б амплитуда положительного выходного импульса в два раза выше напряжения питания), или для формирования двуполярного напряжения из имеющегося однополярного. Иногда этот эффект вреден: подачей отрицательного или превышающего потенциал источника питания напряжения можно вывести из строя компоненты схемы.
А интегрирующая цепочка (фильтр нижних частот, ФВЧ) получается из схем рис. 2.10, если в них R и С поменять местами. График выходного напряжения будет соответствовать показанному на рис. 2.11. Такие цепочки, наоборот, пропускают постоянную составляющую, в то время как высокие частоты будут отрезаться.
Рис. 2.11.Интегрирующая цепочка и график ее выходного напряжения, построенный в одном масштабе с входным
Если в такой цепочке увеличивать постоянную времени RС, то график будет становиться все более плоским — в пределе пройдет только постоянная составляющая (которая здесь равна среднему значению исходного напряжения, т. е. ровно половине его амплитуды). Этим широко пользуются при конструировании вторичных источников питания, в которых нужно отфильтровать переменную составляющую сетевого напряжения. Интегрирующими свойствами обладает также обычный кабель из пары проводов, о котором мы упоминали ранее, потому-то и теряются высокие частоты при прохождении сигнала через него.
Электрический сигнал, как следует из названия, — это какое-то состояние электрической цепи, которое несет информацию. Различают источники сигналов и их приемники. Так как минимальное количество информации (1 бит) подразумевает по крайней мере два различимых состояния (подробнее об этом будет идти речь в главе 7), то и сигнал должен иметь как минимум два состояния. Самый простой сигнал — наличие или отсутствие постоянного напряжения в цепи, именно такими сигналами обмениваются логические микросхемы. Однако на большое расстояние такой простейший сигнал не передашь, т. к. слишком сложно защититься от помех. Из-за них приемник легко может обнаружить наличие сигнала там, где на самом деле всего лишь помеха. Поэтому придумывают разные сложные методы, некоторые из них, например, предусматривают передачу переменного напряжения разной частоты или фазы (именно так устроены модемы).
Теория передачи сигналов тесно связана с теорией колебаний — одно только радио чего стоит! Подробнее о разных сигналах мы будем говорить в соответствующих главах, а сейчас нам важно только одно: когда мы говорим о сигналах, то подразумеваем, что соответствующее напряжение или ток не предназначено для совершения иной работы, кроме как заставить сработать приемник. Поэтому соответствующие передаваемые мощности здесь значительно меньше, чем при передаче электроэнергии для совершения полезной работы. Действительно, никто еще не придумал, как питать, скажем, спутники на орбите по радиолучу, а вот информацию передают вполне успешно даже за пределы Солнечной системы. В этом заключается основная разница между силовыми и сигнальными цепями. И понимание этого тонкого различия очень пригодится нам в дальнейшем.
Кстати, отдельный вопрос — а почему нам вообще надо возиться с переменным током, как основой электропитания? Сколько можно было бы сэкономить на трансформаторах и сглаживающих конденсаторах, которые зачастую составляют большую часть габаритов и стоимости схемы! Недаром схемотехники и дизайнеры в последнее время полюбили выносные блоки питания, встроенные в сетевую вилку— крайне некрасивое решение, которое просто переносит головную боль о габаритах с плеч разработчиков на плечи потребителей, зато позволяет не думать о выпрямителях, прочности изоляции, сертификатах электробезопасности и прочих трудностях преобразования силового переменного тока в постоянный.
Дело в том, что никаких других эффективных первичных генераторов электроэнергии (тех, что преобразуют энергию вращения ротора водяной или паровой турбины в электричество на электростанциях), кроме как работающих на переменном токе, не придумали. Интересно, что по причинам, указанным ранее в этой главе, многие линии электропередач в мире делают на постоянном (выпрямленном, т. е. пульсирующем) токе. Это позволяет во многом избежать реактивных потерь в проводах, но все же приходится сначала преобразовывать переменный ток в постоянный, а затем выполнять обратное преобразование (которое куда сложнее) исключительно для того, чтобы состыковать имеющиеся линии электропитания со стандартными.
Аналогичная задача, только в меньших масштабах, стоит перед разработчиками источников бесперебойного питания (известных еще под английской аббревиатурой UPS). Питающий ток из сети нужно преобразовать в постоянный для зарядки низковольтного (12 или 24 В) резервного аккумулятора, а в случае пропадания сетевого питания это напряжение аккумулятора следует опять преобразовать к стандартному виду переменного сетевого напряжения (такое преобразование называется инверсией), причем желательно, чтобы форма его была максимально близка к синусоидальной. Приходится поломать голову, чтобы компьютер, питающийся через UPS, не заметил такого перехода!
Глава 3Основные дискретные компоненты
Полный список товаров занял бы несколько страниц, поэтому я приведу лишь некоторые: сковородки, шляпы, ведерные кофейники, рыболовные снасти, журналы и книги в мягких обложках, оружие и амуниция, всевозможные продукты питания, пончо, шпоры и седла, сигары, сигареты и табак, охотничьи и кухонные ножи, ковбойские сапоги и резиновые болотники, мужская и женская одежда, джинсы, открытки, авторучки, три полки с лекарствами…
Рекс Стаут «Смерть чужака»
О двух важнейших электронных компонентах, которые вы встретите в любой, самой что ни на есть «микроэлектронной» схеме, мы уже говорили в предыдущих главах— это резисторы и конденсаторы. Но кроме них, в современной технике используется также много других типов компонентов, которые получили общее наименование дискретные. Грубо говоря, дискретные компоненты — это все, что не микросхемы. Хотя такое деление и достаточно условно: например, какой-нибудь оптрон (устройство, совмещающее в себе пару «светодиод— фотодиод» для передачи сигнала по оптическому каналу) относят обычно к дискретным компонентам, однако по сути это микросхема, и достаточно сложная в изготовлении.
Давайте разберемся немного в важнейших разновидностях дискретных компонентов. Сейчас немодно проектировать схемы на «рассыпухе», в большинстве случаев это и не имеет смысла, поскольку на интегральных микросхемах получается быстрее, дешевле и надежнее. Однако, во-первых, без дискретных элементов все равно во многих случаях не обойтись (посмотрите, сколько их на материнской плате вашего ПК, а ведь эти платы обычно вбирают в себя все самое современное), во-вторых, микроэлектронные схемы работают по тем же законам, что и старинные, на отдельных элементах. А в-третьих, в радиолюбительской и полупрофессиональной практике часто бывает так, что гораздо удобнее применить, например, транзисторный ключ с парой резисторов, чем гоняться по торговым организациям за соответствующей микросхемой, и потом еще мучаться, раскладывая плату под какой-нибудь планарный корпус с шагом 0,127 мм (тем более, что резисторы, скорее всего, так или иначе потребуются).
Из всех полупроводниковых устройств исторически первыми были диоды.
Диод— это простейший полупроводниковый прибор с двумя выводами, характеризующийся тем, что в одну сторону он проводит ток (т. е. представляет собой в идеале просто проводник с малым сопротивлением), в другую — нет (т. е. превращается в очень большое сопротивление) — одним словом, обладает односторонней проводимостью. Выводы диода, как повелось еще со времен ламповой техники, называют анодом (положительный) и катодом (отрицательный). Не всегда понятно, что означают слова «положительный» и «отрицательный» в приложении к некоторым включениям диодов, потому конкретизируем: если подать на анод положительное напряжение, то диод будет проводить ток. В обратном включении ток не пройдет.
Если подключить диод к регулируемому источнику напряжения, то он будет вести себя так, как показано на рис. 3.1, где представлена т. н. вольт-амперная характеристика диода. Из нее, в частности, следует, что в прямом включении (т. е. анодом к плюсу источника), после превышения некоторого напряжения (Uпр), прямой ток через диод (Iпр) растет неограниченно и будет лимитироваться только мощностью источника. На самом деле без нагрузки Диоды, за редкими исключениями, не включают, и тогда в прямом включении ток ограничивается нагрузкой.
Рис. 3.1.Вольт-амперная характеристика диода
В обратном же включении (катодом к плюсу) ток через диод (Iобр) пренебрежимо мал и составляет от нескольких микро- или даже наноампер для обычных маломощных диодов, до единиц миллиампер для мощных выпрямительных. Причем для германиевых диодов обратный ток намного выше, чем для кремниевых, отчего их сейчас практически и не употребляют. Этот ток сильно зависит от температуры и может возрасти на несколько порядков (от нано- до микроампер) при повышении температуры от-50 до +50 °C, поэтому на графике его величина показана очень приблизительно (обратите внимание, что верхняя и нижняя половины графика по оси токов построены в разных масштабах).
В отличие от обратного тока, прямое падение напряжения Uпр гораздо меньше зависит как от типа и конструкции прибора, так и от температуры. Для кремниевых диодов прямое падение напряжения Uпр всегда можно считать равным примерно 0,6–0,7 В, для германиевых или так называемых диодов Шоттки эта величина составляет 0,2–0,4 В. Для кремниевых диодов при изменении температуры на один градус