Изучайте электронику с нуля

Бесплатные уроки и руководства по цифровой логике, аналоговым схемам и практической электронике. Собирайте реальные схемы в процессе обучения.

Начало работы с Open Circuits

Впервые пробуете симуляцию схем? Вот как начать менее чем за минуту:

Создайте бесплатный аккаунт

Зарегистрируйтесь по электронной почте или через аккаунт Google. Банковская карта не нужна. Ваши схемы автоматически сохраняются в облако.

Откройте редактор схем

Нажмите «Редактор» в панели навигации. Вы увидите пустой холст с палитрой компонентов слева. Компоненты организованы по категориям: логические вентили, ввод/вывод, аналоговые и другие.

Размещайте компоненты и рисуйте провода

Нажмите на компонент в палитре для выбора, затем нажмите на холст для размещения. Нажмите и перетащите между выводами компонентов для рисования проводов. Симуляция запускается автоматически — переключайте тумблеры и наблюдайте за изменением выходов в реальном времени.

Основы цифровой логики

Цифровые схемы работают с двумя уровнями напряжения, представляющими двоичные 1 (HIGH) и 0 (LOW). Комбинируя логические вентили, можно построить схемы, выполняющие любые вычисления, доступные компьютеру.

Логические вентили: строительные блоки

Каждая цифровая схема строится из небольшого набора базовых вентилей. Вентиль AND выдаёт HIGH только когда все входы HIGH. Вентиль OR выдаёт HIGH когда хотя бы один вход HIGH. Вентиль NOT (инвертор) инвертирует сигнал: HIGH становится LOW и наоборот.

Из этих трёх базовых вентилей можно получить все остальные: NAND (NOT + AND), NOR (NOT + OR), XOR (исключающее OR — HIGH когда входы различаются) и XNOR (исключающее NOR — HIGH когда входы совпадают). Примечательно, что одних лишь вентилей NAND достаточно для построения любой цифровой схемы, поэтому их называют «универсальными вентилями».

Комбинационные схемы

Комбинационные схемы формируют выходы, зависящие только от текущих входов (без памяти). Типичные примеры:

• Полусумматор — складывает два одноразрядных числа, формируя сумму и перенос. Построен на вентилях XOR и AND.
• Полный сумматор — складывает три бита (два входа плюс входной перенос). Соединив несколько полных сумматоров, можно построить сумматор с последовательным переносом для многоразрядного сложения.
• Мультиплексор (MUX) — выбирает один из нескольких входов на основе линий выбора. Мультиплексор 4-в-1 использует 2 бита выбора для выбора среди 4 входов данных.
• Дешифратор — преобразует двоичный код в один из множества выходов. Дешифратор 3-в-8 активирует ровно одну из 8 выходных линий по 3-битному входу.

Последовательностные схемы и память

Последовательностные схемы обладают памятью — их выходы зависят как от текущих входов, так и от предыдущих состояний. Базовый строительный блок — триггер:

• SR-триггер — простейший элемент памяти. Set (S) записывает 1, Reset (R) записывает 0.
• D-триггер — захватывает значение входа (D) по фронту тактового сигнала. Используется в регистрах и счётчиках.
• JK-триггер — универсальный триггер, который может устанавливать, сбрасывать, переключать или сохранять своё состояние.
• T-триггер — переключает выход при каждом тактовом импульсе когда T=1. Используется для построения двоичных счётчиков.

Соединяя триггеры вместе, можно построить счётчики, сдвиговые регистры и конечные автоматы — основу всех компьютерных процессоров.

Основы аналоговых схем

Аналоговые схемы работают с непрерывными значениями напряжения и тока. Понимание аналоговой электроники необходимо для проектирования источников питания, обработки сигналов, интерфейсов датчиков и аудиосистем.

Закон Ома и резистивные схемы

Закон Ома (V = I × R) — это основа всего анализа схем. Напряжение (V) равно произведению тока (I) на сопротивление (R). В Open Circuits можно разместить резистор между источником напряжения и землёй, а затем с помощью пробников напряжения/тока непосредственно проверить закон Ома.

Закон Кирхгофа для напряжений (ЗКН) гласит, что сумма всех напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Закон Кирхгофа для токов (ЗКТ) гласит, что сумма токов, входящих в узел, равна сумме выходящих. Эти законы лежат в основе алгоритма модифицированного узлового анализа (MNA), на котором работает аналоговый симулятор Open Circuits.

Делители напряжения

Делитель напряжения использует два последовательно соединённых резистора для получения выходного напряжения, составляющего долю от входного. Выходное напряжение: Vout = Vin × R2 / (R1 + R2). Делители напряжения используются повсюду: задание опорных напряжений, считывание датчиков, смещение транзисторных схем и формирование диапазонов входа АЦП.

Диоды и LED

Диод пропускает ток только в одном направлении. Для проводимости требуется минимальное прямое напряжение (около 0,7 В для кремниевых, 1,8–3,3 В для LED). LED (светоизлучающие диоды) — это диоды, которые излучают свет при прямом смещении. Всегда используйте токоограничивающий резистор с LED для предотвращения перегорания.

В Open Circuits LED визуально загораются при протекании достаточного тока, что позволяет легко видеть, какие части схемы активны.

Транзисторы как ключи

Биполярный транзистор (BJT) может работать как электронный ключ. NPN-транзистор включается, когда небольшой ток поступает в его базу, позволяя большему току протекать от коллектора к эмиттеру. PNP-транзистор работает наоборот — он включается, когда база оказывается под низким потенциалом относительно эмиттера.

Транзисторные ключи используются для управления LED, двигателями, реле и другими нагрузками от маломощных логических сигналов. Open Circuits симулирует как NPN, так и PNP транзисторы с реалистичным коэффициентом усиления (бета) и поведением в режиме насыщения.

Операционные усилители

Op-amp — это дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления. В Open Circuits можно собрать классические схемы на op-amp:

• Инвертирующий усилитель — усиление = -Rf/Rin
• Неинвертирующий усилитель — усиление = 1 + Rf/Rin
• Повторитель напряжения (буфер) — единичное усиление, высокое входное сопротивление
• Суммирующий усилитель — складывает несколько входных напряжений
• Компаратор — выдаёт HIGH или LOW в зависимости от того, какой вход больше

Советы по сборке схем

• Всегда подключайте землю. Каждая аналоговая схема нуждается в опорной точке земли. Без неё симулятор не может определить абсолютные уровни напряжения.
• Используйте цветовую маркировку проводов. Open Circuits поддерживает провода разных цветов. Используйте красный для питания, чёрный для земли и другие цвета для сигналов, чтобы схемы были читаемыми.
• Следите за анимацией тока. Анимированные точки на проводах показывают направление и величину тока. Если точки не двигаются — проверьте соединения.
• Сохраняйте версии. Перед внесением крупных изменений сохраните версию. Вы всегда сможете вернуться к предыдущей версии, если что-то сломается.
• Копируйте из библиотеки. Не начинайте с нуля — просмотрите библиотеку схем для поиска справочных проектов и скопируйте их в своё рабочее пространство.

Соберите свою первую схему

Примените полученные знания. Откройте редактор и начните экспериментировать.