Что такое электрический ток?

Вся окружающая нас материя не является сплошной средой, она состоит из очень маленьких частиц – молекул. Молекулы настолько малы, что в одном миллилитре воды содержится 33456000000000000000000000 молекул.

Но молекула не является самой маленькой частицей. Молекула состоит из атомов – мельчайших частиц химического элемента. Например, в молекулу воды входит один атом кислорода и два атома водорода. Это видно из химической формулы воды – H2O (Рис 1).

Всего известно чуть больше сотни разных видов атомов, некоторые из них неустойчивы и в природе не встречаются. Их получают искусственным путём.

Но атом не является мельчайшей частицей материи. Он состоит из ещё более мелких частиц – протонов, нейтронов и электронов. Протоны обладают единичным положительным электрическим зарядом, электроны – единичным отрицательным. У нейтронов нет заряда.

Несколько протонов и несколько нейтронов образуют ядро атома. Вокруг ядра по определённым орбитам вращаются электроны. Когда число протонов и число электронов в атоме равны, атом остаётся электрически нейтральным т.е. не имеет заряда. Если же число электронов будет больше числа протонов, то атом станет заряженным отрицательно. Если, наоборот, электронов будет меньше протонов, атом приобретёт положительный заряд. Заряд атома равен сумме зарядов протонов и зарядов электронов. На рисунке 2 атом нейтрален так как сумма зарядов равна нулю (3+3*(-1)=0).

На рисунке 3 атом имеет заряд -1 т.к. 3+3*(-1)=-1

а на рисунке 4 заряд атома составляет +1, потому что 3+2*(-1)=+1.

Некоторые вещества состоят не из молекул, а прямо из атомов, как, например, металлы. В металлах ядра атомов находятся в узлах кристаллической решётки и не могут перемещаться. Они могут лишь совершать небольшие колебания. Между узлами находятся электроны, которые у металлов слабо связаны с ядром и поэтому могут свободно перемещаться от одного атома к другому.

Если на одном конце металлической проволоки создать положительный заряд, а на другом – отрицательный, то, как известно из физики, электроны будут притягиваться к положительному заряду, а протоны к отрицательному. Протоны не могут двигаться, а электроны будут свободно перемещаться в сторону положительного заряда (Рис. 5). Такое упорядоченное движение электронов называется электрическим током.

Активные приёмники

Каждый передатчик имеет свою собственную частоту, на которой он выходит в эфир (рис. 1). Однако, кроме основной частоты, передатчик излучает множество частот, которые могут быть больше или меньше основной частоты (рис. 2). Эти частоты называют боковыми полосами. По международному соглашению размер боковой полосы составляет 4,5 кГц. Таким образом диапазон излучаемых передатчиком частот представляет собой полосу в 9 кГц. Например, если частота передатчика равна 500 кГц, то он излучает волны с частотами от 495,5 до 504,5 кГц.

Рис. 1

Рис. 2

Боковые полосы двух передатчиков не должны перекрываться, так как это приведёт к тому, что при прослушивании одной радиостанции будет слышна другая.  Поэтому частоты передатчиков должны отличаться как минимум на 9 кГц (Рис. 3).

Диапазон длинных волн составляет от 150 кГц до 408 КГц. Значит, в этом диапазоне можно разместить 28 передатчиков (ширина диапазона: 408-150=258кГц. Количество передатчиков 258:9=28).

На средних волнах (от 525 до 1605 кГц) можно разместить 120 передатчиков.

Рис. 3

Как мы уже выяснили колебательный контур усиливает колебания, частота которых равна собственной частоте колебательного контура или очень близка к ней. Для того, чтобы сохранить качество передаваемых радиостанцией сигналов, необходимо, чтобы колебательный контур пропускал все частоты одной радиостанции, но не пропускал частоты соседней радиостанции. Поэтому идеальной характеристикой контура является прямоугольник (рис.4), но реально она отличается от прямоугольника (рис. 5).

Рис. 4

Рис. 5

Если потери в колебательном контуре малы, то его характеристика представляет собой острый пик (рис. 6), поэтому такой контур не пропускает все частоты радиостанции. Если, наоборот, потери велики, например, когда параллельно колебательному контуру включено активное сопротивление (резистор) (рис. 7), характеристика контура становится более тупой, поэтому контур пропускает не только частоты одной радиостанции но и частоты соседних радиостанций.

Рис. 6

Рис. 7

Первый приёмник, который мы рассматривали был детекторным. Он состоял только из колебательного контура, детектора и наушника (рис. 8 и 9). Такому приёмнику не нужно источника питания, так как он использует энергию электромагнитных волн. Детекторный приёмник может воспроизводить только близкорасположенные радиостанции или радиостанции с мощным передатчиком, так как диодный детектор не может продетектировать очень слабый сигнал. Громкость звука в этот приёмнике очень низкая.

Рис. 8

Рис. 9

Чтобы «ловить» более слабые радиостанции или, чтобы громкость звука была больше, необходимо усилить сигнал, выделенный колебательным контуром. Усилитель представляет собой транзисторный каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером. Если включить колебательный контур так, как изображено на рисунке 10, то он будет сильно шунтироваться входным сопротивлением транзистора, поэтому характеристика контура будет слишком пологая, а, значит, приёмник будет принимать одновременно несколько станций.

Рис. 10

Чтобы избежать чрезмерного шунтирования колебательного контура, можно включить колебательный контур в усилитель не полностью. Для этого в катушке колебательного контура делается дополнительный отвод, который подключается к входу усилителя (рис. 11).

Рис. 11

Также можно использовать трансформатор, первичной обмоткой которого является катушка колебательного контура. Во вторичной обмотке должно быть в несколько раз меньше витков, чем в катушке колебательного контура. В этом случае к усилителю подключается вторичная обмотка (рис. 12).

Рис. 12

Изображённая на рисунке 13 схема, позволяет усилить колебания высокой частоты и продетектировать усиленный сигнал за счёт так называемого «коллекторного детектирования». Транзистор работает в режиме В, поэтому резистор смещения в цепи базы имеет очень высокое сопротивление, следовательно смещение, подаваемое на базу очень низкое.

Рис. 13

Транзистор усиливает только положительные полупериоды  подаваемого на базу с колебательного контура сигнала. Однонаправленные импульсы высокой частоты сглаживаются конденсатором, стоящим в цепи коллектора, и полученный сигнал низкой частоты подаётся на наушник (рис. 14).

Рис. 14

Такой приёмник имеет большую по сравнением с детекторным приёмником чувствительность, поэтому может принимать больше радиостанций.

Звучание такого приёмника намного громче, чем детекторного.

Так как контур включён через трансформатор, приёмник имеет большую избирательность, чем детекторный.

Отсутствие специального детектора упрощает схему.

МЕТОД ФОКАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

2018 год.

Метод фокальных объектов – это метод поиска новых идей и вариантов с помощью присоединения к исходному объекту свойств или признаков случайных объектов. Данный метод применяется при поиске новых модификаций известных устройств и способов, а также для тренировки воображения.

Метод фокальных объектов предполагает прохождение пяти шагов:

1.  Выбрать объект, который нужно усовершенствовать.

2.  Выбрать три случайных объекта.

3.  Записать свойства случайных объектов

4.  Каждое записанное свойство применить к усовершенствуемому объекту.

5.  На основе новых свойств придумать новые идеи для усовершенствования.

Рассмотрим пример.

Выберем объект, который нужно усовершенствовать. Пускай это будут ЧАСЫ.

Выберем три случайных объекта, например, ДЫМ, ОБОИ, ЖИДКОСТЬ.

Запишем свойства этих объектов:

Теперь применим эти свойства к усовершенствуемому объекту, т.е. к часам:

•    Часы вонючие.

•     Часы густые.

•     Часы едкие.

•     Часы ядовитые.

•     Часы бумажные.

•     Часы моющиеся.

•     Часы самоклеящиеся.

•     Часы шумопоглощающие.

•     Часы вязкие.

•     Часы прозрачные.

•     Часы горючие.

На основе этих новых свойств придумаем новые идеи для усовершенствования часов. В результате получаем следующие идеи:

•    Часы, выделяющие различные запахи в зависимости от времени суток, в том числе едкий запах, если возникает какая-либо опасность.

•    Часы ядовиты для вредителей и тараканов.

•    Материал часов состоит из густой жидкости, благодаря чему часы могут менять форму.

•    Часы легко мыть, они водонепроницаемые.

•    Часы с липким покрытием, благодаря чему они легко крепятся в любом месте.

•    В часы встроен микрофон, усилитель и динамик, который издает звук в противофазе по отношению к имеющимся в комнате звуковым волнам, благодаря чему часы подавляют шум.

•    Корпус часов прозрачный.

•    Часы выделяют жидкость, которая воспламеняется и горит холодным пламенем, поэтому часы видны в темноте.

Найдя идеи для усовершенствования, можно приступать к проектированию и созданию новых часов с необычными свойствами и функциями.

Разработка устройств на PIC-контроллерах с помощью приемов ТРИЗ

Авторы: Ермолов К. А.,

Манойлов В. В.

2018 год.

В последние десятилетия микроконтроллеры приобрели огромную популярность. Это связано с тем, что микроконтроллер является упрощенным процессором, а значит, обладает многими его возможностями. Также, в отличие от обычных процессоров, микроконтроллер не требует наличия внешней оперативной памяти, так как такая память уже встроена в микроконтроллер, и управляющая программа загружается прямо в микроконтроллер, что избавляет от необходимости использования внешних элементов. Кроме того, микроконтроллеры значительно дешевле микропроцессоров и более просты в программировании.

Рассмотрим несколько трудностей, с которыми можно столкнуться при разработке некоторых устройств с использованием многоразрядных 7-мисегментных дисплеев с общим катодом, и как эти трудности можно разрешить с помощью приемов ТРИЗ.

Чтобы вывести цифру на одноразрядный 7-сегментный дисплей с общим катодом, достаточно подать единичные уровни (+5 В) на соответствующие выводы микроконтроллера, подсоединенные к каждому из 7 сегментов (рис. 1).

При этом общий катод дисплея подключен к земле.

Если мы хотим вывести двузначное число, то необходимо использовать еще один одноразрядный 7-сегментрый дисплей. Однако, чтобы управлять двумя дисплеями, потребуется 14 выводов микроконтроллера. Однако, у микроконтроллера PIC16F84A есть только 13 выводов (8 выводов порта B и 5 выводов порта A), значит, чтобы подключить два дисплея, нужно использовать два микроконтроллера, а это увеличивает стоимость, да и программа для микроконтроллеров усложнится, так как они должны взаимодействовать друг с другом.

Противоречие следующее:

ТП1: Если дисплей станет двойным, то информации он сможет отобразить больше, но при этом схема становится более сложной и дорогой.

ТП2: Если дисплей будет один, то схема упростится и станет более дешевой, но такой дисплей станет отображать меньше информации.

Какие приемы разрешения ТП мы можем использовать? Следует учесть, что оба дисплея выполняют одну и ту же функцию. Самым подходящим оказывается прием «Объединения»: «Соединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты».

В согласии с этим приемом можно соединить аноды дисплеев параллельно, но возникает новая проблема: оба дисплея будут показывать одну и ту же цифру. Возникает новое ТП:

ТП1: Если дисплеи соединить параллельно, то устройство будет простым и дешевым, но цифры на обоих дисплеях будут одинаковыми.

ТП2: Если дисплеи не соединять параллельно, то они будут показывать правильное число, но устройство станет более сложным и дорогим.

Для разрешения данного противоречия можно использовать программу TRIZ Calculator и выбрать раздел «Приемы разрешения ТП». В списке «что нужно изменить по условиям задачи» выбирать «Удобство изготовления», а в списке «что ухудшается при изменении» - «Потери информации». Программа предлагает следующие приемы: «Изменение окраски», «принцип посредника», «использование механических колебаний» и «принцип частичного или избыточного решения».

Изменение окраски: поскольку у дисплея только два варианта окраски – включенный и выключенный сегмент, то нужно сделать так, чтоб в определенные моменты времени неправильная цифра на дисплее была не видна т.е. чтобы он в это время был выключен.

Принцип посредника: чтобы включить и выключить один из дисплеев, нужно подключать его не прямо к «земле», а к «посреднику», т.е. к устройству, которое будет управлять включением и выключением соответствующего разряда. Таким посредником может выступать сам микроконтроллер.

Использование механических колебаний: в нашем случае - это электрические колебания. Вместо того, чтобы постоянно подавать на дисплей определенную комбинацию сигналов, нужно это делать импульсно. Нужно подать на параллельно подключенные аноды сигналы, соответствующие первой цифре, но низкий уровень подать только на катод первого дисплея. В результате нужная цифра будет гореть только на одном дисплее. Другой разряд будет выключен. Затем необходимо выключить первый дисплей и включить второй (т.е. подать низкий уровень только на катод второго дисплея). При этом на аноды необходимо подать сигналы соответствующие второй цифре. Затем снова переключиться на первый дисплей, потом на второй и т.д. Такое переключение должно происходить очень быстро – несколько десятков раз в секунду, тогда человеку будет казаться, что работают оба дисплея одновременно, хотя на самом деле нужные цифры выводятся на дисплеи по очереди.

Принцип частичного или избыточного решения: частичность заключается в том, что каждый разряд светится только половину времени, а значит, средняя яркость дисплея уменьшится в два раза.

В итоге получается следующая схема (рис. 2):

Рис. 2

Как видно, все аноды обоих дисплеев соединены параллельно. Катоды этих дисплеев подключены через транзисторы VT1 и VT2 к микроконтроллеру, который управляет их включением и выключением. Транзисторы нужны для того, чтобы усилить ток, выдаваемый ножкой контроллера. Этот ток не должен превышать 20 мА, тогда как через катод дисплея может течь ток до 140 мА.

А если нам понадобится отобразить 3-, 4-, 5-тиразрядные числа или даже числа с большим количеством разрядов? Сразу возникает следующая идея - необходимо взять столько дисплеев, сколько разрядов в числе, соединить их аноды параллельно, а катод каждого дисплея соединить через транзистор с соответствующей ножкой микроконтроллера. В этом случае цифры будут также отображаться по очереди с большой скоростью переключения. Кроме того производители дисплеев упростили нам задачу, объединив несколько одноразрядных дисплеев в один корпус и соединив аноды уже внутри корпуса. Для 4-хразрядного 7-сегментного дисплея схема подключения к микроконтроллеру будет выглядеть следующим образом (рис. 3):

Иногда нужны дисплеи с большим количеством разрядов. Предположим, что для какого-то устройства нам понадобится 8-миразрядный дисплей. Для подключения такого дисплея необходимо 15 выводов микроконтроллера (7 выводов для анодов-сегментов + 8 выводов для катодов).

Причина этого в том, что микроконтроллер выводит слишком много информации. Если посчитать, сколько нужно двоичной информации, чтобы отобразить цифры от 0 до 9 и вывести их на разряд с номером от 0 до 7, то оказывается, что необходимо 4 бита для цифры и 3 бита для номера разряда, итого 7 бит. т.е. нам хватит всего семи выводов микроконтроллера, но нам требуется целых 15! Контроллер выдает столько информации, потому что он преобразует ее в формат, понятный человеку. Вместо 4 бит для вывода цифры, он использует 7, так как в дисплее семь сегментов, и вместо 3 бит номера разряда, контроллеру пришлось бы использовать 8, так как дисплей 8-миразрядный. Сформулируем ТП, ФП и ИКР.

ТП1: Если микроконтроллер будет преобразовывать информацию, то она будет понятна для человека, но при этом неэкономно будут расходоваться ресурсы контроллера.

ТП2: Если микроконтроллер не будет преобразовывать информацию, то его ресурсы будут расходоваться экономно, но информация будет не понятна человеку.

ФП: Микроконтроллер должен преобразовывать информацию, чтобы она была понятна человеку, но он не должен преобразовывать информацию, чтобы экономно расходовать свои ресурсы.

ИКР: Х-элемент сам преобразовывает информацию в формат, понятный человеку, освобождая тем самым ресурсы микроконтроллера.

Для разрешения данного ФП воспользуемся следующим приемом - разделение противоречивых свойств в пространстве. Микроконтроллер будет выводить информацию, но преобразовываться она будет в другом месте Х-элементом. Таким Х-элементом могут быть декодеры – специальные микросхемы, преобразующие двоичный код. Один из таких декодеров - микросхема SN74LS248. Она преобразует 4-битное двоичное число в формат 7-сегментного дисплея. Другой декодер – микросхема SN74HC138. Это декодер 3х8. Он преобразует 3-битное двоичное число, и подает на соответствующую ножку микросхемы низкий уровень. В результате, заняв всего 7 выводов микроконтроллера PIC16F84A, мы можем получать информацию на 8-миразрядный 7-мисегментный дисплей (рис. 4). При этом целых 6 выводов микроконтроллера остались незадействованными. Их мы можем использовать для ввода-вывода информации, например для подключения кнопок управления.

Как видно, выходы декодера SN74HC138 подключены к транзисторам, включенным по схеме эмиттерного повторителя. Они служат для усиления сигнала низкого уровня идущего на общие катоды дисплея.

Рис. 4.

Проблема управления многоразрядным 7-мисегментным дисплеем – это лишь одна из множества трудностей, с которыми сталкиваются учащиеся, при разработке устройств на микроконтроллерах. Однако с помощью приемов ТРИЗ все эти трудности легко решаются. 

Частота/длина волны