Электроника и схемотехника

Третье направление без контроллера — «Электроника и схемотехника». Если в схемах 12 В речь про проводку, а в схемах 230 В про щиток, то здесь речь про сами детали: резисторы, конденсаторы, катушки, диоды, транзисторы. Про то, из чего собрано всё остальное.

Прошивки здесь нет, кода нет. Схема собирается из деталей и проводов и считается сама, а результат виден тремя способами: числами в «Показаниях», цветом и стрелками прямо на схеме и кривой на осциллографе.

Чем это отличается от двух других направлений

Тем, что здесь есть время.

Направления 12 В и 230 В считают установившийся режим: сколько течёт, когда всё уже устоялось. Для проводки это ровно тот вопрос, который задают, и ответ на него не зависит от того, что было секунду назад.

Для электроники этот вопрос не тот. Конденсатор, заряжающийся через резистор, установившегося режима не имеет вовсе — он весь состоит из перехода, и весь смысл в кривой заряда. Диод на переменном токе открыт треть периода и заперт остальное время, и вся картинка на осциллографе состоит именно из этого чередования.

Поэтому у направления свой решатель. Он шагает по времени: двадцать микросекунд за шаг, около пятидесяти тысяч шагов на секунду модельного времени, и на каждом шаге решается своя система уравнений. Заряд конденсатора и ток в катушке переходят из шага в шаг — они и есть память схемы.

Что модель считает

Реактивные детали заменяются схемой замещения на каждом шаге, метод трапеций. Отсюда берутся экспонента заряда, форма выпрямленного напряжения, пульсации после фильтра и звон колебательного контура.

Диоды описаны формулой Шокли I = I₀·(e^(U/nφ_T) − 1), одной на всю ось напряжений. Поэтому «падение 0,7 В» здесь не константа, а точка на кривой: при токе в десять раз больше падение вырастает на шестьдесят милливольт, а германиевый диод даёт три десятых вольта вместо семи. Стабилитрон — тот же диод со второй экспонентой в обратной ветви.

Биполярные транзисторы — модель Эберса-Молла с поправкой Эрли. Отсечка, активный режим и насыщение получаются сами: коллекторный переход открывается, когда коллектору перестаёт хватать напряжения, и это и есть насыщение. Ток коллектора равен h21э на ток базы, напряжение база-эмиттер растёт на шестьдесят милливольт на декаду тока.

Полевые транзисторы — квадратичная модель с модуляцией длины канала. Ниже порога канала нет вовсе, выше идёт линейный участок, где транзистор работает управляемым резистором, потом насыщение.

Вывод ESP32 — тоже деталь. У выхода есть выходное сопротивление около сорока ом и предел в сорок миллиампер; вход высокоомный и показывает код АЦП — то самое число, которое вернёт analogRead.

Чего модель не считает

Нагрев деталей и его влияние на параметры. Ёмкости переходов и всё, что происходит выше единиц мегагерц. Шумы. Разброс параметров между экземплярами — а он в жизни велик: h21э у транзисторов одной партии отличается втрое, и именно поэтому ключевые схемы рассчитывают с запасом.

Разрушение деталей

Деталь можно сжечь, и считается это не порогом, а интегралом: во сколько раз превысил, помноженное на то, сколько так продержался. Резистор в четверть ватта под ваттом живёт секунды и всё это время желтеет и краснеет; светодиод под двойным током умирает за сотые доли. Короткий бросок при включении не сжигает ничего.

Последствия разные и не случайные. Резистор обрывается: плёнка перегорела, цепь разомкнулась. Полупроводник замыкается: переход пробит и спёкся, на его месте перемычка — поэтому сгоревший светодиод тянет через себя весь ток источника, а за ним обычно уходит и то, что стояло рядом.

По умолчанию последствия выключены. В обучающей схеме мгновенная гибель детали отнимает и схему, и понимание того, что именно человек сделал: вместо этого разбор говорит «в жизни она бы уже сгорела, вот во сколько раз перегружена». Настоящие последствия включаются отдельно, починка — одной кнопкой.

Осциллограф

Пишет всегда, а не по кнопке: интересное иначе неизменно оказывается за секунду до нажатия.

Щуп ставится на схему как обычная деталь и меряет разность между своими выводами — то же, что настоящий щуп, а не потенциал относительно земли. Двух щупов хватает, чтобы сравнить вход с выходом.

Прибор сам подписывает размах, среднее, действующее значение и частоту. Частота на постоянном сигнале равна нулю, а не выдумывается. Отдельно считается постоянная времени: по моменту, когда сигнал прошёл 63,2 % пути к установившемуся значению — то же измерение, что снимают с экрана настоящего прибора.

Режим XY строит вольт-амперную характеристику: по горизонтали напряжение на детали, по вертикали напряжение на токовом резисторе. У резистора выходит прямая, у лампы изогнутая, у диода — колено.

Время

Здесь оно умеет замедляться до тысячи раз, и это не прихоть. Заряд конденсатора идёт сотни микросекунд, фронт выпрямителя — единицы: на настоящей скорости видна установившаяся картинка, а не переход, ради которого всё и затевалось. Ускорения в этом направлении нет — разряжать аккумулятор часами тут нечему.

Галерея

Пятьдесят семь примеров шестью группами, от закона Ома до усилителя. В описании каждого стоит формула, по которой ответ считают на бумаге, а шаги почти всегда начинаются со слов «посчитайте, потом запустите». Симулятор, который показывает правильное число, но не говорит откуда оно, учит доверять программе; задача обратная.

Отдельная группа — «Почини схему». Там схема дана сразу и она сломана: светодиод без гасящего резистора, электролит наоборот, ключ без базового резистора, амперметр параллельно нагрузке. Симптом описан словами, причина не названа. Разбор подсказывает, но не чинит — последний шаг всегда за человеком.

Ещё одна группа — мост к контроллеру: делитель для входа АЦП, датчик освещённости, кнопка с подтягивающим резистором, светодиод и мотор от вывода. Ради неё раздел и стоит в одном продукте с эмулятором: линию от закона Ома до строчки analogRead можно пройти, не меняя инструмента.