Электроника для начинающих

Рис. 1.15. Каждое устройство требует для работы подходящего напряжения

Каждая цепь потребляет определенное количество электрического тока. Если обеспечить ее малым током, цепь не будет работать или включится неправильно. Представьте себе, что вы находитесь на берегу полноводной реки. Допустим, мы установим трубу, из которой будет поступать вода, вращающая мельницу. Что произойдет? Труба наполнится водой, которая будет вращать мельничное колесо.

Рис. 1.16. Река с большой скоростью потока может обеспечить всю необходимую воду

Теперь представьте, что мы на берегу небольшой и ленивой речки, текущей с маленькой скоростью. Если мы установим водозаборную трубу в эту речку, ей будет сложно заполнить трубу, и мельничное колесо не будет вращаться. В моей лаборатории есть регулируемый источник питания, позволяющий выставлять нужное напряжения или ток. Чтобы включить цепь, которая требует 5 В и 1 А тока, я должен выставить напряжение ровно на 5 В (или чуть меньше). Если я повышу напряжение до 7 В, то цепь сгорит (не делайте этого!). Источник питания также имеет регулировку для тока. Если ток установлен на 0 А, то цепь выключена, даже если напряжение правильное, так как ток не поступает (в нашем примере с реками, я будто бы кладу трубу в высохшую реку без воды). Если повысить силу тока до 0,5 А, цепь может начать включаться. Некоторые устройства могут начать работать неправильно или даже повредиться! Доведя ток до одного ампера, цепь будет работать должным образом. Что произойдет, если довести ток до 15 А? Все взорвется? Нет! Это как если бы я опустил трубу в полноводную реку: труба полностью заполнится, и к мельнице будет поступать вся необходимая вода.

Рис. 1.17. Источники питания в лабораториях могут регулировать напряжение и ток

Мощность

Чтобы переместить любую вещь, нужно потратить энергию. Это справедливо даже для перемещения таких крошечных частиц, как электроны. Перемещение может происходить за разный промежуток времени: за одну секунду, за один час или один год. Чем быстрее движение, тем больше мощность. На одной пожелтевшей странице моей старой книги по физике показана формула, утверждающая, что мощность равна количеству энергии, поделенной на время: действие будет более мощным, если произойдет быстрее. Электрическая мощность измеряется в ваттах (Вт), в честь Джеймса Уатта, жившего в начале XIX века и исследовавшего паровые машины и тягловую силу, измеряя затраченное время и энергию. Электрическая мощность для электрических цепей может быть рассчитана путем умножения измеренного напряжения между выводами диполя на ток, проходящий через него.

P = U · I

Если у нас есть цепь, питающаяся от 9 В батарейки, и ток, в цепи 0,1 А, то потребляемая мощность будет равна:

P = 9 · 0,1 = 0,9 (Вт)

Эта формула позволяет точно рассчитать мощность для цепи постоянного тока. Для переменного тока формула расчета мощности другая – она сложнее, и мы не будем ее рассматривать.

Даже если результат будет приблизительным, мы могли бы использовать эту формулу мощности для определения тока, потребляемого каким-нибудь бытовым прибором. Если в инструкции или на корпусе фена для волос указана мощность 1000 Вт, а напряжение источника питания сети 220 В, можем рассчитать потребление тока:

Время и частота

Еще один важный параметр, с которым мы будем иметь дело в электронных схемах – это время. Как правило, при расчетах мы не используем время, как линейную величину, но используем термин частота, то есть число событий или циклов, которые происходят в течение одной секунды. Единица измерения частоты называется герц (Гц), в честь немецкого ученого-физика XIX века Генриха Рудольфа Герца.

Например, если мы будем ударять в барабан четыре раза в секунду, мы произведем звук частотой 4 Гц. Таким образом, удары разделены друг от друга временем:

Формула, по которой рассчитывается частота:

Буква Т указывает период, то есть общую продолжительность повторяющегося события. Для переменного тока период – это время, необходимое, чтобы ток совершил один полный цикл, начиная с 0, достигая максимума, затем спускаясь до минимального значения и возвращаясь к 0.

Рис. 1.18. Период – это время, необходимое для прохождения полного цикла

При расчетах числа с большим количеством нулей или запятых не очень удобны, поэтому мы предпочитаем говорить о герцах, а не о событиях происходящих каждые 0,00000012 с!

Постоянные токи имеют частоту 0 Гц, так как никогда не меняются.

Узлы, ветви и контуры