пропорционален порождающему напряжению. Именно такое определение вы бы прочитали в учебнике по физике. Я же попробую объяснить это на примере с водопроводной трубой.

Припоминаете, что такая же аналогия использовалась, когда мы говорили о токе?

Представьте себе, что вода – некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение – аналог давления (напора) воды. Сопротивление – это та сила противодействия среды их движению, которую приходится преодолевать электронам (воде), в результате выделяется теплота. Именно такая модель представлялась Георгу Ому в 1820-е годы, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях. Чем выше давление воды в трубе, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления, поскольку в трубах усиливается турбулентность потока.

Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. Очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается очень просто:

V = I х R,

где V – напряжение, приложенное к участку цепи, I – сила тока, a R – электрическое сопротивление участка цепи (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Для этой цепи, согласно закону Ома, напряжение V равно силе тока I, измеренной амперметром А, умноженной на сопротивление R.

Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление – столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки. При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.

Однако, когда Георг Ом сформировал свой закон, атомная теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона было еще несколько десятилетий. Таким образом, для него формула V = I x R была чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и одновременно сложную теорию электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде – всего лишь грубое приближение. Однако это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных электрических цепей, применяющихся в промышленности и быту. Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом – в честь этого выдающегося ученого.

Немного истории

Гeopr Симон Ом (1789–1854) родился в Эрлангене в семье потомственного слесаря. Роль отца в воспитании мальчика была огромной. Пожалуй, всем тем, чего добился Ом в жизни, он обязан отцу. После окончания школы Гeopг поступил в городскую гимназию, которая курировалась университетом и представляла собой учебное заведение, соответствующее тому времени.

Успешно окончив гимназию, Гeopг весной 1805 года приступил к изучению математики, физики и философии на философском факультете Эрлангенского университета. Проучившись три семестра, Ом принял приглашение от частной школы швейцарского городка Готтштадта занять место учителя математики. В 1809 году Гeopгy была предложена должность преподавателя математики в городе Нейштадт. К Рождеству он перебрался на новое место, но мечта окончить университет не покидала его. В 1811 году он возвращается в Эрланген.

Самостоятельные занятия Ома были настолько плодотворными, что он в том же году смог окончить университет, успешно защитить диссертацию и получить степень доктора философии. Сразу же по окончании университета он стал приват-доцентом кафедры математики этого же университета. Преподавательская работа вполне соответствовала желаниям и способностям Ома. Но, проработав всего три семестра, он по причине материальных проблем, которые почти всю жизнь преследовали его, был вынужден подыскать более оплачиваемую должность. Королевским решением от 16 декабря 1812 года Ом был назначен учителем математики и физики школы в Бамберге. В феврале 1816 года это учебное заведение закрыли, и ему предложили за ту же плату проводить занятия в переполненных классах местной подготовительной школы. Потеряв всякую надежду найти подходящую преподавательскую работу, отчаявшийся доктор философии неожиданно получает предложение занять место учителя математики и физики в иезуитской коллегии Кельна. Он немедленно выезжает к месту будущей работы.

В Кельне он проработал девять лет. Наличие свободного времени способствовало «превращению» Ома из математика в физика и формированию его как физика-исследователя. Он с увлечением отдается новой работе, просиживая долгие часы в мастерской коллегии и в хранилище приборов. Занимается исследованиями электричества, начинает свои эксперименты с определения относительных величин проводимости различных проводников. Применив метод, который стал теперь классическим, он подключал последовательно между двумя точками цепи тонкие проводники из различных материалов одинакового диаметра и изменял их длину так, чтобы получалась определенная величина тока.

Как пишет В. В. Кошманов: «Ом знал о появлении работ Барлоу и Беккереля, в которых были описаны экспериментальные поиски закона электрических цепей. Знал он и о результатах, к которым пришли эти исследователи. Хотя и Ом, и Барлоу, и Беккерель в качестве регистрирующего прибора использовали магнитную стрелку, соблюдали особую тщательность в соединении цепи, и источник электрического тока в принципе был одной и той же конструкции, однако полученные ими результаты были различными. Истина упорно ускользала от исследователей. Необходимо было прежде всего устранить самый значительный источник погрешностей, каким, по мнению Ома, была гальваническая батарея.

Уже в своих первых опытах Ом заметил, что магнитное действие тока при замыкании цепи произвольной проволокой уменьшается со временем… Это снижение практически не прекращалось с течением времени, и ясно было, что заниматься поиском закона электрических цепей при таком положении дел бессмысленно. Нужно было или использовать другой тип генератора электрической энергии из уже имеющихся, или создавать новый, или разрабатывать схему, в которой изменение ЭДС не сказывалось бы на результатах опыта. Ом пошел по первому пути».

После опубликования первой статьи Ома немецкий физик Поггендорф посоветовал ему отказаться от химических элементов и воспользоваться термопарой медь-висмут, незадолго до этого введенной Зеебеком. Ом прислушался и повторил свои опыты, собрав установку с термоэлектрической батареей, во внешнюю цепь которой включались последовательно восемь медных проволок одинакового диаметра, но разной длины. Силу тока он измерял с помощью своего рода крутильных весов, образуемых магнитной стрелкой, подвешенной на металлической нити. Когда ток, параллельный стрелке, отклонял ее, Ом закручивал нить, на которой она была подвешена, пока стрелка не оказывалась в своем обычном положении – сила тока считалась пропорциональной углу, на который закручивалась нить. Ом пришел к выводу, что результаты опытов, проведенных с восемью различными проволоками, могут быть выражены уравнением: частное от а, деленного на X + В, где X означает интенсивность магнитного действия проводника, длина которого равна X, а А и В – константы, зависящие соответственно от возбуждающей силы и от сопротивления остальных частей цепи. Условия опыта были разные: заменялись сопротивления и термоэлектрические пары. Но результаты все равно сводились к приведенной выше формуле, которая очень просто переходит в известную нам, если заменить X силой тока, А – электродвижущей силой и В + X – общим сопротивлением цепи. Ом проводит опыты и с четырьмя латунными проволоками – результат тот же. «Отсюда следует важный вывод, – пишет Кошманов, – что найденная Омом формула, связывающая физические величины, характеризующие процесс протекания тока в проводнике, справедлива не только для проводников из меди. По этой формуле можно рассчитывать электрические цепи независимо от материала проводников, используемых при этом…

Кроме того, Ом установил, что постоянная В не зависит ни от возбуждающей силы, ни от длины включенной проволоки. Этот факт дает основание утверждать, что величина В характеризует неизменяемую часть цепи. Так как сложение в знаменателе полученной формулы возможно только для величин одинаковых наименований, то, следовательно, постоянная В, заключает Ом, должна характеризовать проводимость неизменяемой части цепи.

В последующих опытах Ом изучал влияние температуры проводников на их сопротивление. Он вносил исследуемые проводники в пламя, помещал их в воду с толченым льдом и убеждался, что электрическая проводимость проводников уменьшается с повышением температуры и увеличивается с понижением ее.

Получив свою знаменитую формулу, Ом пользуется ею для изучения действия мультипликатора Швейггера на отклонение стрелки и для изучения тока, который проходит во внешней цепи батареи элементов в зависимости от того, как они соединены – последовательно или параллельно. Таким образом, он объясняет, чем определяется внешний ток батареи, – вопрос, который был довольно темным для первых исследователей.

В 1826 году в журнале «Журнал физики и химии» выходит знаменитая статья Ома «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество, вместе с наброском теории вольтаического аппарата и мультипликатора Швейггера». Появление этой публикации, содержащей результаты экспериментальных исследований в области электрических явлений, не произвело впечатления на ученых. Никто из них даже не мог предположить, что установленный Омом закон электрических цепей представляет собой основу для всех электротехнических расчетов будущего.

В 1827 году в Берлине он опубликовал свой главный труд «Гальваническая цепь, разработанная математически». Ом вдохновлялся в своих исследованиях работой «Аналитическая теория тепла» (1822) Жана Батиста Фурье (1768–1830).

Ученый понял, что механизм «теплового потока», о котором говорит Фурье, аналогичен электрическому току в проводнике. И подобно тому, как в теории Фурье тепловой поток между двумя телами или между двумя точками одного и того же тела объясняется разницей температур, Ом объясняет возникновение электрического тока разницей «электроскопических сил» в двух точках проводника.

Ом вводит понятия и точные определения электродвижущей силы, или «электроскопической силы», по выражению самого ученого, электропроводности и силы тока. Выразив выведенный им закон в дифференциальной форме, приводимой современными авторами, Ом записывает его и в конечных величинах для частных случаев конкретных электрических цепей, из которых особенно важна термоэлектрическая цепь. Исходя из этого, он формулирует известные законы изменения электрического напряжения вдоль цепи.

Теоретические исследования Ома также остались незамеченными. Только в 1841 году его работа была переведена на английский язык, в 1847 году – на итальянский, а в 1860 – на французский. Раньше других зарубежных ученых закон Ома признали русские физики Ленц и Якоби. Они помогли и его международному признанию. При участии русских физиков 5 мая 1842 года Лондонское Королевское общество наградило Ома золотой медалью и избрало своим членом. Ом стал вторым ученым Германии, удостоенным такой чести.

Очень эмоционально отозвался о заслугах немецкого ученого его американский коллега Дж. Генри: «Когда я первый раз прочел теорию Ома, она мне показалась молнией, вдруг осветившей комнату, погруженную во мрак».

О значении исследований Ома точно сказал профессор физики Мюнхенского университета Е. Ломмель при открытии памятника ученому в 1895 году: «Открытие Ома было ярким факелом, осветившим ту область электричества, которая до него была окутана мраком. Ом указал единственно правильный путь через непроходимый лес непонятных фактов. Замечательные успехи в развитии электротехники, за которыми мы с удивлением наблюдали в последние десятилетия, могли быть достигнуты только на основе открытия Ома. Лишь тот в состоянии господствовать над силами природы и управлять ими, кто сумеет разгадать законы природы. Ом вырвал у природы так долго скрываемую тайну и передал ее в руки современников».