1.7. Резисторы, переключатели и прочие компоненты

1.7.1Переключатели, реле, разъёмы

≈ 10 мин3 упр.

Главное

Переключатели: тумблеры, кнопки (НР и НЗ), поворотные — замыкающие и незамыкающие.
Контакты последовательно — логическое И, параллельно — ИЛИ, нормально замкнутый контакт — НЕ.
Реле — переключатель, управляемый током; разъёмы — обычно самое слабое место прибора.

Переключатели

Выключатель настольной лампы кажется деталью, о которой нечего сказать. Но у переключателей есть своя классификация, свои подводные камни и даже своя логика — в буквальном, булевом смысле. На панелях приборов чаще всего встречаются тумблеры, кнопки и поворотные (галетные) переключатели.

Тумблер описывают двумя числами: сколько у него полюсов (независимых подвижных контактов, переключаемых одной ручкой) и сколько положений (направлений). Самые ходовые — однополюсные и двухполюсные на два положения (рисунок ниже); встречаются трёхпозиционные с нейтральной серединой и тумблеры с четырьмя группами контактов. Тумблер работает по принципу «сначала разомкнуть, потом замкнуть»: подвижный контакт не касается двух выводов сразу.

Основные переключатели: П — число полюсов, Н — число положений

Кнопки дают кратковременный контакт — только пока на них давят (рисунок ниже). Они бывают нормально разомкнутыми (НР: нажал — замкнул) и нормально замкнутыми (НЗ: нажал — разомкнул); у переключающей кнопки выводы так и маркируют — НР и НЗ.

В зарубежной документации контактные группы обозначают буквами: форма A — однополюсный замыкающий (НР), форма B — однополюсный размыкающий (НЗ), форма C — однополюсный переключающий.

Поворотные переключатели — самые разнообразные: много галет (полюсов) и много положений. Важное их свойство — порядок переключения. Бывают замыкающие («сначала замкнуть, потом разомкнуть»: новый контакт подключается до того, как отключится старый) и незамыкающие («сначала разомкнуть, потом замкнуть»); нередко оба типа встречаются в одном переключателе на разных галетах.

Поворотные переключатели: в каком порядке рвутся контакты

	Замыкающий	Незамыкающий
Порядок	сначала замкнуть, потом разомкнуть	сначала разомкнуть, потом замкнуть
В момент переключения	соседние контакты на миг соединены	на миг не подключено ничего
Когда нужен	разрыв цепи недопустим (шунт амперметра, обратная связь)	соседние линии нельзя соединять (источники сигнала)

Какой выбрать? Замыкающий — когда цепь ни на мгновение не должна оставаться разомкнутой: висящий в воздухе вход — это неопределённое состояние схемы, а иногда и авария. Незамыкающий — когда к одной общей точке по очереди подключают несколько линий, которые между собой соединять нельзя.

Прочие переключатели: датчики Холла (бесконтактные, срабатывают от магнита), герконы — герметичные магнитоуправляемые контакты в стеклянной колбе, микропереключатели (концевики) и многие другие. У любого переключателя есть паспортные предельные ток и напряжение — у маленького тумблера, например, 150 В и 5 А. При индуктивной нагрузке ресурс контактов резко падает: при размыкании возникает дуга (раздел 1.6).

Кнопки: нормально разомкнутая, нормально замкнутая и переключающая

Логика на контактах

Задача: дачная сигнализация. Сирена должна выть, если охрана включена (ключ-выключатель замкнут) и при этом открыта дверь или окно. На двери и на окне стоят контакты, которые замыкаются при открывании. Решение (схема ниже): ключ охраны последовательно с двумя параллельными контактами — дверным и оконным.

Последовательно — И, параллельно — ИЛИ

Охрана включена

Дверь ИЛИ окно открыты

Сирена

Это операции булевой алгебры: последовательное соединение реализует И, параллельное — ИЛИ. Мы вернёмся к этой идее, когда будем строить логику на транзисторах и микросхемах (глава 2, глава 8).

Вторая схема — знакомая каждому электрику: свет в длинном коридоре включается и выключается у любого из двух входов. Для этого нужны два переключателя на два положения, соединённые двумя проводами.

1234

Сигнализация: охрана И (дверь ИЛИ окно)

Что здесь что (4)

Сирена. Воет, когда от +12 В до земли есть замкнутый путь.
Ключ охраны (НР). Стоит последовательно со всем остальным: охрана выключена — сирена молчит. Это И.
Датчик двери (НР). Замыкается, когда дверь открыта.
Датчик окна (НР). Включён параллельно дверному — это ИЛИ.

Свет из двух мест: два переключателя на два положения

Упражнение 1.7.1 задача

В коридоре не два входа, а $N$ (скажем, пять дверей), и свет нужно включать и выключать у каждой. Как это сделать? Понадобятся два однополюсных переключателя на два положения (по краям) и $N - 2$ двухполюсных на два положения. Начните с вопроса: как двухполюсным переключателем поменять местами два провода?

Решение

Между крайними однополюсными переключателями проложены два провода. Лампа горит, когда оба крайних переключателя «смотрят» на один и тот же провод. Каждый двухполюсный переключатель врезают в эту пару как перекрёстный: в одном положении он пропускает провода прямо (1→1, 2→2), в другом — накрест (1→2, 2→1). Для этого общие контакты двух его полюсов подключают к входящим проводам 1 и 2, а выходы соединяют крест-накрест: верхний контакт первого полюса и нижний контакт второго — к выходящему проводу 1, нижний контакт первого и верхний второго — к выходящему проводу 2.

Щелчок любого перекрёстного переключателя меняет, на каком из двух проводов окажется напряжение в конце цепочки, — а значит, переключает лампу. Итоговая цепочка: однополюсный — $N - 2$ перекрёстных — однополюсный (проверьте на модели ниже). Каждое из $N$ мест меняет состояние света независимо от остальных; на языке логики свет — это «исключающее ИЛИ» положений всех переключателей.

В магазинах электротоваров такие перекрёстные выключатели продаются готовыми — для пяти дверей нужно три штуки.

Свет из N мест: два крайних и N − 2 перекрёстных переключателя

Модель: свет из N мест

Реле

Реле — это переключатель, которым управляет не рука, а электрический ток. В простейшем виде — катушка с подвижным стальным якорем: пока через обмотку идёт достаточный ток, магнитное поле притягивает якорь, и он переключает контакты.

Реле бывают самые разные: с фиксацией (бистабильные, «защёлки»), шаговые искатели (на них когда-то работали автоматические телефонные станции, а потом игровые автоматы), реле постоянного и переменного тока с обмотками от 5 до 110 В, быстрые (около 1 мс) герконовые и ртутные, силовые контакторы на тысячи ампер. Во многих местах, где раньше стояло реле, сегодня работают полевые транзисторы, а для коммутации сетевого переменного тока — твердотельные реле.

Главная работа реле — управлять одной цепью из другой, электрически от неё изолированной, и коммутировать высокие напряжения и большие токи. Например, микроконтроллер с питанием 5 В через реле включает насос на 230 В: управляющая схема от сети полностью изолирована, ведь обмотка и контакты связаны только механически.

123

Реле: обмотка и контакты связаны только механически

Что здесь что (3)

Обмотка. Ток создаёт магнитное поле и притягивает якорь. Транзистор, который управляет обмоткой, нужно защитить диодом (раздел 1.6).
Якорь. Пунктир — механическая связь: электрически обмотка и контакты не соединены, отсюда изоляция.
Переключающий контакт. Форма C: общий, НР и НЗ.

Разъёмы

Спросите любого ремонтника, что чаще всего ломается в электронике, — и в первой тройке окажутся разъёмы. Без них, однако, не обойтись: через разъёмы подают сигналы на вход и снимают их с выхода, связывают узлы прибора между собой, подводят питание; они же позволяют заменить плату или модуль. Простейший разъём — однополюсный штекер с гнездом («банан» и подобные) на измерительных приборах и лабораторных блоках питания: дёшев и есть везде, но пользы от него меньше, чем от коаксиальных и многоконтактных разъёмов. К той же категории относится зажим «крокодил» — вещь незаменимая, но вечно соскакивающая.

Разъёмы для экранированного кабеля. Сигнал между приборами лучше вести по экранированному коаксиальному кабелю — это защищает от емкостных наводок и даёт определённое волновое сопротивление. Самый массовый коаксиальный разъём — BNC на передних панелях осциллографов и генераторов: он защёлкивается поворотом на четверть оборота и соединяет сразу и экран (землю), и центральный провод.

У BNC много родственников: TNC с резьбой, надёжный, но крупный N, миниатюрные SMA и SMB, LEMO, высоковольтный MHV. А вот «тюльпан» (RCA) из бытовой звуковой техники — пример неудачной конструкции: центральный контакт замыкается раньше экрана, да и сами контакты обычно ненадёжны — отсюда громкий гул в колонках, когда штекер втыкают при включённом усилителе. Телевизионный разъём F, в котором роль штыря играет сама центральная жила кабеля, тоже не эталон надёжности.

Многоконтактные разъёмы служат для многожильных кабелей, и их десятки видов: простые трёхконтактные, D-образные (D-sub на 9, 15, 25, 37 и 50 контактов) для кабелей и панелей, круглые разъёмы военного стандарта, разъёмы с фиксирующими винтами, разъёмы для плоского ленточного кабеля. С некоторыми нужно обращаться бережно, а у некоторых нет ключа — выступа, задающего единственно правильное положение, — и их легко вставить не той стороной.

Разъёмы и их особенности

	Для чего	Замечания
«Банан», «крокодил»	приборы, лабораторные источники	дёшево; «крокодил» вечно соскакивает
BNC (TNC, N, SMA, SMB, LEMO, MHV)	коаксиальный кабель	BNC — четверть оборота, экран и сигнал соединяются сразу
«Тюльпан» (RCA)	бытовой звук	неудачная конструкция: сигнал замыкается раньше экрана — гул
F	телевизионный кабель	штырь — сама жила кабеля; надёжностью не блещет
D-sub, военные круглые, ленточные	многожильные кабели	у некоторых нет ключа — легко вставить неправильно
Торцевые	печатные платы, объединительная плата	от 15 до 100 позолоченных ламелей

Ловушка. Разъём — обычно самое ненадёжное место прибора. Выбирайте разъёмы с ключом и фиксацией, а у экранированных — с экраном, который соединяется первым.

Торцевые разъёмы для печатных плат — гнездо, в которое вставляется край платы с рядом позолоченных ламелей, от 15 до 100 контактов. Гнёзда устанавливают на объединительную (кросс-) плату, печатные проводники которой соединяют все платы прибора между собой; в небольших приборах вместо этого используют ленточные кабели со штыревыми разъёмами.

Упражнение 1.7.2

В самодельном мультиметре поворотный переключатель выбирает шунт амперметра: при переключении пределов механизм ни на мгновение не должен остаться без шунта, иначе через него пройдёт весь измеряемый ток. В усилителе другим поворотным переключателем выбирают, какой из четырёх источников звука подать на вход; соединять выходы источников между собой нельзя. Какие переключатели нужны в первом и во втором случае?

Решение

Шунт нельзя отключать даже на миг — нужен замыкающий переключатель («сначала замкнуть, потом разомкнуть»): в момент переключения два шунта окажутся параллельно, и это безвредно. Источники звука нельзя соединять между собой — нужен незамыкающий («сначала разомкнуть, потом замкнуть»): на мгновение вход усилителя останется свободным, что лишь вызовет короткий щелчок.

Упражнение 1.7.3 задача

Доработайте схему сигнализации. Во-первых, нужна тревожная кнопка (НР), которая включает сирену в любом режиме, даже при снятой охране. Во-вторых, у мастера, обслуживающего дачу, есть ключ «Обслуживание» с нормально замкнутым контактом, который размыкается, когда ключ вставлен: пока он вставлен, двери и окна не должны вызывать тревогу (тревожная кнопка работает всегда). Нарисуйте схему из одних контактов и запишите её логику.

Решение

Логика: сирена = кнопка ИЛИ (охрана И НЕ(ключ_вставлен) И (дверь ИЛИ окно)). Последовательное соединение — И, параллельное — ИЛИ, а нормально замкнутый контакт ключа даёт «НЕ»: он проводит, пока ключ не вставлен.

Схема: от +12 В через сирену к узлу X. От X к земле — две параллельные ветви. Первая — тревожная кнопка (НР). Вторая — контакт ключа охраны (НР), последовательно с ним контакт ключа «Обслуживание» (НЗ), затем узел Y и от него к земле два параллельных датчика — двери и окна. Пока мастер не вставил ключ, схема работает как раньше; вставил — вторая ветвь разорвана, а тревожная кнопка по-прежнему включает сирену.

1.7.2Индикаторы

≈ 3 мин1 упр.

Главное

Панельные измерительные приборы — стрелочные и цифровые; у цифровых бывают логические выходы.
Светодиод — диод с прямым падением 1,5–2,5 В (у синих и белых около 3 В), рабочий ток 5–20 мА.
Ток светодиода всегда ограничивают: $R = (U_{пит} - U_{св}) / I$ .

Измерительные приборы

Чтобы прибор показывал напряжение или ток прямо на передней панели, ставят стрелочный индикатор или цифровой; цифровые дороже, но точнее. Выпускается масса специализированных панельных приборов: индикаторы уровня громкости, проградуированные в децибелах, сетевые вольтметры с растянутой шкалой (скажем, 190–250 В), термометры для термопар, индикаторы нагрузки двигателя, частотомеры. У цифровых панельных приборов часто есть логические выходы: показания можно передать дальше — в компьютер или систему управления.

Лампы и светодиоды

Пульт управления в кино про звездолёты — это мигающие огоньки, бегущие строки и экраны, полные цифр. Всё это делают лампочки, светодиоды и дисплеи (о дисплеях — глава 9). На передних панелях приборов миниатюрные лампы накаливания давно уступили место светодиодам. Светодиод — это диод, который светится, когда через него течёт прямой ток. Электрически он ведёт себя как обычный диод, только прямое падение больше: 1,5–2,5 В у красных, жёлтых и зелёных, около 3 В у синих и белых. Для нормальной яркости индикаторного светодиода хватает 5–20 мА.

По сравнению с лампами накаливания светодиоды дешевле, служат практически вечно, бывают любых цветов и выпускаются в корпусах, удобных для монтажа на плату и на панель.

1,5–2,5 Впрямое падение

≈ 3 Всиние и белые

5–20 мАнормальная яркость

Резистор для светодиода

R = \frac{U _{пит} - U _{св}}{I _{св}}

Обозначения:

U_{пит}

U_{св}

I_{св}

5 В, красный светодиод (2,0 В), 10 мА — 300 Ом.

Правило. Ток светодиода всегда ограничивают — резистором или источником тока. Чем больше питание превышает падение на светодиоде, тем меньше ток зависит от разброса этого падения.

Из светодиодов собирают и цифровые индикаторы: 7-сегментные цифры (часы, весы, мультиметры), 16-сегментные и матричные для букв. А там, где важна экономия энергии или нужно читать показания на ярком солнце, лучше всего жидкокристаллические индикаторы: они почти ничего не потребляют и отлично видны при внешнем освещении.

12

Светодиод с ограничительным резистором

Что здесь что (2)

Резистор. Забирает излишек: 5 − 2 = 3 В при 10 мА — это 300 Ом и 30 мВт.
Светодиод. Красный, 2,0 В. Без резистора ток определялся бы только крутой ВАХ светодиода — и он сгорел бы.

Упражнение 1.7.4

В автомобиле нужно поставить индикатор — зелёный светодиод (прямое падение 2,2 В) на ток 15 мА от бортовой сети 12 В. Найдите сопротивление резистора и мощность, которую он рассеивает. Каким станет ток при работающем двигателе, когда бортовое напряжение поднимается до 14,4 В?

R =ОмP_R =мВтI(14,4 В) =мА

Решение

На резисторе $12 - 2, 2 = 9, 8$ В, $R = 9, 8/0, 015 \approx 653$ Ом (ближайший номинал — 680 Ом). Мощность $9, 8 \cdot 0, 015 \approx 0, 15$ Вт — резистор на 0,125 Вт будет перегружен, нужен на 0,25 Вт. При 14,4 В: $(14, 4 - 2, 2) /653 \approx 18, 7$ мА — на четверть больше, но в допустимых пределах. Поскольку здесь напряжение питания намного больше падения на светодиоде, ток определяется в основном резистором и мало зависит от разброса светодиодов; а вот к колебаниям бортовой сети он чувствителен — для стабильной яркости ставят источник тока.

Модель: светодиод и резистор

1.7.3Переменные компоненты

≈ 5 мин2 упр.

Главное

Потенциометры — для регулировок с передней панели, подстроечники — для калибровки «раз и навсегда».
Точное сопротивление: прецизионный резистор плюс небольшой подстроечник, а не один потенциометр.
Варикап — конденсатор, управляемый напряжением; ЛАТР от сети не изолирует.

Резисторы

Ручка громкости, регулятор яркости, настройка порога срабатывания — всё это потенциометры, переменные резисторы с подвижным контактом. Самые распространённые — композиционные (резистивный слой из того же материала, что у постоянных резисторов, по которому скользит движок) на мощность до 2 Вт. Есть керметные и проволочные — со стабильностью и долговечностью получше; многооборотные (3, 5 или 10 оборотов на полный ход) — с высоким разрешением и линейностью; сдвоенные и строенные — с несколькими независимыми секциями на одной оси (например, для стереорегулятора громкости).

Внутри приборов, на платах, ставят подстроечные резисторы, одно- и многооборотные, — для калибровки, которую выполняют один раз при наладке.

Совет. Не стоит усыпать схему подстроечниками «на всякий случай». Каждый подстроечник — это лишняя операция наладки и лишний источник ухода параметров; надёжнее продумать схему так, чтобы она работала без подстройки.

Обозначение потенциометра — на рисунке ниже; пометки «по часовой» и «против часовой» указывают, к какому выводу смещается движок при вращении ручки.

Ловушка. Не ставьте потенциометр туда, где сопротивление нужно задать точно и надолго: по стабильности и разрешению он заметно уступает хорошему постоянному резистору с допуском 1 %.

Соблазн понятен — потенциометром можно выставить что угодно. Но выставить точно трудно, а со временем, от вибрации и температуры, значение ещё и уплывёт.

Когда нужно точное сопротивление, берут прецизионный постоянный резистор (1 % или лучше) и последовательно с ним небольшой подстроечный, причём основную часть сопротивления должен давать постоянный резистор. Например, 10,0 кОм получают как 9,53 кОм (1 %) плюс подстроечник на 1 кОм. Другой путь — цепочка прецизионных резисторов, в которой самый маленький «добирает» сопротивление до нужного значения при наладке.

Забегая вперёд: полевой транзистор умеет работать как резистор, управляемый напряжением, а из транзисторов строят усилители, коэффициент усиления которых задаётся напряжением. Запомните эти идеи — они не раз пригодятся.

123

Потенциометр: три вывода

Что здесь что (3)

Вывод «по часовой». К нему смещается движок, если вращать ручку по часовой стрелке.
Движок. Подвижный контакт: потенциометр — это делитель с регулируемым отношением плеч.
Вывод «против». Противоположный конец резистивного слоя.

Переменный конденсатор

Упражнение 1.7.5

Нужно сопротивление 10,00 кОм с точностью 0,05 %. Берут постоянный резистор 9,53 кОм (допуск 1 %) и последовательно с ним подстроечный. Какое наибольшее сопротивление должен уметь добавить подстроечник, чтобы при любом экземпляре постоянного резистора можно было выставить ровно 10,00 кОм? Подойдёт ли подстроечник на 1 кОм?

R_{подстр max} =кОм

Решение

Постоянный резистор лежит в пределах $9, 53 \pm 1 % = 9, 435 \dots 9, 625$ кОм. Подстроечник должен добавлять от $10 - 9, 625 = 0, 375$ до $10 - 9, 435 = 0, 565$ кОм, так что номинал 1 кОм подходит с запасом. Точность 0,05 % — это 5 Ом, полпроцента хода подстроечника: выставить можно. А главное, если подстроечник уйдёт на несколько процентов (от температуры или вибрации), итоговое сопротивление изменится лишь на сотые доли процента — его ведь дают в основном 9,53 кОм постоянного резистора. Возьми мы вместо этого подстроечник на 20 кОм, тот же его уход в 2 % означал бы ошибку 2 %.

Конденсаторы, катушки, трансформаторы

Конденсаторы. Переменные конденсаторы обычно невелики (до сотен пикофарад) и работают в радиочастотных схемах — классический пример — ручка настройки старого радиоприёмника. Подстроечные конденсаторы бывают для регулировки внутри прибора и с выводом оси наружу. Обозначение — на рисунке выше.

Ёмкостью, управляемой напряжением, обладает и обычный диод под обратным напряжением: ширина его запертого перехода растёт с напряжением, и ёмкость падает. Специально для этого выпускают диоды-варикапы (варакторы). Они работают в основном на радиочастотах: электронная настройка приёмников, автоподстройка частоты, частотная модуляция, параметрические усилители.

Катушки. Переменная индуктивность — это обычно катушка с подвижным (вворачиваемым) сердечником; диапазон — от единиц микрогенри до единиц генри, перестройка примерно вдвое. Встречаются и катушки без сердечника, которые вращают, а ток снимают скользящим контактом.

Трансформаторы. Очень полезен в лаборатории регулируемый сетевой автотрансформатор (ЛАТР): одна обмотка, по виткам которой скользит контакт. При входе 230 В он даёт на выходе от 0 до 250 В при токах от 1 до 20 А и больше. С ним проверяют, как прибор ведёт себя при пониженном и повышенном напряжении сети.

Выход автотрансформатора не изолирован от сети, в отличие от обычного трансформатора с двумя обмотками: любой его вывод может оказаться под полным сетевым потенциалом относительно земли, даже когда на шкале выставлен ноль.

Упражнение 1.7.6

Средневолновый радиоприёмник настраивается переменным конденсатором 12–365 пФ; параллельно ему действует паразитная ёмкость катушки и монтажа 20 пФ. Во сколько раз перекрывается диапазон частот (отношение наибольшей частоты к наименьшей)? Какая нужна индуктивность контура, чтобы нижний край диапазона пришёлся на 530 кГц?

f_max/f_min =L =мкГн

Решение

Частота контура $f \propto 1/ C$ . Полная ёмкость меняется от $12 + 20 = 32$ до $365 + 20 = 385$ пФ, поэтому $f_{m a x} / f_{m i n} = 385/32 \approx 3, 47$ . Без паразитной ёмкости было бы $365/12 \approx 5, 5$ — паразитные ёмкости заметно сужают диапазон, поэтому монтаж контуров делают как можно компактнее.
Нижний край — при наибольшей ёмкости: $L = 1/ ((2 π f_{m i n})^{2} C_{m a x}) = 1/ ((2 π \cdot 530 \cdot 1 0^{3})^{2} \cdot 385 \cdot 1 0^{- 12}) \approx 234$ мкГн. Верхний край тогда окажется около $530 \cdot 3, 47 \approx 1840$ кГц — средневолновый диапазон перекрыт целиком.