Как Работают Схемы

{h1}

Схемы можно найти практически в каждом электронном устройстве, о котором вы только можете подумать. Узнайте, что такое схемы и как они делают работу электронных устройств.

Задумывались ли вы, что происходит, когда вы нажимаете переключатель, чтобы включить свет, телевизор, пылесос или компьютер? Что делает переключение этого переключателя? Во всех этих случаях вы завершаете электрическая цепь, позволяя токили поток электронов, через провода.

Электрическая цепь во многом похожа на вашу систему кровообращения. Ваши кровеносные сосуды, артерии, вены и капилляры подобны проводам в цепи. Кровеносные сосуды несут поток крови через ваше тело. Провода в цепи несут электрический ток к различным частям электрической или электронной системы.

Ваше сердце - это насос, который управляет кровообращением в организме. Это обеспечивает силу или давление для циркуляции крови. Кровь, циркулирующая в организме, снабжает различные органы, такие как мышцы, мозг и пищеварительная система. Аккумулятор или генератор производит напряжение - сила, которая ведет ток через цепь.

Возьмите простой случай электрического света. Два провода подключаются к свету. Чтобы электроны выполняли свою работу по производству света, должна быть полная цепь, чтобы они могли протекать через лампочку и затем возвращаться обратно.

Диаграмма выше показывает простую схему фонарика с батареей на одном конце и лампочкой на другом конце. Когда переключатель выключен, полная цепь не будет существовать, и не будет никакого тока. Когда переключатель включен, будет полная цепь и поток тока, в результате чего лампочка будет излучать свет.

Схемы могут быть огромными энергосистемами, передающими мегаватты мощности на тысячу миль, или крошечными микроэлектронными чипами, содержащими миллионы транзисторов. Эта необычайная усадка электронных схем сделала возможным использование настольных компьютеров. Новая граница обещает быть наноэлектронных схемы с размерами устройства в нанометрах (одна миллиардная часть метра).

В этой статье мы узнаем о двух основных типах электрических цепей:

  • Силовые цепи передавать и контролировать большое количество электроэнергии. Примерами являются линии электропередач, а также жилые и деловые электропроводки Основными компонентами силовых цепей являются генераторы на одном конце и системы освещения, системы отопления или бытовые приборы на другом конце. Между ними находятся линии электропередач, трансформаторы и автоматические выключатели.
  • Электронные схемы обрабатывать и передавать информацию. Вспомним компьютеры, радиоприемники, телевизоры, радары и мобильные телефоны.

Основы схемы

Эта печатная плата содержит много отдельных цепей.

Эта печатная плата содержит много отдельных цепей.

Вы, наверное, слышали эти условия раньше. Вы знали, что они имеют какое-то отношение к электричеству, но, возможно, вы не были уверены, как именно.

Подобно тому, как ваше сердце создает давление, чтобы заставить кровь циркулировать, батарея или генератор создает давление или силу, чтобы протолкнуть электроны вокруг цепи. напряжение это сила и измеряется в вольт (V). Типичная батарея фонаря вырабатывает 1,5 В, а стандартное бытовое электрическое напряжение составляет 110 В или 220 В.

-Electrical токили поток электронов, измеряется в ампер (А). Произведение электрической силы (в вольтах) и тока (в амперах) - это электрическая мощность, измеренная в Вт (Вт). Батарея, генерирующая 1,5 В и создающая ток 1 А через лампу фонарика, выдает 1,5 В х 1 А = 1,5 Вт электроэнергии.

Кровь, текущая через ваше тело, не получает бесплатную поездку. Стенки кровеносных сосудов препятствуют потоку, и чем меньше кровеносный сосуд, тем больше сопротивление течению. Некоторое давление, создаваемое вашим сердцем, предназначено только для проталкивания крови через кровеносные сосуды. Когда электроны движутся по проводам, они сталкиваются с атомами. Это препятствует потоку электронов. Провод предлагает сопротивление потоку тока. Величина сопротивления зависит от материала, диаметра и длины проволоки. Сопротивление увеличивается с уменьшением диаметра проволоки. Сопротивление в единицах Ом (Ω).

Закон Ома касается напряжения, тока и сопротивления:

Сопротивление (Ом) = Напряжение (В) / Ток (I)

Закон Ома можно записать как R = V / I.

Электрические цепи состоят из проводов и других компонентов, таких как лампочки, транзисторы, компьютерные микросхемы и двигатели. Провода из металлов называются проводники которые имеют низкое сопротивление по току, подключите компоненты. Медь и алюминий являются наиболее распространенными проводниками. Золото из-за его устойчивости к коррозии часто используется для крепления проводов к крошечным электронным чипам.

-В лампе накаливания, ток течет через тонкий вольфрамовый провод или металлический нить что обеспечивает высокое сопротивление току. Когда электроны сталкиваются с атомами, трение или потеря кинетической энергии производят тепло. Если температура нити достаточно высока, она начинает светиться и испускать свет. Это накаливание, Типичные температуры накаливания лампочек составляют около 4600 градусов по Фаренгейту (2550 градусов по Цельсию). К сожалению, от 90 до 95 процентов энергии, подаваемой на лампочку, теряется в виде тепла, а не света, поэтому лампы накаливания очень неэффективны.

флуоресцентный свет излучает свет, когда электроны проходят через трубку, заполненную парами ртути и газом неон или аргон. Когда электроны сталкиваются с атомами ртути, они заставляют электроны в атомах поглощать часть своей энергии. Когда эти электроны возвращаются в свое нормальное состояние, они излучают пучки световой энергии, называемые фотоны, Люминесцентные лампы в четыре-пять раз эффективнее ламп накаливания.

На следующей странице мы рассмотрим замкнутые цепи, разомкнутые цепи, короткие замыкания, последовательные и параллельные цепи.

Типы цепей

Иллюстрация параллельных цепей

Иллюстрация параллельных цепей

закрытая схема имеет полный путь тока. разомкнутая цепь нет, это означает, что это не работает. Если это ваш первый контакт с цепями, вы можете подумать, что когда цепь разомкнута, это как открытая дверь или ворота, через которые может течь ток. И когда она закрыта, это как закрытая дверь, через которую не может течь ток. На самом деле, все как раз наоборот, поэтому может потребоваться некоторое время, чтобы привыкнуть к этой концепции.

короткая схема это путь с низким сопротивлением, обычно сделанный непреднамеренно, который обходит часть цепи. Это может произойти, когда два неизолированных провода в цепи касаются друг друга. Часть цепи, обойденная коротким замыканием, перестает функционировать, и может начать протекать большое количество тока. Это может генерировать много тепла в проводах и вызвать пожар. В качестве меры безопасности предохранители и автоматические выключатели автоматически размыкают цепь при наличии чрезмерного тока.

В последовательная схемаодин и тот же ток течет через все компоненты. Общее напряжение на цепи является суммой напряжений на каждом компоненте, а полное сопротивление - суммой сопротивлений каждого компонента. В этой схеме V = V1 + V2 + V3 и R = R1 + R2 + R3. Примером последовательной схемы является строка рождественских огней. Если какая-либо из лампочек отсутствует или перегорела, ток не будет течь, и ни один из индикаторов не загорится.

Параллельные цепи похожи на меньшие кровеносные сосуды, которые ответвляются от артерии, а затем соединяются с веной, чтобы вернуть кровь к сердцу. Теперь подумайте о двух проводах, каждый из которых представляет собой артерию и вену, с небольшими проводами, соединенными между ними. Эти меньшие провода будут иметь одинаковое напряжение, приложенное к ним, но различные величины тока, протекающего через них, в зависимости от сопротивления отдельных проводов.

Примером параллельной цепи является система электропроводки дома. Единый источник электропитания подает на все светильники и приборы одинаковое напряжение. Если один из источников света перегорел, ток все равно может течь через остальные источники света и приборы. Однако при коротком замыкании напряжение падает почти до нуля, и вся система падает.

Цепи, как правило, представляют собой очень сложные комбинации последовательных и параллельных цепей. Первые схемы были очень простыми цепями постоянного тока. Мы рассмотрим историю цепей и разницу между постоянным и переменным током на следующей странице.

История электрических цепей

Премьер-министр Японии Дзюнъитиро Коидзуми смеется, когда к нему цепляется воздушный шар со статическим электрическим зарядом.

Премьер-министр Японии Дзюнъитиро Коидзуми смеется, когда к нему цепляется воздушный шар со статическим электрическим зарядом. -

Ранние исследования статичное электричество вернуться на сотни лет назад. Статическое электричество - это перенос электронов, возникающих в результате трения, например, когда вы натираете воздушный шар через свитер. При контакте заряженных объектов может возникнуть искра или очень короткий ток, но непрерывного тока нет. При отсутствии постоянного тока полезного применения электричества нет.

Изобретение батареи, которая могла производить непрерывный поток тока, сделало возможным разработку первых электрических цепей. Алессандро Вольта изобрел первую батарею, вольтовую батарею, в 1800 году. Самые первые схемы использовали батарею и электроды, погруженные в емкость с водой. Поток тока через воду производил водород и кислород.

Первое широкое применение электрических схем для практического использования было для электрического освещения. Вскоре после того, как Томас Эдисон изобрел свою лампу накаливания, он искал практические применения для нее, разрабатывая целую систему производства и распределения электроэнергии. Первой такой системой в Соединенных Штатах была станция на Перл-стрит в центре Манхэттена. Он обеспечил электроэнергией несколько квадратных кварталов города, в первую очередь для освещения.

Одна классификация цепей связана с характером протекания тока. Самые ранние схемы были с питанием от батареи, которые производили постоянный постоянный ток, который всегда протекал в одном и том же направлении. Это постоянный токили DC. Использование постоянного тока продолжалось во времена первых электроэнергетических систем. Основная проблема с системой постоянного тока заключалась в том, что электростанции могли обслуживать площадь лишь около квадратной мили из-за потери мощности в проводах.

В 1883 году инженеры предложили использовать огромный гидроэнергетический потенциал Ниагарского водопада для удовлетворения потребностей Буффало, штат Нью-Йорк. Хотя эта мощность в конечном итоге пойдет за пределы Буффало в Нью-Йорк и даже дальше, возникла первоначальная проблема с расстоянием. Буффало находился всего в 16 милях от Ниагарского водопада, но идея была неосуществимой - пока Никола Тесла не сделал это возможным, как мы увидим на следующей странице.

Тесла прорыв

До открытия сети переменного тока или переменного тока передача электроэнергии на большие расстояния была невозможна.

До открытия сети переменного тока или переменного тока передача электроэнергии на большие расстояния была невозможна.

Инженер Никола Тесла, которому помогает теоретическая работа Чарльза Протея Штайнметца, предложил идею использования переменный токили AC. В отличие от постоянного тока, переменный ток всегда меняется и постоянно меняет направление.

Так почему же переменного тока был ответ на проблему передачи электроэнергии на большие расстояния? С AC можно использовать трансформеры изменить уровни напряжения в цепи. Трансформаторы работают по принципу магнитная индукция, что требует изменения магнитного поля, создаваемого переменным током. С помощью трансформаторов напряжение может быть увеличено для передачи на большие расстояния. На приемном конце уровень напряжения может снизиться до более безопасного 220 В или 110 В для использования в бизнесе и в быту.

Нам нужны высокие напряжения для больших расстояний, потому что сопротивление провода вызывает потерю мощности. Электроны, сталкивающиеся с атомами, теряют энергию в форме тепла при перемещении. Эта потеря мощности пропорциональна квадрату величины тока, проходящего через провод.

Чтобы измерить количество энергии, передаваемой по линии, вы можете умножить напряжение на ток. Вы можете выразить эти две идеи, используя уравнение, в котором I представляет ток, V представляет напряжение, а P равно мощности:

P = V x I

Давайте рассмотрим пример передачи 1 мегаватт. Если мы увеличим напряжение со 100 В до 10000 В, мы сможем уменьшить ток с 10000 до 100 А. Это уменьшит потерю мощности на (100)2или 10000. Это была концепция Теслы, и с этой идеи передача энергии из Ниагарского водопада в Буффало и, в конечном счете, в Нью-Йорк и за его пределы, стала реальностью.

В Соединенных Штатах и ​​многих других странах стандарт частота для переменного тока мощность составляет 60 циклов в секунду или 60 герц. Это означает, что 60 раз в секунду полный цикл тока протекает в одном направлении, а затем в другом. Ток течет в одном направлении в течение 1/120 секунды, а в другом направлении - в течение 1/120 секунды. Время, необходимое для завершения одного цикла, называется период, что в данном случае составляет 1/60 секунды. В Европе и других регионах стандартная частота переменного тока составляет 50 Гц.

Электронные схемы нужен как переменный, так и постоянный ток. Мы узнаем о них на следующей странице.

Эдисон против Тесла

Томас Эдисон был блестящим и интуитивным изобретателем. Тем не менее, его ограниченное обучение, особенно в области математики, не позволило ему понять теорию, лежащую в основе переменного тока. Он достаточно хорошо понимал DC, но AC, как ни странно, был немного за пределами его понимания. Он решительно выступил против идеи использования переменного тока для передачи электроэнергии на большие расстояния, но переменный ток постепенно заменил постоянный ток в качестве основного средства передачи электроэнергии.

Электронные схемы

Возможно, вы слышали термин чип, особенно когда тема компьютерного оборудования поднимается. Чип - это крошечный кусочек кремния, обычно около одного сантиметра. Фишка может быть одиночной транзистор (кусок кремния, который усиливает электрические сигналы или служит в качестве выключателя в компьютерных приложениях). Это также может быть Интегральная схема состоит из множества взаимосвязанных транзисторов. Чипсы заключены в герметичный пластиковый или керамический корпус, называемый пакет, Иногда люди называют весь пакет чипом, но чип фактически находится внутри пакета.

Существует два основных типа интегральных схем - монолитный а также гибридный, Монолитные ИС включают в себя всю схему на одном кремниевом чипе. Их сложность может варьироваться от нескольких транзисторов до миллионов транзисторов на микропроцессорной микросхеме компьютера. Гибридная ИС имеет схему с несколькими микросхемами, заключенными в одну упаковку. Микросхемы в гибридной ИС могут представлять собой комбинацию транзисторов, резисторов, конденсаторов и монолитных микросхем ИС.

печатная платаили печатная плата удерживает электронную схему вместе. Готовая печатная плата с прикрепленными компонентами является печатная плата сборкаили PCBA. Многослойная печатная плата может иметь до 10 уложенных печатных плат. Гальванические медные проводники, проходящие через отверстия, называются ВЬЯС соедините отдельные печатные платы, которые образуют трехмерную электронную схему.

Наиболее важными элементами в электронной схеме являются транзисторы. Диоды крошечные чипсы кремния, которые действуют как клапаны, чтобы позволить току течь только в одном направлении. Другие электронные компоненты пассивные элементы любить резисторы а также конденсаторы, Резисторы предлагают определенную величину сопротивления току, а конденсаторы хранят электрический заряд. Третьим основным элементом пассивной цепи является индуктор, который хранит энергию в виде магнитного поля. Микроэлектронные схемы очень редко используют индукторы, но они распространены в больших силовых цепях.

Большинство схем разработаны с использованием системы автоматизированного проектирования программы или САПР. Многие схемы, используемые в цифровых компьютерах, чрезвычайно сложны и используют миллионы транзисторов, поэтому САПР является единственным практичным способом их проектирования. Разработчик схемы начинает с общей спецификации функционирования схемы, а программа САПР устанавливает сложный шаблон взаимосвязей.

Для травления металлической схемы соединения на печатной плате или микросхеме используется устойчивый к травлению маскирующий слой для определения схемы цепи. Выставленный металл вытравлен, оставляя образец соединения металла между компонентами.

Почему переменный ток используется в электронных цепях?

В электронных схемах расстояния и токи очень малы, так зачем использовать переменный ток? Прежде всего, токи и напряжения в этих цепях представляют собой постоянно меняющиеся явления, поэтому электрические представления или аналоги также постоянно меняются. Вторая причина заключается в том, что радиоволны (подобные тем, которые используются в телевизорах, микроволновых печах и сотовых телефонах) являются высокочастотными сигналами переменного тока. Частоты, используемые для всех типов беспроводной связи, неуклонно росли на протяжении многих лет: от диапазона килогерц (кГц) в первые дни радио до диапазона мегагерц (МГц) и гигагерц (ГГц) сегодня.

Электронные схемы используют постоянный ток для обеспечения питания транзисторов и других компонентов в электронных системах. выпрямитель Схема преобразует мощность переменного тока в постоянный ток из напряжения линии переменного тока.

Для получения дополнительной информации о цепях, посмотрите на ссылки на следующей странице.

Революция IC: микроэлектроника

В первые дни электронных схем компоненты, такие как вакуумные трубки и транзисторы, были отдельными устройствами, установленными на металлическом шасси или печатных платах. Затем, в 1959 году, два исследователя, Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor (которые работали независимо), начали революцию в микроэлектронике, разработав первую интегральную схему.

Они обнаружили, как объединить или объединить несколько транзисторов и резисторов и соединить их, чтобы сформировать цепь, все на одном и том же маленьком чипе кремния. Сегодня очень сложные электронные системы, такие как микропроцессоры, содержащие миллионы транзисторов, могут помещаться в кремниевую микросхему размером один квадратный дюйм. Эти интегральные схемы - это то, что делают современные компьютеры возможными.





RU.WordsSideKick.com
Все права защищены!
Перепечатка материалов разрешена только с простановкой активной ссылки на сайт RU.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RU.WordsSideKick.com