Сборка простых резисторных схем

Изучая электричество, возможно, вы захотите собирать свои собственные схемы, используя резисторы и батареи. Некоторые варианты сборки схем доступнее, а некоторые проще, чем другие. В данном разделе я исследую пару методов сборки, которые помогут вам собирать схемы, не только показанные в этой главе, но и более сложные схемы.

Использование для сборки схемы перемычек с зажимом типа «крокодил»

Если всё, что мы хотим собрать, – это простая схема с одним аккумулятором и одним резистором, мы можем легко использовать перемычки с зажимом типа «крокодил»:

Провода перемычек с пружинными зажимами типа «крокодил» на каждом конце обеспечивают безопасный и удобный метод электрического соединения компонентов.

Если бы мы хотели собрать простую последовательную схему с одной батареей и тремя резисторами, можно было бы применить ту же технику сборки «точка-точка» с использованием перемычек:

Использование беспаечной макетной платы для более сложных схем

Однако этот метод оказывается непрактичным для гораздо более сложных схем из-за неудобства перемычек и физической хрупкости их соединений. Более распространенным методом временной сборки у любителей является беспаечная макетная плата, устройство из пластика с сотнями подпружиненных соединительных разъемов, соединяющих вставленные концы компонентов и/или отрезки проводов. Ниже показана фотография реальной макетной платы, за которой следует иллюстрация, показывающая простую последовательную схему, построенную на ней:

Под каждым отверстием на макетной плате находится металлический пружинный зажим, предназначенный для захвата вставленного провода или вывода компонента. Эти металлические пружинные зажимы соединяются под лицевой стороной макетной платы, обеспечивая соединение между вставленными выводами. Пять отверстий в каждом вертикальном столбце соединены между собой внутри платы (рисунок ниже):

Сборка последовательной схемы на макетной плате

Таким образом, когда провод или вывод компонента вставляется в отверстие на макетной плате, в этом столбце появляются еще четыре отверстия, обеспечивающие потенциально возможные точки подключения к другим проводам и/или выводам компонентов. В результате получается чрезвычайно гибкая платформа для временной сборки схем. Например, схема с тремя резисторами, показанная на рисунке 4, может быть собрана на макетной плате следующим образом:

Сборка параллельной схемы на макетной плате

На беспаечной макетной плате так же легко собрать и параллельную схему:

Ограничения в использовании беспаечных макетных плат

Однако у беспаечных макетных плат есть свои ограничения. В первую очередь, они предназначены только для временной сборки. Если вы возьмете макетную плату, перевернете ее и встряхнете, любые подключенные к ней компоненты обязательно расшатываются и могут выпасть из соответствующих отверстий.

Кроме того, эти макетные платы ограничены схемами с довольно низкими токами (менее 1 А). Их пружинные зажимы имеют небольшую площадь контакта и поэтому не могут выдерживать высокие токи без перегрева.

Пайка или обмотка проводов

Для большей надежности можно выбрать пайку или обмотку проводов. Эти методы включают прикрепление компонентов и проводов к какой-либо конструкции, обеспечивающей надежную механическую установку (например, на гетинаксовой или стеклотекстолитовой плате с просверленными в ней отверстиями, почти как на беспаечной макетной плате, но без внутренних пружинных зажимов), а затем подключение проводников к закрепленным выводам компонентов.

Пайка – это форма низкотемпературной сварки с использованием сплава олово/свинец или олово/серебро, который при плавке электрически связывает медные объекты (выводы компонентов, провода и т.п.). Для соединения компонентов вместе служат припаянные к выводам этих компонентов концы проводов или маленькие медные «контактные площадки», прикрепленные к поверхности печатной платы.

При обмотке проводов небольшой провод плотно наматывается на выводы компонентов, а не припаивается к выводам или медным площадкам; и натяжение этого намотанного провода обеспечивает надежное механическое и электрическое соединение компонентов вместе.

Печатные платы (PCB)

Ниже показан пример макетной печатной платы (PCB, printed circuit board), предназначенной для сборки макетов схем:

Эта плата показана медной стороной вверх: стороной, на которой выполняется вся пайка. Каждое отверстие для пайки окружено небольшим металлическим слоем меди. Все отверстия на этой конкретной плате независимы друг от друга, в отличие от отверстий на беспаечной макетной плате, которые соединены вместе группами по пять штук.

Но также существуют и доступны печатные макетные платы с той же схемой подключения с 5 отверстиями, что и беспаечные макетные платы.

Промышленные печатные платы содержат медные дорожки, нанесенные на подложку из гетинакса или стеклотекстолита, чтобы сформировать заранее спроектированные пути соединения, которые работают как провода в цепи. Ниже показан пример такой платы, это устройство фактически представляет собой схему «источника питания», предназначенную для получения переменного напряжения 120 вольт от бытовой розетки и преобразования его в низковольтное постоянное напряжение.

Вид на нижнюю часть платы показывает медные «дорожки», соединяющие компоненты вместе, а также серебристый припой, прикрепляющий выводы компонентов к этим дорожками:

Спаяная или обмотанная проволокой схема считается постоянной: то есть она вряд ли случайно развалится. Однако эти методы сборки иногда считаются слишком постоянными. Если кто-то захочет заменить компонент или существенно изменить схему, он должен потратить немало времени на разборку соединений. Кроме того, как пайка, так и обмотка проводов требуют специальных инструментов, которые могут быть недоступны сразу.

Клеммные колодки

Альтернативная технология сборки, используемая повсеместно, – это клеммные колодки. Клеммные колодки состоят из отрезка непроводящего материала с несколькими небольшими металлическими стержнями, встроенными внутрь. Каждый металлический стержень имеет, по крайней мере, один крепежный винт или другой крепеж, под которым может быть закреплен провод или вывод компонента.

Несколько проводов, скрепленных одним винтом, электрически являются общими друг с другом, как и провода, прикрепленные к нескольким винтам на одной шине. На следующей фотографии показан один из вариантов клеммной колодки с несколькими подключенными проводами.

Еще одна клеммная колодка меньшего размера показана на следующей фотографии. У этого типа, иногда называемого «европейским», винты немного утоплены, чтобы предотвратить случайное замыкание между клеммами отверткой или другим металлическим предметом:

Сборка схемы на клеммной колодке

На следующем рисунке показана схема с одной батареей и тремя резисторами, собранная на клеммной колодке:

Если в клеммной колодке для фиксации компонентов и концов проводов используются крепежные винты, то для закрепления новых соединений или разрыва старых соединений не потребуется ничего, кроме отвертки. В некоторых клеммных колодках используются подпружиненные зажимы (аналогичные беспаечной макетной плате, но с повышенной прочностью), которые зажимаются и отжимаются с помощью отвертки в качестве толкателя (без завинчивания). Электрические соединения, устанавливаемые клеммной колодкой, достаточно надежны и подходят как для постоянной, так и для временной сборки.

Перевод принципиальной схемы в компоновку схемы

Один из важных навыков для любого, кто интересуется электричеством и электроникой, – уметь «переводить» принципиальную схему в реальную компоновку схемы, где компоненты могут быть ориентированы по-разному.

Принципиальные схемы обычно рисуются для максимальной удобочитаемости (за исключением тех немногих примечательных примеров, нарисованных так, чтобы создать максимальную путаницу!), но при практической сборке схем часто требуется другая ориентация компонентов. Сборка простых схем на клеммных колодках – это один из способов развить навык пространственного мышления «растягивать» провода для создания тех же соединительных путей.

Преобразование простой параллельной схемы в компоновку схемы

Рассмотрим случай параллельной схемы с одной батареей и тремя резисторами, построенной на клеммной колодке:

Переход от красивой, аккуратной принципиальной схемы к реальной схеме (особенно когда подключаемые резисторы физически расположены линейно на клеммной колодке) для многих не очевиден, поэтому я опишу этот процесс шаг за шагом. Во-первых, начните с чистой принципиальной схемы и всех компонентов, прикрепленных к клеммной колодке, без соединительных проводов:

Затем проследите соединение от одной стороны батареи к первому компоненту на принципиальной схеме, закрепив соединительный провод между теми же двумя точками на реальной цепи. Думаю, полезно перерисовать этот провод на принципиальной схеме другой линией, чтобы указать, какие соединения выполнены в реальности:

Продолжайте этот процесс, провод за проводом, пока не будут пройдены все соединения на принципиальной схеме. Было бы полезно рассматривать общие провода в стиле SPICE: сделайте все соединения с общим проводом в схеме за один шаг, убедившись, что каждый компонент, подключенный к этому проводу на схеме, действительно имеет соединение с этим проводом на макете, прежде чем перейти к следующему. На следующем рисунке показано, как верхние стороны двух оставшихся резисторов соединяются вместе, что является электрически общей точкой с проводом, закрепленным на предыдущем этапе:

Когда верхние стороны всех резисторов (как показано на схеме) соединены вместе и к положительной (+) клемме батареи, всё, что нам нужно сделать, это соединить нижние стороны вместе и с другой стороной батареи:

Обычно в промышленности все провода маркируются цифровыми бирками, а электрически общие провода имеют одинаковые номера бирок, как и при моделировании SPICE. В этом случае мы можем пометить провода, как 1 и 2:

Еще одно промышленное соглашение – немного изменить принципиальную схему, чтобы указать фактические точки подключения проводов на клеммной колодке. Это требует системы маркировки для самой колодки: номер «TB» («terminal block», номер клеммной колодки) для самой колодки, за которым следует другой номер, представляющий конкретную металлическую полосу на колодке.

Таким образом, принципиальную схему теперь можно использовать в качестве «карты» для определения точек в реальной цепи, независимо от того, насколько запутанной и сложной может казаться соединительная проводка. Это может показаться излишним для простой схемы с тремя резисторами, показанной здесь, но такая деталь абсолютно необходима для сборки и обслуживания больших схем, особенно когда эти схемы могут охватывать большое физическое расстояние, используя более одной клеммной колодки, расположенной в более чем одном шкафу или распределительном щите.

Резюме

• Беспаечная макетная плата – это устройство, используемое для быстрой сборки временных схем путем подключения проводов и компонентов к электрически общим пружинным зажимам, расположенным под рядами отверстий на пластиковой плате.
• Пайка – это процесс низкотемпературной сварки, в котором используется сплав свинец/олово или олово/серебро для соединения проводов и выводов компонентов вместе; обычно компоненты крепятся к плате из стеклотекстолита.
• Обмотка проводов – это альтернатива пайке, при которой провод небольшого сечения плотно наматывается вокруг выводов компонентов.
• Клеммная колодка – еще одно устройство, используемое для монтажа компонентов и проводов при сборке цепей. Винтовые клеммы или усиленные пружинные зажимы, прикрепленные к металлическим стержням, обеспечивают точки соединения для концов проводов и выводов компонентов; эти металлические стержни устанавливаются отдельно в кусок непроводящего материала, такого как пластик, бакелит или керамика.

Теги