Несколько советов радиолюбителям

Многие устройства, описанные в данной книге, включаются непосред­ственно в сеть напряжением 120 В [Описанные здесь устройства можно также подключать к сети на-дряжением 127 В. — Прим. ред.]. Следует иметь в виду, что любая неправильно собранная и непроверенная схема, на которую подается на­пряжение питания, является потенциально опасной для человека. Поэтому радиолюбителям, у которых отсутствуют навыки работы с такими схе­мами, рекомендуется обращаться к более опытным товарищам для про­верки изготовленных устройств.

Некоторые из предлагаемых в книге устройств излучают маломощные широкополосные высокочастотные колебания, которые могут создавать помехи для бытовой радио- и телевизионной аппаратуры. Применение усилителей с более высоким коэффициентом усиления, чем рекомендовано в данной книге, или подключение к внешней антенне может привести к нарушению установленных правил пользования изготовленными устрой­ствами.

Дэвид Л. Хейзерман

Глава 1

 

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПОЛЬЗОВАНИЮ КНИГОЙ

Перед новичком, приступающим к построению электрон­ных устройств на основе интегральных схем (ИС), открыва­ется интересный и удивительный мир. Он получает возмож­ность, используя всего несколько недорогих компонентов, за несколько часов собрать такие устройства, создание которых сравнительно недавно потребовало бы знаний, способностей и терпения даже от искушенных радиолюбителей.

Применение интегральных схем позволяет сделать слож­ное простым и дорогое практичным. Интегральная микро­схема — это миниатюрное электронное устройство, состоящее из большого числа простых схем. Благодаря этому сборка какой-либо сложной схемы из многочисленных компонентов (транзисторов и других элементов) упрощается — радиолю­бителю достаточно лишь выбрать необходимую микросхему. Объединение данной микросхемы с другими ИС позво­ляет радиолюбителю создавать устройства, которые ранее были для него недоступны ввиду их конструктивной слож­ности.

При сборке устройств на основе интегральных схем дости­гается существенный экономический выигрыш. Если принять во внимание рыночную стоимость современных радиодеталей, то устройство на основе микросхем обходится покупателю в 40 раз дешевле устройства, собранного на дискретных эле­ментах и выполняющего ту же функцию. В качестве примера можно привести калькулятор, поступивший в продажу в на­чале 60-х годов. В настоящее время калькулятор, распола­гающий теми же вычислительными возможностями, стоит, примерно в 140 раз меньше. К тому же многие устройства, описанные в данной книге, сравнительно недавно радиолюби­тель просто не мог бы создать ввиду их слишком большой сложности и высокой стоимости.

Наконец, интегральные схемы позволяют значительно со­кратить время изготовления устройств благодаря тому, что большинство их наиболее сложных узлов продается уже в ви-де готовых микросхем. Поэтому от радиолюбителя требуется лишь включение соответствующих микросхем в определен­ной последовательности и сборка, которая при использовании транзисторов и радиоламп занимала обычно много дней, те­перь может быть выполнена за один вечер,

Если радиолюбитель уже имеет навыки работы с интег­ральными схемами, приобретенные из других источников, то данная книга ему также будет полезна. Хотя большинство устройств здесь рассчитаны на начинающих, опытные радио­любители найдут в книге множество полезных советов по применению простых интегральных схем для изготовления более сложных, интересных и полезных устройств. Эти советы рассчитаны на более опытных радиолюбителей с целью раз­вития у них инженерных навыков.



Короче говоря, в данной книге найдутся сведения для людей с различным уровнем опыта и знаний в области радио­электроники. Чтобы извлечь максимум пользы, радиолюби­телю следует постепенно накапливать свой опыт и знания. Начиная с изучения различных устройств и изготовления простых забавных игрушек, подойти к созданию более слож­ных изделий.



1.1. Выбор устройства

В данной книге на выбор предлагается свыше 100 различ­ных устройств (некоторые из них предложены в нескольких вариантах) и дается ряд общих рекомендаций для изготовле­ния более сложных устройств. И в то время как опытный радиоконструктор может просто выбрать то или иное устрой­ство, новичок растеряется от такого обилия вариантов.

Если у радиолюбителя нет уверенности, на чем остано­виться, или с чего начать, то следует сначала просмотреть оглавление. В соответствии с названиями глав в книге опи­сываются примерно 13 групп различных устройств, в том числе световые коммутаторы и звуковые сигнализаторы, простые схемы аварийной сигнализации и т. д.

В результате одна из тем, упомянутых в оглавлении, ув­лечет воображение радиолюбителя, что и послужит началом его работы. Вообще радиолюбителю не обязательно соблю­дать какую-либо последовательность выбора устройств для разработки, но настоятельно рекомендуется выбирать устрой­ства, соответствующие его возможностям и способностям. В каждой главе рассматриваются как весьма простые, так и бо­лее сложные устройства. Радиолюбитель должен сам решить, какое устройство в данной главе ему больше подходит.

Просматривая описания устройств в какой-либо главе, часто можно встретить общие рекомендации по выбору источ­ников питания постоянного тока. Иногда на схемах и в спе­цификациях к ним указывается определенный источник пи­тания, например батарея напряжением 9 В. В других случаях выбор источника питания для конкретного применения предот ставляется самому радиолюбителю.

В случае возникновения любых вопросов по источникам пи­сания радиолюбителю следует обратиться к соответствующим разделам в гл. 2, так как сначала ему придется изготовить один из описанных источников питания, прежде чем можно будет включить собранное устройство.

Таким образом, выбрав интересующую вас тему, надо отыскать затем в соответствующей главе нужное устройство. После этого необходимо полностью прочитать описание выб­ранного устройства, чтобы убедиться, что оно выполняет именно то, что требуется.


Иногда полезно и поучительно так­ же прочитать описание нескольких устройств одного и того же класса. При этом могут встретиться два различных уст­ройства, выполняющие в основном одинаковые функции. Смысл здесь состоит в том, чтобы радиолюбитель имел воз­можность собрать устройство из уже имеющихся у него ра« диодеталей или из купленных.

 

1.2. Проверка правильности выбора устройства

После выбора устройства радиолюбителю следует внима-тельно прочитать его описание и изучить соответствующую принципиальную схему с тем, чтобы убедиться, что все сим­волы и обозначения понятны. Он должен также подробно изучить спецификацию к принципиальной схеме.

Первое, что может вызвать трудность, — это смысл симво­лов и обозначений на рисунках принципиальных схем. В этом помогут разобраться примеры обозначений и пояснения к ним, приведенные в прилож. 1.

Для данной книги характерны две особенности использо­вания обозначений, о которых должен знать радиолюбитель. Номера выводов интегральных схем приводятся на принци­пиальных схемах не по порядку. Например, вывод 3 какой-либо интегральной схемы может оказаться рядом с выводом б, хотя в самой интегральной схеме эти выводы отделены друг от друга выводами 4 и 5.

Как показано во многих примерах прилож. 2, номера вы­водов интегральных схем отсчитываются одинаково. Вывод 1, радиолюбитель может отыскать с помощью ключа (метки), расположенного на интегральной схеме сверху. Таким клю­чом может быть небольшая зарубка с одного края интеграль­ной схемы или маленькая точка на пластмассовом корпусе рядом с выводом 1. Большинство упомянутых в данной книге интегральных схем имеет оба вида ключей.

Расположив микросхему так, чтобы ключ в виде зарубки находился сверху, можно определить номера остальных выч водов. Если на микросхеме ключ в виде точки, то он окажет­ся в верхнем углу. В любом случае в верхнем левом углу на­ходится вывод 1, а остальные выводы имеют нумерацию про­тив часовой стрелки, т.


е. вывод с наибольшим номером, окажется в верхнем правом углу. Проверить способ опреде­ления номеров выводов можно на примере интегральных схем (вид сверху), приведенных в прилож. 2.



Рис. 1.1. Два вида обозначе­ния пересекающихся и электри­чески соединяющихся провод­ников: а) старое обозначение, не используемое в этой книге; б) новое обозначение, приня­тое в данных принципиальных схемах.

В некоторых книгах и журналах для начинающих радио­любителей микросхемы даются в принципиальных схемах с номерами выводов по порядку, т, е, так, как они располо­жены при виде на интегральную схему сверху. Хотя на пер­вый взгляд для облегчения сборки схемы начинающим радио­любителям это и удобно, она выглядит более сложной, чем на самом деле. В принципиальных схемах настоящих элек­тронных устройств редко можно встретить изображения микросхем с расположением вы­водов по порядку номеров, по­скольку это слишком усложняет рисунок.

Итак, вывод 5 будет всегда третьим выводом, считая от верхнего левого угла интеграль­ной схемы (вид сверху), неза­висимо от того, где он нарисо­ван в принципиальной схеме. По­этому можно часто встретить эле­менты одной и той же интеграль­ной схемы в различных местах принципиальной схемы. Предпо­ложим, что интегральная схема, обозначенная в спецификации ИСб, имеет в своем составе че­тыре отдельных элемента или узла, которые используются в че­тырех различных местах принци­пиальной схемы. Для удобства восприятия на принципиальной схеме различным частям микро­схемы (узлам, элементам) дается дополнительное буквенное обозначение. Так, радиолюбитель в одном месте найдет обо­значение ИС6-А, в другом месте — ИС6 — Б, а в третьем и чет­вертом местах — ИСе-в и ИС6-г. Все эти части находятся в корпусе одной микросхемы, и для их подключения исполь­зуются выводы с различными номерами.

Цель этого — получение принципиальной схемы в наибо­лее понятной форме. Попытка расположить все части микро­схемы в пределах одного общего прямоугольника лишь ус­ложнит принципиальную схему.



Наконец, следует различать на принципиальной схеме про­водники, которые соединяются вместе (припаиваются), и проводники, пересекающие друг друга без пайки. На рис. 1.1 Для сравнения приведено старое обозначение и новое обозна­чение, принятое в данной книге. На рис. 1.1, а электрическое соединение проводников показано темной точкой. Проводники, пересекающиеся на принципиальной схеме, но электрически не соединяемые друг с другом, вырисовываются с изгибом в одном из них. Это обозначение, как устаревшее, в данной книге не применяется.

В новом обозначении, которое введено в связи с растущим использованием довольно сложных интегральных схем, исклю­чен изгиб в точке пересечения электрически не соединяю­щихся проводников (рис. 1.1,6). Таким образом, два провод­ника на принципиальной схеме, пересекающиеся при наличии черной точки, электрически соединяются. Проводники же, пересекающиеся без черной точки, электрически не соеди­няются.

Необходимо знать не только значение всех символов на принципиальной схеме, но и способы подсоединения компо­нентов. Иногда вовсе не имеет значения, какими концами включаются в схему некоторые компоненты. Например, ре­зисторы с постоянным сопротивлением и конденсаторы не­большой емкости могут включаться произвольно.

Однако весьма важное значение имеет правильное вклю­чение других элементов. Так, светодиоды имеют два вывода, порядок включения которых в отличие от резисторов и кон­денсаторов малой емкости имеет весьма существенное значение: при обратной полярности соединения светодиод за­гораться не будет. Обратное включение электролитических конденсаторов может привести к выходу их из строя. Если радиолюбитель не умеет определить вывод 1 и последующие остальные номера выводов интегральных схем, то бесполезно пытаться использовать их в устройстве; обратное включение силового трансформатора может привести к серьезным по­следствиям.

Однако не следует огорчаться заранее. В прилож. 2 при­водятся необходимые сведения о соответствии между симво­лами и обозначениями, применяемыми в принципиальных схемах, и о способах практического подключения радиоком­понентов.


Приложение 2 включает довольно обширную ин­формацию, но радиолюбителю необходимо отыскать лишь компоненты, используемые в выбранном устройстве.

 

1.3. Подбор радиокомпонентов

Список радиокомпонентов (спецификация), имеющийся в каждой принципиальной схеме, позволяет радиолюбителю подобрать все необходимые элементы для сборки выбранного устройства. Номиналы, данные по каждой радиодетали в спецификации, нужны для правильного их подбора. Можно также использовать радиодетали из старых, ранее собранных радиолюбителем устройств. При выборе радиодеталей радио­любитель должен строго придерживаться данной специфи­кации. Большинство описываемых в данной книге устройств максимально упрощено, поэтому они не могут работать без какого-либо компонента.

 

1.4. Изготовление макета выбранного устройства

Предположим, что радиолюбитель выбрал устройство, изу­чил принципиальную схему, убедился, что он понял, как ее собирать, и подобрал все необходимые радиодетали. Следую­щим этапом после этого должна быть сборка промежуточного варианта или макета.

Опытные радиотехники и радиоинженеры считают сборку макета необходимой перед окончательным изготовлением уст­ройства. Закон Мёрфи «Если что-нибудь может пойти не так, то так оно и будет» общепризнан как неписанное правило на всех уровнях в радиоэлектронике. И когда что-то идет не так, гораздо проще искать и устранить неисправности во времен­ном макете устройства, чем в его окончательном варианте. Ибо одно неправильное соединение может сразу перечеркнуть все то время, деньги и усилия, затраченные на изготовление устройства в окончательной сборке.

Макетирование устройств на основе интегральных схем практикуется сейчас настолько широко, что промышленность начала выпускать конструкторские наборы, упрощающие эту задачу. Основным элементом таких наборов при макетирова­нии является беспаечная соединительная плата.

На такой соединительной плате за несколько секунд мо­гут монтироваться почти любые используемые в схемах ра­диодетали, включая интегральные микросхемы.


На рис. 1. 2 показан один из примеров беспаечной соединительной платы. Соединительные платы выпускаются различных размеров. Некоторые из устройств, описанных в данной книге, требуют применения плат больших размеров. При желании радиолки битель может использовать две платы меньших размеров, но более удобно и выгодно приобрести одну большую соедини­тельную плату.

Все указанные в данной книге резисторы, за исключением нескольких постоянных резисторов, имеют номинальную мощ­ность 0,25 Вт. Резисторы с более высоким номиналом мощ­ности из-за увеличенных размеров выводов невозможно мон­тировать на соединительной плате.

Некоторые беспаечные соединительные платы выпускаются с вмонтированным источником питания, что весьма удобно, но дорого. Поэтому экономически более выгодно приобрести более дешевую плату и изготовить один из источников пи­тания, описанных в гл. 2.



Рис. 1.2. Пример сборки макета на беспаечной соединительной плате.

Итак, радиолюбителю для начала при сборке устройств следует иметь в наличии беспаечную соединительную плату. Если макет полностью выполнил свои функции и больше не нужен, то его можно разобрать и использовать эти радиоде­тали для других целей. После сборки макета необходимо проверить его работу. Если макет вообще не работает, то следует снова проверить всю монтажную схему и правиль­ность применения радиодеталей по спецификации с целью устранения возможных ошибок. В разд. 1.5 приведены неко­торые рекомендации по проверке электронных схем.

Радиолюбителя может также не удовлетворять работа собранного устройства. Возможно, что он ожидает одного ре­зультата, а на деле устройство работает совсем иначе. В этом случае изготовление первоначального макета позволит сэко-номить время, которое было бы затрачено на сборку оконча­тельного варианта устройства.

Использование макета дает возможность большого выбора радиодеталей с другими номинальными значениями парамет­ров. В описаниях некоторых устройств предлагается исполь­зовать радиодетали с разными номиналами для получения тех или иных результатов.


В этих случаях макет позволяет быстро и легко заменить одни радиодетали другими.

Применение макетов обеспечивает также огромные воз­можности для изучения различных устройств и в основном электронной аппаратуры на базе интегральных схем. Радио­детали и точки соединения в макете легко доступны для под­ключения контрольно-измерительных приборов. Подбирая ра­диодетали с различными номинальными величинами, можно определять их влияние на работу устройства в целом. Затра­тив вечер на работу с макетом, радиолюбитель приобретает опыт и знания, которые дает целый курс занятий в специали­зированном кружке по радиоэлектронной технике.

 

1.5. Рекомендации по поиску и устранению неисправностей

Большинство впервые собранных и проверенных схем обычно работает не так, как требуется, что соответствует уже упомянутому закону Мёрфи, распространяющемуся как на опытных радиолюбителей, так и на новичков. Если схема работает абсолютно правильно, то либо радиолюбитель при сборке был очень внимательным, либо ему очень повезло.

Первое, чего не должен делать радиолюбитель, если схема не работает, — это предаваться панике. Не следует сердить-ся на радиодетали и затрачивать излишние эмоции, которые можно было бы поберечь для пользы дела. Для начала надо посмотреть, нет ли ошибок в монтажной схеме, так как каж­дый радиолюбитель то и дело допускает ошибки такого рода, И чем сложнее схема, тем больше вероятность сделать ошиб­ку, особенно если радиолюбитель собирает ее частями, т. е, делает несколько соединений в один вечер, несколько соеди­нений в следующий вечер и т. д.

При этом необходима двойная проверка по принципиаль­ной схеме с тем, чтобы убедиться, что каждый проводник подсоединен и находится на своем месте. Надо проверить также полярность подключения радиодеталей, правильность определения номеров выводов интегральных схем и все про­чие подобные факторы. Следует иметь в виду, что пропущен­ное или неправильное соединение или перепутанная поляр­ность могут полностью вывести схему из строя.



Теперь допустим, что даже после двойной проверки схема все же не работает. В этом случае нужно воспользоваться контрольно-измерительными приборами. Практически для проверки любого из устройств, описанных в данной книге, достаточно иметь лишь один многофункциональный измери­тельный прибор, хотя иногда могут потребоваться и более сложные приборы.

Следует проверить напряжение источника питания и убе­диться, что оно находится в заданных пределах. Так же надо проверить полярность подключения источника питания, чтобы исключить возможное перепутывание клемм «плюс» и «ми­нус». Затем с помощью вольтметра необходимо измерить на­пряжение питания на всех интегральных схемах. На принци­пиальной схеме обычно указано, какие выводы подключаются к положительной клемме, а какие — к отрицательной. Такая проверка может выявить неправильные соединения, которые остались незамеченными при визуальном осмотре.

Если, например, на выводе 14 определенной интегральной схемы должно быть напряжение +5 В, а практически его нет, то несомненно, что отсутствует контакт. Такая неисправность связана либо с некачественными соединениями в плате ма­кета, либо с внутренним обрывом в проводнике, что не обнаруживается при визуальном осмотре. В то же время с помощью вольтметра такая неисправность обнаруживается очень легко.

Существует также вероятность того, что радиолюбителю попадается неисправный полупроводниковый прибор — свето-диод, диод, транзистор или интегральная схема. Эти радио­детали сами по себе не выходят из строя, так что радиолюби­тель должен допускать возможность того, что они пришли в негодность раньше, возможно, при неправильном включении в другой схеме. Если источник поступления радиодеталей на­дежен, такие дефекты сводятся к минимуму.

Независимо от причин неисправности единственной досто­верной проверкой является замена отказавшего полупровод­никового прибора на заведомо годный. Для новичков это мо­жет показаться довольно трудоемким, поскольку будет Означать замену последовательно каждого полупроводнико­вого прибора в изготовляемой схеме.



Опытным радиолюбителям не придется прибегать к пол­ной переделке схемы, так как они знают назначение каждого компонента в схеме. И если какой-либо компонент не выпол­няет этого назначения, то он является наиболее вероятным кандидатом для замены.

В случае если все проверки и перепроверки не дадут поло­жительного результата, радиолюбитель должен сначала выя­вить свои собственные ошибки, а затем уже переходить к поиску неисправных полупроводниковых приборов (пассив­ные радиодетали, такие, как резисторы и конденсаторы, отка­зывают крайне редко).

 

1.6. Сборка окончательного варианта схемы

Если схема работает нормально, радиолюбитель может изготовить окончательный вариант выбранного устройства. Однако, прежде чем сделать это, надо подумать, поскольку изготовление окончательного варианта требует больших за­трат во времени и средств, чем изготовление устройства в виде макета.

Для окончательного изготовления устройства необходимо иметь две вещи: средства для монтажа радиодеталей и кор­пус. Переключатели, шкалы и лампочки или светодиоды мон­тируются обычно на корпусе, но бывают исключения, так что в этих случаях радиолюбителю поможет здравый смысл. Малогабаритные компоненты, чтобы они не были на виду, монтируются на внутренней плате.

Для монтажа радиодеталей сейчас выпускаются платы нескольких типов. Самым удобным, но и самым дорогостоя­щим является использование собранного макета, который раз­мещается в корпусе вместе с другими необходимыми компо­нентами. Такой способ нежелателен, если радиолюбитель намерен использовать ту же беспаечную соединительную плату для изготовления макетов других устройств.

Другим способом монтажа радиодеталей является при­клеивание резисторов и конденсаторов на одной стороне платы с отверстиями. При таком способе для монтажа транзисторов и интегральных схем необходимо использовать гнезда, причем такие гнезда или держатели так же приклеиваются. После этого к контактам и выводам радиодеталей подпаиваются отрезки проводников с обратной стороны платы.


Такой способ монтажа является как дешевым, так и сравнительно простым.

Третий способ монтажа радиодеталей является разновид­ностью второго. При этом пайка отрезка проводников к кон­тактам и выводам производится аналогичным образом, но пассивные компоненты и гнезда или держатели ставятся не на клей, а припаиваются. Для этого используется специальная плата с площадками медной фольги с одной стороны платы. На такой плате всегда имеются несколько площадок и отвер­стий, электрически соединенных между собой через фольгиро-ванные проводники, что упрощает прокладку и припайку необходимых проволочных проводников. Такой способ яв­ляется более дорогим, чем использование простых плат с от­верстиями, но схемы при этом получаются аккуратнее и на­дежнее.

Четвертый, совершенно отличный от описанных выше спо­соб монтажа радиодеталей предусматривает изготовление специальной печатной платы. Для этого требуется выполне­ние значительной работы по ее проектированию, но в конеч­ном итоге получается более аккуратная и простая для сборки схема, чем при изготовлении первыми тремя способами.

Процесс изготовления печатной платы с необходимым ри­сунком печатных проводников начинается с выбора односто­ронней фольгированной платы из гетинакса или стеклотексто­лита. Далее изготовляется рисунок общего расположения ра­диодеталей на плате и в точках нахождения их выводов или контактов просверливаются отверстия необходимого диамет­ра. При продумывании общего расположения радиодеталей следует иметь в виду, что сами радиодетали будут монтиро­ваться на изолированной стороне платы, а пайка их выводов и контактов — с фольгированной стороны платы. При этом отсчет номеров выводов интегральных схем должен произво­диться в обратном порядке относительно их расположения на виде сверху. Другими словами, вывод 1 будет первым штырьком в правом верхнем углу, а остальные выводы отсчи­тываются в направлении по часовой стрелке.

После выбора расположения радиодеталей и просверли­вания монтажных отверстий необходимо нанести специаль­ную, стойкую к травлению пасту на медную фольгу вокруг каждого отверстия и в местах прохождения будущих провод­ников между контактными площадками. При этом ни в коем случае не следует забывать, что номера выводов интеграль­ных схем отсчитываются в обратном порядке!



По окончании вычерчивания на фольге проводников и кон­тактных площадок надо проверить правильность нанесения рисунка и толщину слоя пасты. При необходимости изменить рисунок, нанесенный на медную фольгу, нужно удалить на этом месте пасту, воспользовавшись обычной карандашной резинкой. Последующая операция травления напоминает, в некотором роде процесс проявления фотоснимков, но при этом темной комнаты не требуется. Для выполнения травле­ния плата помещается фольгой вверх в неглубокую неметал­лическую кювету, в которую заливается травящий раствор до уровня, обеспечивающего полностью погруженное состояние платы. При легком покачивании кюветы можно видеть, как незащищенная медная фольга постепенно растворяется. Вся операция травления занимает примерно 20 мин и заканчи-вается после полного растворения медной фольги, за исклю­чением нанесенного пастой рисунка. Затем производится про­мывка проточной водой в течение не менее чем 10 мин. За­щитная паста может быть удалена любым углеводородным растворителем, включая раствор для смывания маникюра. После промывки зачистка печатного рисунка производится порошковой окисью железа или мелкозернистой шкуркой.

При правильном выборе расположения радиодеталей и выполнении травления остальная часть работы довольно про­ста. Радиодетали монтируются в соответствующих отвер­стиях и затем припаиваются. Таким образом, радиолюбите­лем изготовляется собственная печатная плата для выбран­ного устройства. Все четыре описанных способа монтажа имеют свои преимущества и недостатки, так что оптималь­ный их выбор остается за самим радиолюбителем.

После размещения собранной платы в корпусе необходи­мо удостовериться, что ни одно соединение не касается ме­таллических поверхностей. Одним из надежных способов исключения таких касаний является использование корпуса собственной конструкции из пластмассы или дерева. Подхо­дящий по размерам и форме корпус можно найти также в магазине.

Окончательная сборка устройства весьма проста и вклю­чает просверливание в корпусе нескольких отверстий для установки переключателей, лампочек и потенциометров, а также припаивание нескольких проводников между лицевой панелью корпуса и платой.


Следует сделать эти проводники по возможности длиннее, чтобы удобно было снять лицевую панель, когда понадобится сменить батареи питания или удалить неисправности в схеме. В целом устройство должно быть аккуратным и компактным, однако не следует забывать также о простоте доступа к радиодеталям, которые со вре­менем могут потребовать проверки или замены.

 

Глава 2

 

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Для любого электронного устройства, будь то сложная ЭВМ или простой светосигнализатор, необходим источник электроэнергии. Поэтому каждая схема, описанная в данной книге, имеет определенный источник питания, причем, как правило, источник питания постоянного тока.

Наиболее подходящим источником электроэнергии, осо­бенно для описанных здесь маломощных устройств, являют­ся сухие батареи. В наши дни такие батареи широко изве­стны всем, так что описывать их подробно нет необходимо­сти. Другой подходящий источник — бытовая электросеть, обеспечивающая переменное напряжение 127 или 220 В. К сожалению, весьма мало интегральных схем могут вклю­чаться непосредственно в сеть. Обычно необходимо включе­ние преобразователя между сетью с напряжением 127 или 220 В и низковольтными устройствами, питающимися по­стоянным током. Такой преобразователь называется вторич­ным источником питания.

В данной главе наряду с использованием батарей уде­ляется большое внимание изготовлению источников питания постоянного тока. Как упоминалось выше, источник питания необходим радиолюбителю в любом устройстве. В некоторых случаях удобно использовать батареи, однако бывают ситуа­ции, когда лучше применить какой-либо другой источник пи­тания постоянного тока. И чем больше радиолюбитель будет знать с самого начала об этих источниках питания, тем луч­ше он будет подготовлен к изготовлению, проверке, наладке И применению устройств, описываемых в последующих гла­вах.

 

2.1. Батареи для электронных устройств

Батареи обычно подразделяются по величине напряжения, вырабатываемого в состоянии полной зарядки.


Наиболее ши­роко распространены номинальные напряжения 1,5; 6; 9 и 12 В. Из этой группы в небольших бытовых электронных устройствах чаще используются батареи напряжением 1,5 к 9 В. Батареи напряжением 6 и 12 В обычно применяются в устройствах с высоким потреблением мощности и в данной книге для описанных устройств не используются,

Тем не менее радиолюбитель встретит некоторые устрой­ства, где требуются напряжения 3 и 6 В. В этих случаях мо­гут использоваться две или четыре последовательно вклю­ченные батареи напряжением 1,5 В для получения нужного номинального напряжения. Например, получить напряжение 3 В можно путем подключения клеммы «-(-» батареи напря­жением 1,5 В к клемме « — » другой аналогичной батареи, а к двум другим клеммам этих батарей подсоединить само устройство.

Источник питания напряжением 6 В можно получить ана­логичным образом из четырех батарей напряжением 1,5 В., Для этого батареи соединяются попеременно положитель­ными и отрицательными клеммами, а к свободным положи­тельной и отрицательной клеммам подключается выбранное устройство. Одним из наиболее удобных способов последо­вательного соединения батарей является использование спе­циального держателя батарей, в котором уже имеются внут­ренние соединения.

В настоящее время промышленностью выпускаются 1,5-вольтные батареи нескольких типов, в том числе АА, С и D. Батареи типа АА — самые миниатюрные, типа С — несколько больших размеров и используются часто в портативных элек­тронных устройствах, например магнитофонах и радиоприем­никах. Более крупные батареи обычно применяются в мощ­ных фонарях.

Какими электрическими параметрами отличаются батареи этих типов? Батареи всех трех типов при правильном под­ключении к схеме вырабатывают в полностью заряженном состоянии напряжение 1,5 В. Таким образом, они имеют оди­наковое выходное напряжение, но по-разному его выраба­тывают. Чем больше размеры батареи, тем больше ее ем­кость, а для описанных в книге устройств это означает более длительное время их работы от такой батареи.


Следователь­но, батареи типа С обеспечивают более длительную непре­ рывную работу устройства, чем батареи типа АА.

Однако это вовсе не означает, что радиолюбителю следует выбирать более крупные батареи. Хотя они и увеличивают длительность непрерывной работы устройства, их размеры слишком велики. Использование же четырех батарей типа D для питания маломощных устройств, расходующих несколько микроватт мощности, непрактично.

Как правило, рекомендуется использовать батареи типа АА, когда это позволяет требуемая мощность, расходуемая выбранными устройствами. Большинство современных интег­ральных схем потребляет весьма малую мощность, поэтому в большинстве случаев выбор таких батарей будет наиболее оптимальным.

Батареи напряжением 9 В выпускаются одного типораз­мера. Более современные образцы батарей этого типа имеют повышенную емкость, но их более высокая стоимость вряд ли оправдывает их использование в описанных в данной кни­ге устройствах,

В отдельных устройствах радиолюбитель встретит вариант использования двух последовательно включенных 9-вольтных батарей, которые образуют источник питания напряжением 18 В. Такое напряжение необходимо лишь для некоторых наиболее сложных интегральных схем, выполненных на МОП-транзисторах. Эти 9-вольтные батареи имеют прямоуголь­ную форму и их наиболее удобно подключать с помощью спе­циальных зажимов.

Итак, практически в большинстве устройств с батарейным питанием, описанных в данной книге, применяются 1,5- или 9-вольтные батареи. При этом не имеет существенного зна­чения, являются ли батареи подзаряжаемыми или нет. Ни в одном из описываемых в книге устройств специально не требуется использования подзаряжаемых батарей (аккуму­ляторов), но при их подключении устройства будут работать так же хорошо, как и с сухими батареями.

Еще одна рекомендация относительно батарей: не следует использовать ртутные батареи. Несомненно, такие батареи обладают рядом достоинств, но имеют и ряд существенных недостатков, в том числе необходимость осторожного обра­щения при подключении к схеме, в которой возможны ко­роткие замыкания (что весьма часто бывает в радиолю­бительской практике).



 

2.2. Несколько замечаний о разряженных батареях

Конечно, нет ничего предосудительного в использовании батарей для электропитания электронных устройств, однако это не лучший способ питания экспериментальных схем. Ба­тареи разряжаются в процессе работы, вырабатывая со вре­менем все меньшую и меньшую энергию. Теперь допустим, что радиолюбитель только что закончил изготавливать одно из описанных в книге устройств и ждет с нетерпением, ко­гда оно заработает. Он подключает батарею с необходимым напряжением и... ничего не происходит. Радиолюбитель мо­жет затратить массу времени на поиски неисправности, тогда как единственной причиной неработоспособности схемы яв­ляется использование разряженных батарей.

Для исключения таких неприятностей следует использо­вать комплект новых батарей всякий раз, когда радиолюби­тель включает только что собранное устройство. Однако такой подход не всегда является достаточно практичным. Лучшим решением является применение вместо батарей элек­тронного источника питания. Когда радиолюбитель удосто­верится, что устройство находится в исправном состоянии, он может вместо источника питания подключить годные ба­тареи.

Как было указано выше в данной главе, источники пита­ния представляют собой электронную схему, преобразующую переменное напряжение бытовой электросети в более низкое напряжение постоянного тока, необходимое для питания ин­тегральных микросхем. Любой радиолюбитель, задумавший изготовить ряд различных устройств, должен иметь источник питания на соответствующее номинальное напряжение, о чем пойдет речь ниже.

 

2.3. Стабилизированный источник питания

постоянного тока 1 А напряжением 5 В

Стабилизированный источник питания постоянного тока 1 А напряжением 5 В является одним из самых полезных для радиолюбителя (рис. 2.1). Такой источник питания исполь­зуется для всех интегральных микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и применяется для большин­ства интегральных схем.





Рис. 2.1. Принципиальная схема стабилизированного источника питания постоянного тока 1 А напряжением 5 В.

MB1 — двухполупериодный выпрямитель мостового типа, на напряжение 60 В и ток 6 А; СН1 — стабилизатор напряжения типа 7805 на напряжение 5 В при токе 1 А; C1, С2 — электролитический конденсатор 100 мкФ, 50 В; Tpi — силовой трансформатор с выходным напряжением 12,6 В при токе 1,2 А; Л1 — неоновая лампочка на на­пряжение 120 В.

Этот источник питания называется стабилизированным в силу того, что его выходное напряжение 5 В остается неиз­менным при любых токах до 1 А. В противоположность это­му в нестабилизированных источниках выходное напряжение питания падает по мере увеличения потребляемого питае­мым устройством тока, что весьма нежелательно в устрой­ствах на интегральных схемах многих типов.

Через сетевую вилку переменное напряжение 120 В по­ступает на первичную обмотку силового трансформатора Три Переключатель Кл1 используется для включения и выключе­ния сети, а сигнальная лампочка Л1 указывает на наличие или отсутствие питания.

Радиолюбителю следует обратить особое внимание на монтаж и проверку этой схемы, поскольку на первичную обмотку силового трансформатора подается сравнительно высокое напряжение 120 В, которое может вызвать травмы и даже смертельный исход, если не относиться к этому как следует. Радиолюбитель, не имеющий опыта сборки подоб­ных схем, должен проверить собранную схему вместе с бо­лее опытным товарищем, прежде чем включить ее в сеть.

Во вторичной обмотке трансформатора напряжение по­нижается до 12 В и в худшем случае (если радиолюбитель в чем-то ошибся) силовой трансформатор перегорает. При нормальной работе схемы стабилизатор немного нагревает­ся, что не должно вызывать у радиолюбителя никакого бес­покойства. Можно несколько охладить стабилизатор путем его монтажа на теплоотводе, который либо покупают, либо изготавливают сами из квадратной алюминиевой пластины. В любом варианте необходимо, чтобы входные и выходные выводы стабилизатора не касались теплоотвода,



 

2.4.        Стабилизированный источник питания

постоянного тока 1 А напряжением 12 и 15В

В случае необходимости иметь напряжение питания 12 или 15 В радиолюбитель может изготовить вариант стаби­лизированного источника питания, описанного в разд. 2.3. Для получения напряжения 12 В используется принципиаль­ная схема с соответствующей спецификацией на рис. 2.1, но вместо стабилизатора типа 7805 вводится стабилизатор типа 7812, что довольно просто. Для получения напряжения 115 В используется та же принципиальная схема, но с заме­ной силового трансформатора и стабилизатора напряжения: Тр — силовой трансформатор с выходным напряжением 24 В при токе 1,2 А, стабилизатор напряжения — типа 7815.

 

2.5. Экономичные нестабилизированные источники питания постоянного тока напряжением 12 В

В некоторых электронных устройствах совсем не требует­ся использования стабилизированного напряжения питания. В таком случае можно изготовить гораздо более простой и дешевый источник питания, чем его стабилизированные ана­логи. Иногда можно также временно использовать нестаби­лизированный источник питания для проверки схемы. В дру­гих случаях радиолюбитель может ввести простой источник питания непосредственно в собранное устройство.

Основная принципиальная схема нестабилизированного .источника питания приведена на рис, 2.2, при этом спецификация дана для маломощного источника питания с выход­ным током 0,25 А. В нестабилизированных источниках пита­ния напряжением 12 В для более конкретных целей необхо­димо произвести замены, о которых речь пойдет ниже.

Принципиальная схема на рис. 2.2 весьма напоминает схему стабилизированного источника питания напряжением 5 В и отличается от нее отсутствием стабилизатора напря­жения. Кроме того, здесь необходим предохранитель, по­скольку при возникновении коротких замыканий схема ав­томатически не выключается, как это обеспечивается в ста­билизаторах напряжения типа 7800.





Рис. 2.2. Экономичный источник питания напряжением 12 В при токе 0,25 А.

МВ1 — двухполупериодный выпрямитель мостового типа на напряжение 50 В и ток 1 А; С, — электролитический конденсатор 100 мкФ, 35 В; Тр, — силовой трансфор­матор с выходным напряжением 12 В при токе 300 мА; Пред1 — предохранитель 0,25 А.

Радиолюбитель должен учитывать, что этот источник яв­ляется нестабилизированным, т. е. при отсутствии нагрузки выходное напряжение в нем может доходить до 18 В. Но­минальное напряжение 12 В вырабатывается источником лишь при номинальном потребляемом токе, а с его увеличе­нием выходное напряжение падает. Ввиду подобных коле­баний выходного напряжения рекомендуется перед включе­нием в сеть с помощью переключателя Кл1 подсоединить к источнику питания нагрузку, т. е. изготовленное устройство. В этом случае на устройство будет подано 12 В вместо на­пряжения 18 В, которое может вывести из строя интеграль­ные схемы на дополняющих или обычных МОП-транзисто­рах.

Для изготовления других вариантов источника питания необходимо внести изменения в спецификацию. 1) Нестабилизированный источник напряжения 12 В при токе 1 А:

Tp1 — силовой трансформатор на напряжение 12,6 В при токе 1,2 А;

MB1 — двухполупериодный выпрямитель мостового типа на напряжение 50 В при токе 6 А;

Пред1 — предохранитель 1 А,

2) Нестабилизированный источник напряжения 12 В при токе 3 А:

Tpi — силовой трансформатор на напряжение 12,6 В при

токе 3 А; MBi — двухполупериодный выпрямитель мостового типа

на напряжение 50 В при токе 6 А; Пред! — предохранитель 3 А.

 

2.6. Источник питания напряжением 5 и 12 В

Современной электронной промышленностью выпускают­ся интегральные схемы нескольких типов, и при применении в некоторых устройствах разнотипных интегральных схем могут потребоваться разные напряжения питания. В этом случае радиолюбителю необходимо иметь источник питания с несколькими выходными напряжениями.



Рис. 2.3. Источник питания напряжением 5 и 12 В.



МВ1 — двухполупериодный выпрямитель мостового типа на напряжение 50 В и ток 6 A; CHi — стабилизатор напряжения типа 7805; Тр, — силовой трансформатор С выходным напряжением 12,6 В при токе 1,2 A; Ct, С2 — электролитический кон­денсатор 100 мкФ, 35 В.

Наиболее полезным сочетанием являются напряжения 5 и 12 В постоянного тока, одинаковый положительный знак которых позволяет использовать общее заземление. При этом можно изготовить два отдельных источника питания, под­ключить общие соединения и получить таким образом один источник с двумя выходными напряжениями. Это в данном случае неэкономично, так как приходится использовать два дорогостоящих силовых трансформатора.

Существует более рациональный способ изготовления источника питания с одним силовым трансформатором и дву« мя выходными напряжениями, .принципиальная схема кото­рого показана на рис. 2.3. Этот источник выполнен по схеме, обеспечивающей получение стабилизированного напряжения б В при токе 1 А. Нестабилизированное напряжение +12 В снимается непосредственно с выхода выпрямителя мостового типа, т. е. до стабилизатора напряжения, причем в обоих случаях предусмотрена общая шина заземления. Отсутствие стабилизации напряжения 12 В не должно смущать радио­любителя, поскольку интегральные схемы с таким напряже­нием питания обычно рассчитаны на возможные его колеба­ния. Однако в цепи с напряжением 12 В следует поставить предохранитель, поскольку в ней не обеспечивается автома­тическое выключение, которое реализуется в цепи стабили­затора с напряжением 5 В.

 

2.7. Нестабилизированный источник напряжений + 6 В

В отдельных устройствах радиолюбитель может встре­тить интегральные схемы, требующие двух напряжений пи­тания одинаковой величины, но противоположной полярно­сти. Источник питания, описанный в данном разделе, может пригодиться в устройствах, где требуются напряжения +6 и — 6 В с общим заземлением.



Рис. 2.4. Источник питания напряжением ±6 В.

MB1 — двухполупериодный выпрямитель мостового типа на напряжение 50 В при токе 6 A; Tp1 — силовой трансформатор с отводом и с выходным напряжением 12,6 В; C1, С2 — электролитический конденсатор 470 мкФ, 35 В; Предг, Пред2 — предохранитель 0,5 А.



Следует отметить, что этот источник существенно отли­чается от источника с двумя выходными напряжениями, опи­санного в разд. 2.6 (рис. 2.3). В том источнике получаются два различных положительных напряжения, а в этом — по­ложительное и отрицательное напряжения.

При использовании трансформатора, указанного в спе­цификации к рис. 2.4, во внешнюю схему выдается ток 1 А. Поэтому здесь требуется на каждом выходе поставить пре­дохранитель на 0,5 А, в результате отдельно на каждом вы­ходе может быть получен ток 1 А. При необходимости полу­чить на каждом выходе ток 1,5 А следует использовать си­ловой трансформатор с током 3 А и поставить предохрани­тели на 1,5 А.

 

2.8. Регулируемый стабилизированный источник питания постоянного тока

Из всех лабораторных источников питания наиболее прак­тичным является регулируемый стабилизированный источник с возможным произвольным изменением выходного напряже­ния, которое к тому же будет стабилизированным. Такой источник может заменить несколько источников питания с различным нерегулируемым напряжением. Однако примене­ние регулируемого источника питания в изготовляемых устройствах нецелесообразно, поскольку он слишком громоз­док и дорог. Более всего он пригоден при наладке и про­верке различных новых схем, после чего к отлаженному и проверенному устройству следует подключить небольшой и недорогой источник питания с одним постоянным напряже­нием.



Рис. 2.5. Регулируемый стабилизированный источник питания постоянного тока.

МВ1 — двухполупериодный выпрямитель мостового типа на напряжение 50 В при токе 6 А; СН1 — регулируемый стабилизатор напряжения типа LM317; Tp1 — силовой трансформатор с выходным напряжением 12 В при токе 1,2 А; R1 — потенциометр 5 кОм; R2 — резистор 220 Ом, 0,25 Вт; R3 — резистор 10 кОм, 0,25 Вт; С1 — конден­сатор 0,1 мкФ; С2 — электролитический конденсатор 470 мкФ, 35 В; Л1 — неоновая лампочка на напряжение 120 В.

При использовании регулируемого источника питания не­обходимо установить на его выходе требуемое напряжение, прежде чем подключать его к собранной схеме.


Для этого нужно источник отсоединить от схемы, включить его в сеть, подключить на его выход вольтметр и установить по нему нужное напряжение. Только после этого источник подклю­чается к собранной схеме, причем, поскольку он является стабилизированным, его напряжение при подключении не изменится.

В источнике питания, принципиальная схема которого по-« казана на рис. 2.5, обеспечивается регулирование выходного напряжения в пределах 1,5 — 14 В, что достаточно для про­верки и наладки почти всех устройств, описанных в данной книге.

Другим достоинством регулируемого источника питания является возможность проверки работы схемы при снижении напряжения питания. Например, при сборке и проверке схе­мы с напряжением питания 9 В в источнике питания сначала устанавливается выходное напряжение 9 В. Ьсли схема ра­ботает нормально, можно проверить ее работоспособность при плавном снижении напряжения питания до 7 В, т. е. тем самым имитировать разрядку 9-вольтной батареи в конце срока службы до 7 В.

Как и большинство приборов со стабилизацией напряже­ния, стабилизатор напряжения LM317 в этом регулируемом источнике питания при работе нагревается. При необходи­мости охлаждения стабилизатора напряжения может исполь­зоваться теплоотвод в наборе с корпусом типа ТО-3. Монтаж этого теплоотвода производится в соответствии с прила­гаемой к теплоотводу инструкцией. Для повышения эффек­тивности работы теплоотвода можно использовать теплоотво-дящий компаунд, который наносится тонким слоем между корпусом стабилизатора и изолятором из слюды. Все эти меры обеспечивают снижение температуры стабилизатора до допустимого уровня.

 

2.9. Развязывающий трансформатор на переменное напряжение 120 В

Кроме описанных выше стабилизированных источников питания в некоторых устройствах, приведенных в данной книге используется непосредственное включение в сеть с на­пряжением 120 В. В описаниях таких устройств приводятся рекомендации по их модификации с целью применения в ка­честве средств управления бытовыми электроприборами, ко­торые также включаются в сеть с напряжением 120 В.





Рис. 2.6. Принципиальная схема самодельного развязывающего трансфор­матора на напряжение 120 В.

Л1 — неоновая сигнальная лампочка; Tp1, Tp2 — силовой трансформатор с выходным напряжением 12,6 В при токе 1,2 А.

Непосредственное использование напряжения 120 В от розетки может быть опасным, и начинающий радиолюбитель должен знать, как обращаться с потенциально опасными источниками питания, прежде чем использовать их в различ­ных экспериментах.

Одним из методов снижения риска получить электриче­ский удар является использование развязывающего транс­форматора. Такой трансформатор включается непосредствен­но в розетку электросети с напряжением 120 В и вырабаты­вает такое же напряжение на выходе. Безопасность работы состоит в том, что выход трансформатора электрически изо­лирован от сети, благодаря чему прикасание к элементам схемы, другому электрооборудованию или к заземленным трубам исключает получение электрического удара.

Единственным недостатком развязывающих трансформа-торов является их высокая стоимость, однако такой транс­форматор можно сделать самому, что обойдется недорого. Как показано на рис. 2.6, схема включает два идентичных силовых трансформатора. Первичная обмотка одного из них включается прямо в сеть через стандартную вилку. Низко­вольтная вторичная обмотка этого трансформатора соеди­няется с низковольтной вторичной обмоткой второго транс­форматора Тр2, который повышает обратно напряжение до 120 В, являющееся уже относительно неопасным.

Таким образом, трансформатор Tp1 понижает напряжение 120 В, а трансформатор Тр2 повышает его обратно до 120 В, при этом выход схемы абсолютно изолирован от сети. Нео­новая сигнальная лампочка и переключатель (Кл1) введены в схему исключительно для удобства пользования развязы­вающим трансформатором. Собранный по предлагаемой схе­ме, он рассчитан на питание устройств и бытовых электро­приборов с расходуемой мощностью ниже 144 Вт. При ее превышении трансформаторы будут греться, а выходное на­пряжение будет ниже 120 В.

 


Содержание раздела

---

---