Электрическая цепь

Источник напряжения #

99% источников электроэнергии вокруг нас - это источники напряжения, т.е. имеют фиксированное напряжение, оно указано на корпусе. Розетка 220V (не указано, но подразумевается), батарейка АА 1.5V, батарейка Крона 9V, USB зарядник от телефона 5V и так далее. Это означает, что на выводах такого источника будет указанная разность потенциалов, её можно взять и измерить мультиметром в режиме напряжения.

Блок питания 12V 5A

У источников напряжения также обычно указан ток. Это - максимальный ток, который может выдать источник без вреда для себя, этот параметр также называется токоотдачей (в основном применительно к аккумуляторам). Ток - это характеристика цепи, потребителя. Задача источника - обеспечить цепь напряжением, а потребители возьмут нужный им ток. Это очень распространённая ошибка: вот есть у нас огромный блок питания (БП), на котором написано 5V 1000A. Можно ли подключить к нему лампочку, на которой указано 5V 1A? Конечно можно, лампочка возьмёт столько ампер, сколько ей нужно - 1A, а у БП останется "в запасе" 999A. То есть можно подключить ещё 999 таких лампочек, а вот больше - уже не рекомендуется, т.к. БП будет работать на пределе и за пределами своих возможностей - начнёт греться и работать "на износ". Если сильно превысить допустимый ток - хороший БП уйдёт в "защиту" - автоматически отключится, а плохой БП просто сгорит. Если превысить допустимый максимальный ток потребления литиевого аккумулятора - возможен взрыв и пожар.

Источник тока #

Есть второй тип источников - источники тока, они работают с точностью до наоборот: поддерживают в цепи указанный ток, изменяя напряжение. Это обычно лабораторное оборудование или специальные драйверы для питания светодиодов и зарядки аккумуляторов. Такие БП называются Сonstant Сurrent, у них указан рабочий ток с пометкой CC и диапазон напряжений от минимального до максимального. Если к вам в руки попал такой БП - будьте внимательны, подключать к нему обычные устройства нельзя. Можно только те, для которых он предназначен.

Светодиодный драйвер 300mA

Провода #

Провода имеют разный цвет для удобства, в цепях постоянного тока принято обозначать минус питания чёрным или синим цветом, а плюс - красным или белым. В питании компьютера жёлтый цвет - это линия 12V, а красный - 5V.

Потребитель электричества #

Потребители электроэнергии отличаются друг от друга - могут работать при разном напряжении и потреблять разный ток, потребитель также иногда называют нагрузкой. Если это какой-то прибор, то у него на корпусе обычно указаны характеристики: напряжение питания и средний или максимальный ток потребления. Если это электронный компонент, например микросхема или светодиод - то эта информация всегда есть в документации. Это означает, что прибор нужно подключить к источнику с указанным напряжением. Если напряжение будет меньше - скорее всего устройство будет работать нестабильно или не будет работать вовсе, а если превысить напряжение - скорее всего сгорит, причём чем выше напряжение - тем быстрее и эффектнее произойдёт этот процесс. Если включить 12V светодиодную ленту в розетку (ДЕЛАТЬ ЭТОГО НЕ НУЖНО) - она в последний раз ярко вспыхнет на долю секунды, возможно даже с пиротехническими эффектами, и перестанет быть светодиодной лентой. Более простые устройства - например электромотор и нагревательный элемент, будут отлично работать при пониженном напряжении: мотор будет крутиться медленнее, а нагреватель - греть слабее. При повышенном напряжении они тоже будут работать какое-то время - могут перегреться и выйти из строя.

Что касается тока, то потребитель будет брать столько ампер, сколько ему нужно для работы. Если источник будет слишком слабым, т.е. не сможет обеспечить потребителя нужным током - источник либо отключится, либо на нём "просядет" напряжение (об этом позже) и потребитель просто не сможет работать. Поэтому нужно выбирать источник, который обеспечит потребителя нужным током, причём лучше с запасом. Например, не получится питать шуруповёрт от батарейки Крона - она может выдать максимум около 200 мА, а мотору шуруповёрта нужно в десятки раз больше. А вот от автомобильного аккумулятора, который рассчитан на сотни Ампер, шуруповёрт будет работать более чем замечательно.

Полярность подключения #

Сетевую вилку (по крайней мере российскую и евро) можно вставить в розетку двумя сторонами - она симметричная, так как напряжение в розетке переменное: плюс меняется с минусом местами в течение времени. В таком случае говорят, что полярность подключения не важна, подключение неполярное.

В цепях постоянного тока ситуация обратная - полярность подключения часто имеет значение: если перепутать направление тока - устройство скорее всего сгорит. Поэтому на корпусе обычно указаны или подразумеваются полюса:

• "Положительный", плюс, он же питание, т.е. ненулевой потенциал. Может обозначаться как +, VCC, VDD, или с величиной напряжения - 5V, 3.3V, 3V3 (тоже 3.3V)
• "Отрицательный", часто называют минус, но по сути это нулевой потенциал. Может обозначаться как -, GND, COM

Схема подключения #

Чтобы записать текст - используют буквы, чтобы записать музыку - используют ноты, а чтобы записать электрическую цепь - используют схемы. Схема может быть наглядной и принципиальной: на наглядной нарисованы провода и компоненты так, как они выглядят в жизни, то есть это практически фотография собранной схемы. А на принципиальной схеме всё изображено "схематически" при помощи общепринятых условных обозначений.

Наглядные схемы можно рисовать в Photoshop (графический редактор), Fritzing (редактор схем), Wokwi (онлайн редактор и симулятор). Принципиальные - в любом "взрослом" редакторе схем, например EasyEDA.

Наглядная (слева) и принципиальная (справа) схемы

Мы будем изучать эти обозначения постепенно на протяжении данного раздела уроков. Начнём с базовых:

Соединение потребителей #

Соединение потребителей в цепь - не такая очевидная задача, как может показаться на первый взгляд. Электрическая цепь и движение тока в ней имеют ряд особенностей, описанных законами Кирхгофа и некоторыми другими принципами. В составлении несложных цифровых схем из модулей и компонентов знание такой теории вам не понадобится, но базовые способы соединения компонентов мы сейчас рассмотрим.

В дальнейших примерах будем использовать подключение условных лампочек к условной батарейке.

Параллельное соединение #

При параллельном соединении все потребители получают одинаковое напряжение от источника, т.е. напряжение доходит от источника до потребителя напрямую без изменений. Каждый потребитель берёт свой ток, нужный ему для работы, независимо от остальных потребителей - как будто он подключен к источнику своим отдельным проводом. Таким образом, ток потребления всей цепи равен сумме токов всех потребителей.

Это основной способ подключения частей схемы к питанию от одного общего источника - микроконтроллер, микросхемы, датчики и всякие модули подключаются параллельно к линии питания. В схемах даже принято не проводить лишние провода питания, а просто указывать условным обозначением, куда они подключены:

Аналогичные схемы

Последовательное соединение #

При последовательном соединении ситуация получается обратная: напряжение делится между потребителями согласно их току потребления, если они одинаковые - равномерно. Это означает, что если соединить последовательно два неких устройства и подать на них 5V - каждое получит по 2.5V! Ток в такой цепи будет общий и одинаковый для всех потребителей! То есть через них течёт один и тот же общий "поток" частиц, одинаковый и равномерный по своей величине в любой точке цепи.

Если один из потребителей сгорит - цепь будет разорвана, остальные потребители также перестанут получать ток. Это видно на примере недорогих гирлянд: если одну лампочку разбить - перестанут работать все остальные. Ещё один вывод из таких гирлянд: они подключаются в розетку, напряжение 220V. Если лампочек условно 22 штуки - то на каждой будет напряжение 10V - оно поделится поровну.

Интересный момент: потребитель к источнику мы всегда подключаем параллельно, то есть + в +, - в -. При параллельном подключении потребителей то же самое: + в +, - в -. При последовательном подключении потребителей крайние подключаются к источнику всё так же: + в +, - в -. А вот между собой получается, что + потребителя подключается в - соседнего с ним потребителя:

Мультиметр #

Мультиметр - прибор для измерения электрических и не только параметров: напряжение, ток, сопротивление, ёмкость, частота, температура... Возможности мультиметра зависят от конкретной модели, но даже в самых простых мультиметрах есть функция измерения тока и напряжения, такие приборы существуют также и по отдельности - амперметр и вольтметр соответственно.

Вольтметр #

Вольтметр подключается параллельно к тому участку цепи, на котором требуется измерить напряжение. Также вольтметр можно подключать напрямую к источнику питания для измерения его напряжения:

При подключении вольтметра нужно следить за тем, чтобы напряжение не превышало максимально допустимое для вольтметра, а также чтобы соответствовал его тип - постоянное или переменное.

Амперметр #

Амперметр подключается последовательно в тот участок цепи, в котором требуется измерить ток, т.е. через амперметр будет протекать тот же ток, который течёт в цепи. Амперметр позволяет измерить ток как характеристику цепи, а не источника: подключать амперметр напрямую к источнику электричества нельзя - в этом случае амперметр сам станет мощным потребителем и просто сгорит! Почему так произойдёт - обсудим в следующем уроке.

При подключении амперметра нужно следить за тем, чтобы ток не превышал максимально допустимый для амперметра, а также чтобы соответствовал его тип - постоянный или переменный.

Пример предыдущих схем с подключенными вольтметрами и амперметрами:

Соединение источников #

Последовательное соединение #

По разному могут соединяться также и сами источники. При последовательном соединении источников увеличивается их общее напряжение - математически складывается, а вот допустимый ток остаётся равным току одного источника. Такое соединение встречается при использовании пальчиковых батареек - в электронных устройствах они практически всегда подключены последовательно для повышения напряжения и используются в маломощных устройствах. Важный момент: подключать последовательно можно источники с разным напряжением - оно будет корректно суммироваться. Но вот максимальный ток такой сборки будет ограничен током самого слабого источника, т.е. с самым низким допустимым током - ведь ток в такой сборке один общий на все элементы.

Параллельное соединение #

При параллельном соединении источников их напряжение остаётся равным напряжению одного источника, а вот максимальный допустимый ток - складывается. Такое подключение часто можно встретить у литиевых аккумуляторов, их подключают параллельно для повышения максимальной токоотдачи в мощных устройствах.

Важный момент: параллельно можно подключать только источники с одинаковым напряжением, иначе ток пойдет между ними, так как возникнет разность потенциалов! Поэтому перед соединением аккумуляторов их заряжают до одинакового напряжения. Даже если аккумуляторы слегка отличаются и будут по разному разряжаться, их напряжение всегда будет выравниваться до одного уровня, так как они подключены параллельно и будут подзаряжать друг друга - при маленькой разнице это не страшно.

Смешанное соединение #

Часто используется и совмещённое подключение, последовательно-параллельное. Таким образом из нескольких элементов можно собрать аккумуляторную батарею с нужным напряжением и токоотдачей - для шуруповёртов, квадрокоптеров, электросамокатов, электромобилей и прочих аккумуляторных устройств с большим потреблением тока. Такие аккумуляторы имеют универсальную маркировку буквами S (series, последовательно) и P (parallel, параллельно). Например 3S2P - последовательная сборка из 3 параллельных сборок по 2 аккумулятора:

Аккумуляторная сборка 3S2P

Макетная плата #

Для экспериментов и сборки прототипов очень удобно использовать макетную плату (макетка, breadboard) и набор проводов-перемычек. На макетке можно очень быстро собрать схему практически любой сложности, главное не запутаться в проводах. Контакты на макетной плате расположены с шагом 2.54мм - это стандартный шаг ножек у выводных микросхем и отладочных плат, а также у всех Arduino-модулей. Это позволяет вставлять компоненты в плату и соединять их перемычками папа-папа, а также подключать модули проводами при помощи перемычек папа-мама:

Контакты макетки соединены внутри следующим образом (синие линии - соединение):

По краям макетки идут длинные ряды контактов для образования линий питания: достаточно подвести к ней питание и разводить его по потребителям, т.е. параллельно как на схемах выше. Для удобства эти линии обычно помечены цветом: синий для GND и красный для VCC. Давайте соберём несколько схем из того, что есть в наборе GyverKIT.

Схема 1 #

В качестве источника питания будем использовать плату Arduino Nano, подключенную к компьютеру по USB - в таком случае её пин 5V будет выходом с напряжением ~4.6V. Подключим RGB модуль (питается от 5V и ниже) к выводам питания. При подаче питания на плату светодиод загорится:

На первой схеме светодиод загорится красным (R - red), на второй - зелёным (G - green)

Схема 2 #

Теперь давайте добавим кнопки, чтобы они включали цвет по нажатию - кнопка при нажатии замыкает цепь:

Наглядная схема на макетной плате выглядит довольно запутанно, принцип работы гораздо лучше видно на принципиальной схеме:

В данном случае у нас получилось параллельное подключение всех трёх цветов: они все питаются напрямую от 5V источника и будут гореть с одинаковой полной яркостью, даже если нажать все три кнопки.

Схема 3 #

Если у вас вдруг имеется ещё один RGB модуль, то можно подключить их последовательно:

В данном случае напряжение поделится пополам между модулями и красный цвет будет гореть гораздо менее интенсивно, чем при питании напрямую, что отлично иллюстрирует данный урок.