Текст книги "Современная электроника в новых практических схемах и конструкциях"

Кашкаров Андрей Петрович
Современная электроника в практических схемах и конструкциях

Вступление

Радио и радиолюбители

РАДИО (от латинского radiare – излучать) – тот термин, стиль жизни и даже диагноз, который вправе записать в свой актив каждый радиолюбитель (НАМ).

Пока связь осуществлялась по проводам, все, что было связано с телефоном (от аппаратов до станций), приходило в Россию с Запада. История свидетельствует, что международное телефонное общество Белла из Нью – Йорка в 1881 г. заключило с Россией контракт на устройство и эксплуатацию телефонных сетей в Санкт-Петербурге, Москве, Варшаве, Одессе, Риге и Лодзи сроком на 20 лет.

В России компания «Л. М. Эриксон и Ко.» открыла свою первую станцию в 1893 г. в Киеве. В конце XIX века бывший владелец мастерской по ремонту телеграфных аппаратов Ларс Магнус Эриксон имел в России самый большой рынок сбыта и хотел даже переехать в Петербург. В 1900 году Эриксон построил свою первую зарубежную фабрику – в Санкт-Петербурге.

Русский изобретатель А. С. Попов «перевернул» все налаженные международные традиции.

Успешно проведенные А. С. Поповым опыты по передаче сигнала на расстояние без проводов в XIX веке стали толчком в освоении и дальнейшем развитии как отечественной, так и международной радиосвязи, продолжающемся и сегодня.

На заре радиосвязи

Огромная армия увлеченных, преданных науке, талантливых людей «с головой» окунулась тогда в радиотехнику. По свидетельствам очевидцев того времени это увлечение носило не только сугубо научный «лабораторный» характер, но и проникло в каждый дом: стар и млад, не зависимо от своего статуса и профессии, собирали на кухнях детекторные приемники, соревновались в приеме (и его качестве) радиостанции. Большой успех был у тех, кто смог поймать наиболее дальние и периодически выходящие в эфир радиостанции.

Естественно, что для всей этой массы (не побоюсь этого слова – лучших людей страны) нужен был свой печатный орган (Интернета тогда не было) – периодический журнал, который популярно освещал бы проблемы радиосвязи, новаторские решения и изобретения в сфере Радио.

Изначально это был журнал для увлеченных радиосвязью, он назывался «Радиотехник» (внешний вид обложки представлен на рис. 1).

Рис. 1. Обложка журнала «Радиотехник»

Издание отдела Народного Комиссариата Почт и телеграфов выходило с января 1918 года. Затем, чуть позже появился журнал «Телеграфия и телефония без проводов» – издание нижегородской лаборатории Н. К. П. и Т, он выходил с января 1922 г.

На рис. 2 представлена обложка журнала «Телеграфия и телефония без проводов» за март 1923 г.

Рис. 2. Обложка журнала «Телеграфия и телефония без проводов» за март 1923 г.

На заре радиосвязи, в начале ХХ века, отношение к коротковолновым диапазонам частот было весьма специфическим – этот (в то время) малоизученный диапазон, подверженный сильным суточным изменениям характера распространения радиоволн, считался почти непригодным для радиосвязи, для которой тогда использовались в основном длинноволновый и средневолновый диапазоны частот (которые хорошо «брали» детекторные приемники). В последующие десятилетия, в ходе совершенствования радиотехники и детального изучения особенностей распространения радиоволн эта точка зрения была радикально пересмотрена, и коротковолновая радиосвязь получила широчайшее распространение.

Радио – в массы

Вскоре военные и гражданские моряки, авиаторы, геологи, метеорологи, работники полярных станций, жители удаленных и труднодоступных населенных пунктов – все заинтересовались радио уже профессионально, потому, что этот вид связи становился доступным и более того, архинеобходимым для нужд развивающейся страны в 20–е, 30–е годы прошлого века. Радиостанции для самолетов, танков, судов и разведовательных партий, автоматические приборы управления многотонными орудиями (вспомните батареи мыса Церель, В. Пикуль), подъемные лифты для подачи снарядов, связь на предприятиях и железнодорожном транспорте – все требовало радиофикации.

Трудно даже перечислить всех, кто постоянно использовал (и продолжает использовать) в своей работе дальнюю радиосвязь. Кроме того, оказалось востребованным новое направление в радиотехнике – автоматика – устройства на основе датчиков различного назначения, призванные автоматизировать производственные процессы и быт людей.

Поэтому в период первых трехлеток и пятилеток в 20–х, 30–х годах XX века появились новые журналы для радиолюбителей, инженеров и руководителей предприятий. Таким стал журнал «Радио любитель» (издающийся с января 1924 года) и который современный журнал «Радио» считает своим родоначальником. Внешний вид журнала представлен на рис. 3.

Рис. 3. Обложка журнала «Радиолюбитель»

С первых номеров журнала «Радио любитель» выходили статьи не только о детекторных приемниках, но и важные тогда обзоры международной обстановки, выборные рецензии на зарубежные публикации, анонсы будущих статей.

Журналы были напечатаны на простейшей газетной бумаге, но уже тогда имели вполне читаемые черно – белые иллюстрации, чертежи, графики, схемы, фотографии. Графическое качество изображений не отличалось, а иногда превосходило (обложки оформлялись цветом) газетные иллюстрации. Корреспонденты (журналисты) подписывались модным тогда словом радиокор (вспомните военмор, военлет, краском), а объем журнала мог варьироваться от 60 до 110 страниц.

Первый номер журнала «Радио – Всем» вышел 15 сентября 1925 года. Обложка журнала представлена на рис. 4.

Рис. 4. Обложка журнала «Радио – всем»

Этот известный в свое время журнал был очень популярен у читателей, а его публикации соответствовали духу того времени. Журнал публиковал статьи о коллективизации, обзоры достижений народного хозяйства в области радиосвязи, имел рубрики «Радио в СССР» и Радио за границей».

Журнал «Радио – всем» органа Общества друзей радио РСФСР, с апреля 1926 г. – органа Общества Друзей Радио СССР выходил два раза в месяц. Журнал издавался под редакцией И. А. Халепского, в дальнейшем до 1930 года – под редакцией А. М. Любовича и Я. В. Мукомля.

Редакция журнала «Радио – всем» придерживалась следующих принципов, которые были написаны на развороте первых номеров.

1. «Радио – всем» является самым доступным научно – популярным радиотехническим журналом.

2. «Радио – всем» на своих страницах дает полную информацию обо всех достижениях науки и практики Радио в СССР и за границей.

3. «Радио – всем» освещает деятельность организаций и ячеек ОДР (Общества Друзей Радио) города, деревни и красной армии, их достижения и достижения отдельных радиолюбителей.

4. «Радио – всем» обслуживает интересы радиослушателей, обсуждая на своих страницах методы и программы радиовещания.

5. Для участия в журнале «Радио – всем» приглашены лучшие научно – технические и литературные силы.

6. «Радио – всем» дает обилие чертежей и иллюстраций, четкую печать, хорошую бумагу и впредь обеспечивает регулярных выход номеров.

Да, этим не поспоришь. Вот так рекламировали себя журналы еще в начале ХХ века. Так, что реклама появилась не вчера.

В 1930 году с № 19–20 журнал «Радио – всем» переименовали в «Радиофронт» – орган ОДР и ВЦСПС. Изменение названия было связано с общим курсом страны перед надвигающейся второй мировой войной. Позже произошло слияние «Радиофронта» с журналом «Радио любитель». Журнал стал более объемным и специализированным, с преобладанием технических материалов. «Радиофронт» выходил до начала Великой Отечественной войны.

На рис. 5 представлена обложка журнала «Радиофронт».

Рис. 5. Обложка журнала «Радиофронт»

В 1937 г. подписчикам рассылается журнал «Радиотехника», содержащий, кроме похожей тематики с рассмотренными выше журналами, еще и аннотации актуальных статей в иностранных журналах. «Радиотехника» (вторая страница журнала представлена на рис. 6) являлся более узкоспециализированным журналом и предназначался в основном для инженеров, разработчиков радиоэлектронных устройств, а также руководителей предприятий отрасли связи.

Рис. 6. Вторая страница журнала «Радиотехника»

После ВОВ появились новые ведомственные журналы, освещающие актуальные вопросы радиотехники, как науки, например журнал «Военная химия» (обложка на рис. 7).

Вопросы радиотехники поднимают, исследуют и решают (имея разное количество рубрик) сегодня такие «непрофильные» и универсальные журналы, как: «Моделист – Конструктор», «Электрик», «Техника молодежи», «Юный техник».

И «профильные»: «Радиолюбитель», «Радиохобби», «Схемотехника», «Радиоконструктор», «Радио», «Радiоаматор» и другие.

Перспективы радиосвязи и журналы для радиолюбителей сегодня

Радиолюбители сегодня – это не только «мужики с паяльниками, которые в деревнях живут». Это огромная масса увлеченных любимым делом людей, постоянно развивающаяся, что-то ремонтирующая, усовершенствующая, изобретающая, активно общающаяся. Среди радиолюбителей есть люди, специализирующиеся на различных направлениях, например, на электронных устройствах автоматики, микроэлектронике, телефонной связи, а есть и любители радиосвязи. Всем им нужны журналы. Много журналов хороших и разных.

В последние годы, некоторые специалисты периодически высказываются о связи на КВ как о «несерьезной» и малопригодной для делового применения, основываясь на последних достижениях в области спутниковой связи и освоения диапазонов СВЧ (сверхвысокой частоты). В начале XXI века высказывались даже предположения о том, что через 20–30 лет практически все виды коммерческой и служебной связи будут переведены на УКВ и СВЧ диапазоны с широким использованием ретрансляторов, размещенных на искусственных спутниках Земли, а связь на КВ станет уделом только радиолюбителей.

Нашему поколению радиолюбителей не приходится рассчитывать на значительное расширение границ любительских КВ диапазонов. Несмотря на очевидный прогресс других видов связи, остается еще немало применений, в которых применение дальней коротковолновой связи (и УКВ) значительно экономичнее любых других видов связи, а в отдельных случаях вообще не имеет сколь либо серьезной альтернативы.

Для России, имеющей огромные малоосвоенные приполярные области, в которых использование систем на базе геостационарных спутников затруднительно или невозможно, коротковолновая радиосвязь еще в течение долгого времени будет оставаться архиважным дополнением коммуникационной инфраструктуры.

Потребителям, интересующихся готовой радиоаппаратурой, средствами связи и их комплектующими, в том числе антеннами для дальней коротковолновой радиосвязи когорта выходящих сегодня журналов может предложить богатый выбор оборудования – как от ведущих мировых производителей, так и от компаний, малоизвестных, но выпускающих уникальные продукты специального назначения, в том числе изделия на заказ.

Предложения по популяризации радио

Популяризация радио включает в себя комплекс мероприятий. Это информированность заинтересованного населения в средствах массовой информации, создание условий для деятельности клубов и ассоциации, объединяющих радиолюбителей, помощь от государственных органов и органов местного самоуправления, оказываемая клубам, ассоциациям и отдельным радиолюбителям.

Как этого достигнуть?

Необходимо привлекать внимание правительства и государственных органов, необходима программа, принятая на правительственном уровне для развития радиолюбительства, средств массовой информации (радиолюбительских журналов), привлечения заинтересованной молодежи, конкурсы и гранты.

В России принята Государственная программа «Патриотическое воспитание граждан Российской Федерации на 2006–2010 годы» (http://www.ed.gov.ru/ntp/fp/patr/). Такие же программы принимают все субъекты РФ. Это важные шаги для популяризации радио, ведь радиолюбители, в частности, имеющие позывной, общаются со всем миром. «Не гоже нам ударять в грязь лицом…»

Хотелось бы видеть практические итоги этих программ.

Андрей Петрович Кашкаров

RA1AGS

Глава 1. Электронные устройства автоматики и охраны

1.1. Полив цветов – на автомате

Тем из читателей, кто выращивает цветы на своих участках или в домашних условиях, не надо рассказывать о пользе этого увлечения. Большинство людей делает это по велению души. В последнее время даже стали проводить конкурсы и выявлять победителей в минисоревнованиях «Чей балкон краше?». Некоторые цветоводы имеют много свободного времени и с удовольствием наблюдают за ростками часами, другие ограничены во времени и могут посвятить любимому занятию только несколько минут в день. Самым главным при взращивании растений и поддержании уже взрослых декоративных цветов является создание соответствующего микроклимата – поддержание и постоянный контроль влажности почвы, окружающего воздуха и солнечных ванн. И если создать благоприятный климат окружающей температуры воздуха и дозировать солнечную энергию относительно просто – установив горшок с цветком в соответствующее место в интерьере квартиры, то поддержание влажности почвы требует ежедневного и тщательного внимания. А между тем, процесс полива можно автоматизировать, собрав и включив простое в повторении электронное устройство, схемы которого представлены на рис. 1.1 и 1.2.

Рис. 1.1. Электрическая схема дозатора и контроля влажности почвы устройства автоматического полива

Рис. 1.2. Электрическая схема таймера на 1 ч

Устройство состоит из трех частей, электрически взаимосвязанных между собой. Части устройства и их функциональная взаимосвязь отражены на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Блок схема устройства автоматического полива растений

Контроллер влажности почвы в постоянном режиме измеряет сопротивление почвы между контактами датчика влажности R и выдает на выходе управляющий сигнал – низкий уровень напряжения, если почва засушлива и требует увлажнения.

Таймер – устройство выдержки времени – выдает на выходе положительный управляющий импульс с периодичностью один раз в час.

Дозатор полива вместе со схемой совпадений сравнивает сигналы управления от предыдущих блоков и включает исполнительное устройство – электродвигатель, нагнетающий воду из резервуара в том случае, когда оба этих сигналы имеют низкий логический уровень.

Электродвигателем управляет исполнительное реле К1, рассчитанное на напряжение 12 В и коммутирующее ток до 3 А.

На логических элементах микросхемы DD1.1, DD1.2 К561ЛА7 собран сигнализатор влажности. Перед этим узлом стоит важная задача – сигнализировать о сухой почве и не допустить ее переувлажнения, так как в последнем случае это может погубить цветы. Поэтому система полива должна включаться на короткие промежутки времени, с постоянным контролем состояния влажности почвы.

Контакты Х1 изготовлены из металлических спиц (применяемых также для вязания) длиной 30 см каждая. Контактные проводники припаиваются к спицам с помощью припоя ПОС-61 (или аналогичного) и флюса. Проводники от датчиков – спиц выполнены гибким монтажным проводом МГТФ-0,8 и имеют длину не более 50 см каждый. Большая длина проводников к датчику приведет к ложным срабатываниям логических элементов микросхемы DD1.1 и DD1.2. Переменный резистор R1 необходим для регулировки чувствительности влажности почвы. Перед первым включением движок R1 устанавливают в среднее (по схеме) положение. Датчики – спицы помещаются в почву цветочного горшка на глубину до 20 см.

Пока почва сухая, она имеет большое сопротивление электрическому току (несколько десятков МОм). Сопротивление переменного резистора R1 меньше этого значения, поэтому на выводах 1 и 2 логического элемента DD1.1 присутствует сигнал высокого логического уровня. На выводе 3 DD1.1 будет низкий уровень (так как элемент включен как инвертор), а на выводе 4 элемента DD1.2 присутствует вновь высокий уровень. Благодаря этому напряжению заряжается оксидный конденсатор С3, который необходим для инерции срабатывания узла контроля влажности.

Когда С3 зарядится до напряжения 4–6 В (несколько сек) на выходе элемента DD1.3 окажется низкий уровень напряжения – он поступит на узел сравнения напряжений, собранный на элементе DD2.1. Элемент DD2.1 (ИЛИ с инверсией) согласно таблице истинности выдаст на выходе (вывод 11) управляющий сигнал высокого логического уровня, если на входах (выводы 12 и 13 DD2.1) будет сочетания двух низких уровней (в любом другом случае сигнал на выводе 11 будет иметь низкий уровень, транзистор заперт, электродвигатель М1 не работает).

Таким образом, при появлении на выходе логического элемента DD2.1 высокого уровня, откроется транзистор VT1, который подаст питание на исполнительное реле К1. Реле К1 своими коммутирующими контактами К1.1 замкнет цепь питания электромотора М1 с номинальным напряжением 12 В. В качестве электромотора М1 используется промышленный электродвигатель омывателя лобового стекла для автомобилей семейства ВАЗ-2101 – 2107. Резервуар для воды (жидкости) емкостью 1,3 л также используется промышленный – бачок омывателя лобового стекла автомобилей указанного типа. Диод VD1 препятствует броскам обратного тока через реле К1 и защищает переход транзистора VT1.

Соответственно, если почва в цветочном горшке влажная, то на выводе 12 элемента DD2.1 окажется высокий уровень напряжения. При этом на выводе 4 элемента DD2.2 также постоянно присутствует высокий уровень напряжения, кроме тех периодов, когда от таймера (рис. 1.2) поступает управляющий импульс низкого уровня с периодичностью один раз в час.

На элементах DD1.4 и DD2.2 собран электронный дозатор, формирующий временные интервалы, в течении которых в системе нагнетается вода для полива. Таймер на микросхеме DD3 К561ИЕ16 (рис. 1.2) необходим для циклической подачи управляющих импульсов с периодичностью примерно один раз в час. Управляющие импульсы положительной полярности снимаются с вывода 3 микросхемы К561ИЕ16 (точка А), инвертируются элементом DD2.3 и подаются на вход узла электронного дозатора через конденсатор С1, который не пропускает постоянную составляющую напряжения.

Время работы электродвигателя М1 (нагнетания воды из резервуара) определяется значениями элементов времязадающей цепи С2R6. При указанных на схеме значениях этих элементов электродвигатель будет работать в течении 20 с.

Рассмотрим подробнее работу таймера, схема которого показана на рис. 1.2.

Таймер собран на одной микросхеме К561ИЕ16. Задающим генератором импульсов служит мигающий светодиод HL1. На выводе 10 (тактовый вход микросхемы DD3) присутствуют импульсы с частотой примерно 2 Гц. При вспышке светодиода, на выводе 10 оказывается высокий уровень напряжения, а при погасании светодиода этот уровень сменяется на низкий. Счетчик реагирует на отрицательный фронт импульса и начинает внутренний счет. Высокий уровень напряжения появляется последовательно на каждом выходе Q0 – Q13 счетчика.

Максимальная выдержка времени, которую может обеспечить счетчик К561ИЕ16 в данной схеме, при условии применения в качестве генератора импульсов мигающего светодиода, составит около 1 ч. Сигнал на выключение устройства нагрузки произойдет на выводе 3 (выход Q13) после того, как счетчик досчитает до 8192.

Почему для этого устройства выбрана именно микросхема К561ИЕ16? Для этого подробнее рассмотрим ее функциональные характеристики.

Микросхема К561ИЕ16 содержит 14–ти разрядный асинхронный счетчик с входным каскадом, обостряющим тактовые импульсы. На входе микросхемы установлен формирователь импульсов и триггер. Выходной сигнал поступает на вывод Q0 – Q13 от однотипных внутренних буферных усилителей. Счетчик сбрасывает выходные сигналы (переводя их в низкий логический уровень) при напряжении высокого уровня на входе сброса R (вывод 11). Содержимое счетчика увеличивается откликом на каждый отрицательный перепад на тактовом входе с (вывод 10). Максимальная тактовая частота может достигать 3 МГц, а длительность импульса сброса должна превышать 550 нс. Микросхема К561ИЕ16 широко распространена и имеет небольшую стоимость, что является дополнительным стимулом для разработки различных электронных устройств на ее основе.

В первый момент времени после подачи на микросхему питания начинает заряжаться оксидный конденсатор С5 через резистор R8, на входе сброса R микросхемы DD3 устанавливается высокий уровень, благодаря которому на всех выходах Q будет присутствовать низкий уровень.

По прошествии 60 мин (выдержка времени, обусловленная счетом до 8192 микросхемы DD3) на выводе 3 DD3 возникает напряжение высокого уровня. Оно инвертируется элементом DD2.3 и поступает через разделительный конденсатор С1 на узел дозатора полива. Принудительно сбросить счетчик в нуль можно кратковременным отключением питания или замыканием накоротко постоянного резистора R8 (подачей низкого уровня на вход сброса R микросхемы К561ИЕ16).