Схемы 12 В: постоянный ток

Кроме проектов с платой ESP32, в ESPLab есть схемы, в которых контроллера нет вовсе. Направление «12 В» — про постоянный ток: лампы, светодиоды, реле, предохранители, кнопки и всё то, из чего собрана проводка автомобиля и первые школьные опыты с электричеством.

Прошивки здесь нет, кода нет, собирать нечего. Есть схема, кнопка «Запустить» и расчёт: сколько тока идёт через каждую деталь, сколько вольт на ней падает, горит ли лампа и почему вполнакала.

Как это устроено внутри

Схема превращается в систему линейных уравнений — метод узловых потенциалов, тот же, что в любом учебнике по ТОЭ. Резисторы вносят проводимости, источники дают по одному лишнему уравнению, диоды подбираются перебором состояний. Система решается двадцать раз в секунду, поэтому щелчок по выключателю виден сразу.

Из этого следует главное: числа на экране — те же, что получаются на бумаге. Лампа 12 В мощностью 6 Вт имеет сопротивление 24 Ом и берёт 0,5 А; две такие лампы последовательно получают по 6 В каждая и светят вчетверо слабее. Модель не «показывает, что лампа горит» — она считает, насколько.

Детали направления

Источники. Блок питания 12 В — идеальный, с настраиваемым ограничением по току. Аккумулятор 12 В — с внутренним сопротивлением 6 мОм: именно оно даёт просадку напряжения под нагрузкой и ограничивает ток короткого замыкания сотнями ампер, а не бесконечностью.

Нагрузка. Лампа, светодиод, мотор, звонок. У лампы и мотора задаётся паспортная мощность при паспортном напряжении, из них считается сопротивление. У светодиода — цвет (от него зависит прямое падение) и допустимый ток.

Управление. Тумблер, кнопка, реле. Кнопка замкнута, пока нажата; тумблер и рычаг реле щёлкаются мышью прямо на схеме. У реле есть катушка и группа контактов — нормально разомкнутый, нормально замкнутый и общий.

Защита. Предохранитель с номиналом. Перегорает не мгновенно: при превышении номинала он греется, и время до перегорания зависит от кратности. Втрое больше номинала — рвётся сразу.

Измерение. Амперметр включается в разрыв цепи, вольтметр — параллельно детали. Перепутать их — классическая ошибка, и модель назовёт её тем, чем она является: коротким замыканием.

Соединения. Колодка на пять клемм — ею собирают массу кузова или общий плюс.

Что схема подскажет сама

После каждого расчёта работает разбор. Он делит замечания на три вида.

Ошибка — так собранное не заработает или опасно. Короткое замыкание (с указанием пути, по которому идёт ток, и его сопротивления), светодиод без токоограничивающего резистора (с расчётом нужного номинала), напряжение выше номинала детали, перегоревший предохранитель с причиной.

Предупреждение — заработает, но не так, как задумано. Лампа вполнакала с объяснением про последовательное и параллельное соединение, ток близкий к номиналу предохранителя, реле, которому не хватает тока на катушке, неподключённые выводы.

Подсказка — всё правильно, просто ничего не происходит: перечислено, какой именно выключатель разомкнут и что щёлкнуть.

Чего модель не считает

Нагрев проводов и спиралей ламп: сопротивление холодной лампы накаливания в разы меньше горячей, и пусковой ток в модель не входит. Индуктивность катушек реле и обратный выброс при размыкании — там, где без гасящего диода схема выходит из строя, об этом сказано словами в разборе примера, а не показано числом.

Всё это ограничения намеренные: модель считает то, что можно посчитать точно, и честно говорит, где заканчивается её область.