Чтение электрических схем: условные обозначения

Время чтения: 18 минут

Самым важным шагом к пониманию языка принципиальных электрических схем (ПЭС) — изучение условных обозначений элементов, в числе которых проводники, источники тока и напряжения, различные электромеханические приборы, электронные компоненты и много чего ещё. В разделе рассмотрим самые встречающиеся обозначения. «Узнавание» цепей на ПЭС уже ложится на плечи вашего постепенно обретаемого опыта, потому что даже в рамках нескольких книг сложно описать эту тему.

Не существует единого стандарта условных обозначений на принципиальных схемах: каждое государство применяет собственный. Кроме того, начертание символов меняется со временем и ПЭС разных годов даже в рамках стандартов одной страны могут сильно отличаться. Несмотря на множество отличий, схемы остаются читаемыми. При некотором опыте вы сможете определить все компоненты на схеме как американского гитарного усилителя 1960-х годов, так и современного японского ноутбука.

Все электросхемы требуют энергии для работы, поэтому её источник обязательно будет где-то указан.

Вывод положительной полярности — знаком «+» или маркирован как V+, V~cc~ или V~dd~. Вывод отрицательной полярности — знаком «–» или маркирован как V–, V~ee~ или V~ss~. В случае источников переменного напряжения или тока дополнительно указывается частота, к примеру, «50 Гц».

Основная работа в схемотехнике лежит, конечно же, на резисторах, конденсаторах, диодах и транзисторах. Однако электромеханические приборы выполняют важную функцию коммутации питания или различных сигналов, а также обеспечивают взаимодействие с пользователем через кнопки, переключатели и аналогичные средства.

В электронике распространены несколько типов переключателей:

На схемах все переключатели изображаются в исходном (отжатом) положении.Пунктирная линия, соединяющая два или более переключателей, указывает на механическую связь между ними. Это означает, что они будут перемещаться вместе друг с другом. Два переключателя с общей механической связью называются сдвоенными, три — строенными и т. д. Кнопки и переключатели маркируются, как правило, символом S или SW (switch).

Разъёмы маркируют символом CN, CONN или J. Электромагнитные реле обозначают символом переключателя и управляющего электромагнита (или же условно в форме прямоугольника), а маркируют, как правило, символом RY или RLY (на отечественных ПЭС можно встретить маркировку К).

Символы заземления, заземления сигнальных цепей, корпуса и общего проводника в схемах могут претерпевать изменение смысловой нагрузки. Сегодня символ заземления для обозначения общего минусового проводника стал в порядке вещей. Изображение антенны, в зависимости от конструкции, тоже имеет несколько обозначений.

К пассивным элементам относят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы. Они не могут коммутировать, усиливать или генерировать электрические сигналы, но могут поглощать электрическую энергию, преобразовывая её в тепло, или сохранять в виде электрического или магнитного поля, при необходимости возвращая в цепь. Трансформаторы могут преобразовывать уровень напряжения или силы переменного тока, но, конечно же, не усиливают мощность, как и все пассивные компоненты.

Резисторы

Они нужны для ограничения силы тока в цепи, гашения избытка электрической энергии, прямого и обратного преобразования пары «напряжение-ток». Резисторы маркируют символом R (resistance) с указанием, как минимум, сопротивления в Ом (или кратных кОм, МОм, ГОм), а, как максимум, допуска отклонения сопротивления от номинального значения (±10%, ±5%, ±1% и т. д.) и максимальной рассеиваемой мощности в Вт.

Но в большинстве типовых схемотехнических решений резисторы маркируются только значением их сопротивления. Тогда дополнительная информация размещается в отдельной таблице или описании, где указываются допуски, максимальная рассеиваемая мощность и другие параметры, например, типоразмер или технология изготовления.

Резисторы специальных типов работают в качестве датчиков освещённости, температуры, давления, изгиба и т. д. К примеру, терморезистор имеет сильную зависимость сопротивления от температуры, а фоторезистор — от освещённости. Переменные резисторы используют в качестве регуляторов.

Конденсаторы

Это компоненты для запасания электроэнергии в виде электрического поля и её возвращения в цепь, когда нужно. Так они поддерживают постоянство величины напряжения.

Поскольку конденсаторы могут хранить энергию, они используются в цепях, где необходимо сглаживать пульсации, к примеру, в фильтрах блоков питания. В них используются электролитические конденсаторы очень большой ёмкости для минимизации пульсаций на выходе (от десятков до десятков тысяч микрофарад).

В колебательных контурах радиочастотных устройств, к примеру, в радиоприёмниках, напротив, применяются конденсаторы очень малой ёмкости (от единиц до сотен пикофарад), а также переменной ёмкости в качестве органов настройки.

Обратите внимание, что электролитические конденсаторы (за исключением довольно редко применяемого неполярного типа) имеют обязательную маркировку полярности.

Конденсаторы маркируются символом C (capacitance) c указанием величины электрической ёмкости в кратных или дольных единицах (пФ, нФ, мкФ или pF, nF, mF). Для переменных конденсаторов указывается диапазон ёмкости. Когда рабочее напряжение конденсатора — важная характеристика, она также указывается. К примеру, для электролитических или конденсаторов, работающих в высоковольтных цепях.

Катушки индуктивности и трансформаторы

Катушки — пассивные компоненты, которые запасают электроэнергию в виде магнитного поля и возвращают её в цепь, поддерживая постоянную величину силы тока. Катушки индуктивности значительной величины, для подавления токовых пульсаций, называют дросселями.

Катушки индуктивности, как и конденсаторы, обладают реактивным сопротивлением, зависящим от частоты: с её ростом сопротивление увеличивается. Индуктивности применяются в колебательных контурах радиочастотной аппаратуры, фильтрах, дросселях импульсных источников питания и других узлах, где требуется накопление энергии или частотная селекция.

Трансформатор состоит минимум из двух индуктивно связанных обмоток. Переменный ток в первичной обмотке создаёт переменное магнитное поле, которое индуцирует ток во вторичной. Соотношение напряжений и токов определяется коэффициентом трансформации — отношением числа витков обмоток. Трансформаторы используют для изменения напряжения в линейных блоках питания, преобразования тока, в том числе большой величины (трансформаторы), гальванической развязки цепей и других задач.

Автотрансформатор имеет общую обмотку с отводами: первичная и вторичная цепи электрически связаны. Он также изменяет напряжение по коэффициенту трансформации, но не обеспечивает гальванической изоляции.

Индуктивности и трансформаторы выполняют с разными сердечниками: воздушным, ферритовым или железным. Отсутствие линии у катушки означает воздушный сердечник; пунктир — ферритовый; сплошная линия — железный.

Они предназначены для коммутации, усиления и генерации сигналов (тока, напряжения или мощности), затрачивают на это электрическую энергию от источника электропитания. К распространённым компонентам относятся диоды, транзисторы, тиристоры, электронные лампы, и выполненные на основе транзисторов операционные усилители и логические элементы (микросхемы отдельно рассматриваться не будут, так как состоят из тех же самых пассивных и активных компонентов, только выполненных на едином полупроводниковом кристалле). Для работы компонентам требуется источник питания определённого номинала и полярности (одно- или двухполярный).

Диоды

Диоды — активные полупроводниковые приборы, проводящие ток преимущественно в одном направлении. В большинстве схем они работают при прямом смещении: положительное напряжение подаётся на анод, отрицательное — на катод. На схеме сторона, напоминающая стрелку, соответствует аноду, черта — катоду; иногда рядом с анодом ставят знак «+».

Отдельный тип — стабилитрон. Его включают в обратном смещении (плюс к катоду), используя режим пробоя p-n-перехода. При достижении заданного напряжения сопротивление резко уменьшается, и напряжение на стабилитроне стабилизируется. Так реализуется линейная стабилизация.

Падение напряжения на кремниевом диоде составляет около 0,7В, на германиевом — примерно 0,5В, у диода Шоттки — 0,2–0,4В. Малое прямое падение делает диоды Шоттки эффективными в выпрямителях, особенно в импульсных источниках питания. Их ограничение — сравнительно невысокое допустимое обратное напряжение (обычно до 100В).

Любой диод имеет паразитную ёмкость p-n-перехода. У варикапа эта ёмкость изменяется в зависимости от приложенного обратного напряжения, поэтому он работает как управляемый конденсатор переменной ёмкости и применяется в радиочастотных схемах для настройки.

Фотодиод преобразует свет в электрический ток: фотоны, попадая на p-n-переход, создают носителей заряда. На этом принципе основаны солнечные элементы и светочувствительные датчики. Обратный эффект — излучение света при протекании тока — используется в светодиодах. В зависимости от материала и технологии они могут излучать в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.

Транзисторы

С момента изобретения в 1947 году транзистор стал фундаментом современной электроники. Он используется в миллионах устройств и может усиливать сигналы, генерировать колебания и работать как электронный ключ.

Первые транзисторы изготавливались из германия, позже основным материалом стал кремний. Введение примесей изменяет проводимость полупроводника, формируя области p- и n-типа. Граница между ними образует p-n-переход. В биполярном транзисторе два таких перехода формируют структуру с тремя выводами: эмиттером, базой и коллектором. Ток между эмиттером и коллектором управляется током базы; поскольку базовый ток значительно меньше коллекторного, транзистор обеспечивает усиление — малым сигналом управляется более мощный.

Основные типы транзисторов:

В полевых приборах ток между истоком и стоком регулируется напряжением на затворе. IGBT объединяют достоинства обоих классов: низкую мощность управления, как у MOSFET, и способность работать с высокими напряжениями и токами, как у биполярных транзисторов.

Дискретные транзисторы применяют в усилителях, генераторах, силовых драйверах, импульсных преобразователях и других узлах. Они же лежат в основе интегральных микросхем: в современных процессорах количество транзисторов исчисляется миллиардами.

Тиристоры

Это полупроводниковые приборы, имеющие три и более p-n перехода. В отличие от транзистора, у которых их «всего» два, они не способны к усилению и генерации сигналов, но обладают двумя устойчивыми состояниями: включённым и выключенным. Это позволяет изготавливать на их основе высокоэффективные коммутационные устройства, к примеру, преобразователи напряжения, модули управления мощной нагрузкой и т. д.

Наибольшее распространение получили несимметричные тиристоры, или тринисторы, диодные тиристоры (динисторы) и симметричные тиристоры (симисторы). Тринистор имеет три электрода: анод, катод и управляющий электрод. В изначальном состоянии тринистор закрыт и не проводит ток между анодом и катодом. При подаче на управляющий электрод положительного относительно катода импульса напряжения тринистор откроется и начнёт проводить ток между анодом и катодом как обычный диод. При его снятии тринистор продолжит находиться в открытом состоянии, пока ток, проходящий между анодом и катодом выше электротока удержания, либо пока не сменится полярность протекающего тока (закончится полуволна переменного напряжения). Также тринистор можно закрыть подачей импульса отрицательной полярности на управляющий электрод. Таким образом можно увидеть, что тринистор представляет собой электронный выключатель.

Динистор имеет два электрода и включается не импульсом напряжения, а при достижении между его электродами определённого уровня. Симистор является аналогом тринистора, но проводит ток в обоих направлениях и нужен для работы с переменным током.

Сегодня сферой тиристоров стала силовая электроника: частотные преобразователи питания асинхронных двигателей, преобразователи напряжения, установки индукционного нагрева, коммутационная аппаратура для мощных нагрузок и т. д. В бытовой аппаратуре тиристоры встречаются относительно редко, но между тем незаменимы в простых регуляторах яркости освещения (диммерах), в которых роль регулирующего элемента выполняет симистор вместе с динистором.

Электронные лампы

Они были основой электроники до середины прошлого столетия и в настоящее время морально устарели, а сфера их применения чрезвычайно узка. Но, между прочим, до сих пор используются в звуковой аппаратуре высокой верности звучания, в гитарной технике (усилители, педали эффектов), в качестве предусилителей для дорогих микрофонов, а также в качестве мощных усилительных и генераторных элементов в различной радиочастотной аппаратуре.

Ранее, как предшественник транзисторов, лампы применялись повсеместно, в том числе и как компонентная база для изготовления электронных вычислительных машин (компьютеров). Разновидность ламп, такая как электронно-лучевая трубка (катодно-лучевая) использовалась в качестве устройства вывода изображения ранних телевизоров и мониторов, а также аналоговых осциллографов.

Принцип работы ламп основан на формировании потока заряженных частиц от разогретого до красного свечения катода (термоэлектронная эмиссия) к аноду. Так как излучать электроны может только разогретый катод, но не холодный анод, то между ними образуется односторонний поток и, следовательно, можно говорить об односторонней проводимости лампового диода.

Если на пути потока разместить одну или более сеток, и подавать на них определённый электрический потенциал, то можно регулировать интенсивность этого потока, и тем самым регулировать ток между катодом и анодом. Это свойство может быть использовано для усиления и генерации электрических сигналов. Лампа с одной сеткой называется триодом, с двумя — тетрод, с тремя — пентод и т. д.

Помимо вакуумных электронных, существуют ещё и газонаполненные лампы, в которых вместо вакуума находится среда инертного газа неона, аргона, криптона, ксенона, их смеси или паров ртути. Газоразрядные лампы применяют в качестве различных индикаторов, а ранее — в качестве выпрямительных и коммутационных приборов (газоразрядные диоды, игнитроны, тиратроны и т. д.). Для усиления и генерирования сигналов, как правило, их не применяют.

Для работы вакуумных ламп требуется довольно большой ток для разогрева нити накала, затраты мощности на который резко снижают коэффициент полезного действия.Кроме того, для работы ламп в правильном режиме требуются относительно высокие напряжения (в среднем, несколько сотен вольт), что, в сочетании с их габаритами и хрупкостью совершенно не позволяет им быть основой портативной аппаратуры.

Электровакуумные лампы прекрасно способны рассеивать тепло, имеют отличную стойкость к перегрузке, могут усиливать и генерировать сигналы очень высокой мощности. Это делает их пригодными даже сегодня, чтобы быть основой для построения различной радиосвязной аппаратуры, в качестве генераторов высокочастотных колебаний высокой мощности. Маломощные лампы всё ещё используются в высококлассной звуковоспроизводящей аппаратуре.

Операционные усилители

Ещё одна разновидность компонентов. Вернее, операционный усилитель (ОУ) — это либо электронная схема, выполненная на дискретных элементах, либо её реализация в виде интегральной микросхемы, которой отдают предпочтение разработчики электроники, ввиду простоты реализации, широчайшей номенклатуры готовых усилителей «на все случаи жизни», а также крайне низкой ценой распространённых моделей.

Исторически первые операционники выпускались с применением электровакуумных ламп и предназначались исключительно для работы в составе ламповых ЭВМ для математических операций с аналоговыми величинами (от этого и название). С их помощью выполнялись операции математического сложения, вычитания, умножения, деления, интегрирования, дифференцирования аналоговых величин, к примеру, напряжения. Затем ОУ стали применятся в качестве усилителей широкой сферы применения, и сегодня стали практически основой любой электроники, связанной с усилением, генерированием, передачей и измерением электрических сигналов, систем автоматики и многой другой техники.

Операционник, как минимум, имеет выводы питания (однополярного или двухполярного), два входа — инвертирующий и неинвертирующий и один выход. На ПЭС выводы питания могут не указываться, но подразумевается, что они подключены и питание, конечно же, поступает. Инвертирующий вход обозначается символом «–», а неинвертирующий — «+».

ОУ производит усиление разности напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах. На выходе оно будет равно разности напряжений на входах, умноженной на коэффициент усиления. Коэффициент усиления ОУ при отсутствии обратной связи теоретически бесконечен, но на практике равен нескольким сотням тысяч или миллионам единиц. Поэтому использование усилителя без обратной связи практически бессмысленно, а вот введение различных обратных связей может снизить коэффициент усиления и придать схеме требуемые свойства.

На рисунке представлены типовые схемы включения ОУ:

Существует ещё огромная масса разнообразных схем включения. Например, интегратор и дифференциатор, которые выступают в роли фильтров.

Логические элементы

Как и операционные усилители, это не отдельные компоненты, а схемы, реализованные в виде интегралок. Это базовые строительные блоки всех цифровых схем:

На основе логических элементов можно реализовать любую логику и построить другие, более сложные элементы. К примеру, триггеры, регистры, счётчики, делители частоты, шифраторы и дешифраторы и т. д.

Логический элемент, как минимум, имеет выводы питания, один или два входа и один выход. На ПЭС выводы питания могут не указываться, но подразумевается, что они подключены и питание есть. Как правило, логические элементы реализуются на микросхемах в виде группы. Одна интегралка может содержать 2, 4, 8 или более элементов с общим питанием.

Представить условные обозначения всех существующих электронных компонентов невозможно, так как их много. Но самые частые есть в статье. Единого принятого обозначения интегральных микросхем не существует. Они бывают как с тремя выводами, так и с несколькими тысячами, и обозначение обычно индивидуально.

Большинство типовых микросхем обозначаются символом прямоугольника, отражающим корпус, набора линий-выводов с обязательной маркировкой номера вывода. Порядок выводов может быть любым и обусловлен удобством разработки.