Электроника для домашнего мастера с нуля

Электроника для домашнего мастера — это увлекательный мир дополнительных возможностей. Статья создана для моих друзей, близких и всех домашних мастеров, которые не разбираются в электронике. Но хотели бы обучиться основам, чтобы уметь что-то ремонтировать либо начать что-то мастерить и изучать. В данной статье собран самый простой и нужный минимум необходимой информации. Данный минимум знаний, должен помочь Вам за короткий промежуток времени научиться делать все основные виды работ с электричеством. Обучающий материал не потребует высокой квалификации и глубоких знаний. Стиль статьи не научный, так как необходимо объяснять всё простыми словами.

Умных профессоров, прошу не хвататься за валерьянку от стиля и формулировок в данной статье. Всё умышленно упрощено до невозможности.

Электроника — серия дополнительных обучающих статей:

Как пользоваться мультиметром, какой купить
Принцип работы обычного и автоматического предохранителей
Как и чем паять
Как соединить два провода
Как чинить наиболее встречающиеся неисправности
Как подключается проводка 220В дома
Электрическая ёмкость и частота, кратко
Как заряжать аккумуляторы, какие они бывают

Немного теории, тем кто не хочет изучать много лет умные книги

Необходимо запомнить четыре электрические величины (для начала хватит):

Ток
Напряжение
Сопротивление
Мощность

Напряжение обозначается U, измеряется в Вольтах

Его ещё называют электрическим потенциалом. Всё вокруг нас имеет какой то электрический заряд т.к. все вещества состоят из молекул, а те в свою очередь из электрически заряженных частиц атомов, электронов и так далее. Все эти частицы имеют свои свойства их можно долго изучать. Но нам это сейчас не надо. Важно понять, в сумме все частицы внутри какого то тела создают какой то электрический заряд. Потёрли шерстяной свитер пластиковой линейкой, электроны сбежались на его поверхность поглядеть кто их там «вызывает» вот мы и получили какой то заряд на поверхности свитера. Попробовали крону на язык и тут же ощутили, что там тоже живут какие то носители электрического заряда. Разумеется крону пробовать не надо, это больно.

Отвлечёмся от электроники. Давайте представим себе два высоких одинаковых сосуда с водой. В одном сосуде налит высокий столб воды, метра три например, а во втором воды мало, ну скажем метр. Стоят эти два сосуда с водой и ничего с ними не происходит. Но мы возьмём трубу и соединим их между собой, что произойдёт? Давление воды на дне сосуда с тремя метрами будет выше, чем давление в сосуде с одним метром и вода начнёт перетекать из сосуда с высоким уровнем воды в сосуд с низким. И так до тех пор, пока уровни воды у них не уравняются. Так работает обычный водяной уровень.

Вернёмся к напряжению. Представьте себе, что в одной банке вместо воды налиты электроны, их много, а во второй тоже электроны, но их мало. Мы соединяем банки между собой. Только для тока трубой будет являться провод (от слова проводник). Соединяем мы эти две банки и всё по аналогии с водой, электроны перетекут туда где их было меньше и уравняются. Разность между начальными уровнями электронов в банках и как бы будет являться напряжением т.е. разностью потенциалов.

Так вот, если какая-то точка электрической цепи имеет какой-то электрический заряд (потенциал), а другая точка имеет заряд отличный от первой, между ними возникает разность потенциалов. Вот эта разность и называется напряжением. Это как разность в давлении воды в сосудах. Важно понять, напряжение не существует само по себе. Напряжение это всегда разность между зарядом в одной точке и зарядом в другой.!!!

Пример: возьмём автомобильный аккумулятор 12В, у него на одной клеемме собраны положительно заряженные частицы, а на второй отрицательные. Вот именно разность между зарядами на этих двух клеммах и будет характеристикой напряжения 12В (можно обозначить латинской буквой 12V).

Что такое ток. Обозначается I, измеряется а Амперах.

Электронные устройства, которые нас окружают, работают тогда, когда в них движется ток. Ток это направленное перемещение электрически заряженных частиц т.е. грубо говоря в проводах перемещаются электроны. Если соединить две точки электрической цепи между которыми есть разница электрического потенциала т.е. есть напряжение, то между ними потечёт ток. Электроны будут перебегать туда, где их меньше, до тех пор, пока не уравняются. Когда они уравняются, ток станет равным нулю.

Сила тока измеряется в Амперах и характеризует какое количество заряда может перенести ток в единицу времени. Не пугайтесь, если с первого раза непонятно, никто не родился со знаниями электроники. Тут всё просто. Чтобы было понятней, вернёмся к банкам с водой. Те же две банки, соединяем тоненькой трубкой диаметром 1см. Вода будет перетекать долго так как трубка тонкая и много воды в единицу времени через неё протечь не может. Если мы захотим быстро, то надо соединить сосуды толстенной канализационной трубой диаметров пол метра. Вода хлынет большим потоком. Вот этот объём воды в единицу времени, в секунду например и есть «сила тока» для воды.

В электронике с электронами точно так же. Берём тоненький провод толщиной с волос и пытаемся соединить клеммы аккумулятора. Много электронов пробежать по такому волоску не смогут. Они начнут толкаться, сталкиваться. Их наберётся очень много, они начнут тереться друг о друга как люди в троллейбусе утром. В проводе ведь есть своя кристаллическая решётка из молекул. Электроны будут стукаться друг с другом, стучаться в эту решётку и от всех этих трений и ударов, проводник нагреется. В конце концов он нагреется настолько, что просто расплавится и перегорит.

Если мы возьмём вместо металлического волоска толстенный лом, это ведь тот же провод, только очень толстый и усадим его между клемм аккумулятора, то тут уже электронам будет свободно, толкотни не будет. Величина тока возрастёт до максимально возможной. Ток будет перетекать от одной клеммы к другой, пока заряд между клеммами не сравняется. То есть не исчезнет разность потенциалов, а проще говоря напряжение между ними не упадёт до нуля. Причём скорость разряда аккумулятора будет при этом максимально быстрой. Как между банками с водой которые соединили толстой трубой.

Электрическое сопротивление, обозначается R и измеряется в Омах

И так, мы вплотную подошли к тому, что сила тока зависит от сопротивления, которое оказывает току проводник. Чтобы электронное устройство работало, нам необходимо обеспечить соединение между электрическими элементами. Самое простое соединение это обычный кусок провода, соединяющий лампочку и розетку. На платах это могут быть не провода, а дорожки, по сути те же провода только плоские в виде полосок фольги и так далее.

Таким образом, электрический проводник, это какой-то материал, который способен проводить электрический ток. Как правило, электрический ток хорошо проводят различные металлы. Каждый материал имеет свою структуру из молекул, свои свойства и по этому по-разному проводит ток.

Если Вы заметили, в особо ответственных элементах используют особенные контакты из золота, платины или серебра. Это связано именно с их способностью хорошо проводить ток. Они обладают низким сопротивлением.

Вот основные материалы, с которыми Вы столкнётесь (цифры приведём позже, сейчас просто поделим проводники на плохие и хорошие):

Сталь — считается довольно плохим проводником, но бывают стальные провода. Чаще всего сталь применяют там, где нужна механическая стойкость. Например, старый полевой военный провод для телефонной связи. Кроме того, контакты из стали при замыкании и размыкании сильно искрят, что приводит к их быстрому обугливанию и потере контакта.
Вольфрам — относительно высокое сопротивление, используют не как проводник, а как электронный элемент. Например: спираль в электроплите или грелке, спираль в лампочке, резисторы (это такие электрические детальки), перо в электрическом приборе для выжигания. Ключевая особенность вольфрама в его высокой температуре плавления. Тонкая вольфрамовая нить раскаляется, но при этом долго сохраняет целостность.
Алюминий — приемлемо проводит ток, часто используется в электропроводке в квартирах. Не лучший вариант, но работает.
Медь — самый распространённый вид проводника с которым Вы столкнётесь. Хорошо проводит ток, старайтесь по возможности использовать медь.
Серебро, золото, платина — отлично проводят ток, очень дорогие, используются только в особо ответственных местах, чаще всего только для контактов или для напыления на контакты.
Латунь — зависит от состава, по проводимости может быть как лучше, так и хуже меди.

От чего зависит электрическое сопротивление?

Надеюсь Вы уже поняли, что электрическое сопротивление зависит от материала проводника. А правильные провода должны быть медными. Но оказывается сопротивление, зависит ещё от нескольких факторов. В первую очередь это длина и площадь сечения проводника. По аналогии с водопроводной трубой, чем тоньше проводник, тем больше его сопротивление, току труднее проходить через тонкий проводник. С длиной всё наоборот. Чем длиннее проводник, тем больше его суммарное сопротивление.

Запомните: длинный и тонкий провод будет всегда проводить ток хуже, чем короткий и толстый.

Еще электрическое сопротивление зависит от температуры. Тут всё просто, чем горячее провод, тем хуже он проводит ток т.е. его сопротивление увеличивается. По этому не даём проводам перегреваться. Если кому интересно и по простому, это связано с колебаниями молекул в кристаллической решётке проводника, чем жарче, тем сильнее они колеблются и мешают пролетать электронам.

Мощность, обозначается P и измеряется в Ваттах

Тут немного сложнее. На самом деле мощности бывают разные, мгновенная, активная, реактивная, постоянного тока, переменного, комплексная, номинальная и т.д. и т.п. Вы это не запоминайте сейчас. Давайте всё это оставим, а на данном этапе просто запомните, что мощность — это такая величина, которая равна току умноженному на напряжение. Это справедливо для постоянного тока, для переменного — формула немного другая. Но для начала пользуйтесь именно этой простой формулой P = U*I.

Все формулировки, что такое мощность мне не нравятся. Для начала можно запомнить совсем по-детски: чем мощнее лампа, тем она ярче светит. Чем мощнее плита, тем она сильнее или быстрее нагревается. Чем мощнее мотор, тем он сильнее крутит.

В быту, какая мощность у бытовых приборов и инструментов? Вот Вам для начала: электроинструмент типа перфоратор 650-2000 Ватт, циркулярная или цепная электропила 1000-2500 Ватт, Лампочка накаливания 25-150 Ватт, Светодиодная лампа 1-12Вт, электроплита 5500-7000 Ватт, компьютерный блок питания 250-1000 Ватт, холодильник 500 Вт. Эти цифры неточные, просто, чтобы вы могли начать ориентироваться.

Какие расчёты могут понадобится и надо ли их бояться

Если Вы просто чините какой-то обрыв шнура или собираете что-то по инструкции, то никаких расчётов Вам не надо. Учить много формул из учебника по электротехнике тоже не надо. Если понадобится что-то специфическое, тогда и прочитаете.

Когда же Вы придвинетесь в своих знаниях и умениях, тогда Вам на ранних этапах могут пригодиться две три небольшие формулы.

Закон Ома, увязывает между собой Ток, Напряжение и Сопротивление: I=U/R

2. Формула мощности P=I*U для постоянного тока. Пока у Вас нет сложных задач и глубоких знаний, для переменного можете считать по ней же (в реальности для переменного тока формула будет немного другая).

3. Скорее всего не пригодится, но есть такая формула для расчёта сопротивления провода в зависимости от его материала, длины и сечения.

Удельное сопротивление берём из интернета (сверьте несколько источников, они иногда врут), справочников или вот из этой таблицы:

Из первых двух формул можно в различных комбинациях рассчитывать Ток, Напряжение, Мощность и Сопротивление. Чтобы долго не думать, можно воспользоваться готовой табличкой:

Ток переменный и ток постоянный

Ток бывает двух видов. Переменный — это тот который в розетке. Постоянный, это тот который в батарейках, аккумуляторах, блоках питания к сотовому.

Постоянный ток не меняется со временем, у него есть полярность плюс и минус. При подключении как правило полярность надо соблюдать. Иногда встречаются устройства с защитой от неправильного подключения, но часто её нет.

Переменный ток отличается от постоянного тем, что у него меняется напряжение с течением времени. В нашей бытовой сети стран СНГ эта частота составляет как правило 50 Герц (частота измеряется в Герцах). Это означает, что ток меняет своё направление 50 раз за одну секунду. Если нарисовать график, изображающий по горизонтальной оси время, а по вертикальной, напряжение, то для сети 220В получим синусоиду (синусоида эта линия в виде волны).

Вместо плюса и минуса у переменного тока есть «ноль» и «фаза». Ноль это относительно безопасный для нас провод, а вот фаза смертельно опасен. Дело в том, что нулевой провод имеет заряд, приблизительно равный заряду земли на которой мы стоим (как правило заряд земли около электростанции и около нас немного отличается, но на первых порах нам об этом думать рано).

Чтобы человека ударил ток, необходимо, чтобы через него прошёл ток. Как мы уже знаем, чтобы появился электрический ток, необходимо чтобы между двумя точками, появился разный потенциал (разный заряд). Ногами человек стоит на земле, это один заряд, а второй заряд это провод за который он взялся. Если провод оказался нулевым, то ощутимой разности потенциалов не возникнет и ток будет настолько маленьким, что человек его не почувствует.

Другое дело «Фаза». Именно по проводу с фазой передаётся напряжение. Как видим из графика, ток меняет своё направление и значение напряжения 50 раз в секунду. Но если измерить его амплитуду, это расстояние от верхней точки волнистой линии до нижней, то она будет равна 220 Вольт. Это и есть напряжение в сети. Если взяться за такой провод и стоять ногами на земле, то появится разность потенциалов между проводом фазы и землёй, ток потечет через человека и вот это как раз и называется «ударило током». Запомните, провод с фазой смертельно опасен!!!

Мы рассмотрели переменное напряжение 220В в бытовой сети, ещё его называют однофазным. Однофазное потому что одна фаза. В промышленности используют более сложный вариант переменного тока, трёхфазный. Нам это сейчас не нужно, просто можете запомнить, что трёхфазное напряжение это такое напряжение, где волны на графике смещаются равномерно друг друга на одну треть от длительности (периода) полуволны. Такое напряжение нам сейчас не надо.

Полярность в переменном напряжении соблюдать особого смысла нет. Единственное зачем это может понадобиться, это если используется какая-то защита. Например, в щитке стоит УЗО или в приборе стоит предохранитель и надо пустить через него именно фазу. В быту это выключатель. Грамотно подключённый выключатель света, всегда должен разрывать именно фазу, чтобы когда выключатель выключен и Вы меняете лампочку, Вас не ударило током от фазы. Это запомните и применяйте при подключении домашней электропроводки. Фаза всегда через выключатель!

Постоянный и переменный ток

Что нельзя делать при работе с электричеством, ВАЖНО:

Обычно никто не читает, но самое главное при работе с электричеством, это опасность поражения электрическим током. Бояться его не надо, но надо не спешить, быть предельно осторожным, по возможности работать только с отключенными схемами. Для жизни человека наиболее опасно переменное напряжение в сети 220 вольт и выше. Частота тока близка к частоте сокращения сердца и может его остановить. Но постоянное напряжение с большими токами не менее опасно. Действуйте так: если работаете с 220 и выше, то без вариантов, всегда только с выключенным от сети прибором. Если с мелкими слабыми схемками, в которых 3-12В постоянного тока и маленькая мощность (миллиамперы), то можно на включенных схемах производить какие-то замеры мультиметром, током ударить не должно. Но и тут не всё так однозначно. Зависит от того от чего запитана такая схема и от того на чём Вы сидите. В общем технику безопасности никто не отменял и можете изучить её отдельно. Отнеситесь к этому максимально серьёзно. Но в данной статье опишем несколько иное.
Несовершеннолетним детям на мой взгляд нельзя работать с опасным напряжением в сети 220В. Ограничьтесь проектами с маленьким и безопасным напряжением, желательно от батареек, аккумуляторов. Желательно выполнять работы только вместе со взрослыми.
Не включайте мощные электроприборы (Киловатт и более) в удлинитель, который смотан в бухту, намотан на барабан и т.д. Удлинитель в бухте представляет собой катушку индуктивности. Не буду вдаваться в подробности как это сработает, но смысл будет в том, что провода начнут сильно греться, расплавиться изоляция и произойдёт короткое замыкание в удлинителе. Чтобы этого не случилось, просто размотайте катушку и разбросайте провод. Чем больше число витков, тем сильнее эффект катушки.
Допустим Вы решили запаять что-то на включенной схеме, пусть и совсем игрушечной и слаботочной. Не все паяльники имеют хорошую гальваническую развязку. Руками можете и не почувствовать, но через жало паяльника подключенного к сети 220 вполне может пройти какой-то ток. Он соединится с блоком питания, от которого подключена Ваша схемка и Вы получили непредвиденные последствия. Следовательно, перед пайкой схему которую паяете лучше обесточить.
Не все микросхемы выдерживают статическое электричество. Без надобности старайтесь не лапать незнакомые микросхемы, особенно которые связаны с памятью. Перед тем как их лапать, подержитесь за батарею или за другой источник заземления, это позволит снять статический заряд с рук.
Если пылесосите плату компьютера, статический разряд вполне способен вывести что-то из строя. Он возникает от трения пыли и мусора о пластиковую трубу пылесоса. Как минимум старайтесь не касаться ею платы. Я так спалил модем на плате.
Если Вы используете два источника питания от сети 220 не соединяйте их параллельно (плюс к плюсу минус к минусу). В каком то из них внутреннее сопротивление окажется меньше, ток может пойти через его схему. Последствия непредсказуемы. И вообще, подключение одного и того же электронного устройства от разных источников питания не очень желательна. Подробное объяснение почему только запутает начинающего электронщика. Можно почитать отдельно.

7. А ещё нельзя браться за горячий паяльник вот так:

Интересно и познавательно:

Скорость переноса электронов в проводах не так уж и велика. Некоторые люди задаются вопросом, а почему когда мы ночью идём на кухню за колбасой и включаем свет, нам не приходится ждать, пока электроны добегут от выключателя до лампочки? Свет загорается мгновенно. Тот же эффект будет и на более значительных расстояниях. Оказывается, тут срабатывает принцип паровозика. Если тепловоз толкнёт первый вагон, то последний поедет одновременно. Электроны расположены по всей длине проводника и начинают движение синхронно. Как только появляется ток, все электроны стартуют по всей длине проводника.

Что можно изучить дальше, если всё понятно и появилось желание создавать что то своё и развиваться дальше.

Дополнительно к уже изученному, прочитайте, что такое ёмкость. Изучите ёмкость конденсаторов и ёмкость аккумуляторов.
Почитайте про блоки питания, какие они бывают, какие характеристики в них важны.
Изучите в общих чертах, что такое полупроводник, диод, транзистор.
Изучите что такое реле.
Научитесь создавать электронные ключи, например на полевых транзисторах. Это такой аналог реле в котором нет контактов и можно коммутировать большой ток.
Начните изучать микроконтроллер Ардуино (или аналогичный). Микроконтроллер это такая микросхема, которая обладает памятью, в неё можно записывать свою программу. Как правило, эта микросхема припаяна на плату в которой выведены на удобные контакты все нужные ножки. На этой же плате предусмотрен способ питания. С помощью такой платы Вы сможете создавать бесконечное число интересных проектов, начиная от простого детского светофора и заканчивая умным домом и роботами. Ардуино был создан именно для обучения детей, студентов и взрослых, он прост в освоении. Создание первых проектов доступно детям с первого класса. Для Ардуино создана огромнейшая база уроков, обучающих видео, примеры готовых проектов. Очень много обучающей информации на русском языке. Программирование очень простое, его можно освоить с нуля не имея никаких знаний в этой области. Надо просто выполнить несколько базовых уроков, которых очень много в интернете. Начните с урока, где надо научиться мигать светодиодом на плате, так и загуглите «Ардуино, мигаем светодиодом на плате».

От автора: статья была написана максимально детским простым языком, но она большая, а я не профессионал. В ней сделана попытка охватить огромное количество минимальных знаний за один раз. Не удивлюсь, если у Вас сейчас каша в голове. Не переживайте. Какие-то понятия останутся. Отдохните и снова прочитайте её раз или два. Когда что-то не поймёте, можно задать вопрос в поисковике. Пробуйте, учитесь, начинайте с самого малого и безопасного. Самый минимум это научиться измерять напряжение и сопротивление. Применять это знание на практике в поиске обрыва цепи.

Электроника — наука изучающая все аспекты связанные с электричеством. Для многих людей это волшебный мир, скрытый от глаз большинства.

Желаю всем добра и удачи.