Радиоэлектроника — с компьютером и паяльником.

Простейшие цепи.

Не знаешь закон Ома — сиди один дома. Поговорка

Вряд ли кто-нибудь сейчас с достоверностью скажет, откуда родился этот премудрый императив. Скорее всего, некий преподаватель физики в реальном училище или университете лет сто назад именно так в сердцах повелел незадачливому студиозу, не освоившему столь важный и простой закон.

Что ж, давайте мы сегодня воспользуемся этим советом по-своему: ведь сидя дома тоже можно постигать великие истины мироздания, сочетая «приятное с полезным». Устроимся по-рабочему. Под рукой надо иметь нехитрый инструмент, наборы электронных деталей Мастер КИТ и, конечно, обязательно — компьютер.

Начнем с простого.

Возьмем комплект Мастер КИТ NK 143 «Юный электротехник». Здесь пока еще не потребуется паяльник, так как используются простейшие разъемные клеммные соединения, но еще не вечер… Дополнительно желательно иметь простейший мультиметр (тестер). На компьютер необходимо установить схемотехническую программу Electronics Workbench («Электронная лаборатория»), лучше 5-й версии. Далее мы будем называть ее сокращенно программа EWB. При установке программы желательно выбрать европейский стандарт УГО схемотехнических обозначений в DIN, к которому ближе российские ГОСТы (рис. 38).

Рис. 38. Окно установки стандарта УГО (EWB)

Необходимые приготовления сделаны: реальный мир «железа» — наборы Мастер КИТ и «виртуальный» мир — программа EWB готовы к нашим услугам. Мы вольны свободно перемещаться во времени и пространстве.

Вернемся на некоторое время к достопочтенному господину Георгу Симону Ому, преподававшему математику и физику в г. Кельн в далеком XVIII веке. Ему пришлось преодолеть громадные экспериментальные трудности (несовершенные источники тока, отсутствие электроизмерительных приборов и т. п.). Составляя цепи из различных проводников, он устанавливает взаимосвязь между напряжением и током на участке электрической цепи, названную позже его именем. Конечно, у Ома были непосредственные предшественники, среди них которых в первую очередь надо отметить первого русского электротехника, профессора Петербургской медико-хирургической академии, академика В. В. Петрова.

Радиолюбители всегда вспоминают Ома, так как значения номиналов одного из самых распространенных компонентов электрических цепей резисторов измеряются именно в омах. Вот просто был когда-то всего лишь один Ом, а теперь, пожалуйста, пачками: и тысячи Ом (килоОм), и миллионы Ом (МегаОм) и еще больше, или, наоборот, много меньше.

Величину протекающего тока Ом оценивал по отклонению магнитной стрелки. Эти исторические опыты можно теперь с легкостью воспроизвести на вышеуказанном комплекте Мастер КИТ.

Физический эксперимент

Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе таков бросание будет просто забавою. Кузьма Прутков. Афоризм № 156

Наш комплект Мастер КИТ «Юный электротехник» имеет чуть меньший номер: NK 143, но глубина мысли, при работе с ним, должна соответствовать бессмертному афоризму.

Соберем простейшую электрическую цепь, показанную на рис. 39.

Рис. 39. Простая электрическая цепь Мастер КИТ NK143 «Юный электротехник»

Здесь миниатюрная лампочка накаливания присоединяется через клеммную колодку к батарее. В результате образуется замкнутая последовательная электрическая цепь — контур. Его можно мысленно обойти от положительного полюса батареи «+» через соединительный провод, нить накала, провода, идущие к отрицательному полюсу «-», и, пройдя «внутри батареи», вернуться к исходной точке «+».

Направление этого обхода принимается за положительное направление тока в данной цепи. Ом мыслил механическими понятиями и считал, что так течет некоторая «электрическая жидкость». Напряжение — ее напор, ток — ее поток. Источник тока также характеризуется в терминах механики — «электродвижущая сила» (ЭДС).

Введя некоторую величину, названную сопротивлением, Ом получил закон, который, нисколько не умаляя его заслуг, можно было бы назвать «законом водопроводчиков». Авторская формулировка была весьма витиевата: «Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме всех приведенных длин». Под «приведенными длинами» и скрывалось сопротивление. Теперь же, в простейшем случае, не мудрствуя лукаво, делят «вольты» на «амперы» и получают «омы» или составляют другие тождественные комбинации из названных ученых господ. Эти три господина всегда вместе, как три мушкетера: «Один за всех и все за одного». Недаром в «электрической азбуке», вместо «аз, буки, веди» значится: «ампер, вольт, ом». Это настолько ходовые величины, что есть даже комбинированный прибор: «ампер-вольт-омметр», название которого сокращают панибратски до «авометра».

Виртуальный эксперимент

Купите себе удобный стул. Вам наверняка придется много сидеть. Люк Эхерн. «Создание компьютерных игр»

Проведем теперь компьютерный анализ процессов в рассмотренной выше цепи. Для этого составим ее модель из источника и лампочки, воспользовавшись набором элементов компьютерной программы EWB. Этот эксперимент, проводимый на компьютере, назовем виртуальным (воображаемым), он будет моделировать поведение реальной цепи. Опишем кратко последовательность виртуального эксперимента.

В программе EWB реализован стандартный многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню. После установки программы возникает рабочее поле для сборки схем и пиктограммы с рабочими инструментами и компонентами схем (рис. 40).

Рис. 40. Основное окно программы EWB с дополнительными окнами выбора компонентов

Нажатием левой кнопки мыши (ЛКМ) здесь уже открыты отдельные схемные наборы (как бы ящики конструктора), из которых на рабочее поле помещены некоторые компоненты (батарея, лампа и мультиметр).

Составим принципиальную схемную модель эксперимента (рис. 41).

Рис. 41. Виртуальная модель простой электрической цепи

Для этого откроем на панели компонентов пиктограмму группы Source (источники) и выберем в нем Battery (батарея). Удерживая ЛКМ в нажатом состоянии, перетаскиваем изображение батареи в левую часть рабочей области экрана и отпускаем ЛКМ (эта процедура обычно называется буксировкой).

Затем, аналогично, переносим в центр экрана из раздела Basic (основные компоненты) Switch (переключатель) и из раздела Indicators (индикаторы) компонент Bulb (лампа накаливания), который помещаем в правую часть экрана. На этом первая часть «строительства» схемы закончена: «рабочие материалы доставлены на стройплощадку».

Упорядочим расположение выбранных компонентов на экране, если оно не соответствует воображаемой схеме. Для этого ЛКМ выделяем необходимый компонент и буксируем его в нужное положение. Возможно, на этом этапе потребуется изменить пространственную ориентацию компонентов. В данном конкретном случае удобнее повернуть лампу на 90° против часовой стрелки: выделим лампу (однократным нажатием ЛКМ), при этом она примет активный (красный по цвету) вид и нажмем на кнопку (пиктограмму) Rotate (вращение) горизонтального ряда инструментов. Эту же операцию можно провести с клавиатуры, выделив лампу и нажав Control+R (разумеется, находясь при английской раскладке клавиатуры — АРК) или, после выделения компонента, войдя в меню Circuit (схема) и воспользовавшись командой Rotate.

Далее выполняем соединения компонентов. Лучше всего, как и при сборке реальных цепей, начать с положительного полюса «+» батареи. Устанавливаем стрелку курсора в верхнюю часть вывода: там появляется жирная черная точка — символ неразъемного соединения. Нажимаем ЛКМ и кратчайшим путем ведем линию-резинку к крайнему левому выводу переключателя. После того как там возникнет символ соединения, отпускаем ЛКМ. На экране возникает изображение соединительного проводника в виде двух ортогональных отрезков. Аналогично соединяем любой правый вывод переключателя с верхним выводом лампы и ее нижний вывод с отрицательным полюсом «-» батареи.

Общий чертеж принципиальной схемы выполнен (см. рис. 41), и теперь надо отредактировать параметры (свойства) используемых компонентов.

Начинаем с батареи. Дважды щелкаем на ней ЛКМ. На экране появляется подменю (рис. 42) Battery Properties (свойства батареи).

Рис. 42. Окно редактирования свойств батареи

Выбираем в этом подменю Value (значение) и набираем в соответствующем окошке цифру 3, оставляя единицу измерения V, т. е. вольт. Затем выделяем Label (обозначения) и печатаем буквенный символ ЭДС — Е и подтверждаем сделанный выбор свойств нажатием на кнопку «ОК».

Переходим к лампе. Действуя аналогично предыдущему, выделяем лампу, вызывая диалоговое окно для редактирования ее параметров. Набираем в окошке Label «Lamp». Устанавливаем в позиции Value РМАХ (максимальная мощность) 0,91 W (ватт), что соответствует произведению номинального напряжения конкретной реальной лампочки 3.5 В на ее номинальный ток 0,26 А (эти параметры указаны на ее цоколе). Здесь же набираем 3.5 в окошке VMAX (максимальное напряжение). Обратите внимание на разделители целой и дробной части: в тексте программы это не запятая, а точка.

Выбор численного значения параметров читатель может сделать самостоятельно для другой конкретной или воображаемой батареи и лампочки. При необходимости можно, действуя аналогично, переименовать позиционное обозначение переключателя, перейдя соответственно к другой клавише, которая им управляет, например [X] вместо [Space], принимаемой по умолчанию.

Теперь проведем собственно эксперимент на собранной схеме. Устанавливаем в виртуальном выключателе Activate simulation (включение моделирования) , размещенном в верхней правой части панели инструментов (см. рис. 40) указатель на I (In — включено), и делаем щелчок ЛКМ. Клавиша этого выключателя переходит в положение «включено» (надписи можно трактовать и как «0»/«1»).

Прерывание моделирования производится нажатием на расположенную ниже кнопку «Pause» (пауза), повторное нажатие отменяет эту команду. Выключение моделирования производится нажатием на О (Out — выключено). Эти же процедуры можно осуществить и из меню Analysis: Activate, Pause, Stop или с клавиатуры: «Control+G», «F9», «Control+Т».

После запуска моделирования переводим выключатель [X] на схеме (рис. 41) в положение «включено» (нажав на клавишу буквы X при АРК) и наблюдаем, как лампочка окрашивается в черный цвет (имитация ее горения). Нажимая несколько раз на [X], как бы включаем и выключаем цепь. Этот файл можно сохранить для дальнейшей работы.

Возвратимся к реальной цепи (см. рис. 39). Измерим омметром сопротивление реальной лампы, а правильнее (так как сопротивление зависит от температуры) напряжение на ней и протекающий ток и, воспользовавшись законом Ома, найдем ее сопротивление.

Эти данные можно положить в основу моделирования цепи, заменив в виртуальной схеме лампу на резистор, номинал которого равен сопротивлению лампы. В программе EWB для этого есть виртуальные приборы: амперметр, вольтметр и даже мультиметр, а также другие приборы об этом будет рассказано дальше.

Сопоставляя результаты реальных и виртуальных экспериментов, видим, насколько прозорлив был господин Ом. В то же время обратим внимание и на расхождение в наших реальных опытах и виртуальном эксперименте: сопротивление реальной лампы, измеренное омметром, оказывается ниже чем то значение, которое получается делением «вольтов» на «амперы» у горящей лампы. Читателя, который все же посещал школу и открывал учебник физики, это вряд ли удивит, так как он знает, что сопротивление проводников растет с ростом температуры. И он уже давно обратил внимание на то, что лампы накаливания перегорают чаще всего в момент их включения. На досуге можно также провести и другие опыты с данным набором и подумать над тем, как составить их виртуальные модели.