Дайте угадаю: вы в детстве заворожённо рассматривали печатные платы? Вам было любопытно узнать, как работает этот мини-город из разноцветных деталек? Возможно, у вас был опыт сборки электронных схем по книгам Борисова и Свореня? Советский сорокаваттный паяльник, кусочек канифоли в спичечном коробке? А ещё штаны с намертво влипшей в ткань каплей припоя?
Современные программные средства иллюстрируют процессы, происходящие в электрических цепях, с недосягаемыми для радиолюбителей недавнего прошлого наглядностью и интерактивностью. Они визуализируют протекающие по схеме токи и показывают напряжения в её различных частях. Это снижает порог понимания для людей, которым сложно даются абстрактные знания и язык формул.
Краткое содержание
Вначале я расскажу о том, что люди не имеют интуитивного понимания электричества, потому что нас с детства окружают явления преимущественно механического характера. Затем — кратко об электрическом заряде, электрическом токе, напряжении, электродвижущей силе и мощности. А потом — об основах работы в бесплатном браузерном симуляторе CircuitJS. Мы вместе соберём учебную цепь и подключим виртуальные «осциллографы» и наглядно убедимся в том, как симулятор упрощает изучение электроники.
Электроника — это непросто
Однажды я разговаривал с дядей, стоя у его разобранного сварочного аппарата. Он посетовал на то, что механическую часть устройства ему было намного проще починить, чем электронную, потому что «в механике всё и так понятно, её глазами видно». Эта фраза врезалась мне в память, так как иллюстрировала трудность восприятия электрических процессов, поскольку они недоступны к познанию в наглядном виде.
Человек вырастает и развивается в мире, полном механических явлений. Падение предметов на пол, качение цилиндрических и сферических тел по наклонной поверхности, течение жидкостей и газов — эти явления наполняют нашу повседневность и доступны нам с самого раннего детства как наблюдение или эксперимент. Наверняка вы вспомните множество историй, как бросали кирпичи в воду или пытались скатить покрышку с холма, как плавили свинец и делали стрелы и лук из веток. Наш опыт взаимодействия с миром как бы пропитывает мозг и на интуитивном уровне формирует «физический движок» в нём. Нам несложно представить свойства предметов вроде плотности (свинцовое грузило и пенопластовый поплавок), упругости (колеблющаяся зажатая линейка), пластичности (пластилин или алюминиевая проволока) и т. п. Однако в физике электрических процессов интуитивный опыт — ложный друг. Микромир и его законы отличаются от привычного нам мира макроскопических предметов. Аналогии могут запутать или дать обманчивое, превратное понимание.
Мне кажется удачным термин «физика брошенного камня», услышанный мною в одной из лекций физика Алексея Семихатова. Мы на интуитивном уровне понимаем физические явления, происходящие с брошенным камнем, и без труда можем спрогнозировать его полёт, представить энергию, запасённую в движении, поведение камня при рикошете от упругой деревянной стены или его увязание в мягкой почве. Однако у нас нет этой натренированности в оценке электричества. Провод под напряжением выглядит точно так же, как заземлённый. Мы не ощущаем магнитное поле и не сможем узнать, включён ли электромагнит. Мы не можем без приборов понять, протекает ли электрический ток по проводу.
Электричество — это сложная для понимания тема. Мы эволюционировали в мире, в котором для непосредственного (эмпирического) познания доступны явления в основном из области механики. Электрические и магнитные явления выглядят как магия.
Часть первая. Базовые понятия электроники
Давайте кратко освежим знания об основах электрических явлений и величин. Я думаю, в данном разделе не будет ошибкой обратиться к гидравлической аналогии. Так же сделано в книге Рудольфа Свореня «Электричество шаг за шагом», заслуженно любимой многими читателями.
▍ Заряд
Эта физическая величина есть «количество электричества» и выражается в числе элементарных частиц-переносчиков заряда. Единица измерения заряда носит название кулон (6.24E18 электронов).
Заряд может принимать как отрицательное, так и положительное значение. Носители — отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны — имеют самую малую порцию заряда. Элементарные заряды внутри физических тел могут суммироваться или нейтрализовывать друг друга. Так происходит в природе в процессе электростатического заряда макрообъектов.
В электрически нейтральных телах разделение зарядов можно вызвать механическим трением, в прямом смысле слова отрывая электроны с внешних орбиталей атомов и перенося в другое вещество. (Удивителен и прекрасен мир физики! Знайте: шаркая тапками по полу, вы вырываете электроны из вещества на атомарном уровне! И при этом заряжаетесь :)
Подвижными носителями заряда в металлах являются электроны. Они самостоятельно отделяются от внешних орбиталей атомов и образуют в толще вещества так называемый электронный газ. Атомы, содержащие в составе ядра положительные протоны, напротив, удерживаются в кристаллической решётке и не принимают участия в токе.
В гидравлической аналогии эквивалентом заряда будет количество жидкости. Представим ведро, содержащее некоторый объём жидкости. В «электрическом мире» оно будет аналогом обкладки конденсатора, удерживающей в себе заряд. На анимации показан процесс разрядки конденсатора с ограничением тока при помощи резистора. Его роль выполняет отрезок трубки.
Как ведро может быть опрокинуто в короткий промежуток времени целиком, так и конденсатор может почти мгновенно отдать заряд.
UPD1: В комментариях NickDoom дополнил предложением заменить аналогию конденсатора с ведра на ёмкость, разделённую упругой перегородкой. Нагрузкой (элементом, ограничивающим ток) выступает условная водяная вертушка, имеющая некоторое сопротивление вращению на своей оси.
▍ Электрический ток
Направленное движение частиц-переносчиков заряда называют электрическим током.
В начале 19-го века, когда физика элементарных частиц ещё не была развита, исследователи условились считать, что ток протекает от положительного полюса к отрицательному. В действительности в металлах «электронный газ» движется от минусового полюса в сторону плюсового. Но условное направление (от плюса к минусу) прижилось и повсеместно применяется в электронике, электротехнике и на принципиальных схемах.
В проводящих жидкостях в течении тока участвуют носители заряда обеих полярностей, двигаясь в противоположных направлениях. Помните об этом, когда будете разбираться с работой вакуумных ламп и полупроводниковых приборов, потому что для понимания их принципов работы нужно учитывать действительное направление движения электронов.
Давайте посмотрим на анимацию. Интуитивно понятно направление и величина силы тока, протекающего через три резистора.
Гидравлический аналог постоянного тока в проводнике — направленный поток жидкости по трубе. Количество жидкости, протекающее в единицу времени, соответствует электрическому заряду. Легко понять, как связан ток со временем и зарядом, если представить способность нашей воображаемой трубы наполнять условное мерное ведро: чем быстрее оно наполняется, тем больше ток.
Необходимо отметить важное отличие гидравлической аналогии со шлангами от электрических проводников. Разрубленный шланг, из которого свободно изливается поток, является аналогом короткого замыкания. Разрыв проводника в электрической цепи — это полностью пережатый шланг, в котором поток остановлен участком с бесконечно большим сопротивлением.
Электрический ток во всех участках цепи (без разветвлений) одинаков. На этом свойстве основан точный способ передачи аналогового сигнала — токовая петля. Он применяется в промышленности и авиации из-за простоты, надёжности и помехозащищённости. Представьте, что через длинный кабель протекает изменяющийся ток, который мы можем точно измерить и задать. Он будет одинаковым в любой точке токовой петли.
Единица измерения тока — ампер. Один ампер — это ток, при котором через сечение проводника протекает один кулон заряда в секунду.
Токовым датчиком может выступать обыкновенный резистор.
▍ Сопротивление
Это физическая величина, показывающая способность проводить электрический ток. Если быть точным, сопротивление — это величина, обратная проводимости. На практике нам чаще важно знать, насколько участок цепи «сопротивляется» прохождению по нему тока.
Гидравлический аналог резистора — форсунка или частично приоткрытый трубопроводный кран, который ограничивает поток воды струйкой, не позволяет хлестать неукротимой мощью напрямую из «источника питания», что было бы равнозначно короткому замыканию.
Наверняка вы знаете, что единица измерения сопротивления носит название ом. Один ом — сравнительно небольшая величина. Например, обмотка звуковоспроизводящей головки, выполненная из меди, может иметь сопротивление всего в несколько ом. А бóльшая часть резисторов, применяемых в радиоэлектронике, имеют сопротивление в сотни и тысячи ом.
▍ Напряжение
При прохождении тока через резистор на нём падает напряжение. Также будет верно сказать, что при прохождении тока через резистор на нём появляется напряжение. Это звучит противоречиво, но парадокс лишь кажущийся и возникает из-за относительности измерения напряжения. С точки зрения последующих участков цепи напряжение там падает, а с точки зрения самого резистора оно на нём появляется. Это похоже на комиссию денег при переводе: сумма перевода уменьшается, но её часть появляется у системы, производящей перевод.
Представьте, как повышается напор в садовом шланге, если выход из него частично закрыть пальцем (создать сопротивление току жидкости). Если при этом в шланге проделать обходной путь, из него начнёт истекать часть общего потока. В гидравлической аналогии напряжение схоже с давлением.
На принципиальной схеме это можно изобразить так:
Схема, изображённая в анимации, называется делителем тока. Обе схемы электрически эквивалентны, но представлены немного по-разному.
Важное замечание, о котором обязательно нужно сказать. Напряжение измеряется между двумя точками схемы и это относительная величина. Взгляните на иллюстрацию.
Показаны три одинаковых простых цепи, состоящих из источника тока и двух последовательно включённых резисторов одинакового сопротивления. В трёх цепях протекают токи одинаковой величины. Схемы отличаются друг от друга местами, принятыми за точку нулевого потенциала. В симуляторе можно подключить значок заземления и тем самым явно указать точку отсчёта (с нулевым потенциалом).
По умолчанию в симуляторе зелёным цветом отображается положительный потенциал, а красным — отрицательный. Серый цвет означает ноль. Если вы хотите повторить эту схему в реальности, то местом с нулевым потенциалом будет то, к которому вы подключите чёрный щуп мультиметра.
▍ Электродвижущая сила (ЭДС)
Несмотря на содержащееся в названии слово «сила», эта физическая величина измеряется, как и напряжение, в вольтах и выражает работу сторонних сил неэлектрической природы. Эти силы как бы растаскивают заряд внутри источника питания и концентрируют его на клеммах, работая против электрических сил. Без ЭДС заряженные частицы из взаимного отталкивания распределятся по цепи равномерно.
Неэлектрические силы встречаются нам в виде химических процессов, происходящих внутри аккумуляторов и батареек. Этот класс элементов питания так и называется — химические источники тока (ХИТ).
К неэлектрическим силам также относится фотоэффект, происходящий внутри солнечных панелей, трансформирующий лучистую энергию в электрическую.
Ещё один распространённый способ создать ЭДС — механически заставить изменяться магнитное поле. Раскручивая ротор генератора с закреплёнными постоянными магнитами, мы создаём движущееся магнитное поле. Оно как бы гонит электроны по обмоткам генератора, подобно перистальтическому насосу.
Источником механической энергии может быть ветер, вращающий лопасти, поток воды в гидромашине внутри плотины, энергия сгорания топлива в двигателе или даже усилие мышц человека.
▍ Мощность
Эта физическая величина характеризует скорость передачи или преобразования энергии в электрической цепи. Мощность в электрической цепи выражает работу, совершающуюся в единицу времени. Единица измерения мощности — ватт. В детстве меня удивила информация из книги о радиоэлектронике о том, что ток, текущий в лампочке карманного фонарика, примерно равен току, протекающему во многократно более яркой и горячей лампе в люстре. И только сейчас я смог осознать и наглядно объяснить, как это вообще возможно. Давайте сначала взглянем на схему.
Слева — цепь, питающая миниатюрную лампочку. Справа — упрощённая схема электрической цепи люстры с одной лампочкой на 35 ватт. Действительно, токи сопоставимы, но как такое может быть?
А вот как. Представьте нить накала лампы из люстры как гирлянду из примерно сотни маломощных лампочек из фонарика. Источнику ЭДС приходится «пропихивать» тот же ток через многократно большее сопротивление всей гирлянды. И если мы измерим напряжения на каждой из ламп (непосредственно на её выводах), то получим напряжение как у лампочки, питающейся от батарейки.
В цепи, в которой источник ЭДС имеет значение 1 вольт, а нагрузка (резистор, на котором выделяется мощность в виде тепла) имеет сопротивление 1 ом, будет протекать ток величиной в 1 ампер. В симуляторе, о котором я вам расскажу, есть режим подсветки выделяющейся мощности в виде тепловой энергии.
Вторая часть. Симулятор
Об авторе симулятора мне известно немного. Из поиска в интернете мне удалось узнать, что его зовут Paul Falstad, он занимается физикой, живёт в США в г. Санта-Барбаре и ему около 50 лет.
Симулятор доступен по двум ссылкам (на случай хабраэффекта):
Проект живой и постоянно развивается, разработчики добавляют новые элементы и фиксят баги. Имеетcя репозиторий на Гитхабе. Интерфейс отлично переведён на русский.
Основы работы с CircuitJS
▍ Знакомство с интерфейсом
Этот сайт, наверное, самый посещаемый мной после Хабра — мне искренне нравятся лаконичность и минимализм UI. В нём почти всё сделано так, что понятно без чтения справки. Вверху имеется меню, оно хорошо структурировано и похоже на классические меню десктопных приложений.
Справа видна панель настроек с двумя кнопками: «START/stop» — запуск и остановка симуляции, «Reset» — сброс всех параметров на установленное значение. Настройки элементов схемы позволяют задавать им некоторые параметры по умолчанию, например, заряд в конденсаторах, который будет присутствовать в них в стартовый момент.
В самом низу имеется пространство, которое занимают «осциллографы», добавляемые в схему. Их можно располагать рядом в виде колонок или друг на друге как строки либо склеивать в один.
▍ Контекстное меню. Шорткаты. Пробел
Добавлять элементы можно через верхнее меню и пункт «Рисовать» либо через контекстное меню (правый клик мыши).
Предлагаю начать изучение с рисования простой схемы, состоящей из батарейки, выключателя, светодиода и резистора. Для этого нужно зайти в пункт «Схемы» и выбрать в самом низу списка «Пустая схема».
Далее рисуем необходимые детали. Рядом с элементами указаны их клавиатурные сокращения. Советую выучить самые распространённые: r (resistor), w (wire, провод), v (источник питания c двумя полюсами) и g (ground, заземление). Со временем вы запомните и остальные, и рисование схем ускорится многократно.
Также в симуляторе есть дефолтный режим перетаскивания и выделения рамкой, который включается пробелом. Некоторые элементы, вроде потенциометров, трансформаторов и транзисторов, можно поворачивать, двигая их за выводы с зажатой клавишей Ctrl. Однако этот способ реализован кривовато, и поведение элементов не всегда очевидно. Например, у некоторых элементов с его помощью удлиняются выводы или меняется ширина между ними. Этот режим я обнаружил случайно. Поэкспериментируйте с ним, чтобы лучше понять, как он работает.
▍ Источники питания и их настройки. Заземление
Добавьте в схему двухполюсный источник постоянного напряжения (v), зайдите в его настройки через контекстное меню и укажите напряжение 5 вольт. Как правило, через настройки можно превратить батарейку в генератор переменного или пульсирующего тока, а также в источник ШИМ сигнала или питания.
Нарисуйте светодиод, резистор, если хотите — выключатель, и соедините элементы проводами (w) в цепь.
▍ Добавление пользовательских ползунков
Очень удобная и классная опция — вынос ползунков с параметрами радиодеталей в меню настроек. Почти все элементы позволяют это делать. Через контекстное меню зададим резистору возможность менять сопротивление от 250 до 800 ом.
А батарейке зададим ползунок, изменяющий её напряжение с 0 до 5 вольт.
▍ Настройки отображения тока и напряжения в проводниках
Ещё одно очень удачное решение — превращение любого провода в амперметр. Кроме того, можно включить отображение напряжения на проводнике.
Делается так же, через контекстное меню.
▍ Добавление приборов, осциллографов и их настройка
Важное уточнение: в симуляторе осциллографом называется графопостроитель, работающий по принципу самописца. Правый край, с которого график начинает движение влево, отображает актуальное в данный момент времени значение.
«Новорождённый» осциллограф ещё совсем крохотный, но уже умеет отображать, по дефолту, напряжение (зелёным) и ток (жёлтым).
Давайте его увеличим, потянув за правый нижний угол. После этого зайдём в настройки и поставим галку «Показать ВАХ» (вольт-амперную характеристику).
У нас получился интерактивный характериограф! Видите, как круто исследовать работу схемы, имея неограниченное количество виртуальных приборов!
Подсказка: если индикатор ВАХ по какой-то причине не отображает точку, попробуйте по правому клику выбрать пункт «Макс. масштаб». Если вы всё сделали правильно и повторили схему без ошибок, то, управляя ползунками, вы сможете увидеть, как при изменении напряжения питания и сопротивления резистора «открывается» светодиод и нелинейно увеличивается ток через него.
Если подвести курсор в область графиков, на всех осциллографах появится синхронизированная вертикальная черта, по которой удобно сравнивать значения. Посмотрите, насколько интуитивно понятным становится принцип работы блокинг-генератора, если визуализировать токи и напряжения!
Ах да, важное примечание. По неизвестной мне причине напряжение положительной полярности по умолчанию окрашено в зелёный цвет, а отрицательной полярности — в красный. Расцветку можно поменять на удобную и привычную нам сине-красную, но при этом изменится цвет «луча» в осциллографе. Также можно поменять цветовую тему схемы на светлую:
▍ Сохранение в файл, загрузка из файла
В пункте «Файл» всё достаточно очевидно и понятно из названий. Удобно сделана возможность сохранять файлы на локалхост. Вам предложат ввести имя, и файл скачается стандартно через браузер.
Файлы схем — это обычные текстовые файлы, доступные к правке сторонними приложениями. Кроме того, есть возможность делиться схемой через короткую ссылку (откроется схема блокинг-генератора с гифки выше).
▍ Отображение выделяемой мощности
Верхнее меню: «Опции» ➔ «Показать мощность». Справа, на панели управления, можно отрегулировать верхний порог максимальной мощности. Выглядит это так:
Помимо резисторов подсвечиваются транзисторы, диоды и другие элементы.
Точное значение тока, напряжения и рассеиваемой мощности можно увидеть в нижней информационной панели при наведении курсора на элемент:
Как это может пригодиться?
- Для самообразования по теме схемотехники и электроники
- В качестве наглядного пособия для школьных учителей при подготовке уроков
- Как калькулятор для несложных расчётов (симулятор имеет неточности моделей)
Дисклеймер
В процессе написания этой статьи меня тревожила мысль о том, что «придут опытные и крутые дядьки и разнесут критикой, назовут профанацией и несерьёзным подходом». Но погодите гневаться, серьёзные дядьки! Моя цель — зарядить читателя азартом первооткрывателя, достучаться через эмоции и пробудить любознательность. Я придаю большое значение эмоциональной отдаче от хобби и радости, которую оно приносит.
Нелепо сравнивать бабушку, вяжущую носки, с промышленной вязальной машиной. Мой уровень — это электрическая «песочница», отдушина в эти непростые, скорбные времена. Электроника уже однажды выступила психопротекторным средством в период пандемии и выполняет эту роль снова. Наверное, основная мотивация написания этой статьи состоит как раз в том, чтобы поделиться опытом и популяризировать электронику в качестве хобби.
Напутствие
Тема электроники непроста. Она подобна фракталу: раскрывается усложняющимися подробностями при изучении электрических явлений. Вы часто будете испытывать злость от непонимания и ощущения тупика. Через это проходят все люди, идущие тропой познания. Пусть для вас эта досада будет верным признаком прогресса и движения вглубь.
Я буду рад, если вдохновлю вас открыть школьный учебник физики или уроки на ютубе. Будет очень здорово, если вы проделаете опыты со своими детьми. В следующей статье я планирую описать небанальные практические опыты на радиодеталях, найденных буквально в куче хлама. Если вы загорелись идеей поэкспериментировать и попаять, то поспешите отыскать мультиметр, паяльник и горку старых радиодеталей — пригодятся!
Дополнительные материалы
Рекомендую также посмотреть два урока про ток и напряжение, в которых преподаватель Алексей Колчин рассказывает о таких понятиях, как ток, напряжение и его падение, ЭДС.
Видео с лицензией Creative Commons.
Играй в нашу новую игру прямо в Telegram!
Комментарии (114)
Jury_78
10.01.2023 12:42+10единица измерения сопротивления носит название ом
Меня учили писать с большой буквы "Ом". Как и прочие образованные от имен.
engine9 Автор
10.01.2023 14:01+16О, я тоже так думал. И изначально всю статью и иллюстрации оформил с "Ом", "Ампер" и "Вольт", а потом на этапе корректуры выяснилось что:
В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц, названных по имени учёных, наименование единицы ватт пишется со строчной буквы, а её обозначение — с заглавной. Такое написание обозначения сохраняется и в обозначениях других производных единиц, образованных с использованием ватта. Например, обозначение единицы измерения энергетической яркости «ватт на стерадиан-квадратный метр» записывается как Вт/(ср·м2).
Т.е. верно буде написать "Единицей измерения тока будет ампер, названный в честь учёного Ампера, обозначется как "А".
Exchan-ge
10.01.2023 13:11+25«в механике всё и так понятно, её глазами видно»
«Большая ошибка» (с) :)
athlant64
10.01.2023 14:09+2Спасибо автору за полезную статью. Базовая информация описывающая принципы работы электронных компонентов.
quaer
10.01.2023 14:15+4К сожалению, вся эта цветомузыка, бегающая по проводам, только мешает пониманию работы схемы. Лучше использовать нормальные симуляторы. Очень удобен, к примеру, idealCircuit, который в отиличие от uCap и прочих не добавляет в схему скрытых элементов.
engine9 Автор
10.01.2023 14:18+1О, спасибо за еще один инструмент.
quaer
10.01.2023 14:25Да и прежде чем что-то симулировать, надо схему создать и рассчитать.
engine9 Автор
10.01.2023 14:33+1Моя статья всё же рассчитана на новичков. Которым и я сам являюсь...
Электроника такая область знаний, чем больше узнаёшь тем больше удивляешься взаимосвязям и взаимовлиянию физических процессов. Особенно, в области ВЧ схемотехники.
quaer
10.01.2023 14:47Вы же должны нарисовать схему в симуляторе и ввести номиналы компонентов. Откуда вы всё это берёте?
engine9 Автор
10.01.2023 14:58Чаще всего накидываю "из головы", когда есть идея. Иногда просто переношу номиналы из схемы по книге.
Но чаще всего мне интересно бывает провести какой-то эксперимент и изучить работу одного узла схемы.
NickDoom
10.01.2023 15:29+3Отлично, сам всегда пользовался гидравлической аналогией, когда объяснял детям и читателям азы. Она интуитивна. Да и вообще, для самых маленьких именно такая схема с точечками — идеал, КМК.
Но я, правда, избегал открытых ёмкостей и каких-то там в них уровней, потому что ток не течёт вне проводника и не накапливается в нём. Я конденсатор изображал всегда как бак с двумя трубами и мембраной посередине, а «верхней поверхности воды» у меня в принципе не было, все аналогии всегда сводились к замкнутой и полностью заполненной системе труб (например, индуктивность — труба с турбиной, которую трудно разогнать, но потом резко не остановишь). То есть напряжение именно как давление, а не как уровень в баке, от концепции «стаканов» сразу отошёл.
А потом уже да, когда оно в голове ассоциативно встало, советские книги с гальванометрами читаются «на ура» — оно ложится на хорошую почву и без пояснений понятно, потому что оно стало интуитивно, как та же механика.
engine9 Автор
10.01.2023 15:37+2Спасибо, надо подумать как такое изобразить. Этот бак на гифке был тем еще вызовом. И самое трудное было нарисовать анимацию струи :)
NickDoom
12.01.2023 05:16+1Увидел :) Здорово, а индуктивность тогда будет вертушкой с маховиком, но без тормозных колодок (про ESR на этом уровне рановато рассказывать) :)
Разогналась не сразу, но и остановиться мгновенно не может. Если трубу перекрыли — гидроудар с разгону (аналог самоиндукции в системах зажигания, например).
Gryphon88
10.01.2023 16:18+1Инструменты полезные, сам пользуюсь falstad, чтобы проверить, не ошибся ли я критично в работе схемы. Вот только ребенку достаточно быстро приходится разбираться, например, почему в симуляторе фильтр по питанию — это сообщение об ошибке, а в железе все нормально :)
Kotofay
10.01.2023 16:21+1А схемочку привести можете?
Gryphon88
10.01.2023 16:57+1Типичная схема для питания сервы/шаговика. Намекал я на ESR (хорошее новичковое объяснение).
Или вот дешевый и сердитый однобитный ацп (как оно работает), тоже ошибка «Capacitor loop with no resistance»engine9 Автор
10.01.2023 18:33+1Можно вот таким костылём подпереть: —C—∙—0.05R— (последовательным сопротивлением в доли ома).
В CircuitJS "идеальные" модели радиоэлементов.Gryphon88
10.01.2023 18:58Это все понятно, я за начинающих волнуюсь. Про ESR в Сворене не помню, его подробно рассматривают в Хоровице и прочих не совсем новичковых книгах.
mayorovp
10.01.2023 19:07+2Это не костыль, а ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). И, экстраполируя найденную мною таблицу в инете, там должно быть не 0.05 Ом, а в районе 0.3-0.5 Ом.
Astrei
10.01.2023 17:24+3Хотите механический аналог? Обратите внимание на проект spintronics с кикстартера. Довольно наглядно и играть с ним думаю прикольно.
Wesha
11.01.2023 10:56+2Во, зашёл оставить этот коммент.
Абсолютно замечательная игрушка. Купил все три комплекта, доволен аки слон. Тот самый случай, когда всё очевидно и доступно взгляду. Эквивалент силы тока — скорость, с которой цепочка мчится. Эквивалент напряжения — механическая сила, приложенная к цепочке.
Для тех, кому западло покупать физическую игрушку — есть её симулятор.
tonykk
10.01.2023 20:04+3Мы не можем без приборов понять, протекает ли электрический ток по проводу.
По одному проводу ток течет, по другому - нет. Угадайте на каком из проводов зимой сидят голуби?
engine9 Автор
10.01.2023 20:05Хорошее дополнение. Но тепловое действие тока не всегда ощутимо человеком, например, если ток мал.
Kotofay
10.01.2023 21:57+1Китайские удлинители заполонившие магазины ощутимо нагреваются.
MaFrance351
11.01.2023 01:13+1
Kotofay
10.01.2023 21:55+3Paul Falstad в переписке сообщил, что пользовался книгой "Electronic Circuit and System Simulation Methods", Lawrence T. Pillage, Ronald A. Rohrer, Chandramouli Visweswariah, 1994, ISBN 0-07-050169-6.
Это если кому интересен первоисточник. Весьма занимательная книга.
Refridgerator
11.01.2023 06:41+1Спасибо за книгу, давно такое искал. Она ещё и написана кристально чисто, без ничего лишнего.
le2
10.01.2023 22:14+9Я читал эти книжки в школе. Паял схемы. Потом окончил более-менее профильный вуз. Потом много лет работал конструктором электроники. Сделал продукции общим тиражом в несколько миллионов. Все эти годы меня преследовал "синдром самозванца". Изделия получались сложные, удачные и коммерчески успешные, потому что благодаря интернету можно было найти куски схем на любую тему и я скрупулёзно их переносил.
Озарение произошло лет в 35, после некоторых сложных проектов, которые сбоили в климокамерах и на сертификационных испытаниях. (компоненты были иногда со стадии бета-теста от вендоров, а схемы были такие, что не всегда было можно украсть).
Главное понимание пришло после десятков жопочасов по книгам SPICE симуляторов OrCAD и LTspice. Ещё есть классный курс у Analog Devices, но нужен осциллограф с дифференциальным входом и набор компонентов.
Сейчас, без ложной скромности, я думаю что сейчас у меня божественный уровень проектирования схемотехники. В остальном в этом деле все печально. "трубопроводная модель" сдохла еще 80х годах. Упрощенные модели компонентов вредны, ведь главные параметры конденсатора и катушки это последовательное сопротивление (для современной скоростной схемотехники). А для того чтобы грамотно разрабатывать современные схемы и платы - нужно видеть паразитную индуктивность везде. Нужен большой кругозор, знать множество шаблонов проектирования и лучшие практики.Но самое печальное, что сложная схемотехника полумертва. Множество электронных приборов убил айфон с андроидом. А синтезирование своих схем на дискретных элементах почти не требуется, потому что для всех коммерческих применений уже существуют микросхемы, с которыми невозможно конкурировать.
engine9 Автор
10.01.2023 23:10Верно. Это всегда нужно держать в уме. Но это невозможно впихнуть в голову новичку.
Только итеративно, потому что схемотехника это сложно.
MaFrance351
11.01.2023 01:15+4Тем временем в какой-то соседней статье: «Зачем вы ставите конденсаторы, если помехи на входе кнопки можно подавить в софте? Всё равно у микроконтроллеров памяти лишней много...».
sim31r
12.01.2023 00:32+1А конденсатор для кнопки не идеальное решение, так как затянувшийся фронт при спаде или нарастании сигнала без гистерезиса на входе даст такой же шум. Лучше всего какой-то RS триггер, в том числе программный. И памяти много не надо, буквально 1 бит, хранить предыдущее состояние.
mayorovp
12.01.2023 06:47RS-то чем не поможет? Тут нужен триггер Шмитта. Только чтобы сделать его программно — понадобится АЦП.
sim31r
12.01.2023 00:39+5Но самое печальное, что сложная схемотехника полумертва.
Что сказывается и на зарплатах. Разработка электроники редкая вакансия с невысокой зарплатой, по моим наблюдениям, при этом требуется лет 10, а лучше с детства интерес к физике и электронике, а то и химии. А стажер программист за пару недель осваивает нужный стек знаний и зарплату получает выше. Знания из смежные областей науки и не нужны особо. Сам так перешел, электроника как хобби осталась, причем домашнюю лабораторию работая в ИТ оснащать даже проще стало.
kaiu
10.01.2023 23:10+1Из интересного даже детям «Начала ЭЛЕКТРОНИКИ - обучающая система для школьников и студентов младших курсов ВУЗов по курсу электричества.» https://www.softportal.com/software-12305-nachala-elektroniki.html Что-то есть в разных играх, чтобы привить любовь. А так соглашусь с «le210.01.2023 в 21:14 Но самое печальное, что сложная схемотехника полумертва. Множество электронных приборов убил айфон с андроидом. А синтезирование своих схем на дискретных элементах почти не требуется, потому что для всех коммерческих применений уже существуют микросхемы, с которыми невозможно конкурировать.» Так же и в программировании, что основы многого уже придуманы, есть в библиотеках и многие собирают кубики или по другому модули - суть те же микросхемы.
engine9 Автор
10.01.2023 23:15У программы явно устаревший и непрофессионально сделанный интерфейс (GUI) сейчас чтобы завоевать внимание и симпатии пользователей нужно делать с умом "обёртку".
Возможно даже внутри проект с хорошим наполнением, но убивает всё "картинка". Ну и изменился подход у потребителя, ставить какие-то сторонние приложения через инсталлятор всё менее модно.
Можно хоть сколько на это жаловаться и сожалеть, но это тренд.
kaiu
11.01.2023 12:21плюс конечно поставлю, а то просто кто-то минусует, но рынок то диктует другое :) Там нет оптимизации под большие разрешение, масштабирование шрифтов - это проблема многих старых проектов. Но хоть такое, интерес же там есть, да и бесплатное это...а кто будет в наше время делать просто так? Внимание и симпатии то были к тому проекту, но денег не было чтобы доделывали. Но, свою функцию программа выполняет, а далее можно и на более профессиональные программы переходить. Кто делал и как выглядело раньше на мониторах небольших http://zeus.malishich.com/index_rus.html
engine9 Автор
11.01.2023 12:25Сейчас как раз меняется отношение прогрессивной части сообщества и хорошие проекты создаются "просто так" объединёнными силами энтузиастов.
kaiu
11.01.2023 16:30:) ох меняются...да программистов мало, сейчас их нехватка даже на рабочие проекты, не говоря, где время брать на что-то еще? Работа в команде сложна, часто происходят разделение проектов, вилки так называемые (см. на гитхабе), так как у каждого своё виденье развитие или свои подходы. Если у вас много проектов бесплатных, то с годами их становится еще больше, сложность растет не только от кол. кода, а от кол. проектов и в конце-то концов на все не будет времени (собственный опыт). А энтузиастов мало, но ладно еще, если бы ценили и платили за ПО люди хотя бы условные 10 центов, то не было того дер ьма рекламного, что сейчас есть от гугла...хотя и они сами берут процентов 30 от продаж.
Scootaloo
11.01.2023 10:12+1Простите, есть тут подходящие диванные детективы, которые могут определить, что появилось раньше? Потому что я ещё годы назад использовал "немножечко" похожий симулятор на вот этом сайте. Причём ребята требуют платить ежемесячно небольшую сумму за возможность использования. Кто у кого стырил симулятор? Потому что вопрос сходства не стоит, там даже элементы меню совпадают слово в слово
upd
На приведённом сайте автор порта ссылается на автора первоначальной реализации на джаве, так что наверное ответ найден
sfrolov
11.01.2023 10:43+1В моей молодости если не работал конструктор, то первым делом надо было лизнуть батарейку. Это и позволяло найти первичную причину неисправности, и заодно стимулировало мозг, если батарейка оказывалась рабочей.
checkpoint
11.01.2023 11:17+2Стимулировала, пожалуй, только "Крона". Остальные не стимулировали, а доставляли. :)
welcme-to-semicndctr-hell
11.01.2023 23:39+1А как насчет лизнуть автомобильный аккумулятор? Тут и от кислоты стимуляция будет.
Exchan-ge
12.01.2023 02:14+1А как насчет лизнуть автомобильный аккумулятор?
Мы в армии при помощи аккумулятора сварку делали :)
(а что делать (с) — других вариантов не было)
stanislavskijvlad
11.01.2023 11:20+1когда я увидел цепь, в которой имеется трансформатор, транзистрор, диод и кондёры, я вспомнил шутку со старого Башорга: "методички нашего ВУЗа такие, что сначала тебе в них рассказывают о болтиках, шайбах и гаечных ключах, а потом просят собрать синхрофазатрон". )) а потоооом... я понял главную фишку программы. это иллюстрация движения тока и графички рельного времени. такой способ представления идеально подойдёт для студентов, которые учат трёхфазные цепи, перекос фаз и обрыв нуля. мне бы такую программу в своё время :) автору статьи плюс в Карму.
emusic
11.01.2023 13:00+1Отлично изложено, но заголовок чрезмерно претенциозен. :) "Конструкторы, не бьющие током" массово выпускаются несколько десятков лет, даже в СССР были "электронные кубики", а уж сколько их сейчас...
engine9 Автор
11.01.2023 13:01Спасибо. Отчасти это была сознательная но не очень агрессивная "цеплялка" внимания.
elprog74
11.01.2023 16:26-3Возможно не стоит учить детей упрощенной, если не сказать примитивной, модели электрического тока, которой учили нас самих?
Может быть более эффективным будет обучение более сложной частотно-волновой(вихревой) модели? Ведь такая модель лучше отражает природные процессы. ;)
engine9 Автор
11.01.2023 16:30+1вихревой
С этого момента поподробнее. Надеюсь это не псевдонаучная ересь?
elprog74
11.01.2023 23:27Научно или ересь зависит от Ваших критериев оценки. ;)
Если я предложу Вам опыт, когда система с бОльшим сопротивлением будет формировать бОльшую силу тока (при прочих равных) это будет научно или ересь?
При наличии приборов проверка делается за полчаса.. :)
engine9 Автор
11.01.2023 23:39Описывайте эксперимент, проверю!
elprog74
12.01.2023 10:00-1Все просто. "система"(может чуть громкое название) - это пара кусков провода сантиметров 20 длиной, из которых делается короткозамкнутый виток вторичной обмотки мелкого трансформатора. Удобно брать тор, у него окно больше. У меня был тор на 15 вт, первичка на 220, 50 Гц. Ток во вторичке меряем токовыми клещами.
Случай 1. Вторичка 20 см моножила 10 мм2, примерно 2 см зачищено, в колечко и болт, стягивающий концы. Ток во вторичке 100-110 А.
Случай 2. Вторичка 20 см кабеля 3х2,5 мм2 (тотал 7,5 мм2), примерно 2 см зачищено, в колечко и болт, стягивающий концы. Ток во вторичке - 150 А (чуть больше, не помню точную цифру).
Обе системы электротехническая медь, явно вторая система имеет больше сопротивление, так как сечение меньше, а ток демонстрирует больше. ;)
Refridgerator
12.01.2023 10:38+3Ну я так и подозревал. Вы измеряете ток, рассуждаете о сопротивлении, электромагнитные эффекты (это же трансформатор!!!) во внимание не принимаете.
elprog74
12.01.2023 10:46-2Это 50 Гц. Меня учили, что на таких частотах скин эффектом можно пренебречь. Или я что то прогулял?
ЭДС витка, кмк, будет одинакова, что в одном, что в другом случае, следовательно ток будет зависеть только от внутреннего сопротивления.
Или нет?
Refridgerator
12.01.2023 11:04+4А меня учили, что сопротивление измеряется омметром (а не амперметром), а закон Ома применим только к линейному участку цепи без каких-либо побочных эффектов, включая ёмкость, индукцию, наведённые токи и прочее. Я вам более интересный эксперимент покажу — чудо-штука работает вообще без электричества!!!
elprog74
12.01.2023 11:23-1Извините, у меня нет дома омметра, который может померять сопротивление куска меди 20 см сечением 10 мм2. Вынужден пользоваться косвенными методами. Буду признателен если сможете выложить реальные результаты.
Refridgerator
12.01.2023 11:34Сопротивление куска проволоки можно не измерять, а посчитать через удельное сопротивление из справочника.
elprog74
12.01.2023 12:00У Вас есть сомнение, что по расчету сопротивление 20 ти см сечением 7,5 мм2 будет больше, чем такой же длинны сечением 10 мм2?
Refridgerator
12.01.2023 12:20+1У меня непонимание, в чём суть эксперимента и что именно он должен доказывать.
elprog74
12.01.2023 12:46А он не должен ничего доказывать. Он просто говорит о том, что электричество чуть сложнее, чем нам рассказывали в школе/институте и что текущая модель не всегда корректно отображает действительность.
Еще у меня "в заначке" есть передача мощности через обмотки в перпендикулярных плоскостях, хотите? коэффициент связи обмоток практически 0, а мощность вполне себе передается. ;)
Мы этому хотим учить детей? Что реальные устройства работают не совсем так как им рассказывают?
Основная проблема, что электрические явления это трехмерные обьекты, а мы с ними работаем как с одномерными.. :(
Можно, конечно, какое-то время говорить - практического применения нет, наплевать и забыть.
Но ведь рано или поздно - догонит и стукнет..
Kotofay
12.01.2023 13:21+2Вы не открыли америку. Об этом ещё Никола Тесла говорил и демонстрировал. А законы Ома и Кирхгоффа работают и без ваших "чудес". Чему и учит эта программа, и только этому.
Что касается вашего эксперимента -- проводник должен быть из одного материала. Вы гарантируете, что ваши из одинаковой меди с одинаковым количеством примесей? Сомневаюсь.
А сопротивление проводника можно и по падению напряжения вычислить, не обязательно для этого иметь микроомметр или мост.И вы не указали какой ток в первичной обмотке был на первом и втором измерении.
elprog74
12.01.2023 15:07Вы правы, ток в первичной обмотке не измерялся. Возможно стоило. Можно сделать по правильному, вроде не сильно сложно. ;)
Для наглядности лучше три-четыре куска витой пары сделать в параллель, контраст будет поярче.. :)
Refridgerator
12.01.2023 13:26+3Даже в детской книге Свореня этому уделено отдельное внимание — что одномерные модели лишь грубое приближение реальности для удобства расчётов, равно как и сами математические модели сильно идеализированы. Не думаю, что если начинать введение в электротехнику через дифференциальные уравнения в 3-х измерениях — они тут же всё поймут и сразу будут готовы проектировать токамаки.
elprog74
12.01.2023 15:11Не надо диффуров, достаточно несколько раз напомнить, что используемая модель простая(упрощенная) и есть схемы/варианты/условия когда она не отражает действительность.
Еще не худо бы определиться с физическим смыслом понятий "напряжение", "ток", "заряд".. :)
Refridgerator
12.01.2023 16:48+1Так диффуры наоборот, наиболее просто и интуитивно понятно описывают происходящее. У engine9 оно самое и нарисовано тут — численное решение на нерегулярной сетке. Моделирование через преобразование Фурье/Лапласа на порядки раз сложнее и лично я знаю лишь пару человек, кто его смог понять и осознать в полной мере.
engine9 Автор
12.01.2023 13:40+1Электрические явления намного сложнее чем пишут в книгах для начинающих. Особенно когда схема работает на высоких частотах или с высокой плотностью энергии, т.к. там начинают играть роль не только закон Ома, но и всякие геометрические эффекты, типа влияния формы дорожек и материала печатной платы на то как проходит сигнал. Начинают играть роль такие факторы как паразитные ёмкости и индуктивности выводов радиодеталей. Чем выше частота работы схемы тем на первый плат там выходит геометрия. Всё на плате вдруг начинает становиться и антенной и приёмником и резонатором и ёмкостью и индуктивностью :)
Картинки для привлечения внимания.
Я это и упоминал в статье, что чем глубже в лес тем больше чудес.
Exchan-ge
12.01.2023 16:48Особенно когда схема работает на высоких частотах
УМЗЧ.
Плата точно по чертежу из «Радио»
Полупрофессиональный монтаж.
Проверяем работу всех каскадов, кроме оконечных — все ОК.
Подключаем транзисторы выходного каскада — труп (транзистора, конечно :)
Угадайте, в чем было дело? :)
Exchan-ge
12.01.2023 18:01Ошибка в схеме из журнала. ;)
Нет. Кстати, вот и сама схема:Заголовок спойлера
Exchan-ge
12.01.2023 18:47+1Самовозбуждение
Да, причем на тех самых высоких частотах (на НЧ-то все было ОК :)
Пока не подключил осциллограф — ни черта не было понятно…
engine9 Автор
12.01.2023 13:12+1Детекторный приёмник работает на энергии полученной из электромагнитных колебаний радиоэфира. Так что не совсем корректно говорить что он "без электричества работает".
Refridgerator
12.01.2023 13:31+2Разумеется, но незнающему человеку именно так это и можно преподнести. А ещё к нему можно прикрутить НЁХ и утверждать, что с её помощью качается энергия из эфира.
Kotofay
12.01.2023 12:49Имхо добротность тут подключилась.
Может "эффект близости" когда ток вытесняется вихревыми токами из толщи проводника?
Хотя по теории он проявлется на высоких частотах как и скин-эффект.
engine9 Автор
12.01.2023 13:18+2Измерить переменный ток не такая простая задача как кажется на первый взгляд и проблема может быть в наводках на электроизмерительный прибор и\или искажения показаний из за неучтённых эффектов. Например из за влияния энергии переменного магнитного поля, которое выходит из магнитопровода, по-разному на разных режимах работы трансформатора.
Еще учтите, что индуктивная нагрузка может выступить резонансной системой. Но я не настолько хорошо понимаю в матчасти. Но уверен, что всё это объясняется в рамках классической физики.
elprog74
12.01.2023 14:49-2Я понимаю, меня учили радиотехнике в СССР, вуз из первой десятки.
Попробуйте сами, это не сложно. ;)
Будет желание - буду рад возможности продемонстрировать передачу мощности через обмотки в перпендикулярных плоскостях. Попробуйте смоделировать в любой программе. ;)
engine9 Автор
12.01.2023 16:41Продемонстрируйте фото\видео работы своей установки, опишите эксперимент, сделайте замеры. Так будет убедительнее.
elprog74
12.01.2023 16:51-4Спасибо, но не буду. Не вижу смысла, что то доказывать кому либо.
Если Вам нравится жить в рамках шаблонов навязанных/усвоенных с юности - ради бога. Я свой выбор сделал и постараюсь передать его своим детям. :)
Kotofay
12.01.2023 17:15+3Не вижу смысла, что то доказывать кому либо.
Так просят же не доказать, а показать возможность воспроизвести опыт.
Вдруг вы и правда вторглись в теорию струн. И мы получим абсолютный аккумулятор с бесконечной ёмкостью и мгновенной зарядкой.
elprog74
12.01.2023 18:38-2Почему не достаточно просто утверждения, что это работает?
И Вы и я знаем, что видео подделывается достаточно легко. А вот собственный опыт подделать невозможно.. ;)
Удачи!
Refridgerator
12.01.2023 05:27+4Эксперимент — это далеко не всё, особенно если не уметь правильно измерять и учитывать побочные эффекты или просто не знать о некоторых малоочевидных физических явлениях. Экспериментом и КПД больше единицы можно показать, однако вечный двигатель из такого сделать всё равно не получится.
Refridgerator
12.01.2023 05:22+3Что-то тут эфиродинамикой пахнуло… Не товарища ли Ацюковского вы идеи продвигаете?
artyomsoft
12.01.2023 04:02+4Очень интересная и доходчивая статья. Прочитал с огромным удовольствием.
Заряд азарта, о котором говорил автор, почувствовал на себе. Наверное, было бы хорошо, если бы в школе так объясняли. Но мне не повезло, что в школе, что в институте тема электричества рассказывалась так, что все казалось непонятным кошмаром.
Может в статье и есть огрехи, которые от меня ускользнули в силу моего незнания, но рассказано все так, что проходит страх и злость от непонимания темы, и реально возникает желание больше узнать по ней.
Огромное спасибо автору, побольше таких статей.
IgorIngeneer
13.01.2023 11:25+1а как нарисован и анимированы гидравлические аналогии?
engine9 Автор
13.01.2023 11:45Я снимал скринкаст в видеофайл, потом в blender-е в VSE поверх накладывал дорожку камеры из второй 3D сцены в которой создавал всё что требовало анимации. Некоторые слои были статичные в виде картинок и так же добавлялись через VSE.
Javian
Базовые понятия электроники надо показывать как указано в советских методических пособиях по физике. Если начали говорить про заряды, то надо говорить про разность потенциалов, а потом только использовать термин "напряжение". И т .д. что выверено большим методическим опытом советской школы.
PS а лучше скачать эти методички, почитать и посмотреть прекрасные иллюстрации.
engine9 Автор
Совершенно справедливое замечание. Я обожаю учебники той эпохи и иллюстрации из них. У меня даже есть творческие планы некоторые из них перерисовать и превратить в анимированные зацикленные видео.
Художникам, оформлявшим те книги огромный почёт и уважение. Я в детстве просто обожал эти гравюры за ясность, лаконизм и детализацию.
А по поводу подачи материала. Я честно скажу, что "упёрся" в собственную некомпетенцию в подготовке материала. Но отступать было уже поздно, а копипастить учебник было бы стыдно.
Надеюсь, что фактических ошибок не наделал. Если наделал то буду исправлять.
avshkol
У меня в коллекции есть несколько дореволюционных учебников по физике (включая электричество и магнетизм) и естествознанию, если что, - у меня была идея сделать по некоторым обзор, включая отличия тех объяснений явлений от современных...
В т.ч. конструкции старых эл. счетчиков, или "как самому сделать динамо-машину", карманные книжки-справочники для дорев.электрика...
engine9 Автор
Обязательно сделайте. Я всерьёз считаю что электроника и возня с детальками одно из лучших способов не сойти с ума и не свалиться в депрессию.
Собственно, я этим спасся в начале пандемии когда все разом навалилось и личные проблемы. Плюнул на всё пошел и купил себе осциллограф на авито и ни разу не пожалел! Всюду бы его с собой возил, да он тяжелый :)
Direvius
Micsig примерно как айпад +)
Javian
офф Попалась иллюстрация в Книге вожатого (1965) к статье о конкурсе учебных пособий . Иллюстрация без подписи сама по себе разминка для ума.
engine9 Автор
Будьте добры название книги с пожелтевшими страницами. Ей можно делиться не опасаясь нарушения авторских прав?
code_panik
Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. - Хрестоматия радиолюбителя
Javian
С авторскими правами на советские книги очень интересная ситуация. Вопрос в комментариях обсуждался на Хабре. Будучи «достоянием советского народа» литература и газеты должно было бы перейти в общественное достояние, но возможность заработать на приватизации общественного в РФ намного сильнее общественных интересов.