Aspect #07 07 марта 1998

Железо

Начнем с азов - Электрическая сеть и закон Ома.

 Нас уже довольно давно просят начать пуб-
ликацию  статей для начинающих "железячни-
ков".  Желание наших читателей для нас за-
кон.:) Чтож,начем с азов...
──────────────────────────────────────────

     ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЗАКОН ОМА.

   Электрическая цепь является основой лю-
бого  радиотехнического устройства,  в том
числе и  тех  усилителей  низкой  частоты,
приемников и других устройств, конструиро-
вать которые ты собираешься. А пока разбе-
рись в  простейшей  элекрической цепи и ее
законах,  в расчетах  некоторых ее элемен-
тов.
Итак,  простейшая  электри-
ческая  цепь  (рис. 2).  Ее
можно составить из источни-
ка  постоянного  тока (GB),
его нагрузки  (H),  то есть
потребителя тока,  выключа-
теля (S)  и  соединительных
проводников. Источником то-
ка   может   быть   батарея
3336Л,  потребителем - лам-
почка накаливания расчитан-
ная на  напряжение  3,5 В и
ток 0,26 А  (или резистор -
радиодеталь,     обладающая
определенным    сопротивле-
нием), выключателем - тумб-
лер или  звонковая  кнопка,
соединительными проводника-
ми - отрезки изолированного
провода.
   Составь такую цепь, разложив ее элемен-
ты прямо  на столе.  Она должна напоминать
тебе цепь электрического фонаря. Все точки
соединения желательно пропаять. Если бата-
рея свежая (новая),  нить накала  лампочки
исправна,  все соединения надежны,  то при
замыкании  контактов  выключателя S в цепи
потечет ток,и лампочка будет  ярко светит-
ся. Проверь, так ли это.
   Из подобных электрических цепей, только
с другими элементами,  будут слагаться все
твои будущие радитехнические устройства.
   Запомни:  ток  во  всей  внешней  части
цепи,  течет от  положительного  к отрица-
тельному полюсу батареи.
   Для тех,кто  не занет,  что такое пара-
лельное и  последовательное  соединение,
попробую объяснить это на примере
соединения резисторов:

                 - это последовательно
                   соединенные три
                       резистора.

       - это  параллельно  соединенные два
         резистора.



   При последовательном  соединении,ток во
всй цепи,и в каждом  из ее участков одина-
ков.  Проверить  это ты  можешь  с помощью
амперметра  постоянного тока.  Включи его,
например,  в разрыв цепи между положитель-
ным полюсом батареи и лампочкой.  На схеме
показанной  на рис.2,  эта точка включения
амперметра   обозначена   крестом.   Затем
амперметр  включи   между  выключателем  и
отрицательным  полюсом  батареи.  Всюду, в
какой бы точке цепи  ты не включал измери-
тельный прибор, его стрелка будет фиксиро-
вать  одно и  тоже  значение  тока - около
0,2 А. По мере разрядки батареи ток в цепи
уменьшается, а свет лампочки тускнеет.
   Теперь  проведи  такой опыт:
разомкни   цепь   выключателем,
подключи к батарее вольтметр PU
(рис.3),  чтобы измерить напря-
жение на ней, а затем,не отклю-
чая вольтметр от батареи, вновь
замкни цепь. Есть разница в по-
казаниях вольтметра?
   После замыкания  цепи вольт-
метр должен показывать несколь-
ко меньшее напряжение: он пока-
зывает напряжение,  развиваемое
батареей на  концах внешней цепи,  которая
всегда  меньше  "холостого" напряжения ба-
тареи. Часть же напряжения падает  (умень-
шается, гаснет, теряется)  на ее внутренем
сопротивлении. По мере разрядки батареи,ее
внутренее сопротивление,и падение напряже-
ния на нем увеличиваются.
   Следующий  опыт.  Включи
последовательно  в цепь еще
одну такую  же лампочку на-
каливания (рис.4).  Как го-
рят  лампочки? В полнакала.
Так и должно быть.  Почему?
   Если не учитывать сопро-
тивления     соединительных
проводников   и   контактов
выключателя,  каторые  малы
по сравниению с сопротивле-
нием нитей накала  лампочек, сопротивление
внешнего участка цепи  увеличится примерно
вдвое.  Теперь  напряжение  батареи оказы-
вается  приложенным  к  нитям  накала двух
лампочек.  На  каждую  из  них  приходится
вдвое меньшее  напряжение,  чем  ранее  на
одну.  Соответственно уменьшились ток, те-
кущий через лампочки,  и накал их нитей.
   В  замкнутой  цепи   соотношение  между
действующим в ней напряжением, силой тока,
развиваемой этим напряжением,  и сопротив-
лением  цепи  определяется   законом  Ома:
Ток I прямо пропорционалени напряжению U,и
обратно  пропорционален  сопротивлению  R.
Математически этот закон электрической це-
пи выглядит так:

     U                            U
 I= ───   или   U=I*R   или   R= ───.
     R                            I

   Учти: ток I, напряжение U,и сопротивле-
ние R в формулах этого закона должны выра-
жатся в основных электрических величинах -
амперах (А), вольтах (В) и омах (Ом).
   Этот закон  справедлив для
участка  цепи,  например, для
лампочки накаливания, или ре-
зистора, включенных в замкну-
тую  цепь.  В этом ты  можешь
убедиться сейчас же, составив
такую же цепь,  как та, схема
которой изображена на  рис.5.
Напряжение  батареи GB=4,5 В,
а   сопротивление   резистора
R=10 Om, то амперметр  PA бу-
дет  показывать  ток,  равный
0,45 А  (450 мА),  а  вольтметр PU - около
4,5 В.  В данном случае все напряжение ба-
тарей через  амперметр,  внутреннее сопро-
тивление которого мало, приложено к резис-
тору R,  поэтому на нем падает  почти  все
напряжение источника тока.
   Замени резистор другим резистором,с но-
минальным  (обозначенным  на его  корпусе)
сопротивлением    20...30 Ом.   Вольтметр,
подключенный  к резистору,  должен показы-
вать  то же   напряжение.   А   амперметр?
Амперметр  покажет  значение тока меньшее,
чем в предыдущем  случае.  Если, например,
сопротивление  резистора 30 Ом,  то ампер-
метр покажет ток 0,15 А (150 мА). Впрочем,
зная  сопротивление  резистора  и  падение
напряжения на нем, значение тока в цепи ты
можешь узнать,  неглядя на  стрелку ампер-
метра.  Для этого  надо лишь  разделить по
указаниям вольтметра (в вольтах) на сопро-
тивление резистора  (в омах),  то есть ре-
шить задачу,пользуясь формулой закона ома:

     U
 I= ───
     R

   Приемник или усилитель  - это не просто
электрическая   цепь,   а  взаимосвязанные
цепи,  где  одна  цепь  управляет  другой,
электрическая  из одной  цепь передается в
другую.
   Наглядной иллюстрацией
этого может быть,  напри-
мер, такой опыт (рис. 6):
подключи к батарее  3336Л
проволочный    переменный
резистор,  сопротивлением
10..15 Ом,  а между одним
из его крайних  выводов и
движком  (роль такого ре-
зистора  может  выполнить
небольшая  часть  спирали
электроплитки), включи ту
же лампочку  накаливания.
Движок поставь  в среднее
положение    относительно
крайних выводов.
   Как   горит  лампочка?
Вполнакала.     Передвинь
движок к крайнему нижнему (по схеме) выво-
ду.  Как теперь?  Совсем не горит.  А если
движок будет в крайнем верхнем (опять-таки
по схеме)  положении?  Лампочка станет го-
реть полным накалом. Как видишь, с помощью
переменного резистора  можно плавно умень-
шать и увеличивать  накал электролампочки.
   В этом опыте  две взаимосвязанные цепи.
Первую цепь образуют батарея GB и резистор
R,  вторую  - лампочка H и та часть резис-
тора между его нижним  (по схеме)  выводом
и движком, к которому лампочка подключена.
На всем резисторе падает (уменьшается) все
напряжение батареи.  А та часть этого нап-
ряжения,   которая  приходится  на  нижний
участок  резистора,  через движок подается
на  нить накала  лампочки.  И  чем больший
участок резистора вводится во вторую цепь,
тем больше напряжение  на нити накала лам-
почки, тем ярче она светится.
   Переменный резистор, используемый таким
образом,  выполняет роль делителя напряже-
ния батареи, или,  как еще говорят, потен-
циометра.  В данном случае он делит напря-
жение  батареи  на  две  части  и  одну ее
часть,  которую можно регулировать,  пере-
дает в управляемую им вторую цепь. Забегая
вперед,  скажем,  что принципиально именно
так происходит  регулирование  громкости в
приемниках и усилителях низкой частоты.
   С помощью  делителя  напряжения  ту  же
лампочку можно питать от батареи, напряже-
ние которой значительно больше того напря-
жения,  на которое  расцчитана нить накала
лампочки.
   Роль делителя могут вы-
полнять также два постоян-
ных  резистора,  как пока-
занно  на   схеме  рис. 7.
Здесь сопротивление резис-
тора R2 должно быть таким,
чтобы на  этом участке де-
лителя падало  напряжение,
соответствующее  наминаль-
ному напряжению лампочки H.  В том случае,
если напряжение батареи  вдвое больше нап-
ряжения, которое надо подвести к лампочке,
сопротивления   резисторов  делителя  R1R2
должны быть примерно одинаковыми.
   Подобные делители  напряжения ты можешь
увидеть в любом радиотехническом устройст-
ве.  Они будут  непременными  элементами и
твоих конструкций.
   Есть, однако, другой способ питания той
же лампочки от батареи бОльшего напряжения
- путем включения в цепь гасящего резисто-
ра,  то есть резистора,  который будет га-
сить некоторую часть  напряжения источника
питания.
Соедини последовательно две
батареи 3336Л  -  получится
батарея   напряжением  9 В.
Подключи  к ней  ту же лам-
почку  (3,5В  X  0,26А), но
так,  так показано на схеме
рис. 8,  -  через  резистор
R   с сопротивлением 20..25
Ом,  рассчитанный  на  мощ-
ность  рассеивания не менее
1 Вт.  (диаметр  такого ре-
зистора  по центру около 5,5 мм). Резистор
такого  сопротивления  и такой же мощности
можно  составить  из двух  резисторов мощ-
ностью по 0,5 Вт, (диаметр такого резисто-
ра по центру около 3мм),  то есть резисто-
ров типа МЛТ-0,5  с номиналами 39...51 Ом,
соединив их параллельно. Лампочка, как ви-
дишь, светится нормально, только,  возмож-
но, резистор(ы) немного греются.
   В этом  опыте  резистор  и нить  накала
лампочки тоже, по существу, образуют дели-
тель  напряжения.  На  нити  накала падает
напряжение (около 3,5 В),  соответствующее
ее  сопротивлению  (около 13 Ом),  поэтому
она светится. Остальное напряжение батареи
падает на резисторе. Резистор, таким обра-
зом, гасит (поглощает) избыточное напряже-
ние батареи, поэтому его обычно и называют
гасящим.
   С другой точки зрения, резистор ограни-
чивает ток в цепи, а значит, и ток,  теку-
щий  через  нить  накала лампочки. Поэтому
его можно назвать ограничительным.  Задача
же его  -  создать для  лампочки  условия,
при  которых бы  ее нить  накала нормально
светилась,и не перегорела.
   Сопротивление гасящего (ограничительно-
го) резистора рассчитывают, исходя из того
избыточного  напряжения,  которое  им надо
погасить, и тока, необходимого для питания
питания полезной  нагрузки.  В проведенном
опыте  полезной  нагрузкой  была лампочка,
нить накала  которой рассчитанна на напря-
жение 3,5В и  ток 0,26А. А   раз  напряже-
ние батареи 9В,  значит,  резистор, являю-
щийся участком цепи,  должен гасить напря-
жение 5,5В при токе 0,26А.
   Каково  должно быть сопротивление этого
резистора? По закону Ома - около 20 Ом.

    U     5,5В
R= ─── = ─────── = 21,15 Ом.
    I     0,26А

При напряжении  батареи 9В,резистор такого
сопротивления  не пропустит  через  себя к
нагрузке ток более 0,26А.
   А какова должна быть мощность рессеева-
ния этого резистора? Посчитай ее по такой,
возможно,   уже   знакомой  тебе  формуле:
P=U*I.  В  этой  формуле  U - напряжение в
вольтах, которое резистор должен погасить,
а I - ток в амперах, которой должен быть в
нагрузке. Следовательно, для нашего приме-
ра  мощность,  выраженная  в  ваттах (Вт),
рассеиваемая  гасящим  резистором, состав-
ляет: P=5,5*0,26=1,43 Вт. Значит, резистор
должен  быть рассчитан на мощность рассеи-
вания  не  менее  1,5 Вт.  Это может быть,
например, резистор типа МЛТ-2,0 или прово-
лочный.  Если  резистор  будет  на меньшую
мощность рассеивания, например МЛТ-1,0 или
МЛТ-0,5 , то он обязательно будет греться,
что, возможно, и было в твоем опыте, и да-
же может сгореть.
   Гасящие  резисторы  будут весьма много-
численными элементами  электрических цепей
твоих будущих конструкций.
   Тебе придется также рассчитывать и мощ-
ности,   потребляемые    конструкциями  от
источников  питания.  Это для того, напри-
мер,  чтобы знать,  на  какой  срок работы
приемника или усилителя хватит электричес-
кой  емкости  питающей  его  батареи. Мощ-
ность,  потребляемую  от  источника  тока,
узнают умножением напряжения на концах це-
пи на ток в цепи. Так, например, мощность,
потребляемая     лампочкой    накаливания,
используемая тобой для опытов,  состовляет
около 1 Вт (P=U*I=3,5*0,26=0,91 Вт).
   Электрическая   емкость  батареи  3336Л
равна  0,5 А*ч  (Ампер-час).  Раздели  эту
емкость на мощность,  потребляемую лампоч-
кой,  и ты узнаешь,  на какое время (в ча-
сах)  энергии  батареи  хватит  на питание
лампочки. Да, всего пол часа. А если бата-
рея частично разряжена, и того меньше. :(
   В заключение  - небольшая консультация,
имеющая  прямое  отношение  к  теме  этого
практикума.  Дело  в  том,  что на принци-
пиальных  электрических  схемах и объясне-
ниях   работы  радоаппаратуры  номинальные
сопротивления резисторов принято обозначат
в омах. Например: (220) - в омах, (5,1к) -
в килоомах (1 кОм = 1000 Ом),  (1,5 М) - в
мегаомах(1 МОм = 1000 кОм). В то же время,
на  малогабаритных резисторах, выпускаемых
нашей промышленостью,  их номинальные соп-
ротивления  обозначены  по другой условной
системе:  единицу сопротивления Ом обозна-
чают буквой Е,килоом - К, мегаом - М. Соп-
ротивления резисторов от 100 до 910 Ом вы-
ражают в долях килоома, а сопротивления от
100 кОм до 990 кОм - в долях мегаома.
   Если  сопротивление  резистора выражают
целым  числом,  то  буквенное  обозначение
единицы  измерения ставят после этого чис-
ла,  например:  27Е (27 Ом), 51К (51 кОм),
1М  (1 МОм).  Если сопротивление резистора
выражают десятичной дробью меньше единицы,
то буквенное  обозначение единицы располо-
гают перед числом, например: К51 (510 Ом),
М47 (470 кОм).
   Выражая  сопротивление  резистора целым
числом  с  десятичной  дробью, целое число
ставят перед буквой,  а десятичную дробь -
за буквой, символизирующей единицу измере-
ния.  Например:  5Е1  (5,1 Ом),  4К7  (4,7
кОм), 1М5  (1,5 МОм).

Ну вот,  как бы на сегодня все,  (уж очень
меня  достало  набивать текст :).  Если вы
что  нибудь не  поняли пишите к нам.  Ваши
вопросы мы обязательно разьесним в следую-
щих номирах нашей газеты.  В ближайшем бу-
дущем я планирую расказать вам, что из се-
бя представляет диод и как он работает.  А
сейчас  я вам посоветую сначала потрениро-
ваться с паяльником.
      Знай: умение приходит с опытом!

                            (C) Fedy Savin