В сложных электрических цепях, то есть где имеется несколько разнообразных ответвлений и несколько источников ЭДС имеет место и сложное распределение токов. Однако при известных величинах всех ЭДС и сопротивлений резистивных элементов в цепи мы можем вычистить значения этих токов и их направление в любом контуре цепи с помощью первого и второго закона Кирхгофа. Суть законов Кирхгофа я довольно кратко изложил в своем учебнике по электронике, на страницах сайта http://www.sxemotehnika.ru. Пример сложной электрической цепи вы можете посмотреть на рисунке 1. Рисунок 1. Сложная электрическая цепь. Иногда законы Кирхгофа называют правилами Кирхгофа, особенно в старой литературе. Итак, для начала напомню все-таки суть первого и второго закона Кирхгофа, а далее рассмотрим примеры расчета токов, напряжений в электрических цепях, с практическими примерами и ответами на вопросы, которые задавались мне в комментариях на сайте. Формулировка №1: Сумма всех токов, втекающих в узел, равна сумме всех токов, вытекающих из узла. Формулировка №2: Алгебраическая сумма всех токов в узле равна нулю. Поясню первый закон Кирхгофа на примере рисунка 2. Рисунок 2. Узел электрической цепи. Здесь ток I1- ток, втекающий в узел , а токи I2 и I3 — токи, вытекающие из узла. Тогда применяя формулировку №1, можно записать: I1 = I2 + I3 (1) Что бы подтвердить справедливость формулировки №2, перенесем токи I2 и I3 в левую часть выражения (1), тем самым получим: I1 - I2 - I3 = 0 (2) Знаки «минус» в выражении (2) и означают, что токи вытекают из узла. Знаки для втекающих и вытекающих токов можно брать произвольно, однако в основном всегда втекающие токи берут со знаком «+», а вытекающие со знаком «-» (например как получилось в выражении (2)). Можно посмотреть отдельный видеоурок по первому закону Кирхофа в разделе ВИДЕОУРОКИ. Формулировка: Алгебраическая сумма ЭДС, действующих в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падений напряжения на всех резистивных элементах в этом контуре. Здесь термин «алгебраическая сумма» означает, что как величина ЭДС так и величина падения напряжения на элементах может быть как со знаком «+» так и со знаком «-». При этом определить знак можно по следующему алгоритму: 1. Выбираем направление обхода контура (два варианта либо по часовой, либо против). 2. Произвольно выбираем направление токов через элементы цепи. 3. Расставляем знаки для ЭДС и напряжений, падающих на элементах по правилам: - ЭДС, создающие ток в контуре, направление которого совпадает с направление обхода контура записываются со знаком «+», в противном случае ЭДС записываются со знаком «-». - напряжения, падающие на элементах цепи записываются со знаком «+», если ток, протекающий через эти элементы совпадает по направлению с обходом контура, в противном случае напряжения записываются со знаком «-». Например, рассмотрим цепь, представленную на рисунке 3, и запишем выражение согласно второму закону Кирхгофа, обходя контур по часовой стрелке, и выбрав направление токов через резисторы, как показано на рисунке. Рисунок 3. Электрическая цепь, для пояснения второго закона Кирхгофа. E1- Е2 = -UR1 - UR2 или E1 = Е2 - UR1 - UR2 (3) Предлагаю посмотреть отдельный видеоурок по второму закону Кирхогфа (теория). Теперь давайте рассмотрим вариант сложной цепи, и я вам расскажу, как на практике применять законы Кирхгофа. Итак, на рисунке 4 имеется сложная цепь с двумя источниками ЭДС величиной E1=12 в и E2=5 в , с внутренним сопротивлением источников r1=r2=0,1 Ом, работающих на общую нагрузку R = 2 Ома. Как же будут распределены токи в этой цепи, и какие они имеют значения, нам предстоит выяснить. Рисунок 4. Пример расчета сложной электрической цепи. Теперь согласно первому закону Кирхгофа для узла А составляем такое выражение: I = I1 + I2, так как I1 и I2 втекают в узел А, а ток I вытекает из него. Используя второй закон Кирхгофа, запишем еще два выражения для внешнего контура и внутреннего левого контура, выбрав направление обхода по часовой стрелке. Для внешнего контура: E1-E2 = Ur1 – Ur2 или E1-E2 = I1*r1 – I2*r2 Для внутреннего левого контура: E1 = Ur1 + UR или E1 = I1*r1 + I*R Итак, у нас получилась система их трех уравнений с тремя неизвестными: I = I1 + I2; E1-E2 = I1*r1 – I2*r2; E1 = I1*r1 + I*R. Теперь подставим в эту систему известные нам величины напряжений и сопротивлений: I = I1 + I2; 7 = 0,1I1 – 0,1I2; 12 = 0,1I1 +2I. Далее из первого и второго уравнения выразим ток I2 I2=I - I1; I2 = I1 – 70; 12 = 0,1I1 + 2I. Следующим шагом приравняем первое и второе уравнение и получим систему из двух уравнений: I - I1= I1 – 70; 12 = 0,1I1 + 2I. Выражаем из первого уравнения значение I I = 2I1– 70; И подставляем его значение во второе уравнение 12 = 0,1I1 + 2(2I1 – 70). Решаем полученное уравнение 12 = 0,1I1 + 4I1 – 140. 12 + 140= 4,1I1 I1=152/4,1 I1=37,073 (А) Теперь в выражение I = 2I1– 70 подставим значение I1=37,073 (А) и получим: I = 2*37,073 – 70 = 4,146 А Ну, а согласно первому закона Кирхгофа ток I2=I - I1 I2=4,146 - 37,073 = -32,927 Знак «минус» для тока I2 означает, то что мы не правильно выбрали направление тока, то есть в нашем случае ток I2 вытекает из узла А. Теперь полученные данные можно проверить на практике или смоделировать данную схему например в программе Multisim. Скриншот моделирования схемы для проверки законов Кирхгофа вы можете посмотреть на рисунке 5. Для закрепления результатата предлагаю посмотреть подготовленное мной видео: www.sxemotehnika.ru Содержание статьи Изучение состава предложения сложная и кропотливая работа. Не все дети усваивают новую тему сразу, кому-то необходимо время, чтобы разобраться и понять суть правила. Зная определение наизусть, ребёнок не всегда может привести примеры и применить правило на практике. Видов предложений существует очень много. Разберём подробнее сложноподчиненные предложения примеры со схемами рассмотрим вместе. Перед тем как приступать к объяснению новой темы ребёнку, разберитесь самостоятельно. Ученик уловит суть темы только тогда, когда будет чувствовать уверенность со стороны взрослого. С чего начать объяснение нового материала? Попросите ребёнка составить предложение, состоящее из двух частей, соединённое союзом и смыслом. Например: Я увидел за шторкой нечто, и убежал в другую комнату, чтобы не закричать от страха.Анализируя предложение делаем вывод, что оно состоит из двух основ, соединённых союзом «и». Обе части предложения связаны по смыслу, то есть одно подчиняется другому. Разберём правило: Определение ребёнок должен не только выучить, но и понять. Выделите вместе с ним основы простых предложений, изобразите схематично. Попросите по примеру схемы составить своё предложение. При затруднении ученика выполнить задание, помогите ему. Прочитайте ещё раз определение, порассуждайте вместе и приступайте к выполнению задания. Для начала пользуйтесь простой схемой, где два простых предложения соединены союзом или союзным словом. Не применяйте слишком много второстепенных членов, в противном случае, ребёнок запутается и не сможет расставить знаки препинания и выделить главные члены. СПП связываются между собой союзами и союзными словами. Распечатайте их для ребёнка, чтобы они всегда были под рукой: Объясните ребёнку, что они являются членами предложения, поэтому при синтаксическом разборе их необходимо учитывать. Если в домашнем задании сказано, что необходимо в тексте найти сложноподчинённые предложения, научите ребёнка пользоваться алгоритмом действия. Распечатайте его и повесьте над рабочим столом школьника. При выполнении задания памятка пригодятся ребёнку и он без труда вспомнит, как найти сложноподчинённое предложение. Для закрепления пройденного материала предложите ребёнку выполнить задание самостоятельно. После того, как работа будет сделана, проверьте правильность. Если ребёнок допустил ошибки, не злитесь, ведь тема действительно не простая. Мама диктует предложения, ребёнок выполняет задание: Далее научите любознательного непоседу пользоваться схемами. Покажите, как обозначить главное предложение, как подчинительное. Расскажите, что подчинение в предложении бывает разное: основы могут соединяться последовательно, параллельно и однородно. На конкретных примерах объясните разницу, применяя схемы: Важный момент! Придаточная часть может стоять в любой части предложения. В данном случае можно составить предложение: Когда начался дождь,мы пришли домой. Или другой вариант: Когда мы пришли домой, начался дождь. Может быть и так: Мы пришли домой, когда начался дождь. Как видим, меняя местами основы, смысл остаётся. Придумайте свои не сложные примеры, где придаточная часть стоит в начале, середине и в конце предложения. Многие дети не сразу могут определять к какому виду отнести то или иное предложение. Не волнуйтесь, изучая новые темы в школе, учитель вместе с детьми повторяет пройденный материал, чтобы освежить память. Ведь всё взаимосвязано, и, упустив одно очень сложно понять другое. detskoerazvitie.info Эта статья написана для начинающих радиолюбителей, имеющих смутное представление о работе электронных схем, имеет много повторяющихся моментов и может показаться слишком скучной для тех, кто уже имеет определённый опыт работы в схемотехнике. Продвинутым электронщикам читать точно не рекомендую – ни чего нового, и скучно. Начинающим советую воспользоваться лишней возможностью пополнить свой багаж знаний и опыта. В радиолюбительской практике источники сигналов играют весьма немаловажную роль. Их можно смело ставить в ряды инструментария первой необходимости радиолюбительской лаборатории на один уровень с измерительными приборами. На практике, большинство электронных схем, а особенно сегодня, в век цифровых технологий, связано с обработкой сигналов различной формы. Чтобы удачно спроектировать и реализовать даже не сложную схему, содержащую два и более функциональных блоков, на этапе проектирования желательно собрать каждый из блоков на отдельном макете и убедиться в его работоспособности, а заодно и скорректировать те или иные номиналы деталей, рабочие характеристики компонент и т.д. Часто работа таких блоков зависит от подачи на них сигналов конкретной либо произвольной формы, будь то усилитель низких, или высоких частот, силовые ключи преобразователей, или даже элементарного электромагнитного реле. Но где их взять, если устройство ещё не закончено. Конечно же, лучший способ, это использовать готовый источник сигналов, а если его нет, то сделать его самому, чем мы и займёмся в рамках данной статьи. В зависимости от того, какой формы, периодичности и амплитуды требуется получить сигнал, генерирующие их устройства должны иметь свои особенности, поэтому для начала мы рассмотрим множество простых устройств, дающих понимание принципов действия. Более сложные устройства в дальнейшем спроектировать или собрать по готовой схеме Вы сможете уже самостоятельно. Рисунок 1. Логический элемент "НЕ" на транзисторе. Напомню, как работает транзистор, если рассматривать его с точки зрения простого логического элемента. Условимся, что Uп, это у нас напряжение источника питания относительно минуса питания, или корпуса, к которому подпаяны общие выводы входа и выхода. Мы будем рассматривать его величину, как логическую единицу, а напряжение, приближенное (сниженное) к минусу питания – логический ноль. При включении питания на выводе Q1 устанавливается логическая единица, поскольку транзистор закрыт (не пропускает ток), и на его коллектор через резистор R2 подано напряжение питания. Подадим на вход X1 напряжение логической единицы, тогда через резистор R1 и переход транзистора база-эмиттер потечёт ток, который называют током базы. При этом слой базы насытится электронами, коллекторный переход станет проводить ток, т.е. транзистор откроется, и на его коллекторе напряжение упадёт почти до нуля, при этом на выходе Q1 установится логический ноль. Усвоили? Теперь давайте короче, чтобы не отвлекаться на механику процессов: - При подаче на вход X1 логической единицы, на выходе Q1 установится логический ноль; - при подаче на вход X1 логического нуля, на выходе Q1 установится логическая единица. Если сделать табличку и свести в неё возможные состояния входов и соответствующих этим состояниям состояния выходов, то мы получим перечень состояний, который обычно называется таблицей истинности логического устройства. У нас она получится проще некуда: Таблица 1. Таблица истинности логического элемента "НЕ" Входы Выходы X1 Q1 1 0 0 1 Если вы ещё не заметили, обращаю Ваше внимание на то, что выход схемы как бы переворачивает входной сигнал. Такое поведение называется логической инверсией, или просто инверсией. И так, мы заметили, что пока через базу транзистора течёт ток, он открыт (условно можно сказать, что цепь коллектор-эмиттер закорочена), а на выходе схемы устанавливается напряжение, близкое к минусу источника питания. Когда напряжение на базе снижено до такой степени, что через неё прекращает течь ток, транзистор закрывается, переход коллектор-эмиттер становится электрически не проводящим, и на коллекторе через резистор R2 устанавливается напряжение, близкое к напряжению положительного вывода источника питания. Теперь рассмотрим ещё несколько простых схем на пассивных элементах. На рисунке 2-а) конденсатор включен параллельно выходу. Когда конденсатор разряжен, напряжение на выходе приближено к нулю, т.е. к минусу источника питания. При подаче на вход напряжения плюса источника питания, конденсатор начнёт заряжаться, и напряжение на нём будет расти не мгновенно, а по мере заряда. Чем больше сопротивление резистора R1, тем медленней будет проходить зарядка. Но по истечению некоторого времени, напряжение на конденсаторе приблизится по значению к напряжению, поданному на вход X1. Такой своеобразный эффект задержки сигнала дал название этим схемам. Рисунок 2. RC-цепи. Когда конденсатор заряжен, на выходе Q1 присутствует напряжение. Если мы на входе X1 снизим напряжение до нуля (замкнём вход), то конденсатор начнёт разряжаться, а напряжение на нём будет снижаться не сразу, а постепенно с течением времени. Чем больше сопротивление резистора R1, тем медленней будет происходить разрядка конденсатора и тем длительнее будет происходить процесс установления выходного сигнала. На рисунке б) схема несколько изменена. При разряженном конденсаторе и нулевом напряжении на входе, на выходе будет ноль. При подаче напряжения на вход X1, через резистор R1 конденсатор C1 начнёт заряжаться. Поскольку напряжение на конденсаторе не может подняться быстро, а лишь по мере заряда, то в первоначальный момент времени на резисторе R1 возникнет напряжение, поданное на вход, и тут же начнёт снижаться по мере заряда конденсатора. Напряжение на резисторе пропорционально току заряда конденсатора и будет убывать с той же скоростью, с какой будет нарастать напряжение на конденсаторе. Когда конденсатор заряжен, на выходе Q1 устанавливается ноль. Если теперь напряжение на входе снизить до нуля (замкнуть вход), то всё напряжение заряженного конденсатора приложится к резистору R1 и сразу же начнёт снижаться по мере разряда конденсатора. Здесь важно заметить, что импульс этого напряжения будет иметь отрицательную полярность относительно общего вывода (минуса источника питания), а почему, постарайтесь догадаться сами. Если эта задачка Вам по зубам – двигаемся дальше. Если есть желание наглядно изучить работу описанных выше схем, и у Вас случайно оказался в наличии осциллограф, да ещё двухлучевой, предлагаю немного модернизировать рассмотренные схемы для удобства проведения опытов, рисунок 3. Рисунок 3. Тестовые схемы для практических опытов. Если у Вас пока ещё нет осциллографа, в опытах можно использовать два вольтметра. Общий щуп осциллографа (корпус) подключается к любому общему выводу схемы. Тестовый щуп первого канала осциллографа подключается к зажиму "А", второй – к зажиму "Б". Аналогично подключаются щупы первого и второго вольтметра, но при этом общие щупы вольтметра должны быть подключены к общим выводам устройства. Напряжение источника питания может быть и ниже указанного, вплоть до 3 В, это повлияет лишь на характер измеряемых сигналов, но тенденция останется неизменной. Если вы сравните рассмотренные ранее схемы и представленные на рисунке 3, то заметите некоторые дополнения. Они следующие. Rб – балластное сопротивление, необходимо для имитации на входе логической единицы, подаваемой от источника питания. Выключатель SA1 необходим для имитации логического нуля на входе, замыканием выводов. При замыкании выводов ток выключателя ограничивается балластным сопротивлением Rб, предотвращая короткое замыкание в схеме. Таким образом, включая и выключая выключатель SA1 вы можете имитировать входной сигнал устройства. А теперь собирайте схему, подключайте приборы, включайте питание, и поехали… При должной настройке осциллографа, вы сможете наблюдать картинки, аналогичные следующим: а) б) в) Рисунок 4. Диаграммы входных и выходных сигналов тестовых схем, рассмотренных на рисунке 3 соответственно - а), б) и в). Диаграммы на рисунке 4 соответствует сигналам, получаемым при тестировании схемы на рисунке 3. Из того, что мы теперь знаем, уже можно кое что сделать. Давайте слегка модернизируем нашу транзисторную схему как показано на рисунке 5. Транзистор VT1 выполняет роль электронного ключа, управляющего нагрузкой с помощью силового реле, включенного параллельно резистору R2, который в данной схеме можно было бы исключить. а) б) в) Рисунок 5. а) Схема, имитирующая таймер отключения нагрузки; б) момент включения нагрузки при подаче логической единицы на вход таймера; в) момент разрядки конденсатора при подаче логического нуля на вход таймера. При включении питания конденсатор C1 находится в разряженном состоянии, ток базы отсутствует, транзистор закрыт, через обмотку реле не протекает ток, контакты реле разомкнуты, лампа Л1 не включена. В данной схеме реализована имитация подачи логических сигналов с помощью двухпозиционного выключателя с перекидными контактами. В одном из состояний выключатель замыкает вход схемы на корпус (минус источника питания), при этом, если конденсатор был заряжен, то разрядится через резистор R1 и коммутирующий диод VD1 (рисунок 5 в). При подаче на вход схемы логической единицы (рис. 5 б), разряженный конденсатор начинает заряжаться по цепочке R1 от плюса источника питания и база-эмиттер VT1 от минуса. При этом, через базу VT1 протекает ток заряда, транзистор открывается, через R2 и реле К1 начинает протекать ток, реле срабатывает, включая лампу Л1. С течением времени конденсатор C1 заряжается, зарядный ток через базу транзистора снижается, достигая значения, не достаточного для насыщения базы транзистора, транзистор закрывается, реле отключает лампу Л1. Дальнейшее присутствие на входе схемы логической единицы уже не грает роли, поскольку конденсатор заряжен и ток через него больше не потечёт. Для приведения схемы в состояние готовности необходимо разрядить конденсатор. Для этого переводим выключатель SA1 в положение контакта, замыкающего вход на корпус. Конденсатор разрядится через R1 и VD1. Чем больше будет ёмкость конденсатора в данной схеме, тем дольше он будет заряжаться, и соответственно, тем больше будет задержка времени до отключения нагрузки. Соответственно, чем больше сопротивление R1, тем меньше будет ток заряда, что тоже увеличит выдержку времени, но при этом необходимо учитывать условие, что ток заряда должен быть не меньше требуемого тока насыщения транзистора, в противном случае транзистор может не включить реле. Диод VD1 в данной схеме принципиально важен, поскольку именно через него разряжается конденсатор, так как при входе, замкнутом на корпус, на базе возникнет напряжение заряда со знаком минус относительно эмиттера (обратите внимание на полярность заряда конденсатора). Такое напряжение является обратным смещением для p-n переход транзистора, при котором переход закрыт, а соответственно, конденсатор не будет иметь возможности разрядиться. На выходе схемы Q1 мы получим инверсию сигнала включенной лампы Л1, т.е. пока лампа включена, на выходе логический ноль, когда лампа выключена – единица. И так, теперь мы знаем, что операция "НЕ" инвертирует логические уровни напряжений, т.е. логическая единица на входе соответствует логическому нулю на выходе элемента, и соответственно, входному нулю отвечает единица на выходе. Если мы обработаем входной сигнал последовательно двумя элементами "НЕ", то на выходе второго элемента получим сигнал, повторяющий состояния входа первого. И действительно, если автомобиль сделает два разворота, то будет двигаться в том же направлений, как и до маневрирования. Казалось бы, зачем нужна операция, которая в результате даёт то же, что мы уже имели? На практике это применяется с большой пользой. Рисунок 6. Логический повторитель. Соединяем последовательно два элемента "НЕ", рисунок 6. X1 – вход, Q1 – инверсный выход и одновременно вход второго элемента "НЕ" на транзисторе VT2, Q2 – выход. В результате получаем устройство, которое на выход выдаёт сигнал, повторяющий входной. Эту повторюшку будем называть логическим повторителем. Такие элементы на схемах обозначаются единичкой – "1". При подаче питания на схему, транзистор VT2 открывается током базы через резисторы R2-R3, на выходе Q2 устанавливается ноль. При подаче сигнала единицы на X1, транзистор VT1 "садит" резистор R3 на корпус, VT2 закрывается, на выходе Q2 устанавливается единица. При снятии сигнала со входа выход сбрасывается в ноль. Интересно, что получится, если мы подадим сигнал выхода на вход? Давайте посмотрим, рисунок 7. Рисунок 7. Подача выходного сигнала на вход. В данной схеме можно заметить, что входы смешались с выходами, и вообще наша схема как-то закольцевалась. Для большей наглядности предлагаю упростить схему. Рисунок 8. Преобразованная схема. На рисунке 8 преобразованная схема. Входы я не стал показывать, поскольку не имеет смысла, они замкнуты с выходами, и изобразил я только их. Рассмотрим поведение схемы в работе. При включении питания оба транзистора должны открыться током базы через резисторы R4-R1 и R2-R3. Но, поскольку открывающийся транзистор одного плеча схемы "подтягивает" базовый резистор транзистора другого плеча к корпусу, а говоря словами цифровых сигналов – к нулю, то оба транзистора должны открыться лишь до некоторого уравновешенного значения, а сигналы на выходах принять промежуточное значение напряжения между единицей и нулём. Но на практике симметрия процессов даже в такой симметричной схеме не достижима, и в результате один из транзисторов открываясь чуть сильнее другого ускорит процесс разбаланса схемы, в результате один из транзисторов откроется полностью, другой закроется. Это состояние схемы устойчиво без воздействия извне. При соблюдении симметрии в выборе номиналов деталей, угадать, какой транзистор первым окажется открыт невозможно, а при очень точной подгонке номиналов, результаты запуска схемы могут отличаться случайным образом. Чтобы исключить элемент случайности в таком случае, достаточно внести ассиметрию в номиналы схемы. Например, если сопротивления R1 и R4 выбрать на одну-две ступени меньше, чем R2 и R3, то в результате большего тока базы транзистор VT1 при включении питания всегда будет открываться первым, на выходе Q1 будет устанавливаться "0", на Q2 – "1". При постоянно включенном питании состояние такой схемы будет всегда стабильно, но при этом она бесполезна. Давайте добавим в эту схему кое какие элементы управления. На рисунке 9 изображена схема, которая отличается от предыдущей наличием входных каналов X1-R2 и X2-R5. Рассмотрим работу схемы. Рисунок 9. Транзисторный триггер. Так как симметричные элементы схемы на практике имеют некоторые отклонения электрических характеристик, то при включении питания один из транзисторов, например, VT2 будет открываться немного быстрее другого. Открываясь, транзистор VT2 будет подтягивать своим коллектором вывод резистора R3 к "нулю", снижая ток базы транзистора VT1 и закрывая его. В результате этого переходного процесса транзистор VT2 полностью откроется, а VT1 – закроется. На выходах Q1 и Q2 установятся "1" и "0" соответственно. Это состояние устойчиво, но может быть изменено. Подадим кратковременно логическую единицу на вход X1. Через резистор R2 и базу транзистора VT1 начнет протекать ток, VT1 откроется и подтянет своим коллектором резистор R4 к нулю. Ток через резистор R4 и базу транзистора VT2 прекратится, транзистор VT2 закроется, схема изменить свое состояние на противоположное: на выходах Q1 и Q2 установятся "0" и "1" соответственно. Это состояние будет сохраняться до кратковременной подачи на вход X2 логической единицы. Схемы, подобным образом изменяющие своё состояние называются "триггерными", а элементы на их основе – триггерами. Один такой элемент представляет из себя элементарную ячейку памяти с возможностью записи и хранения информации в период между включением и выключением питания. Аналогичные элементы содержит оперативная память компьютера. Рисунок 10. Выключатель нагрузки с применением триггера. Для примера практического применения этой схемы, немного дополним её. На рисунке 10 мы ввели в схему две кнопки, и конденсатор C1. При включении питания триггера, конденсатор C1 на некоторое время заряда шунтирует (реализует задержку сигнала) базу транзистора VT2, в результате VT1 открывается первым и фиксирует состояние схемы. Через обмотку реле K1 протекает малый ток базы транзистора VT1, не достаточный для срабатывания реле. Лампа выключена. Нажатием на кнопку SB2 "Вкл." на базу транзистора принудительно кратковременно подаётся логическая единица. Конденсатор заряжается, возникает напряжение на базе VT2, от чего транзистор открывается, своим коллектором подтягивая к нулю резистор R3. VT1 закрывается, состояние схемы фиксируется, через обмотку реле K1 протекает номинальный ток реле, контакты реле замыкаются, лампа включается. Кратковременное нажатие на кнопку SB1 "Выкл." схема приходит в исходное состояние, лампа выключается. Вот так, изучая и комбинируя простые элементы схем можно научиться создавать полезные интересные устройства. Последняя схема имеет элементы управления, а функционально лишь фиксирует заданное состояние, или говоря языком электроники – запоминает значение заданного логического уровня. А давайте в следующей своей выдумке подумаем, как сделать устройство без элементов управления, но чтобы оно самостоятельно изменяло состояния логических выходов. Давайте ещё раз обратим внимание на схему рисунка 8 и цепи задержки на рисунке 2. Рисунок 11. Схема мультивибратора. Мы знаем, что резисторы в цепи базы транзистора обеспечивают постоянный ток базы, именно поэтому состояния схемы являются устойчивыми. Для того, чтобы схема переключалась сама по себе, воспользуемся возможностями цепей задержки. Для начала в цепи базы вместо резисторов установим конденсаторы (рисунок 11 а). При включении питания конденсаторы C1 и C2 начнут заряжаться через резисторы R1, R2 и базы транзисторов. Транзисторы начнут открываться, но первым откроется тот, у которого ток базы и коэффициент усиления по току в совокупности окажется больше другого. Например, первым открылся VT1 и подтянул своим коллектором конденсатор C1 к нулю, ток через него не течёт. VT1 открыт, VT2 – закрыт. По мере заряда конденсатора C2 через него прекращает протекать ток базы транзистора VT1 и он начинает закрываться, отвязав от нуля конденсатор C1. C1 начинает заряжаться через резистор R1 и базу VT2, в результате чего VT2 открывается и подтягивает положительно заряженный полюс конденсатора C2 к нулю. Отрицательно заряженный полюс C2 создаёт обратное смещение на переходе база-эмиттер, переход закрыт, конденсатор остаётся заряженным. Когда заряд C1 прекращается, ток базы VT2 прекращается, транзистор закрывается и отвязывает положительно заряженный вывод C2, а поскольку С2 уже заряжен, как и C1, то через них уже не будет протекать ток, и они больше не смогут воздействовать на транзисторы. Такая схема способна произвести всего один такт переключения состояний, а её применение ограничено из-за невозможности быстрого разряда конденсаторов, что бы схему можно было использовать повторно через короткие промежутки времени. Подключим к базам транзисторов сопротивления R3 и R4 (рисунок 11 б), которые будут создавать положительное (открывающее транзистор) смещение базы относительно коллектора. При включении питания, один из транзисторов, например, VT1 открывается током базы, обусловленным суммарным током заряда конденсатора C2 и резистора R4. В это время конденсатор C1, подтянутый к нулю, будет заряжаться резистором R3, и по мере заряда конденсатора создаст на базе VT2 положительное смещение, достаточное для его открывания. Открываясь, VT2 начнёт подтягивать положительно заряженный вывод конденсатора к нулю, а отрицательно заряженный вывод C2 ещё не успевшего перезарядиться, создаст отрицательное смещение на базе VT1, закрыв его. Эти процессы переключения транзисторов и перезарядки конденсаторов чередуются непрерывно. Время переключения происходит очень быстро, а времена между переключениями зависят от ёмкостей конденсаторов и номиналов сопротивлений схемы. Такая схема позволяет формировать периодический сигнал на выходе в автоматическом режиме, который ещё называют автогенераторным. Но у подобных схем есть механический предшественник – устройство с вибрирующим контактом, который за счёт механической вибрации мог с определённой периодичностью замыкать и размыкать контакты, или поочерёдно переключать контакт между двумя другими. Эти устройства вполне обоснованно получили название мультивибраторов, а их электронные последователи уже просто позаимствовали это название. Некоторые могут посчитать статью неполной в виду отсутствия диаграмм, графиков и таблиц там, где их можно показать и т.д. Во-первых, это сделано с целью сократить объём, поскольку и так "многа букаф", тяжело читать, но главная задача, это дать возможность читателю самостоятельно приложить полученные знания в одном месте к тем местах, где это уместно, это даст возможность немного развивить мышление, иначе смысла во всей этой писанине нет. Этот небольшой экскурс написан специально для самых начинающих радиолюбителей, чтобы показать, что нет ни чего сложного в понимании принципов работы различных электронных устройств, и более того, нет причин не научиться изобретать такие устройства самостоятельно. Если у меня не получилось что-то объяснить, приму любую критику в Ваших комментариях и готов буду доработать статью. Если эта статья показала Вам простоту и доступность мира электроники, значит цель достигнута. Читать статью в формате PDF volt-info.ru В настоящий момент все больше и больше производителей микросхем осуществляют перевод их на питание от 1.8В до 3.3В. В связи с этим возникает задача согласования логических уровней устройств с различными питающими напряжениями. Наиболее часто производится подключение 3.3В устройств к 5В устройствам. Методы согласования для этого случая и рассмотрим в данной статье. Однако общие принципы приведенных методов справедливы и для согласования устройств с другими питающими напряжениями при соответствующей адаптации. Не все методы согласования могут использоваться во всех ситуациях, поэтому необходимо разобраться в механизмах работы каждого из них. Не важно какие устройства соединяются между собой, важно направление сигнала. Направление определяет необходимость применения защиты. Например, при подключении выхода устройства с 5В питанием ко входу устройства с 3.3В питанием необходимо предусмотреть защиту по входу для второго устройства. Однако выход 3.3В устройства можно напрямую подключить ко входу 5В устройства и при этом есть вероятность, что второму устройству для нормальной работы будет достаточно уровня сигналов первого, так как они находятся в допустимых пределах. Для выхода с открытым коллектором (стоком) необходимо не забывать предусматривать подтягивающий резистор.
Существуют также устройства с питанием 3.3В, которые могут напрямую подключаться к 5В устройствам. У данных устройств в описании входных интерфейсов присутствует параметр "5V Tolerant Input", т.е. возможно прямое подключение к 5В выходу.
Если не указано иное, то при описании способов согласования уровней предполагается, что 5В и 3.3В устройства имеют общую "землю". Для упрощения при моделировании за логический "0" будем принимать нулевой уровень напряжения, за логическую "1" будем принимать +5В. Стрелочками будем указывать направление тока в цепи. Последовательно включенный резистор
Наиболее простой схемой согласования уровней является использование последовательно включенного резистора, однако необходимо помнить, что не все устройства можно подключить с использованием данной схемы. Схема является двухсторонней. Достоинством схемы с последовательным резистором является ее простота. Существенным недостатком является инжекция дополнительного тока в источник питания 3.3В. При мощном 5В выходе и маломощном источнике питания 3.3В эта инжекция тока может привести к флуктуациям трехвольтового питания вокруг 3.3В. Делитель напряжения Данная схема используется для согласования уровней 5В выхода с 3.3В входом. Наиболее часто встречаемая у радиолюбителей схема. Схема является односторонней. Для приведения уровня используется обычный делитель напряжения — резисторы R1 и R2. Как правило, выходное сопротивление RS очень мало (менее 10 Ом), поэтому для того, чтобы его влиянием на резистор R1 можно было пренебречь необходимо выбирать резистор R1 много больше RS. На приемной стороне значение резистора RL очень велико (более 500 кОм), поэтому для того, чтобы его влиянием на резистор R2 можно было пренебречь необходимо выбирать резистор R2 много меньше RL.
При выборе номиналов резисторов необходимо учитывать компромисс между рассеиваемой мощностью и временем нарастания/спада сигнала. Для минимального потребления суммарное сопротивление резисторов R1 и R2 должно быть как можно больше. Однако, емкость нагрузки, состоящая из паразитной емкости CS и входной емкости 3.3 В устройства CL, может сильно повлиять на время нарастания/спада входного сигнала. При слишком больших R1 и R2 время нарастания/спада может выйти за допустимые пределы.
Пренебрегая значением RS и RL получим формулы для расчета значений R1 и R2: Vout / (R1 + R2) = Vin / R2, следовательно, R1 = (Vout — Vin) * R2 / Vin = (5 — 3.3) * R2 / 3.3 = 0.515 * R2 Формула для вычисления времени нарастания/спада сигнала имеет вид: Получаем максимальное эквивалентное сопротивление: R = -[1E-6/(6E-12*ln((3-0.66*5)/(0.3 — 0.66*5))] = 72382 Ом. Находим значения резисторов R1 и R2: R1 = R/0.66 = 72382/0.66 = 109.7 кОм,
R2 = R1 / 0.515 = 110 / 0.515 = 213 кОм. Из стандартного ряда выбираем: R1 = 110 кОм (ближайший больший номинал), R2 = 200 кОм (ближайший меньший номинал). Достоинством схемы также является простота. Недостаток — дополнительное потребление тока делителем (поэтому в не активном состоянии оптимальным, если
это возможно, будет установить 5В выход в "0" — ток потребления будет минимальным). Диодный интерфейс
Также как и предыдущий вариант данная схема используется для согласования уровней 5В выхода с 3.3В входом. Схема является односторонней. Использование диода для изоляции 5В устройства от 3.3В устройства является экономичным и безопасным методом и не требует наличия защитных диодов со стороны 3.3В устройства. При наличии на выходе Vout логической "1" на входе Vin будет примерно 3.3В, при наличии на выходе логического "0" на входе Vin будет напряжение, соответствующее прямому падению напряжения на диоде D1. Поэтому для данной схемы желательно применять диоды Шоттки, так как они имеют низкое прямое падение напряжения (около 0.2В).
Подтягивающий резистор R1 необходим для подачи на вход 3.3В устройства логической "1", так как 5В устройство не может передать этот сигнал из-за наличия диода. Номинал данного резистора обычно выбирается равным 10 кОм, при этом, при указанных на схеме значениях емкостей, время нарастания сигнала от 0.2В (прямое падение напряжения на диоде) до 2.3В (минимальное напряжение логической "1" для 3.3В устройства) составит примерно 68 нс, что вполне достаточно для большинства приложений. Достоинством схемы является ее простота и надежность работы. Недостатком можно считать желательное применения диодов Шоттки, хотя и при применении обычных диодов схема сохраняет работоспособность (напряжение "0" будет составлять примерно 0.7В, что меньше максимального значения уровня напряжения для 3.3В устройств, равного 1В). Интерфейс на транзисторе
Также как и предыдущий вариант данная схема используется для согласования уровней 5В выхода с 3.3В входом. Схема является односторонней. Достоинства данной схемы по сравнению с предыдущей отсутствуют. Недостатком является увеличенная стоимость и сложность. Более разумно использовать MOSFET транзистор в другом включении, которое рассмотрим ниже. Интерфейс с оптической изоляцией В условиях повышенных электромагнитных помех или, например, при разработке медицинских устройств, необходимо гальванически изолировать устройство с 5В питанием от устройства с питанием 3.3В. Сделать это можно применив транзисторную оптопару. Схема является односторонней. При включении светодиода по схеме представленной на рисунке схема не инвертирует сигнал. Если катод подключить к земляному проводу, а анод подключить к Vout, то схема будет инвертировать сигнал. Номиналы резисторов R2 и R3 выбираются в зависимости от применяемой оптопары. Достоинством данной схемы является гальваническая развязка устройств, что предотвращает взаимовлияние устройств, улучшает шумовые характеристики системы. Оптическая изоляция позволяет подключать микроконтроллер к устройствам со значительно большим напряжением питания, таким как 12В в автомобильных устройствах и 24В в промышленных устройствах. Недостатком схемы является повышенная стоимость и ограничение по скорости нарастания/спада сигнала, вызванное инерционностью оптопар. Интерфейс с последовательно включенным MOSFET транзистором Немного изменив подключение MOSFET транзистора мы можем получить двунаправленную схему согласования уровней идеально подходящую для применения в шинных системах с открытым коллектором (стоком) таких как 1-Wire, I2C. Принцип работы преобразователя проще всего описать в виде трех состояний. Состояние 1. Состояние 2. Состояние 3. Рассмотренные состояния свидетельствуют, что логические уровни передаются в обоих направлениях.
Приведем требования к наиболее важным характеристикам транзисторов, используемых в качестве преобразователей уровней для работы с I2C: Тип: -----------------------------------N-канальный МОП-транзистор с режимом обогащения
Пороговое напряжение затвора:-----Vgs(th) не менее 0.1В, не более 2В
Сопротивление открытого канала:--Rds(on) не более 100 Ом при токе стока Id= 3 мА, Vgs= 2.5В
Входная емкость:----------------------Ciss не более 100 пФ при Vds= 1В, Vgs = 0В
Время переключения:-----------------ton toff не более 50 нс
Допустимый ток стока:---------------Id 10 мА или более Номиналы подтягивающих резисторов зависят от наихудших уровней напряжения питания и логических уровней, протяженности линии связи, а также от требований к времени нарастания/спада сигнала. Данная схема согласования уровней может также использоваться для обеспечения защиты схемы от выбросов повышенного напряжения, но при условии, что характеристики используемого транзистора позволят работать с данными выбросами. Каскад пониженного напряжения является защищенной частью, а каскад повышенного напряжения должен подключаться к внешнему устройству. Если преобразование уровней не требуется, то на резистор R2 можно подать то же напряжение, что и на каскад пониженного напряжения.
Дополнительной особенностью данной схемы является изоляция каскада пониженного напряжения при снятии с него напряжения питания. В данном случае напряжение питания этой части схемы близко к нулю и транзистор закрыт так как напряжение на затворе меньше порогового значения. Работа каскада повышенного напряжения не блокируется, он сохраняет полную работоспособность. Для гарантии запаса помехоустойчивости напряжение питания каскада должно упасть ниже минимального порогового напряжения на затворе транзистора. Функция изоляции сохраняет работоспособность даже если преобразование уровня не требуется, т. е. одинакового напряжения питания обоих частей схемы.
В случае необходимости применения одновременной изоляции и каскада с повышенным напряжением схему преобразователя уровней необходимо изменить: MOSFET транзистор можно заменить биполярным NPN транзистором: Достоинствами схемы является двунаправленность, защита от выбросов напряжения, изоляция частей схемы при отключении питания, возможность использования в шинных системах, таких как I2С и 1-Wire. Недостатком, пожалуй, можно считать некоторую усложненность схемы, но достоинства полностью перекрывают этот недостаток. Интерфейс на буферных элементах
Буферные микросхемы обычно используются для буферизации тока на сигнальных шинах. Однако, они также могут использоваться для организации преобразования уровней. Для этого необходимо использовать специальное семейство буферов — LVC (Low Voltage CMOS). Это семейство разработано для применения в 3.3В устройствах и имеет толерантные к 5 В входы.
Для наших целей можно использовать, например, микросхему 74LVC244A, которая представляет собой 8 буферов, сгруппированных в две группы по 4 элемента: Достоинствами данной схемы являются простота реализации, надежность работы и доступность компонентов. Недостатком можно считать однонаправленность. Интерфейс с использованием специализированной микросхемы транслятора уровней Ну и, наконец, согласование уровней можно провести с помощью специализированных микросхем трансляторов уровней, которые специально разработаны для решения проблем согласования уровней. Например, микросхема TXB0108PWR представляет собой не инвертирующий, двунаправленный восьми портовый преобразователь уровней с индивидуальными напряжениями питания Vcca и Vccb. Порт A может работать в диапазоне 1.2В...3.6В, порт B в диапазоне 1.65В...5.5В. Однако напряжение питания порта A обязательно должно быть меньше либо равно напряжения питания порта B. Одна из возможных схем включения: Достоинствами данной схемы являются простота реализации и хорошие скоростные параметры. Недостатками можно считать немного увеличенную стоимость и малую доступность данных преобразователей на рынке. Пример согласования уровней
В качестве реального примера согласования уровней рассмотрим схему подключения широко используемого LCD индикатора от сотового телефона NOKIA3310 к микроконтроллеру с 5В питанием: Благодарности Выражаю большую благодарность Chris Savage за его статью и любезное разрешение на использование ее материалов для создания данной статьи. Использованные материалы we.easyelectronics.ruСогласование логических уровней 5В и 3.3В устройств. Объясните как пользоваться данной схемой
Первый и второй законы Кирхгофа
Первый закон Кирхгофа
Второй закон Кирхгофа.
Расчеты электрических цепей с помощью законов Кирхгофа.
Рисунок 5. Сравнение результатов расчета и моделирования работы цепи.Сложноподчиненные предложения примеры со схемами
Понятие Сложноподчинённых предложений
Союзы и союзные слова
Самостоятельная работа
Как создать схему? | Volt-info
Введение
Источники сигналов
Логический элемент "НЕ" на одном транзисторе
RC цепи задержки.
Таймер включения
Логический повторитель
Триггер
Мультивибратор
Заключение
Согласование логических уровней 5В и 3.3В устройств
Всякое решение плодит новые проблемы. Следствие к закону Мерфи 
Эта схема требует наличия встроенной защиты входных портов от перенапряжения на стороне 3.3В устройства. Защита представляет собой два диода, включенных по схеме ограничения уровня (clamping diodes). Эти диоды довольно надежны, но они не предназначены для длительного пропускания больших токов, поэтому и используется ограничительный резистор. Он ограничивает ток, протекающий через диоды тем самым предотвращая их повреждение. Желательно чтобы этот ток был как можно меньше (микроамперы). При больших токах возможно повреждение диодов и, кроме того, микросхема может "защелкнуться" — выражается в быстром, сильном разогреве корпуса последней.
Номинал резистора R1 зависит от максимально возможного тока через диод D1. 10 кОм резистор будет безопасным для большинства устройств. Необходимо помнить, что большой номинал резистора будет ограничивать максимально возможную скорость передачи сигнала. Для высокоскоростных сигналов необходимо уменьшать резистор, но для большинства устройств его значение должно быть не менее 1 кОм.
Если 3.3В устройство не содержит защитных диодов по входу, то использовать данную схему сопряжения нельзя — это может привести к выходу устройства из строя.
Если известен максимально допустимый ток защитных диодов, то можно рассчитать минимальное сопротивление резистора. Например, для микросхем Propeller максимальный ток защитных диодов составляет +-500 мкА:
R = U/I = (5 — 3.3 — 0.6)/500E-6 = 2.2 кОм
где 0.6В — падение напряжения на защитном диоде.
Для безопасности выбираем резистор с большим номиналом из стандартного ряда — 2.7 кОм.
В случае отсутствия защитных диодов можно использовать один внешний диод:
Но более разумно в этом случае подумать о возможности использования других схем сопряжения.
где
R = 0.66 * R1 — эквивалентное сопротивление,
С = СS + CL — эквивалентная емкость,
Vi = начальное напряжение на конденсаторе C,
Vf = конечное напряжение на конденсаторе С,
Va = напряжение эквивалентного источника напряжения (0.66 * Vout).
Из этой формулы получаем выражение для эквивалентного сопротивления:
В качестве примера произведем расчет резисторов делителя при следующих условиях:
CS = 1 пФ,
CL = 5 пФ,
Максимальное время нарастания напряжения от 0.3В до 3В <= 1 мкс.
Преобразование уровня производится с помощью NPN транзистора. Сигнал инвертируется, в устройствах на микроконтроллерах это легко учесть простым инвертированием управляющего сигнала. Каких либо преимуществ перед предыдущей схемой не имеет.
Возможно также применение n-канального полевого транзистора:
Резистор R2 необходим для надежного запирания транзистора при плавающем уровне на затворе, например, при старте системы. В данной схеме необходимо использовать транзисторы с малым пороговым напряжением затвора. Идеальным будет использование так называемых "цифровых" транзисторов. Обратите
внимание, что для сохранения времени нарастания сигнала необходимо уменьшить номинал подтягивающего резистора R5 до 4.7 кОм.
В исходном состоянии ни одно из устройств не подтягивает линию связи к "0", на стороне 3.3В устройства линия подтянута к "1" резистором R1, на стороне 5В устройства линия подтянута к "1" резистором R2. Затвор и исток транзистора имеют одинаковый потенциал 3.3В, транзистор закрыт. Таким образом, на входе обоих устройств присутствует логическая "1", для каждого со своим уровнем напряжения.
3.3В устройство устанавливает на своем выходе "0". Исток транзистора принимает низкий
потенциал, в то время как на затворе остается 3.3В. Транзистор открывается, вход 5В устройства подтягивается к низкому уровню через открытый транзистор, на входе 5В устройства устанавливается логический "0".
5В устройство устанавливает на своем выходе "0". Через диодный переход исток-подложка транзистора напряжение на истоке снижается до тех пор, пока напряжение на затворе не перейдет пороговый уровень, затем транзистор открывается и вход 3.3В устройства подтягивается к "0" открывшимся транзистором.
Если отключится напряжение питания 5В части схемы, то закроется транзистор Q3, тем самым изолировав эту часть схемы от 3.3В части. Наличие резистора R7 (можно использовать резистор с высоким сопротивлением) не является обязательным, он может использоваться для предотвращения плавания потенциала на стоках транзисторов при установлении высоко уровня. Данная схема согласования является симметричной, поэтому в качестве каскада пониженного или повышенного напряжения может использоваться как левая, так и правая часть схемы.
Исходное состояние. На входах обоих устройств — "1".
3.3В устройство устанавливает на своем выходе "0". Эмиттер транзистора принимает низкий потенциал, напряжение база-эмиттер превышает пороговое, транзистор открывается, вход 5В устройства подтягивается к "0".
5В устройство устанавливает на своем выходе "0". Транзистор оказывается включенным в инверсном режиме, напряжение база-эмиттер превышает пороговое, транзистор открывается, вход 3.3В устройства подтягивается к "0".
74LVC244A обеспечивает неинвертирующий
буфер с 3.3В выходами, который может принимать по входу как 3.3В, так и 5В сигналы. Выходы микросхемы могут обеспечивать ток до 50 мА, питание микросхемы может быть от 1.65В до 3.6В, что позволяет использовать ее для 1.8В устройств.
Схема включения:
Для уменьшения шумов и потребляемой мощности все неиспользуемые входы необходимо подключить к общему проводу. Подав на управляющий вход /OE логическую "1" можно перевести все выходы в группе в Z состояние, тем самым изолировав 3.3В устройство от 5В устройства.
В данной схеме 3.3В устройство является контролером преобразователя уровней — подачей на вход OE логической "1" разрешает работу преобразователя. Если данная функция не требуется, то следует подтянуть вход OE к плюсу питания. Устройства, подобные TXB0108PWR реализуют также и защитные функции такие как отключение выходов при пропадании любого из питающих напряжений (z состояние). Для уменьшения времени нарастания/спада импульсов TXB0108PWR содержит также детекторы фронтов импульсов, которые принудительно открывают выходные драйверы.
Как и все специфические устройства, TXB0108PWR требует для своей корректной работы специфических условий (ничто в мире не бывает бесплатным, даже сыр в мышеловке — он достается бесплатно только второй мышке). Например, TXB0108PWR требует, чтобы выходные каскады, подключенные к ней, могли обеспечивать протекание тока силой как минимум +-2 мА. Также емкостная нагрузка не должна превышать 70 пФ. Резистивная нагрузка должна быть больше 50 кОм, что делает не возможным использование данной микросхемы для преобразования уровней в I2C и 1-Wire, а точнее в любых конструкциях с открытым коллектором/стоком. Для этих целей можно использовать специализированные микросхемы, например, серии TXS01xx фирмы "TEXAS INSTRUMENTS" или аналогичные.
Резисторы R8-R11, совместно с диодами D7-D10 образуют преобразователь уровней 5В в 3.3В. Транзистор Q2 с резистором R12 предназначены для отключения питания от индикатора, а также для обеспечения появления сигнала сброса RES в течение 100 мс после появления питания на LCD, как того требует Datasheet на контроллер индикатора. Конденсатор C15 — развязывающий.
интернет-магазин светодиодного освещения
Пн - Вс с 10:30 до 20:00
Санкт-Петербург, просп. Энгельса, 138, корп. 1, тк ''Стройдвор''
Поделиться с друзьями: