Основы электроники для начинающих

Постоянное и переменное напряжение

Напряжение бывает бывает постоянным и переменным. В разговорной речи часто можно услышать “постоянный ток” и “переменный ток. Постоянный ток и постоянное напряжение – это синонимы, то же что и переменный ток и переменное напряжение.

На примере выше мы с вами рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды на дно башни в течение времени постоянно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на дно башни. Вроде бы все элементарно и просто. Но какое же напряжение называют переменным?

Все любят качаться на качелях:

Сначала вы летите в одном направлении, потом происходит торможение, а потом уже летите обратно спиной и весь процесс снова повторяется. Переменное напряжение ведёт себя точно так же. Сначала “электрическое давление” давит в одну сторону, потом происходит процесс торможения, потом оно давит в другую сторону, снова происходит торможение и весь процесс снова повторяется, как на качелях.

Тяжко для понимания? Тогда вот вам еще один пример из знаменитой книжки “Первые шаги в электронике” Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень у нас находится в движении. Следовательно, молекулы воды у нас отклоняются то в одну сторону:

то в другую:

переменное напряжение

Так же ведут себя и электроны. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Столько-то колебаний в секунду называется Герцем. В литературе пишется просто “Гц”. Тогда получается, что колебание напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора на электростанциях. В разговорной речи постоянное напряжение называют “постоянкой”, а переменное – “переменкой”.

Осциллограммы постоянного и переменного напряжения

Давайте рассмотрим, как выглядит переменное и постоянное напряжение на экране осциллографа. Как вы знаете, осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подавать никакое напряжение, то на осциллограмме мы увидим простую прямую линию на нулевом уровне по оси Y. Ось Y – это значение напряжения, а ось Х – это время.

осциллограмма нулевого напряжения

Давайте подадим постоянное напряжение. Как вы могли заметить, осциллограмма постоянного напряжения  – это также прямая линия, параллельная оси времени. Это говорит нам о том, что с течением времени значение постоянного напряжение не меняется, о чем нам лишний раз доказывает осциллограмма.

осциллограмма постоянного напряжения

А вот так выглядит осциллограмма переменного напряжения. Как вы видите, напряжение со временем меняет свое значение. То оно больше нуля, то оно меньше нуля.

осциллограмма переменного напряжения

Также отличное объяснение темы можно посмотреть в этом видео.

Резюме

Главное предназначение транзистора – управление большой силой тока с помощью малой силы тока, то есть с помощью маленького базового тока мы можем регулировать приличный коллекторный ток.

Есть критического значение базового тока, которые нельзя превышать, иначе сгорит переход база-эмиттер. Такая сила тока через базу возникает, если потенциал на базе будет более 5 Вольт в прямом смещении. Но лучше даже близко не приближаться к такому значению. Также не забывайте, чтобы открыть транзистор, на базе должен быть потенциал больше, чем 0,6-0,7 Вольт для кремниевого транзистора.

Резистор в базе служит для ограничения протекающего  тока через базу-эмиттер. Его значение выбирают в зависимости от режима работы схемы. В основном это граница насыщения транзистора, при котором коллекторный ток начинает принимать свои максимальные значения.

При проектировании схемы не забываем, что лишняя мощность рассеивается на транзисторе. Самый щадящий режим – это режим отсечки и насыщения, то есть лампа либо вообще не горит, либо горит на всю мощность. Самая большая мощность будет выделяться на транзисторе в том случае, если лампа горит в пол накала.

Важные даты и факты

   15 апреля 1994 года – Основание компании «Специальная электроника». Первое направление деятельности компании – установка и обслуживание мини-АТС.

1995 год – Открыто направление  «Системы охранно-пожарной сигнализации и пожаротушения»

   1996 год – Компания начала поставку и установку кондиционеров. Установлена первая система видеонаблюдения

   1997 год – Открыто направление «Системы вентиляции, отопления и водоснабжения»

  1998 год – Установлены первые автоматические ворота. Открыто направление «Системы ограничения доступа»

   2001 год – Открыто направление «Системы электроснабжения»

   2002 год – Начато собственное производство воздуховодов

   2008 год – Переезд в собственное новое офисное здание по адресу пр-д Полюсный, 39

   2011 год – Установлен первый встроенный пылесос. Открыто направление «Системы центрального пылеудаления».

Надёжность электронных устройств

Надёжность электронных устройств складывается из надёжности самого устройства и надёжности электроснабжения. Надёжность самого электронного устройства складывается из надёжности элементов, надёжности соединений, надёжности схемы и др. Графически надёжность электронных устройств отображается кривой отказов (зависимость числа отказов от времени эксплуатации). Типовая кривая отказов имеет три участка с разным наклоном. На первом участке число отказов уменьшается, на втором участке число отказов стабилизируется и почти постоянно до третьего участка, на третьем участке число отказов постоянно растёт до полной непригодности эксплуатации устройства.

Статор асинхронного двигателя

Статор асинхронного двигателя представляет из себя сердечник, состоящий из пластин электротехнической стали и содержащий в себе медные обмотки, которые определенным образом уложены в пазах статора.

Как было упомянуто, сердечник статора состоит из пластин, которые изолированы друг от друга. С внутренней стороны статора есть пазы

в которые укладывается изоляция

Далее в эти пазы наматывается медный лакированный провод определенным образом, который представляет из себя обмотки статора

Асинхронный двигатель имеет три “куска” медного провода

Которые определенным образом уложены в пазы статора под углом в 120 градусов друг относительно друга.

Все 6 концов обмоточных проводов выведены в клеммную коробку, которая находится на корпусе двигателя.

Статор двигателя, а точнее, размеры сердечника, количество катушек в каждой обмотке и толщина моточного провода из которого намотаны катушки определяют основные параметры двигателя. Например, от числа катушек в каждой обмотке зависит номинальное число оборотов двигателя, а от толщины провода, которым они намотаны, зависит номинальная мощность двигателя. Количество обмоток для трехфазного асинхронного двигателя всегда равно трем. А вот количество катушек в каждой из этих обмоток разное. Катушки могут наматывать в один или два провода. Учитывая, что номинальное число оборотов двигателя обратно пропорционально номинальной нагрузке, можно смело сказать, что скорость вращения вала асинхронного двигателя будет уменьшаться при увеличении нагрузки. Если при работе двигателя начнут уменьшаться его обороты из-за роста нагрузки, то не остановка этого процесса может привести к полной остановке двигателя. Двигатель начнет сильно гудеть, вал ротора не будет крутиться – возникнет сильный нагрев катушек, с последующим разрушением изоляции моточного провода, что приведет к короткому замыканию и возгоранию обмоток.

Реальное фото статора одного из асинхронного двигателя выглядит вот так.

Описание и работа схемы

По даташиту модуль контроллера заряда держит до 6,8 Вольт напряжение по входу – сгореть не должен. Если аккумулятор новый, можно купить под него кейс-панельку. Это позволит быстро заменять аккумуляторы или извлекать их на зиму.

Итак, солнечная панель выдаёт в пике примерно 320 мА в час. С потерями на зарядном модуле пусть будет 250 мА приходящих на аккумулятор. За летний день, в идеале, возможно запасти более 2000мАч на аккумуляторе, если, конечно, у него достаточная ёмкость. Не все дни солнечные, поэтому, пусть будет 1000мАч. Исходя из этой цифры соберём светильник. Он должен работать от 4 Вольт и потреблять не больше 300 мА.  Соответственно нужны светодиоды с малым напряжением (2 Вольта). Можно и на 3 Вольта, но тогда гореть будут не во всю мощь.

Подобные светодиоды на 2 Вольта  нашлись в одной из перегоревших светодиодных ламп. Там были SMD светодиоды, напряжением 2,2 Вольта и током потребления примерно 30мА.

В сборе все это выглядит примерно вот так:

вольтметр и выключатель

Солнечная панель была прикреплена с внутренней стороны окна маленьким уголком и герметиком. Конечно, угол наклона и ориентация панели по солнцу не идеальные, но свои 5 вольт и минимум 100-150 мА она выдает с лихвой.

В качестве корпуса для светодиодной сборки был выбран неисправный кухонный электролюминесцентный светильник. Все лишние внутренности были выброшены. Получилось вполне цивилизованно.

При подаче напряжения  4 вольта с аккумулятора, светильник потребляет меньше 160мА. Это означает, что у собранной нами системы положительный электрический баланс – энергии вырабатывается больше чем тратится. Следовательно, в перспективе можно добавить светодиодов на светильник, либо какие-нибудь ещё потребители электроэнергии. По себестоимости подобный светильник выходит немного дешевле китайской аналогичной конструкции, однако по характеристикам будет его превосходить.

Мотор-колесо

В основном выделяют два типа мотор-колес:

• Редукторные мотор-колеса
• Мотор-колеса с прямым приводом

Редукторные мотор-колеса

Редукторные мотор-колеса представляют из себя вентильные двигатели. Что представляет из себя вентильный двигатель? Вентильный двигатель – это подвид двигателя постоянного тока, но у него нет щеточно-коллекторного узла. То есть там нечему изнашиваться, кроме подшипников. В таких вентильных двигателях положение ротора определяется с помощью датчиков Холла.

Давайте рассмотрим, из чего состоит мотор-колесо редукторного типа.

Как и в любом двигателе, здесь мы можем увидеть ротор и статор. Статор нашего двигателя состоит из сильных неодимовых магнитов, а ротор из медной обмотки.

С другой стороны такого двигателя можно увидеть редукторный механизм, состоящий из трех шестеренок, которые сделаны из твердого пластика

Они вставляются в корзинку двигателя и сцепляются с ней при езде.

Очень часто можно услышать, что пластиковые шестеренки производители ставят специально, чтобы ваш двигатель как можно быстрее сломался, и вы побежали покупать новый. Все это голимый бред. Пластиковые шестеренки при езде очень слабо шумят, в отличие от железных, и их вес намного меньше. Если не рвать с места и не кататься как угорелый, то таких пластиковых шестеренок хватает на 9 000-10 000 км пробега. Стоит весь комплект таких шестеренок в сборе около 1000 рублей на момент написания статьи.

Плюсы редукторных мотор-колес

маленькие габариты

хорошая тяга

свободный накат (газанули и едем по инерции)

приемлемая цена

велосипеды с такими мотор-колесами очень комфортны для езды по густонаселенному городу

Минусы редукторных мотор-колес

износ пластиковых шестеренок

максимальная скорость не боле 40 км/ч

Мотор-колеса с прямым приводом

Такие мотор-колеса можно сразу узнать по большим габаритам двигателя в ободе колеса. Их движки намного меньше в ширину, чем двигатели редукторных мотор-колес, но в диаметре они раза в два, а то и в три больше. Все зависит от мощности.

Самое главное отличие от их собратьев – это то, что они не имеют редуктора, состоящего из шестеренок и корзины. Крутящий момент передается сразу напрямую.

Статор, как и в редукторном мотор-колесе, состоит из неодимовых магнитов, а ротор из медной обмотки.

Плюсы мотор-колес с прямым приводом

надежность, так как не имеют пластиковых шестеренок

можно выжать хорошую мощность

мотор-колеса такого типа скоростные, так как крутящий момент передается напрямую

проще в обслуживании

Минусы мотор-колес с прямым приводом

стоят дороже, чем редукторные двигатели

плохо тащат на малых скоростях и в горку, так как имеют слабый момент на низких скоростях

имеют большие габариты, в отличие от своих собратьев

имеют бОльший вес

требуют бОльшее напряжение и мощный контроллер

Виды двигателей для мотор-колес

Двигатели для мотор колес различают трех видов:

• переднее мотор-колесо (front-motor)
• заднее мотор колесо под трещотку (rear-thered motor)
• заднее мотор-колесо под кассету (rear-cassette)

Переднее мотор-колесо

Самое простое в установке – это мотор колесо на переднюю вилку велосипеда. Купил – поставил – забыл.

Его ширина 10 см. Такой двигатель подходит почти под все передние вилки велосипедов. Но перед покупкой все равно измерьте расстояние между дропаутами своего велосипеда.

Двигатель под трещотку

Двигатель под трещетку устанавливается на заднее колесо велосипеда.

Отличительная особенность таких двигателей – это резьба на одной из сторон двигателя

То есть по сути ширина такого двигателя заменяет втулку под трещотку на вашем велосипеде, где также можно увидеть резьбу:

Двигатель под кассету

Если на вашем велосипеде на задней оси стоит втулка под кассету

то вам надо также покупать двигатель под кассету, чтобы уже не покупать новый блок звезд.

Для того, чтобы быстро узнать, какой двигатель вам требуется, чтобы не покупать новый блок звезд, вот ссылочка на хорошую статью.

Что по брендам?

В настоящее время почти все мотор-колеса производятся в Китае. Судя по отзывам в интернете, очень ценятся двигатели фирмы Bafang

На второе место я бы поставил двигатели MXUS

Эти два бренда чуть дороже, чем их собратья. Хотя, двигатели других китайских производителей тоже очень качественные и надежные. Переплачивать или нет, решать вам.

Области электроники

Можно различать следующие области электроники:

• физика (микромира, полупроводников, электромагнитных волн, магнетизма, электрического тока и др.) — область науки, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами,
• бытовая электроника — бытовые электронные приборы и устройства, в которых используется электрическое напряжение, электрический ток, электрическое поле или электромагнитные волны. (Например телевизор, мобильный телефон, утюг, лампочка, электроплита,.. и др.).
• Энергетика — выработка, транспортировка и потребление электроэнергии, электроприборы высокой мощности (например электродвигатель, электрическая лампа, электростанция), электрическая система отопления, линия электропередачи.
• Микроэлектроника — электронные устройства, в которых в качестве активных элементов используются микросхемы:
  • оптоэлектроника — устройства в которых используются электрический ток и потоки фотонов,
  • аудио-видеотехника — устройства усиления и преобразования звука и видео изображений,
  • цифровая микроэлектроника — устройства на микропроцессорах или логических микросхемах. Например: электронный калькулятор, компьютер, цифровой телевизор, мобильный телефон, принтер, робот, панель управления промышленным оборудованием, средствами транспорта, и другие бытовые и промышленные устройства.

Электронное устройство может включать в себя самые разные материалы и среды, где происходит обработка электрического сигнала с использованием разных физических процессов. Но в любом устройстве обязательно имеется электрическая цепь.

Изучению различных аспектов электроники посвящены многие научные дисциплины технических вузов.

История твердотельной электроники

Термин твердотельная электроника появился в литературе в середине XX века для обозначения устройств на полупроводниковой элементной базе: транзисторах и полупроводниковых диодах, заменивших громоздкие низкоэффективные электровакуумные приборы — радиолампы. Корень «тверд» использован здесь, потому что процесс управления электрическим током происходит в твёрдом теле полупроводника в отличие от вакуума, как это происходило в электронной радиолампе. Позднее, в конце XX века этот термин потерял своё значение и постепенно вышел из употребления, поскольку практически вся электроника нашей цивилизации начала использовать исключительно полупроводниковую твердотельную активную элементную базу.

Миниатюризация устройств

С рождением твердотельной электроники начался революционно быстрый процесс миниатюризации электронных приборов. За несколько десятков лет активные элементы уменьшились в десять миллиардов раз — с нескольких сантиметров электронной радиолампы до нескольких нанометров интегрированного на полупроводниковом чипе транзистора.

Литература

• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем. — Москва: Мир, 1982. — 512 с. — ISBN 5-222-00417-1.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. В 2-х томах. Учебник-справочник-энциклопедия. Пер. с нем. — Москва: ДМК Пресс, 2008.
• Гейтс Э. Д. Введение в электронику. — Ростов-на-Дону: Феникс, 1998. — 396 с. — ISBN 5-222-00417-1.
• Горбачёв Г. Н. Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника / Под ред. проф. В. А. Лабунцова. — Москва: Энергоатомиздат, 1988. — 320 с. — ISBN 5-283-00517-8.

Грабовски Б. Справочник по электронике. 2-е изд., испр. — Москва: ДМК Пресс, 2009. — 416 с. — ISBN 978-5-94074-472-6.

Жеребцов И. П. Основы электроники. 5-е изд. — Л: Энергоатомиздат, 1989. — 352 с. — ISBN 5-283-04448-3.