1.9 Прочие пассивные компоненты



==56

В следующих параграфах будут кратко представлены разнообразные дополнительные компоненты. Если читатель уже знаком с конструкцией электронных устройств, то он может перейти к следующей части.

1.9.1 Электромеханические компоненты: переключатели

Это прозаические, но важные детали, которые можно обнаружить практически в любом электронном оборудовании. Будет полезно потратить немного времени на пояснения ( которые продолжаются в Части X1 [* ##§X1.6 ] ). Наиболее распространённые типы переключателей показаны на рис. 1.117 и 1.118 .

1.9.1.A Перекидные переключатели



==57



==58

Простые перекидные переключатели - тумблеры выпускаются в самых разных исполнениях в зависимости от числа переключаемых линий. На рис. 1.119 показаны базовые типы: SPST - одиночный ключ на одно направление – «выключатель», SPDT - одиночный на два направления – «переключатель» и DPDT - сдвоенный на два направления. Переключатели бывают в исполнении с промежуточной центральной позицией «ВЫКЛЮЧЕНО» для обеих линий и с иным числом одновременно переключаемых линий ( до четырёх ). Переключатели всегда выполняют «разрыв перед соединением» , т.е. подвижный контакт никогда не бывает замкнут на два выходных терминала одновременно.

1.9.1.B Кнопки

Кнопки используются для кратковременного замыкания цепей. Схематическое изображение приводится на рис. 1.120 ( NO означает «нормально открытый», NC – «нормально замкнутый» ). Для ключей на два направления контакты на схемах должны маркироваться как «NO» и «NC», а для SPST изображения отличаются графически. Переключающие кнопки всегда разрывают цепь перед переподключением В электротехнике базовые типы имеют обозначение SPST ( NO ) – «form A», SPST ( NC ) – «form B» и SPDT – «form C».

1.9.1.C «Галетные» и поворотные переключатели

«Галетные» ( поворотные ) переключатели бывают на самое разное число линий и направлений, причём часто собираются из отдельных пластин и движков [* поэтому и «галетные»] . Они бывают замыкающие ( закорачивающие новую линию перед разрывом старой ) и незамыкающие ( разрыв перед соединением ), причём оба типа можно смешивать в одном переключателе. Бывают ситуации, когда цепь никогда не должна терять контакта, а бывает, что отдельные ветви не должны закорачиваться.

Иногда от переключателя не нужны все эти разные направления, а только требуется различать разные его позиции. Для таких целей выпускают поворотные «энкодеры» , которые сообщают своё положение 4-разрядным двоичным кодом, экономя массу проводов ( для 16 положений требуется только 4 провода на код и 1 общий ). Есть угловые энкодеры - электромеханические установочные изделия, которые выдают N импульсов на один полный оборот вала. Выпускаются двух видов ( механические и оптоэлектронные ) и выдают от 16 до 200 импульсов за оборот. Оптические модели дороже, но служат гораздо дольше.

1.9.1.D Переключатели для монтажа на плату

Часто можно увидеть небольшие наборы ключей, стоящих прямо на печатной плате ( рис. 1.118 ). Их часто зовут DIP-переключателями за очень похожее на одноимённый корпус посадочное место, хотя сейчас активнее используются версии для поверхностного монтажа ( SMT ). Очень часто такие переключатели используются в режиме «переключил и забыл», где, возможно, больше подходят вращающиеся кодировшики ( рис. 1.118 ).

1.9.1.E Прочие переключатели

Кроме обычных механических, существует масса экзотических вариантов на эффекте Холла, магнитоуправляемых контактах, оптопарах и т.д. Все переключатели характеризуются максимальным рабочим током и допустимым напряжением. Обычные переключатели могут быть рассчитаны на 150 V@5A . Управление индуктивной нагрузкой катастрофически сокращает срок службы из-за дугового пробоя при разрыве цепи. Переключатели всегда можно использовать при меньшем , чем максимальное, напряжении с одним исключением. Многие переключатели рассчитаны на протекание некоторого тока через контакты. Такой ток очищает поверхность от окислов, поэтому для малых сигналов требуются переключатели, предусматривающие «сухое переключение» ⁵⁰ , в противном случае в схеме прибавится шума, а контакт потеряет надёжность ( см. Часть X1 [* ##§X1.6 ] ).

1.9.1.F Схемы с переключателями

В качестве примера применения переключателей рассмотрим следующую проблему. Предположим, требуется подавать звуковой сигнал, если водитель занял своё место, а одна из дверей открыта. В водительском сидении и в дверях встроены нормально открытые кнопки [* пассивное (нормальное) состояние - «дверь ЗАКРЫТА» - контакт РАЗОМКНУТ, пассивное состояние «водитель ОТСУТСТВУЕТ» - контакт РАЗОМКНУТ ] . Схема 1.121 показывает требуемую конфигурацию. Если одна ИЛИ другая дверь открыты ( ключи замкнуты ) И ключ водительского места замкнут, запищит звуковой генератор. Слова «И», «ИЛИ» используются здесь в логическом смысле. Этот пример встретится опять в Частях _2   [* §2.6.3 ]   и 10   [* §10.1.6 ] , где будет идти речь о транзисторах и цифровой логике.



==59

На рис. 1.122 показано классическое решение по независимому включению и выключению света из двух разных точек помещения.

Упражнение 1.36
Очень немного электронщиков знает схему, которую может повторить любой электротехник . Требуется подключить лампу к N ключам так, чтобы любой из них мог её включить и выключить. Попробуйте отыскать это обобщение схемы 1.122 . Потребуется 2 SPDT и N—2 DPDT ключа.

1.9.2 Электромеханические компоненты: реле

Реле - выключатели с электрическим управлением. В классическом реле катушка под действием тока управления перемещает арматуру, переключающую контакты. Существует множество конструкций, включающих «поляризованные» реле и «шаговые искатели» ⁵¹ . Реле могут активироваться постоянным или переменным током, а рабочее напряжение при этом составит от 3 до 240 V . Реле с «мокрым» контактом ( смоченным ртутью [* RIP] ) и на магнитоуправляемых контактах имеют короткое ( ∼1 ms ) время срабатывания, а мощные магнитные пускатели способны управлять нагрузкой в тысячи ампер.

Твердотельные реле ( SSR ) представляют собой полупроводниковый электронный ключ, активируемый светодиодом. Их параметры и надёжность выше, чем у механических собратьев, а цена выше. SSR переключаются быстро, не имеют дребезга контактов и часто используются для управления нагрузками переменного тока ( включение происходит при нулевом напряжении, а выключение при нулевом токе ). Подробнее об SSR рассказывает Часть 12 .

Переключать электрические сигналы в схеме можно с помощью транзисторных ключей ( Часть _2 и _3 ) вместо реле всех видов. Основное назначение реле - дистанционное управление высоковольтной или очень мощной нагрузкой, где требуется надёжная изоляция управляющего сигнала от управляемой цепи.

1.9.3 Соединители

Передача сигналов между приборами, разводка их по различным узлам, при сохранении возможности отключения ( и замены ) любого модуля - задачи для соединителей - необходимого ( и часто самого ненадёжного ) элемента любой электронной схемы. Число возможных форм и размеров не поддаётся исчислению ⁵² . Некоторое представление об имеющемся разнообразии дают рис. 1.123 , 1.124 и 1.125 .

1.9.3.A Однопроводные соединители

Самым простым видом является штыревой разъём или «banana», активно используемые в мультиметрах, блоках питания и т.д. Он удобен и недорог, но не так полезен, как соединители для экранированных кабелей или многоконтактные колодки, часто требующиеся в современной аппаратуре. Простая винтовая колодка - другой пример однопроводного соединения. Примечательно их неудобство для тех, кто пытается с ними работать.

1.9.3.B Соединители для экранированных кабелей



==60

Для предотвращения емкостных наводок и по причинам, изложенным в Приложении _H , часто требуется передавать сигналы между двумя приборами с помощью экранированных кабелей. Наиболее популярный вариант - BNC разъём, украшающий передние панели большинства приборов. Он фиксируется после поворота внешней обоймы и надёжно соединяет экран ( землю ) и внутреннюю жилу ( сигнал), причём экран чуть раньше. Подобно прочим приборным соединителям, BNC выпускается в нескольких панельных и кабельных исполнениях.

Среди прочих соединителей для коаксиальных кабелей можно назвать TNC - близкого родственника BNC , но с резьбовым соединением, очень хороший, но громоздкий, «тип-N», миниатюрный SMA и SMB, LEMO и SMC и высоковольтные MHV и SHV. Так называемый «Джек», используемый в звуковом оборудовании, - отличный пример плохой разработки: сигнальный контакт ( концевой ) замыкается прежде чем экран ( земля ). Более того, конструкция склонна к расшатыванию и плохо держит контакт на обеих линиях. Результат, безусловно, слышал каждый! Чтобы не отстать, телеиндустрия ответила своим собственным плохим стандартом – «соединителем» «тип-F», в котором ничем не подкреплённая внутренняя жила кабеля служит центральным выводом вилки и постоянно норовит замкнуться на экран ⁵³ .



==61

Сим посвящаем этих лузеров в члены Ордена Электронного Бесчестия, некоторые знаменитые основатели которого показаны на рис. 1.126 .

1.9.3.C Многоконтактные соединители

В электронных устройствах часто требуются многожильные кабели и соответствующие соединители. Их существуют десятки видов. Самый простой пример - 3-жильный «IEC» ( «компьютерный» ) шнур питания. В числе наиболее популярных - отличный D-sub, Winchester серия MRA, великолепный тип «MS» [* по разнообразию как наш «ШР»] и разъёмы под плоский шлейф. Эти и другие соединители показаны на рис. 1.123 и 1.124 .

Будьте осторожны с соединителями, которые не переносят грубого обращения ( миниатюрные шестигранные - классический пример ) или не имеют фиксации, например серия «Jones 300».

1.9.3.D Краевые разъёмы

Наиболее популярным способом подключения печатных плат является краевой разъём, в который вставляется сама печатная плата с вытравленными на ней ответными контактами. Типичным примером является материнская плата компьютера, в которую можно вставить платы расширения и модули памяти. Краевые разъёмы бывают с самым разным числом контактов - от единиц до сотен, а оформление вилочной части зависит от метода подключения. Часто их монтируют на объединительной панели , которая является просто печатной шиной, соединяющей отдельные модули. В системе, где требуется немного дополнительных плат удобнее использовать именно краевые разъёмы с ответной частью под пайку. Более надёжным ( и более дорогим ) вариантом будет использование парных разъёмов - один на панель, один на вставную карту. Примером может служить шина VME . Её соединитель для вставной карты можно видеть на рис. 1.123 .

1.9.4 Индикаторы

1.9.4.A Измерительные головки

Чтобы узнать величину тока или напряжения потребуется какой-нибудь индикатор: проверенный временем стрелочный [* если удастся раздобыть] или цифровой. Последний дороже и точнее. Оба вида выпускают под различные максимальные значения. Существуют и довольно необычные измерители, например, UV-метры ( единицы громкости в децибелах ), индикаторы с растянутой шкалой ( например, от 105 до 130 V ), температуры с термопары ), уровня загрузки двигателя, частоты и др. Цифровые индикаторы в дополнение к дисплею часто имеют логический выход для вывода значений на внешние устройства.



==62

Сейчас специализированные индикаторы всё чаще заменяются на универсальные графические модули ( §12.5.3 ), воспроизводящие стандартный индикатор в виде картинки на экране. Это весьма удобно, т.к., имея такой модуль, можно выбирать вид индикатора, число разрядов и т.п. под управлением встроенной схемы управления ( см. Часть 15 ).

1.9.4.B Лампы, светодиоды, дисплеи

Мигающие огоньки, экраны, полные цифр и букв, причудливые звуки - все эти элементы ( кроме последнего ) фантастических фильмов являются разными вариантами индикаторов и дисплеев ( §12.5.3 ). Раньше для этих целей использовались небольшие лампочки накаливания, но сейчас они полностью вытеснены светодиодами. С электрической точки зрения светодиоды похожи на обычные p-n переходы, но с прямым падением в диапазоне от 1.5 до 2V ( красные, оранжевые и некоторые зелёные ) и 3.6 V ( синие ⁵⁴ и зелёные высокой яркости ), см. рис. 2.8 . Когда ток течёт в прямом направлении, светодиод излучает свет. Обычно для нормальной яркости достаточно 2...10 mA . Светодиоды дешевле ламп накаливания, живут практически вечно и выпускаются четырёх основных цветов в дополнение к «белому», который на самом деле синий с жёлтым люминесцентным покрытием. Поставляются в удобных для монтажа корпусах и иногда со встроенными ограничением тока ⁵⁵ .



==63

Светодиоды используются и в цифровых дисплеях, например, 7- и 16-сегментных цифровых и универсальных матричных. Если требуется отображать длинную строку чисел или символов, удобнее использовать ЖК-индикаторы. Их выпускают в виде многоразрядных алфавитно-цифровых матричных дисплеев с организацией от 8 символов в 1 строку до 40 символов в 2 строки. Простой интерфейс позволяет последовательно заполнять знакоместа цифрами, буквами или псевдографическими символами. Такие дисплеи недороги, экономичны и хорошо видны на солнце, а варианты с подсветкой позволяют работать и в темноте, но экономичностью уже не отличаются. О дисплеях и прочих оптоэлектронных компонентах рассказывается в §12.5 .

1.9.5 Элементы с изменяемыми номиналами

1.9.5.A Переменные резисторы

Переменные резисторы ( их ещё называют регуляторами громкости, потенциометрами и подстроечниками ) удобны в качестве панельных элементов управления и внутриплатных подстроечных компонентов. Классическим панельным переменным резистором является 2-ваттный тип AB. Он делается из того же материала, что и обычный углеродный резистор и имеет вращающийся подвижный контакт. Другие варианты выпускаются с керамическим или пластиковым резистивным элементом и имеют более высокие параметры. Существуют многооборотные модели ( 3 , 5 , 10 и 20 оборотов ) с улучшенной точностью и линейностью. Выпускают многоэлементные резисторы ( несколько переменных резисторов на общей оси ), но выбор типов гораздо скромнее. Неплохая коллекция переменных и подстроечных резисторов показана на рис. 1.8 .

Подстроечные резисторы для монтажа на плату бывают одно- и многооборотные. Их удобно использовать в калибровочных цепях в режиме «установил и забыл». Совет : боритесь с искушением использовать подстроечные резисторы где ни попадя. Правильнее будет лучше продумывать конструкцию.

Символ переменного резистора приведён на рис. 1.127 . Иногда используются дополнительные обозначения для направления вращения движка ( «по часовой» CW и «против часовой» CCW ).

Чисто электронные версии потенциометров делают из набора электронных ( транзисторных ) ключей, которые выбирают нужный отвод в длинной цепочке постоянных резисторов. Звучит угрожающе, но это вполне рабочая схема, если реализована в интегральном исполнении. Серии «цифровых потенциометров» до 1024 градаций сопротивления выпускают такие фирмы, как Analog Devices, Maxim/Dallas Semiconductor и Xicor. Есть сдвоенные модели и варианты, «помнящие» последнее состояние, даже при отключении питания. Такие «потенциометры» находят широкое применение в потребительской электронике, где требуется подстраивать параметры с пульта дистанционного управления, см. §3.4.3.E [* и §X1.2.8 ] .

Одно важное замечание о переменных резисторах. Не пытайтесь использовать потенциометры в качестве замены для точного постоянного резистора. Соблазн возникает из-за возможности установить нужный номинал. Проблема в том, что потенциометры не так стабильны, как точные ( 1% ) резисторы и могут иметь плохое разрешение ( т.е. установить точное значение не выйдет ). Если требуется точный и при этом подстраиваемый потенциал, надо использовать комбинацию из качественного 1% ( или лучше ) резистора и потенциометра, причём большая часть сопротивления должна приходиться на постоянный резистор. Например, если нужен номинал 23.4 kΩ , надо взять постоянный 1%-резистор на 22.6 kΩ ( это стандартное значение см. Приложение _C ) и последовательный подстроечник на 2 kΩ . Ещё вариант - цепочка точных резисторов, в которой последний ( самый низкоомный ) точно подбирается под нужное значение.

В §3.2.7 рассказывается, как можно использовать полевой транзистор в качестве переменного резистора, управляемого напряжением. Ещё один вариант – «фоторезистор» ( §12.7.4 ). Транзисторы могут использоваться в качестве усилителей с изменяемым коэффициентом передачи, опять же, контролируемых напряжением. Присматривайтесь к техническим решениям: они могут помочь решить сходную проблему.



==64

1.9.5.B Конденсаторы переменной ёмкости

Конденсаторы переменной ёмкости ограничены небольшими номиналами ( до 1000 pF ) и часто используются в радиочастотных устройствах. Наплатные подстроечные вариаты используются для изменения параметров, а панельные - в качестве управляющих элементов. На рис. 1.128 показан схемный символ конденсатора переменной ёмкости.

Обратно смещённые p-n переходы ( диоды ) могут использоваться в качестве конденсаторов, управляемых напряжением. Употребляемые в таком качестве, они зовутся варактрами , иногда варикапами . Это очень важные элементы радиочастотных схем, особенно схем фазовой автоподстройки, автоматического управления частотой ( AFC ), модуляторов и параметрических усилителей.

1.9.5.C Переменные катушки индуктивности

Переменные индуктивности выполняются в виде катушек с двигающимся относительно обмотки сердечником. Номинал таких компонентов составляет от единиц микрогенри до генри, а диапазон изменения 1:2 . Существуют также катушки без сердечника с вращающимся подвижным контактом ⁵⁶ .

1.9.5.D Автотрансформаторы

Автотрансформаторы - очень полезные устройства, особенно если работают от напряжения силовой сети. Выполняются они в виде одной обмотки и подвижного контакта и часто зовутся «вариаками» ( по торговому названию фирмы General Radio, см. рис. 1.129 ). Сейчас выпускаются и другими компаниями. Обычный выходной диапазон от 0 до 135 Vac при работе от 115 Vac , а рабочие токи от 1 до 20 A . С ними удобно проверять схемы, которые могут реагировать на проблемы с силовой сетью и для проверки граничных режимов работы.
Предупреждение . Не забывайте, что автотрансформатор не обеспечивает гальванической изоляции от электрической сети, как это делает обычный трансформатор.



==64