Что такое напряжение, ток и сопротивление. Как работают резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Зачем нужны полупроводники, диоды и транзисторы. Чем отличаются микроконтроллеры от микропроцессоров. Как проектируются электронные схемы.
Основные электрические величины: напряжение, ток и мощность
Для понимания работы электронных схем необходимо разобраться с тремя фундаментальными величинами:
- Напряжение — измеряется в вольтах (В) и представляет собой разность потенциалов между двумя точками цепи. Его можно сравнить с давлением воды в трубе.
- Ток — измеряется в амперах (А) и показывает, сколько электронов проходит через проводник за единицу времени. Аналогичен потоку воды в трубе.
- Мощность — измеряется в ваттах (Вт) и равна произведению напряжения на ток. Характеризует скорость совершения работы в электрической цепи.
Эти величины связаны между собой законом Ома: I = U / R, где I — ток, U — напряжение, R — сопротивление. Понимание этих базовых принципов позволяет анализировать работу любых электронных устройств.
Пассивные электронные компоненты: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности
Простейшие электронные компоненты называются пассивными, так как они не усиливают сигнал и не производят энергию. К ним относятся:
Резисторы
Резисторы ограничивают протекание тока в цепи. Их сопротивление измеряется в омах (Ом). Резисторы используются для:
- Ограничения тока
- Деления напряжения
- Создания временных задержек в RC-цепях
- Нагрузки в усилителях
Конденсаторы
Конденсаторы накапливают электрический заряд. Их емкость измеряется в фарадах (Ф). Основные применения конденсаторов:
- Фильтрация помех в цепях питания
- Разделение постоянной и переменной составляющих сигнала
- Накопление энергии
- Создание колебательных контуров
Катушки индуктивности
Катушки индуктивности накапливают энергию в магнитном поле. Их индуктивность измеряется в генри (Гн). Они применяются для:
- Фильтрации высокочастотных помех
- Преобразования напряжения в импульсных источниках питания
- Создания колебательных контуров
Полупроводниковые приборы: диоды и транзисторы
Полупроводники — материалы с особыми электрическими свойствами, на основе которых создаются активные электронные компоненты:
Диоды
Диоды пропускают ток только в одном направлении. Их используют для:
- Выпрямления переменного тока
- Защиты от обратного напряжения
- Стабилизации напряжения (стабилитроны)
- Генерации света (светодиоды)
Транзисторы
Транзисторы — ключевые компоненты современной электроники. Они могут работать как управляемые ключи или усилители. Применяются для:
- Усиления сигналов
- Генерации колебаний
- Коммутации токов и напряжений
- Создания логических элементов в цифровых схемах
Интегральные микросхемы: от простой логики до микропроцессоров
Интегральные схемы (ИС) объединяют множество транзисторов и других компонентов в одном кристалле. Это позволило создавать сложные электронные устройства небольшого размера. Основные виды ИС:
Логические микросхемы
Содержат базовые логические элементы (И, ИЛИ, НЕ и др.) для обработки цифровых сигналов.
Операционные усилители
Универсальные аналоговые микросхемы для усиления и обработки сигналов.
Микроконтроллеры
Однокристальные микрокомпьютеры, содержащие процессор, память и периферийные устройства. Используются для управления различными электронными устройствами.
Микропроцессоры
Более мощные вычислительные устройства, требующие внешней памяти и периферии. Применяются в персональных компьютерах и сложных системах управления.
Проектирование электронных устройств: от схемы до печатной платы
Создание электронного устройства проходит несколько этапов:
- Разработка принципиальной схемы — отображает все компоненты и связи между ними
- Моделирование работы схемы в специальных программах
- Проектирование топологии печатной платы — расположение компонентов и трассировка проводников
- Изготовление печатной платы
- Монтаж компонентов и тестирование готового устройства
Современные САПР позволяют автоматизировать многие этапы проектирования, но глубокое понимание принципов работы электронных компонентов остается необходимым для создания эффективных и надежных устройств.
Источники питания: от батареек до импульсных преобразователей
Любому электронному устройству требуется источник питания. Рассмотрим основные типы:
Гальванические элементы и аккумуляторы
Химические источники тока. Обеспечивают автономную работу портативных устройств. Различаются по типу электрохимической системы, напряжению, емкости и возможности перезарядки.
Линейные стабилизаторы напряжения
Преобразуют нестабильное входное напряжение в стабильное выходное. Просты в применении, но имеют низкий КПД при большой разнице входного и выходного напряжений.
Импульсные преобразователи напряжения
Более сложные устройства, работающие на высокой частоте. Обеспечивают высокий КПД и могут как понижать, так и повышать напряжение. Основные типы:
- Понижающие (buck)
- Повышающие (boost)
- Инвертирующие (buck-boost)
Выбор типа источника питания зависит от требований к выходному напряжению, току нагрузки, КПД и уровню электромагнитных помех.
Сенсоры и датчики: глаза и уши электронных устройств
Датчики преобразуют различные физические величины в электрические сигналы, позволяя электронным устройствам взаимодействовать с окружающим миром. Рассмотрим некоторые распространенные типы:
Температурные датчики
Измеряют температуру окружающей среды или объекта. Бывают аналоговыми (термопары, термисторы) и цифровыми (с встроенным АЦП).
Датчики освещенности
Преобразуют интенсивность света в электрический сигнал. Используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.
Акселерометры и гироскопы
Измеряют ускорение и угловую скорость. Применяются в мобильных устройствах, системах стабилизации, навигации.
Датчики давления
Преобразуют давление газа или жидкости в электрический сигнал. Используются в метеостанциях, автомобильной электронике.
Правильный выбор датчиков и их интеграция в электронное устройство — важная задача при проектировании.
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю. Первый ее период связан с простейшими передатчиками ключевого действия и способными воспринимать их сигналы приёмниками, которые появились в начале нашего века. Затем наступила эпоха вакуумных ламп, которая ознаменовала собой возможность претворения в жизнь самых смелых идей. Сейчас мы являемся свидетелями нового этапа развития электроники, связанного с появлением элементов на твёрдом теле и характеризующегося неиссякаемым потоком новых ошеломляющих достижений. Технология изготовления больших интегральных схем (БИС) даёт возможность производить такие кристаллы кремния, на основе которых создают калькуляторы, вычислительные машины и даже «говорящие машины» со словарным запасом в несколько сотен слов. Развитие технологии сверхбольших интегральных схем открывает возможность создания ещё более замечательных устройств.
Наверное, стоит сказать и о том, что в истории развития электроники наблюдается тенденция уменьшения стоимости устройств при увеличении объёма их производства.
Стоимость электронной микросхемы, например, постоянно уменьшается по отношению к единице её первоначальной стоимости по мере совершенствования процесса производства. На самом деле зачастую панель управления и корпус прибора стоят дороже, чем его электронная часть.
Если вас заинтересовали успехи электроники и если у вас есть желание самостоятельно конструировать всевозможные хитроумные вещи, которые были бы надёжны, недороги, просты и красивы, то эта книга — для вас. В ней мы попытались раскрыть предмет электроники, показать, как он интересен и в чем состоят его секреты. Первую главу мы посвящаем изучению законов, практических правил и хитростей, составляющих в нашем понимании основу искусства электроники. Начинать всегда следует с самого начала, поэтому мы выясним, что такое напряжение, ток, мощность и из каких компонентов состоит электронная схема. На первых порах, пока вы не научитесь видеть, слышать, осязать и ощущать электричество, вам придётся столкнуться с определёнными абстрактными понятиями (их особенно много в гл.
Раз уж мы занялись основами электроники, нам следует прежде всего начать с так называемых активных схем (усилителей, генераторов, логических схем и т. п.), благодаря которым электроника и вызывает к себе такой интерес. Читатель, у которого уже есть некоторые знания по электронике, может эту главу пропустить. Она предназначена для тех, кто прежде электроникой никогда не занимался. Итак, приступим к делу.
Напряжение, ток и сопротивление
Ликвидация ООО как закрыть ООО этапы и порядок Ликвидации.
Основы на пальцах. Часть 1
Начинающим DI HALT 111 комментариев
Довелось мне однажды преподавать электронику в одной шараге.
Нетривиально занятие, скажу я вам. 🙂 Дабы облегчить усвоение материала я вводил ряд упрощений. Совершенно бредовых и антинаучных, но более менее наглядно показывающих суть процесса. Методика «канализационной электрики» успешно показала себя в полевых испытаниях, а посему будет использована и тут. Хочу лишь обратить внимание, что это всего лишь наглядное упрощение, справедливое для общего случая и конкретного момента, чтобы понять суть и к реальной физике процесса не имеющая практически никакого отношения. Зачем оно тогда? А чтобы проще запомнить, что к чему и не путать напряжение и ток и понимать как на все это влияет сопротивление, а то я от студентов такого наслушался…
Ток, напряжение, сопротивление.
| Канализация как пример цепи |
Если сравнить электроцепь с канализацией, то источник питания это сливной бачок, текущая вода – ток, давление воды-напряжение, а несущееся по трубам говнище – полезная нагрузка.
Чем выше сливной бачок, тем больше потенциальная энергия воды, находящейся в нем, и тем сильней будет напор-ток проходящий по трубам, а значит больше дерьма-нагрузки он сможет смыть.
Кроме текущего дерьма, потоку препятствует трение о стенки труб, образуя потери. Чем толще трубы тем меньше потери (гы гы гы теперь ты помнимаешь почему аудиофилы для своей мощной акустики берут провода потолще 😉 ).
Итак, подведем итог. Электроцепь содержит источник, создающий между своими полюсами разность потенциалов – напряжение. Под действием этого напряжения ток устремляется через нагрузку туда, где потенциал ниже. Движению тока препятствует сопротивление, образуемое из полезной нагрузки и потерь. В результате напряжение-давление ослабевает тем сильней, чем больше сопротивление. Ну, а теперь, положим нашу канализацию в математическое русло.
Закон Ома
| Закон Ома |
|
Сила тока в цепи пропорциональна напряжению и обратно пропорциональная полному сопротивлению цепи. |
| Закон Ома на практике |
Для примера просчитаем простейшую цепь, состоящую из трех сопротивлений и одного источника. Схему я буду рисовать не так как принято в учебниках по ТОЭ, а ближе к реальной принципиальной схеме, где принимают точку нулевого потенциала – корпус, обычно равный минусу питания, а плюс считают точкой с потенциалом равным напряжению питания. Для начала считаем, что напряжение и сопротивления у нас известны, а значит нам нужно найти ток. Сложим все сопротивления (о правилах сложения сопротивлений читай на врезке), дабы получить общую нагрузку и поделим напряжение на получившийся результат – ток найден! А теперь посмотрим как распределяется напряжение на каждом из сопротивлений. Выворачиваем закон Ома наизнанку и начинаем вычислять. U=I*R поскольку ток в цепи един для всех последовательных сопротивлений, то он будет постоянен, а вот сопротивления разные.
Итогом стало то, что Uисточника = U1 +U2 +U3. Исходя из этого принципа можно, например, соединить последовательно 50 лампочек рассчитанных на 4.5 вольта и спокойно запитать от розетки в 220 вольт – ни одна лампочка не перегорит. А что будет если в эту связку, в серединку, всандалить одно здоровенное сопротивление, скажем на КилоОм, а два других взять поменьше – на один Ом? А из расчетов станет ясно, что почти все напряжение выпадет на этом большом сопротивлении.
Закон Кирхгоффа.
| Закон Кирхгоффа на примере |
Согласно этому закону сумма токов вошедших и вышедших из узела равна нулю, причем токи втекающие в узел принято обозначать с плюсом, а вытекающие с минусом. По аналогии с нашей канализацией – вода из одной мощной трубы разбегается по кучи мелких. Данное правило позволяет вычислять примерный потребляемый ток, что иногда бывает просто необходимо при расчете принципиальных схем.
Мощность и потери
Мощность которая расходуется в цепи выражается как произведение напряжения на ток.
Р = U * I
Потому чем больше ток или напряжение, тем больше мощность. Т.к. резистор (или провода) не выполняет какой либо полезной нагрузки, то мощность, выпадающая него это потери в чистом виде. В данном случае мощность можно через закон ома выразить так:
P= R * I2
Как видишь, увеличение сопротивления вызывает увеличение мощности расходующееся на потери, а если возрастает ток, то потери увеличиваются в квадратичной зависимости. В резисторе вся моща уходит в нагрев. По этой же причине, кстати, аккумуляторы нагреваются при работе – у них тоже есть внутреннее сопротивление, на котором и происходит рассеяние части энергии.
Вот для чего аудиофилы для своих сверхмощных звуковых систем берут толстенные медные провода с минимальным сопротивлением, чтобы снизить потери мощности, так как токи там бывают немалые.
Есть закон полного тока в цепи, правда на практике мне он никогда не пригождался, но знать его не помешает, поэтому утяни из сети какой либо учебник по ТОЭ (теоретические основы электротехники) лучше для средних учебных заведений, там все гораздо проще и понятней описано – без ухода в высшую математику.
Часть 2. Резистор. Конденсатор. Индуктивность
ОсновыСпасибо!!! Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics!!! Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто!!! Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок!!!
Введение в основы электроники
Если вы разрабатываете электронный продукт, но не являетесь инженером-электриком, эта статья для вас. В нем представлен обзор всех основных электронных принципов, которые вам необходимо понять, чтобы эффективно управлять запуском вашего оборудования.
Многим предпринимателям, запускающим новый электронный аппаратный продукт, не хватает инженерных навыков для разработки собственного продукта. Поэтому вместо этого они предпочитают отдавать на аутсорсинг большую часть или всю разработку.
Это, конечно, хорошо, а аутсорсинг — отличный способ заполнить любые пробелы в ваших собственных навыках. Тем не менее, я считаю, что базовое понимание электроники по-прежнему важно для любого, кто выводит электронный продукт на рынок.
Как основателю аппаратного стартапа вам не нужно знать, как делать все самому, но чтобы добиться успеха, вы должны иметь фундаментальное понимание всех различных задач, с которыми вы должны справляться.
Как основателю аппаратного стартапа вам не нужно знать, как делать все самому, но чтобы добиться успеха, вы должны иметь фундаментальное понимание всех различных задач, которыми вы должны управлять. Нажмите, чтобы твитнуть
Независимо от того, являетесь ли вы совсем не техническим специалистом, новым производителем электроники, разработчиком программного обеспечения или инженером другого типа, эта статья будет вам полезна. Я не буду углубляться в какую-либо конкретную подтему, а вместо этого дам вам обзор основных электронных принципов.
Содержание
Напряжение/Ток/Мощность
Все начинается с напряжения и тока. Самая распространенная аналогия для понимания напряжения и силы тока — это вода, стекающая из приподнятого резервуара вниз по трубе.
Напряжение представляет собой давление воды, которое определяется высотой резервуара для воды. Чем выше бак, тем выше давление. Однако произвольная высота резервуара не имеет значения. Вместо этого имеет значение разница между высотой резервуара и высотой земли для труб.
То же самое относится к электрическому напряжению, которое измеряется в вольтах (В). Напряжение измеряется как разница между двумя точками. Например, когда вы говорите, что что-то составляет 5 вольт, это на самом деле означает 5 вольт по отношению к напряжению земли (то есть 0 вольт).
Электрический ток, с другой стороны, эквивалентен количеству воды, протекающей по трубе, и измеряется в амперах (А). Требуется напряжение, чтобы совершить работу, чтобы создать этот ток. Чем больше напряжение приложено, тем больше ток будет произведен.
Мощность — это скорость выполнения работы, измеряемая в ваттах. Существуют различные уравнения для расчета электрической мощности, но проще всего понять, что мощность — это просто напряжение, умноженное на ток.
Иллюстрация напряжения, тока и сопротивления – предоставлено Build-Electronic-Circuits.com Величина сопротивления измеряется в Омах. Резистор считается пассивным компонентом , потребляющим мощность, которая рассеивается в виде тепла.
Символ резистора с фиксированным номиналом
Номинальная мощность резистора определяет, сколько энергии он может потреблять без перегрева.
Примеры различных типов постоянных резисторов
Резистор, несомненно, является самым простым и наиболее часто используемым электрическим компонентом. Хотя они в основном сопротивляются только протеканию тока, резисторы имеют широкое применение.
Резисторы можно использовать для точного деления напряжения или ограничения допустимого тока. Их также можно использовать для синхронизации и фильтрации в сочетании с конденсатором или катушкой индуктивности.
Наиболее фундаментальным, основным уравнением, используемым в электрическом проектировании, является Закон Ома, который определяет взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Этот закон можно записать с помощью следующего уравнения:
Ток = Напряжение / Сопротивление
Если есть только одно электрическое уравнение, вы должны помнить, что это закон Ома. В качестве примера закона Ома давайте рассмотрим простейшую возможную схему, состоящую из источника напряжения (V) и резистора (R).
Простая принципиальная схема, показывающая источник напряжения и резистор
Предположим, что источник напряжения 3 В, а сопротивление резистора 100 Ом. Какой ток (I) будет течь в этой цепи?
Ток = Напряжение / Сопротивление = 3 В / 100 Ом = 0,03 А = 30 мА (мА = миллиампер = тысячные доли ампера)
Большинство сопротивлений имеют фиксированное постоянное значение, но также доступны переменные резисторы. Эти переменные резисторы называются потенциометрами .
Существуют также специальные резисторы, такие как термистор , сопротивление которого зависит от температуры. Для измерения температуры можно использовать термистор.
Конденсатор
Конденсатор служит для хранения электрической энергии. Во многих отношениях вы можете рассматривать конденсатор как перезаряжаемую батарею. Конденсаторы и резисторы являются двумя наиболее часто используемыми электрическими компонентами.
Обозначение конденсатора
Емкость – это количество энергии, которое может хранить конденсатор, и измеряется в фарадах (Ф).
Примеры различных конденсаторов
Конденсаторы служат для многих целей, включая накопление энергии, фильтрацию, синхронизацию и развязку.
Одной из основных характеристик конденсаторов, которая делает их полезными для фильтрации, является их сопротивление (технически называемое импедансом), которое уменьшается с увеличением частоты.
Например, для неколеблющегося сигнала постоянного тока конденсатор выглядит как открытый переключатель с очень высоким сопротивлением. Принимая во внимание, что для высокочастотного колебательного сигнала конденсатор эквивалентен замкнутому переключателю с очень низким сопротивлением.
Развязка — одно из наиболее распространенных применений конденсаторов. Развязывающие конденсаторы размещаются рядом с выводом питания интегральных схем (ИС) для подавления связи с другими частями схемы через соединение источника питания. Эти конденсаторы служат небольшим локализованным резервуаром энергии для питания ИС током во время быстрых переходных нагрузок.
Катушка индуктивности
Катушка индуктивности — это просто катушка проволоки, и на самом деле их обычно называют катушками. Подобно конденсатору, катушка индуктивности накапливает электрическую энергию. Однако конденсатор хранит эту энергию электрически, тогда как индуктор хранит ее магнитно.
Символ катушки индуктивности
Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности представляют собой три типа пассивных электрических компонентов. Однако катушки индуктивности не так распространены, как резисторы и конденсаторы. Катушки индуктивности чаще всего используются в схемах, называемых импульсными стабилизаторами (см. ниже). Индукторы также обычно используются для фильтрации.
Примеры различных катушек индуктивности
Сопротивление (еще раз импеданс) катушки индуктивности зависит от частоты противоположным образом, как у конденсатора. Индуктор выглядит как замкнутый переключатель для сигнала постоянного тока и открытый переключатель для высокочастотного колебательного сигнала.
Полупроводник
Полупроводник — это материал, который находится на пороге между проводником и изолятором. Самым распространенным полупроводниковым материалом на сегодняшний день является кремний. Используя полупроводниковые материалы, можно создавать электрические устройства, которые могут работать и как проводник, и как изолятор, как выключатель.
Диоды и транзисторы являются двумя наиболее важными компонентами, созданными из полупроводниковых материалов.
Диод
Диод — это полупроводниковый прибор. Наиболее распространенной функцией диода является то, что он позволяет току течь только в одном направлении.
Символ диода
Например, если вам нужно преобразовать переменный ток (AC), который меняет направление тока (DC), вы использовал бы диод.
Особый тип диода, называемый светоизлучающим диодом (LED), также чрезвычайно распространен. В светодиоде, когда электрический ток проходит через полупроводниковый диод, он испускает фотоны света. Этот процесс во много раз эффективнее, чем свет, производимый источником света накаливания, который тратит энергию в виде тепла.
Транзистор
Пожалуй, самым важным технологическим достижением прошлого века является транзистор. Транзисторы являются основным компонентом любого современного компьютера. Транзистор — это не что иное, как электрический переключатель.
Символ транзистора
В цифровых приложениях они могут быть выключены (0) или включены (1). Соберите вместе достаточное количество этих переключателей, и они смогут хранить данные и выполнять сложные вычисления. Современный микропроцессор может содержать миллиарды транзисторных переключателей.
Транзисторы также можно использовать в аналоговых приложениях, где вместо того, чтобы быть полностью включенными или выключенными, они могут использоваться для контроля величины тока, проходящего через них. Например, обычное аналоговое использование транзисторов для усиления сигнала.
Интегральная схема (ИС)
Хотя транзисторы являются основными строительными блоками для сложных компьютерных микросхем, на самом деле именно изобретение интегральной схемы (также обычно называемой микрочипом или просто микросхемой) сделало все это возможным.
Примеры интегральных схем (ИС), которые также обычно называют микрочипами
диоды, резисторы и конденсаторы).
Вместо схемы, состоящей из отдельных компонентов, ИС объединяет их все вместе. Это позволяет сигналам между компонентами проходить гораздо быстрее без потери мощности.
Возможно, вы удивитесь, узнав, что мой бывший работодатель, Texas Instruments, изобрел интегральную схему много лет назад. Джек Килби был инженером TI, который изобрел эту технологию, изменившую мир.
Трансформатор
Трансформатор состоит из двух или более катушек индуктивности. Энергия передается от одной катушки к другой через магнитное поле. Чаще всего трансформатор используется для повышения или понижения напряжения. Чаще всего они используются в преобразователях переменного тока в постоянный.
Символ трансформатора
Линейный регулятор
Регулятор обычно относится к цепи, которая регулирует напряжение. Так, например, если у вас есть входное напряжение, которое может варьироваться от 6 до 20 В, вы можете использовать регулятор для получения постоянного выходного напряжения 5 В постоянного тока.
Существует два основных типа регуляторов: линейные и импульсные. Линейный регулятор гораздо проще для понимания и использования.
В линейном регуляторе используется транзистор, подобный крану, для управления величиной тока, передаваемого на выход, и, таким образом, он может регулировать напряжение на выходе.
Преимущество линейного стабилизатора в том, что он дешев, прост в использовании и обеспечивает самое чистое и бесшумное напряжение питания. Их основным недостатком является то, что в некоторых приложениях они тратят неприемлемое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Импульсный регулятор
По сравнению с линейными стабилизаторами, импульсные стабилизаторы намного сложнее, требуют больше компонентов, создают больше электрических помех и стоят дороже.
Импульсные стабилизаторы существуют главным образом по двум причинам: они тратят меньше энергии в большинстве приложений и позволяют делать такие изящные вещи, как повышать низкое напряжение питания до более высокого напряжения.
Например, предположим, что ваш продукт питается от литий-ионной батареи 3,7 В, но для компонента требуется источник питания 12 В.
Вы можете сложить вместе четыре батареи, чтобы получить 4 x 3,7 В = 14,8 В, а затем снизить это напряжение до 12 В с помощью линейного регулятора. Однако в большинстве случаев лучшим решением является повышение напряжения 3,7 В до 12 В с помощью импульсного стабилизатора с режимом повышения.
Принципиальная схема импульсного понижающего регулятора
Импульсные стабилизаторы используют катушки индуктивности и конденсаторы для накопления и высвобождения энергии с определенной скоростью. Изменяя коэффициент заполнения (процент времени включения по сравнению с временем выключения), они могут регулировать выходное напряжение.
Условие, при котором их энергоэффективность вступает в игру по сравнению с линейным регулятором, когда входное напряжение значительно превышает выходное напряжение.
В этом сценарии линейный регулятор может терять более половины потребляемой мощности, в то время как импульсный стабилизатор может терять только несколько процентов подаваемой мощности.
Кристалл
Кристалл представляет собой кусок кварца, работающий по физическому принципу, известному как пьезоэлектрический эффект. Когда вы сжимаете кусок кварца, он электрически колеблется с очень точной частотой, зависящей от приложенного механического давления.
Символ кристалла
Как микроконтроллерам, так и микропроцессорам для работы требуется очень точная синхронизация. Это назначение кристалла кварца.
Когда точная синхронизация не так важна, некоторые микроконтроллеры предлагают возможность вместо этого использовать менее точный внутренний генератор, состоящий из резистора и конденсатора (называемый RC-генератором).
Блок микроконтроллера (MCU)
Для современных электронных продуктов микроконтроллер может быть наиболее важным компонентом, поскольку он служит «мозгом» продукта.
Микроконтроллер содержит центральный процессор (ЦП), память и несколько периферийных устройств, интегрированных в один кремниевый чип. Это высокоинтегрированный компьютерный чип, предназначенный для самостоятельной работы без необходимости использования внешних чипов поддержки.
Микроконтроллер превосходно взаимодействует с внешним миром с помощью датчиков, переключателей, источников света, преобразователей, реле, двигателей и т. д. В то время как микропроцессоры превосходно справляются с очень быстрой обработкой огромных объемов данных.
Arduino — семейство комплектов разработки на базе 8-битных микроконтроллеров от Atmel. Для довольно простых приложений достаточно 8-битного микроконтроллера.
Но для более сложных приложений, требующих более высокой скорости обработки и большего объема памяти, следует использовать 32-разрядный микроконтроллер. Самые популярные 32-битные микроконтроллеры основаны на архитектуре Arm Cortex-M.
Микропроцессор (MPU)
Микропроцессор необходим для приложений, требующих быстрой обработки больших объемов данных. На фундаментальном уровне микропроцессор ничем не отличается от микроконтроллера, они просто быстрее, сложнее, дороже и потребляют больше энергии.
В отличие от микроконтроллера, в котором процессор и память интегрированы в один и тот же чип, для микропроцессора обычно требуется отдельный чип для памяти. Это дает вам возможность включать столько памяти, сколько требуется для вашего приложения.
Но процессору нужен очень высокоскоростной интерфейс для любой оперативной памяти, и это значительно усложняет конструкцию печатной платы.
Другое большое различие между микропроцессором и микроконтроллером заключается в том, что микропроцессор почти всегда работает в операционной системе (Linux, Android, Windows и т. д.). С другой стороны, микроконтроллер просто выполняет код прошивки без необходимости в операционной системе.
Схематическая диаграмма
Схема — это концептуальная инженерная схема, показывающая, как все электронные компоненты соединяются друг с другом. Различные компоненты представлены с помощью символов, показанных в этой статье.
Пример принципиальной схемы
Печатная плата (PCB)
Схема – это всего лишь абстрактная диаграмма. Чтобы превратить его в реальный дизайн, теперь его необходимо «преобразовать» в макет печатной платы (PCB).
Тот же программный пакет, который используется для создания принципиальной схемы, также используется для разработки топологии печатной платы. Затем это программное обеспечение выполняет все необходимые проверки, чтобы убедиться, что топология печатной платы точно соответствует принципиальной схеме.
Пример печатной платы (PCB)
Электронный модуль
Электронный модуль представляет собой автономную схему, предназначенную для выполнения определенной функции и для интеграции в существующую систему. Одним из наиболее распространенных типов электронных модулей является беспроводной модуль.
Пример электронного модуля
Например, если вы хотите добавить WiFi в свой проект, то у вас есть два маршрута. Вы можете самостоятельно разработать схему, необходимую для реализации WiFi. Эта схема будет построена на основе микросхемы с WiFi-радио. Другой вариант — вместо этого вы можете использовать модуль WiFi, который уже является полностью работающей схемой.
Модули используются главным образом потому, что они упрощают конструкцию. Это означает сокращение времени выхода на рынок и снижение затрат на разработку. Кроме того, для беспроводных функций можно использовать модули, чтобы снизить стоимость сертификатов, таких как сертификация FCC.
Макетная плата
Макетная плата — это макетная плата без пайки, которая позволяет быстро и легко подключать различные электронные компоненты, включая даже довольно простые микросхемы.
Пример схемы, построенной на макетной плате
Макеты отлично подходят для простых проектов, которые не работают на сколько-нибудь значительной скорости. Например, если вы хотите построить простую схему, которая будет мигать светодиодом при нажатии кнопки, вы можете использовать макетную плату.
Но если вы хотите спроектировать сложную схему микропроцессора, макетная плата не подойдет.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Мы живем в аналоговом мире, тогда как компьютеры работают в цифровом мире. Аналоговый относится к сигналам и информации, которые представлены непрерывно изменяющимися величинами.
Например, в нашем аналоговом мире вы можете сказать, что сейчас 13:00, 14:00 или любое другое значение между этими двумя временами. С другой стороны, в цифровом домене есть только два состояния: 0 (выключено) или 1 (включено).
Для того, чтобы компьютерный чип мог обрабатывать любую аналоговую величину, он должен сначала быть преобразован в серию цифровых данных. Это назначение аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Многие микроконтроллеры включают встроенные аналого-цифровые преобразователи или могут быть добавлены в виде внешней микросхемы.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
Противоположностью аналого-цифровому преобразователю, как вы уже догадались, является цифро-аналоговый преобразователь. Многие микроконтроллеры также включают встроенные ЦАП, хотя и не так часто, как АЦП.
Типичный пример ЦАП для аудио. Например, когда вы разговариваете по смартфону, ваш голос преобразуется из аналогового в цифровой, а затем передается по беспроводной сети в цифровом формате на принимающий телефон. Затем принимающий телефон преобразует цифровые данные обратно в аналоговый звук, который подается на динамик.
Основное преимущество передачи данных в цифровом формате по сравнению с аналоговыми данными заключается в том, что цифровые данные гораздо менее чувствительны к помехам и шумам.
UART / I2C / SPI
Вообще говоря, цифровые микросхемы взаимодействуют друг с другом двумя способами: последовательным или параллельным. Последовательная связь означает, что все данные передаются последовательно по проводу, в отличие от параллельной связи , когда данные передаются по нескольким проводам одновременно.
Большинство микросхем взаимодействуют с использованием последовательных методов из-за необходимости меньшего количества проводов, что упрощает конструкцию. Недостатком последовательной связи является то, что обычно она не такая быстрая, как параллельная.
Например, соединение между микропроцессором и любой оперативной памятью должно быть очень быстрым, поэтому обычно требуется параллельный интерфейс.
Универсальный асинхронный прием-транзит (UART) — один из старейших и наиболее распространенных последовательных протоколов. Асинхронный просто означает, что тактовый сигнал не используется для целей синхронизации.
Для интерфейса UART требуется как минимум две линии: приемная и передающая. Таким образом, данные передаются только в одном направлении по каждой из двух линий данных.
I2C — популярный последовательный протокол, использующий два провода: тактовый сигнал и двунаправленную линию данных. I2C считается синхронным, поскольку он использует часы для синхронизации. I2C обычно используется для сопряжения всех видов датчиков с микроконтроллером.
SPI — еще один очень распространенный протокол последовательной связи. Как и в случае с UART, SPI использует две однонаправленные линии данных, но вместо этого синхронизируется с тактовым сигналом.
SPI, как правило, является предпочтительным выбором, когда скорость передачи данных более важна. Например, вы можете использовать SPI при подключении цветного дисплея к микроконтроллеру. Но вы, вероятно, будете использовать I2C для подключения датчика температуры к микроконтроллеру.
Заключение
Эта статья была разработана, чтобы дать вам очень краткое введение в самые фундаментальные основы электроники, включая обзор многих доступных электронных компонентов.
Однако для того, чтобы эти электронные компоненты можно было использовать, они должны быть соединены вместе, образуя электронные схемы. Поэтому обязательно прочитайте мой блог «Введение в основные электронные схемы».
Другой контент, который может вам понравиться:
4.3 8 голосов
Рейтинг статьи
Основные электронные компоненты — Типы, функции, символы
Список типов основных электронных компонентов, функции, символы.
Основные электронные компоненты представляют собой электронные устройства или детали, обычно упакованные в дискретной форме с двумя или более соединительными проводами или металлическими контактными площадками. Эти устройства предназначены для соединения друг с другом, как правило, припаиванием к печатной плате ( PCB ), для создания электронной схемы с определенной функцией (например, усилитель, радиоприемник, генератор, беспроводная связь ).
Некоторые из основных электронных компонентов: резистор, конденсатор, транзистор, диод, операционный усилитель, массив резисторов, логический вентиль и т. д. и активные компоненты. Оба эти типа компонентов могут быть как сквозными, так и поверхностными.
1. Пассивные компоненты
Эти компоненты не имеют усиления или направленности. Их также называют электрическими элементами или электрическими компонентами.
Пример : Резисторы, конденсаторы, диоды, катушки индуктивности.
2. Активные компоненты
Эти компоненты имеют усиление или направленность.
Пример : Транзисторы, интегральные схемы или ИС, логические элементы.
| Active Components | Passive Components |
| Light Emitting Diode (LED) | Resistor |
| Transistor | Capacitor |
| Integrated Circuit (IC) | Inductor |
| Аккумулятор | Автоматический выключатель |
| Реле ( также может использоваться как пассивное ) | Предохранитель |
| Diode | Switch |
| Solar Cell | Transformer |
| Current Sensor | Electrical Wires & Power Cables |
| SMD Components | Motor |
Function of Basic Electronic Components
- Клеммы и разъемы : Компоненты для электрического соединения.
- Резисторы : Компоненты, используемые для сопротивления току.
- Переключатели : Компоненты, которые могут быть либо проводящими ( закрытые ), либо нет ( разомкнутыми ).
- Конденсаторы : Компоненты, накапливающие электрический заряд в электрическом поле.
- Магнитные или индуктивные компоненты : Это электрические компоненты, использующие магнетизм.
- Сетевые компоненты : Компоненты, использующие более 1 типа пассивного компонента.
- Пьезоэлектрические устройства, кристаллы, резонаторы : Пассивные компоненты, в которых используется пьезоэлектрический элемент. эффект.
- Полупроводники : Электронные элементы управления без движущихся частей.
- Диоды : Компоненты, проводящие электричество только в одном направлении.
- Транзисторы : Полупроводниковое устройство, способное к усилению.
