Электронные схемы: Блоки питания, преобразователи напряжения, инверторы и зарядные устройства

Электрические схемы принципиальные | Полезные схемы | Микросхема

Электрические схемы

Раздел по традиции посвящён всем тем принципиальным электрическим схемам и конструкциям устройств, которые не подходят по назначению ни в один другой. Думаю, он будет самый объёмный. Радиолюбительское творчество и конструирование не ограничивается только связью, усилителями, охранными устройствами. В нём есть место различным полезным и интересным приборам, аппаратам и их электрическим схемам, которые можно перечислять до бесконечности. Назовём лишь некоторые для осведомления и введения в раздел полезных принципиальных схем.

Взять, хотя бы, те же блоки питания (основные источники тока и напряжения) и стабилизаторы напряжения (вспомогательные устройства). Без них вообще немыслимы радиолюбительство, радиотехника. Почему? Всё просто. Любые электрические схемы требуют подпитки, т.к. подчиняются фундаментальным физическим законам сохранения, поэтому наличие этих приборов является неотъемлемым компонентом радиолюбительского конструирования. Мы ведь кушаем, вот и все электрические схемы хотят “кушать”!

Конструкций источников питания тоже существует великое множество. Здесь есть из чего выбрать. У нас приведено несколько принципиальных схем с разными значениями выходного напряжения и силы тока. Преобразователь напряжения тоже полезное устройство. Широко применяется в системах автономного питания или в ИБП. Например, если у Вас есть ПК, то, возможно, есть и источник бесперебойного питания. Вот в нём и стоит преобразователь напряжения с 12…14 В до 220 В. Правда, его электрическая схема будет посложнее, чем представленные на сайте. Современные стационарные системы охраны все оснащены преобразователями. Применение таким устройствам можно найти самое разное. Как говорится, “голь на выдумки хитра”. Так что несколькими схемами преобразователей напряжения мы Вас порадуем.

Что есть электрическая схема?

Что касается такого понятия как электрическая схема, всем, думаем, известно, что это графическое изображение (чертеж) в виде общепринятых условных обозначений входящих в неё электронных компонентов, действующих при помощи электрической энергии, и их взаимосвязи. Электрические схемы входят в комплект конструкторской документации и регламентируются стандартами ЕСКД. Правила выполнения всех типов электрических схем установлены ГОСТ 2.702-75, при выполнении принципиальных схем цифровой вычислительной техники руководствуются ГОСТ 2.708-81. В зарубежных странах на принципиальные электрические схемы приняты стандарты IEC, DIN и ANSI и другие национальные стандарты, но на практике у производителей очень часто используются корпоративные стандарты, однако этот чертёж не учитывает габаритных размеров и расположения деталей устройства.

В настоящее время ведущей отраслью радиотехники и электроники стала микроэлектроника. В связи с этим популярными стали чертежи, показывающие расположение компонентов изображённого объекта, а именно, микрокристалла интегральных микросхем. Это так называемые топологические электрические схемы.

Для начала, пожалуй, хватит. Да и не перечислить всего. Напомню, что если у Вас есть электрическая схема какого-то интересного устройства, регистрируйтесь и публикуйте. Раздел будет развиваться с Вашей помощью, уважаемые радиолюбители. Если хотите посоветоваться, задать вопрос по той или иной конструкции, обсудить или поделиться опытом, пишите в комментариях. Всем радиолюбителям будет интересно узнать что-то новое, поучиться на радиотехническом опыте. Учиться никогда не поздно!

---

Ниже приведены ссылки на различные радиолюбительские электрические схемы устройств. В массе своей они содержат полное описание схемы, входящих радиодеталей, различных настроек и замеров основных параметров (например, силы тока и напряжения) на разных участках цепи и между элементами. Для некоторых представлено только краткое описание, содержащее ссылку на скачивание всего документа в одном архиве, где, в свою очередь, содержится уже полное описание конструкции, печатной платы и электрической схемы. Архивы имеют расширение *.rar и доступны для скачивания.

Примечание: эта мера введена из-за того, что многие запакованные материалы являются целыми пособиями. Подразумевается, что Вам будет удобнее скачать на жесткий диск и просматривать уже локально, нежели листать страницу за страницей онлайн.

---

Электронная схема — это… Что такое Электронная схема?

Электронная схема — это сочетание отдельных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды и транзисторы, соединённых между собой. Различные комбинации компонентов позволяют выполнять множество как простых, так и сложных операций, таких как усиление сигналов, обработка и передача информации и т. д.

[1] Электронные схемы строятся на базе дискретных компонентов, а также интегральных схем, которые могут объединять множество различных компонентов на одном полупроводниковом кристалле. Соединения между элементами могут осуществляться посредством проводов, однако в настоящее время чаще применяются печатные платы, когда на изолирующей основе различными методами (например, фотолитографией) создаются проводящие дорожки и контактные площадки, к которым припаиваются компоненты^[2].

Для разработки и тестирования электронных схем применяются макетные платы, позволяющие при необходимости быстро вносить изменения в электронную схему.

Обычно, при рассмотрении, электронные схемы классифицируются на аналоговые, цифровые, а также гибридные (смешанные).

Аналоговые схемы

Основная статья: Аналоговая электроника

В аналоговых электронных схемах напряжение и ток могут изменяться непрерывно во времени, отражая какую-либо информацию. В аналоговых схемах существуют два базовых понятия: последовательное и параллельное соединения. При последовательном соединении, примером которого может быть новогодняя гирлянда, через все компоненты в цепочке течёт один и тот же ток. При параллельном соединении на выводах всех компонентов создаётся одно и то же электрическое напряжение, но токи через компоненты различаются: суммарный ток делится в соответствии с сопротивлением компонентов.

Простая схема, содержащая батарею, резистор и соединительные провода, демонстрирует применение законов Ома и Кирхгофа для расчёта электрической цепи

Основными элементами для построения аналоговых устройств являются резисторы (сопротивления), конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, а также соединительные проводники. Обычно аналоговые схемы представляются в виде принципиальных электрических схем. За каждым элементом закреплено стандартное обозначение: например, проводники обозначаются линиями, резисторы — прямоугольниками и т. д.

Электрические цепи подчиняются законам Кирхгофа:

• алгебраическая сумма токов в любом узле цепи равна нулю;
• алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура. Если в контуре нет ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю.

При анализе реальных схем следует учитывать паразитные элементы: так, у реальных соединительных проводников существует сопротивление и индуктивность, несколько лежащих рядом проводников образуют ёмкость и т. д.

Цифровые схемы

Основная статья: Цифровая электроника

В цифровых схемах сигнал может принимать только несколько различных дискретных состояний, которые обычно кодируют логические или числовые значения

[3]. В подавляющем большинстве случаев используется бинарная (двоичная) логика, когда одному определённому уровню напряжения соответствует логическая единица, а другому — ноль. В цифровых схемах крайне широкое применение находят транзисторы, из которых строятся логические ячейки (вентили): И, ИЛИ, НЕ и их различные комбинации. Также, на базе транзисторов создаются триггеры — ячейки, которые могут находится в одном из нескольких устойчивых состояний, и переключатся между ними при подаче внешнего сигнала. Последние могут быть использованы как элементы памяти: например, SRAM (статическая оперативная память с произвольным доступом) сделана на их основе. Другой тип памяти — DRAM — основан на способности конденсаторов запасать электрический заряд.

Цифровые схемы по сравнению с аналоговыми той же сложности значительно проще в разработке и анализе. Это связано с тем, что логические ячейки на выходе выдают только определённые уровни напряжений, и разработчику не надо заботится о искажениях, усилении, смещении напряжения и прочих аспектах, которые необходимо учитывать при разработке аналоговых устройств. По этой причине, на основе логических элементов могут создаваться сверхсложные схемы с огромной степенью интеграции элементов, содержащие на одном кристалле миллиарды транзисторов, стоимость каждого из которых получается ничтожно малой. Именно это во многом и определило развитие современной электроники.

Гибридные схемы

Гибридные схемы объединяют элементы, относящиеся к аналоговой и цифровой схемотехнике. Среди прочих, к нем относятся компараторы, мультивибраторы, ФАПЧ, ЦАП, АЦП. Большинство современных радиоприборов и устройств связи используют гибридные схемы. К примеру, приёмник может состоять из аналоговых усилителя и преобразователя частот, после чего сигнал может быть преобразован в цифровую форму для дальнейшей обработки.

Примечания

1. ↑ Charles Alexander and Matthew Sadiku (2004). «Fundamentals of Electric Circuits» (McGraw-Hill).
2. ↑ Richard Jaeger (1997). «Microelectronic Circuit Design» (McGraw-Hill).
3. ↑ John Hayes (1993). «Introduction to Digital Logic Design» (Addison Wesley).

Ссылки

Как читать электрические схемы с транзистором

В прошлой статье мы рассматривали схему без биполярного транзистора. Для того, чтобы понять, как работает транзистор, мы с вами соберем простой регулятор мощности свечения лампочки накаливания с помощью двух резисторов и транзистора.

Управление мощностью с помощью транзистора

Итак, я буду делать схему регулятора мощности свечения лампочки накаливания с помощью советского транзистора КТ815Б. Она будет выглядеть следующим образом:

На схеме мы видим лампу накаливания, транзистор и два резистора. Один из них переменный. Итак, главное правило транзистора: меняя силу тока в цепи базы, мы тем самым меняем силу тока в цепи коллектора, а следовательно,  мощность свечения самой лампы.

Как в нашей схеме будет все это выглядеть? Здесь я показал две ветви. Одну синим цветом, другую красным.

Как вы видите, в синей ветке цепи последовательно друг за другом идут +12В—-R1—-R2—-база—-эмиттер—-минус питания. А как вы помните, если резисторы либо  различные потребители (нагрузки) цепи идут друг за другом последовательно, то через все эти нагрузки, потребители и резисторы протекает одна и та же сила тока. Правило делителя напряжения. То есть в данный момент для удобства объяснения, я назвал эту силу тока, как ток базы I_б . Все то же самое можно сказать и о красной ветви. Ток пойдет по такому пути: +12В—-лампочка—-коллектор—-эмиттер—-минус питания.  В ней будет протекать ток коллектора I_к.

Итак, для чего мы сейчас разобрали эти ветви цепи? Дело в том, что через базу и эмиттер протекает базовый ток I_б , который протекает также и через переменный резистор R1 и резистор R2. Через коллектор-эмиттер протекает ток коллектора Iк , который  также течет и через лампочку накаливания.

Ну и теперь самое интересное: коллекторный ток зависит от того, какая сила тока в данный момент течет через базу-эмиттер. То есть прибавив базовый ток, мы тем самым прибавляем и коллекторный ток. А раз коллекторный ток у нас стал больше, значит и через лампочку сила тока стала больше, и лампочка загорелась еще ярче. Управляя слабым током базы, мы можем управлять большим током коллектора. Это и есть принцип работы биполярного транзистора.

[quads id=1]

Как нам теперь регулировать силу тока через базу-эмиттер? Вспоминаем закон Ома: I=U/R. Следовательно, прибавляя или убавляя значение сопротивления в цепи базы, мы тем самым можем менять силу тока базы! Ну а она уже будет регулировать силу тока в цепи коллектора. Получается, меняя значение переменного резистора, мы тем самым меняем свечение лампочки 😉

И еще один небольшой нюанс.

Как вы заметили в схеме есть резистор R2. Для чего он нужен? Дело все в том, что может случится пробой перехода база-эмиттер. Или, простым языком, он выгорит. Если бы его не было, то при изменении сопротивления на переменном резисторе R1 до нуля Ом, мы бы махом выжгли P-N переход базы-эмиттера. Поэтому, чтобы такого не было, мы должны  подобрать резистор, который бы при сопротивлении на R1 в ноль Ом, ограничивал бы силу тока на базу, чтобы ее не выжечь.

Получается, мы должны подобрать такую силу тока на базу, чтобы лампочка светилась на полную яркость, но при этом переход база-эмиттер был бы целым. Если сказать языком электроники —  мы должны подобрать такой резистор, который бы вогнал  транзистор в границу насыщения, но не более того.

Такой резистор я подбирал с помощью магазина сопротивления. Его также можно подобрать с помощью переменного резистора. Резистор в базе часто называют токоограничительным.

Регулятор свечения лампочки на транзисторе

Ну а теперь дело за практикой. Собираем схему в реале:

Кручу переменный резистор и добиваюсь того, чтобы лампочка горела на весь накал:

Кручу еще чуток и лампочка светит в пол накала:

Выкручиваю переменный резистор до упора и лампочка тухнет:

Вместо лампочки можно взять любую другую нагрузку, например, вентилятор от компьютера. В этом случае, меняя значение переменного резистора, я могу управлять частотой вращения вентилятора, тем самым убавляя или прибавляя силу потока воздуха.

Здесь вентилятор не крутится, так как я на переменном резисторе выставил большое сопротивление:

Ну а здесь, покрутив переменный резистор, я уже могу регулировать обороты вентилятора:

Можно сказать, что получилась готовая схема, чтобы обдувать себя жарким летним деньком ;-). Стало холодно — убавил обороты, стало слишком жарко — прибавил 😉

Прошаренные чайники-электронщики могут сказать: «А зачем так сильно все было усложнять? Не проще ли было просто взять переменный резистор и соединить последовательно с нагрузкой?

Да, можно.

Но должны соблюдаться некоторые условия. Предположим у нас лампа накаливания большой мощности, а значит и сила тока в цепи тоже будет приличная. В этом случае переменный резистор должен быть большой мощности, так как при выкручивании до упора в сторону маленького сопротивления через него побежит большой ток. Вспоминаем формулу выделяемой мощности на нагрузке: P=I²R. Переменный резистор сгорит (проверено не раз на собственном опыте).

В схеме с транзистором весь груз ответственности, то бишь всю мощность рассеивания, транзистор берет на себя. В схеме с транзистором переменный резистор спалить уже будет невозможно, так как сила тока в цепи базы в десятки, а  то и в сотни раз меньше (в зависимости от беты транзистора), чем сила тока через нагрузку, в нашем случае через лампочку.

Греться по-максимуму транзистор будет только тогда, когда мы регулируем мощность нагрузки наполовину. В этом случае половина отсекаемой мощности в нагрузке будет рассеиваться на транзисторе. Поэтому, если вы регулируете мощную нагрузку, то для начала поинтересуйтесь таким параметром, как мощность рассеивания транзистора и при необходимости не забывайте ставить транзисторы на радиаторы.

Резюме

Главное предназначение транзистора — управление большой силой тока с помощью малой силы тока, то есть с помощью маленького базового тока мы можем регулировать приличный коллекторный ток.

Есть критического значение базового тока, которые нельзя превышать, иначе сгорит переход база-эмиттер. Такая сила тока через базу возникает, если потенциал на базе будет более 5 Вольт в прямом смещении. Но лучше даже близко не приближаться к такому значению. Также не забывайте, чтобы открыть транзистор, на базе должен быть потенциал больше, чем 0,6-0,7 Вольт для кремниевого транзистора.

Резистор в базе служит для ограничения протекающего  тока через базу-эмиттер. Его значение выбирают в зависимости от режима работы схемы. В основном это граница насыщения транзистора, при котором коллекторный ток начинает принимать свои максимальные значения.

При проектировании схемы не забываем, что лишняя мощность рассеивается на транзисторе. Самый щадящий режим — это режим отсечки и насыщения, то есть лампа либо вообще не горит, либо горит на всю мощность. Самая большая мощность будет выделяться на транзисторе в том случае, если лампа горит в пол накала.

: thesaurus: Электронные схемы

VARIANTE

• Компьютерные схемы
• Схемы
• Цифровые схемы
• Электронные логические ключи

TRADUCTIONS

Logic and switching circuits

دوائر المنطق والتبديل

Circuit logique et de commutation

URI

http://vocabularies.unesco.org/thesaurus/concept5242

Télécharger ce concept :

Разные электронные схемы на лампах и транзисторах

В разделе собраны принципиальные электронные схемы устройств и разнообразных электронных узлов, которые не вошли в основные разделы сайта.

Здесь можно найти схемы автоматики и автоматизации, простые реле времени, узлы для модернизации и улучшения работы радиоэлектронных устройств.

Также в раздел вошли схемы для обучения и экспериментов, для игр и развлечений.

Модернизация лампового усилителя Прибой 50УМ-204С

Прочитав заголовок, многие даже смотреть не станут: тема настолько изъеложена – чего здесь может быть нового? Да, многие показывали свои переделки,  характеризуя их в превосходных тонах. Я тоже хочу внести свою лепту. А качество сего пусть оценивают другие.  Еще, как я считаю, лампы 6Р3С незаслуженно опущены. На мой взгляд,  их просто надо уметь «готовить»;)

3

1

5045

Самодельный экономичный генератор белого шума, схема и описание

Простая, надежная и очень экономичная схема генератора белого шума !Схема проверена, собрано два полностью готовых экземпляра, схемаработает.

5

0

2940

Самодельные электронные часы на ИН-12 (ИН-14, ИН-18)

В настоящее время просторы интернета пестрят множеством всевозможныхконструкций часов на микроконтроллерах и практически нет схем на обычнойлогической элементной базе. Я нашел только три подробных схемы иописания часов на логических микросхемах. Конечно микроконтроллерныесхемы, можно сказать, по всем параметрам выигрывают старую схемотехнику. И тем неменее не у всех есть навыки работы и програмирования микроконтроллеров…

3

0

3343

Самодельные электронные часы с люминесцентными индикаторами ИВ-11

Предлагаю для обзора и возможно повторения данную конструкцию часов насоветских люминесцентных индикаторах ИВ-11. Схема довольна проста и при правильной сборке работает сразу. В основе часов лежит микросхема к176ие18 и представляет собой специализированный двоичный счётчик…

7

18

3612

Схема простого инвертора напряжения 12В — 220В

В настоящее время интернет пестрит всевозможными схемами инверторов 12-220(В), построенных на микросхеме TL и полевых транзисторах и нет ни одной схемы максимально простой на отечественной элементной базе. Я решил заполнить этот пробел.

11

6

2265

Схема перобразователя частоты к приемнику прямого усиления

Электрическая схема преобразователя частоты на одном транзисторе, предназначенного для совместной работы с приемником прямого усиления, рабочий диапазон которого охватывает или имеет частоты, близкие к стандартной промежуточной частоте 465 кгц. С помощью рассматриваемого…

0

1

1350

Автомат для подачи звонковых сигналов по расписанию

Автомат, принципиальная схема которого приведена в статье, предназначен для подачи звонков в школе. Длительная эксплуатация автомата подтвердила надежность его работы и целесообразность применения. Питание автомата может производиться от сети переменного тока с помощью выпрямителя или …

0

1

1447

Приборы простой автоматизации (сторож, переключатель гирлянд)

Электронный сторож. Устройство, принципиальная схема которого приведена на рисунке, может быть приспособлено для охраны различных объектов — автомашин, школьных помещений, складов. Схема его достаточно проста и содержит контакты или кнопки В1—В3, работающие на размыкание, два транзистора…

0

0

1566

Схемы простых реле времени

Одним из важныхэлементов автоматических устройств являются различные электронные реле времени, предназначенные для получения заданной выдержки времени при включении и выключении различных электрических устройств и, в частности, для автоматического прекращения времени экспонирования фотобумаги через…

15

2

5300

Оборудование класса для изучения азбуки Морзе

Простейшее оборудование радиокласса, описание которого приводится ниже, не имеет пульта управления. Такие классы можно рекомендовать в радиокружках с числом обучаемых не более шести-семи человек.На рис 1 изображена схема радиокласса. В соответствии с этой схемой на столе инструктора имеются два…

2

0

1357

Электронные схемы для дома • Energy-Systems

 

Особенности работы по проектировке электронных схем

Электронные схемы для дома являются важнейшим элементом, необходимым для реализации системы электропроводки. Без подобных чертежей и планов невозможно получить разрешение на проведение электромонтажных работ. Качество электронных схем гарантирует работоспособность и надежность всей системы электрики.

Далекие от сферы электричества люди часто считают, что для составления схем электрики достаточно обладать базовыми знаниями в области проектировки и составления чертежей. В действительности базовых знаний недостаточно для составления качественных электропроектов однокомнатных квартир и других сооружений.

Пример проекта электроснабжения квартиры

Назад

1из14

Вперед

Такими работами должны заниматься профессиональные электрики, знакомые со всеми особенностями планировки, проектировки, составления схем, разбирающиеся в действующих правилах эксплуатации и устройства электроустановок, а также в условных обозначениях, которые должны использоваться на схемах электрификации.

Далекий от сферы электричества человек лишь с минимальной вероятностью может составить электрический проект, способный с первого раза пройти согласование и утверждение контролирующими органами, а это обязательное условие для проведения электромонтажа и реализации системы энергоснабжения в любом здании и сооружении.

Помимо технических аспектов и сложностей создания электрических чертежей, следует также учитывать вопросы комфортности последующего использования электрической системы здания. Профессиональные электрики всегда учитывают пожелания собственника жилья в вопросах организации сети, размещения точек электропотребления, однако, если требования заказчика невозможно реализовать без потери характеристик надежности и безопасности, специалисты могут объяснить, почему такие решения являются нецелесообразными или опасными.

Работы по созданию индивидуальных проектов электрики

В нашей компании работают только высококлассные специалисты, обладающие обширными знаниями в области электрики, а потому способные создавать качественные, надежные электропроекты любой сложности, для здания различного назначения. Обратиться к профессионалам – значит избавить себя от головной боли, от необходимости самостоятельно разбираться во всех перипетиях и нюансах, касающихся составления электрических схем, их последующего согласования и проведения электромонтажа.

Опытные специалисты действительно способны организовать надежную электрическую систему, которая по всем параметрам будет соответствовать техническому заданию и индивидуальным особенностям строения, а также всем пожеланиям даже самого требовательного заказчика.

После первоначального общения по телефону наши сотрудники выезжают на электрифицируемый объект для проведения тщательного его исследования, сбора всей необходимой информации, получения технического задания и его корректировки. Когда специалисты смогут оценить общий объем и сложность работ, они составляют примерную смету работы, в которой будет обозначена стоимость наших услуг. В самом электрическом проекте особое внимание уделяется математическим и экономическим расчетам. Документы будут содержать в себе информацию по необходимым устройствам и материалам, требующимся для организации сети, а также их стоимость и цену их монтажа.

Мы оказываем полный спектр услуг в области электрики, проводим тщательное исследование объекта, составляем качественные проекты и чертежи с необходимыми сопроводительными документами, помогаем в согласовании, осуществляем надзор за электромонтажом или проводим установку сети самостоятельно.

Этапы составления качественных электрических схем

Любой электрик расскажет вам о том, что любые ошибки и недочеты, совершенные на этапах проектирования и не обнаруженные проверяющими органами, способны значительно снизить характеристики электрической системы. Более того, для их устранения могут потребоваться значительные финансовые вложения, демонтаж целых участков электропроводки и элементов интерьера.

Профессиональное проектирование включает в себя несколько основных частей. На первом этапе проектировщики определяют маршруты прокладки кабеля и выбирают места расположения всех точек электрического потребления. Собственник жилья должен принимать активное участие в такой работе, так как от расположения выключателей, розеток и точек освещения во многом зависит комфортность дальнейшей эксплуатации электрической системы. Заказчику требуется сначала решить, где будет установлена мебель в каждой отдельной комнате, где расположить все электрические приборы и только после этого перейти к вопросу размещения розеток.

Специалисты рекомендуют прикладывать данные по расположению точек потребления к техническому заданию. Для этого необходимо взять копию плана всего строения и самостоятельно нанести на него все электрические точки. По завершении электромонтажа требуется проведение электроизмерительных работ, в частности, проверка сопротивления изоляции электроустановок, исследование заземления и других элементов системы.

Ниже вы можете воспользоваться онлайн-калькулятором для расчёта стоимости проектирования сетей электроснабжения:

Онлайн расчет стоимости проектирования

Электронные схемы в теле человека: ученые ЮУрГУ изучают свойства золотых наночастиц

Междисциплинарные исследования в области нанотехнологий, молекулярной физики, оптики, электроники и биологии открывают для науки новые пути в решении актуальных проблем, когда становится невозможным разрешить их с помощью узкодисциплинарного подхода.

Ученые Южно-Уральского государственного университета, Prof., Dr.rer. nat. Вольфганг Хаазе и Dr. rer. nat, Федор Подгорнов (Лаборатория молекулярной электроники), занимаются исследованием взаимодействия золотых наночастиц с мезофазными материалами и возможностей их применения в электронике, биотехнологиях и альтернативной энергетике. Их взаимодействию с хиральными мезофазными материалами посвящена научная статья, опубликованная в одном из самых престижных журналов в области прикладной физики — «Applied Physics Letters».

Перспективы исследования в фармакологии

«Хиральность — одна из основных концепций в современной науке. Типичным хиральным объектом является молекула ДНК или, например, правая и левая руки, которые не могут быть совмещены со своим зеркальным отражением операциями вращения или перемещения, — рассказывает Федор Валерьевич. — Хиральные и ахиральные материалы по-разному взаимодействуют с поляризованным оптическим излучением. Упрощенно данное явление можно объяснить тем, что хиральная молекула представляет из себя молекулярную катушку индуктивности, а ахиральная молекула — молекулярный провод. Поэтому при освещении хиральной молекулы электромагнитной волной вклад в ее электрическую поляризацию будут вносить как электрическая, так и магнитная компоненты падающего излучения. Это явление лежит в основе спектроскопии циркулярного дихроизма (Circular Dichroism (CD) Spectroscopy), или зависимости разницы поглощения светового излучения с право- и левоциркулярной поляризацией от длины волны. Оно находит применение в биологии и фармацевтике для идентификации хиральности молекул. Данная информация критически важна для создания новых медицинских препаратов и при производстве лекарств, где важно гарантированно отделить правые молекулы от левых, поскольку они могут радикально различаться по физическим, химическим и биологическим свойствам. Например, кокаин с правыми молекулами — наркотик, а с левыми — безобидное вещество».

Демонстрация хирального объекта

 

В опубликованной статье учеными было экспериментально показано, что добавление золотых наночастиц в хиральный мезофазный материал приводит к существенному изменению спектра циркулярного дихроизма в оптической области. Более того, была показана зависимость изменений от концентрации наночастиц. Результаты данной работы могут найти применение в различных областях современной науки. Например, они могут быть использованы для локального анализа распределения лекарств, экспресс-анализа и измерения малых концентраций различных хиральных веществ в медицинских препаратах и т.д.

Будущее — за молекулярной электроникой

Следует особо подчеркнуть перспективность полученных результатов для применения в области молекулярной и биоэлектроники. Свойства хиральных молекул могут быть использованы для создания элементной базы в молекулярной электронике, в частности — молекулярных катушек индуктивности с модулируемой добротностью.

«Вопрос заключается в том, как создать катушку индуктивности на молекулярном уровне и промоделировать ее добротность. Мы доказали, что это можно выполнить с использованием золотых наночастиц. Комбинируя молекулы с различными свойствами, мы можем создать электрические схемы, подобные схемам классической электроники, но на молекулярном уровне. Преимущество данного подхода заключается в том, что он позволяет нам работать на очень низком уровне организации материи и создавать сверхкомпактные электронные схемы, которые можно интегрировать, например, в тело человека».

Диагностирование и коррекция организма человека с помощью устройств молекулярной и биоэлектроники в «режиме онлайн» — только одно из возможных применений полученных результатов. Непрерывный анализ параметров органов человека, активности головного мозга и контроль протекающих процессов на молекулярном и клеточном уровне необходимы для предупреждения серьезных заболеваний, увеличения качества жизни и ее продолжительности. Это один из главных вопросов, стоящих сегодня перед наукой, считает Федор Подгорнов.

Создайте свой собственный детектор проводов под напряжением для бесконтактного определения напряжения переменного тока

Существует большое количество травм в результате поражения электрическим током, особенно при обслуживании и ремонте электрических линий и опор. Выделить и проверить наличие напряжения в проводах, не разрезая его, очень сложно. Бесконтактный датчик напряжения может оказаться очень полезным при работе с такими ситуациями, чтобы быть уверенным в отсутствии напряжения перед выполнением любой задачи, связанной с ремонтом электрических систем.Точно так же дома, прежде чем устранять неисправность в электронном устройстве, всегда рекомендуется убедиться в отсутствии напряжения. Недорогой бесконтактный детектор переменного тока DIY придет на помощь! Он использует минимальные ресурсы и очень хорошо работает, когда используется для таких целей. Будь то , идентифицирующий провод под напряжением или различение линейного и нулевого проводов, можно использовать недорогой детектор переменного напряжения. Вы также можете проверить схему детектора обрыва провода с помощью CD4069, которая также работает очень похоже на нашу схему здесь.

Компоненты, необходимые для нашего проекта детектора провода под напряжением

Ниже перечислены компоненты, которые требуются модулю, и вы можете найти их в местном магазине товаров для хобби.

1. 3 транзистора NPN (BC 547 / 2N2222)
2. Резистор 220 Ом
3. Аккумулятор 9 В
4. Светодиод (LED)
5. Зуммер
6. Медная проволока

Принципиальная схема и соединения для детектора напряжения переменного тока

Поскольку количество компонентов минимальное, изготовление схемы детектора , находящейся под напряжением, не является очень сложной задачей.В нем используются различные компоненты, состоящие из 3 транзисторов NPN, светодиода, резистора 220 Ом, батареи 9 В и медного провода. Антенна подключена к базе первого транзистора NPN ( Q1 ), а эмиттер первого транзистора ( Q1 ) подключен к базе второго передатчика ( Q2 ), образуя пару Дарлингтона (поясняется далее). ). Эмиттер транзистора ( Q2 ) снова подключен к базе транзистора ( Q3 ), который затем действует как переключатель и помогает светодиоду светиться.Коллекторные области транзисторов Q1 и Q2 закорочены и напрямую подключены к положительной клемме батареи 9 В, тогда как коллектор транзистора Q3 подключен к катоду светодиодов ( D1 ) (отрицательному) клемму и анодную (положительную) клемму к одной ноге резистора 220 Ом ( R1 ), другой конец которого также подключен к положительной клемме батареи 9 В.

Работа датчика напряжения переменного тока

Медный провод скручен, чтобы действовать как антенна, которая обнаруживает любую электромагнитную индукцию вокруг и генерирует сигнал очень низкого уровня.После этого в игру вступает серия транзисторов. Сигнал с антенны, вероятно, в наноамперах поступает на базу транзистора Q1 , где Ic = β × Ib. Поскольку значение Beta ( β ) очень велико (около 110-800), это, в свою очередь, дает нам больший ток коллектора для эмиттера на выходе. Этот процесс повторяется снова, когда эмиттер транзистора Q1 входит в базу транзистора Q2. Следовательно, дальнейшее увеличение текущего уровня Beta ( β) в раза.Транзистор Q3 действует как переключатель и включает светодиод и зуммер, когда ток подается на вывод базы транзистора Q3 .

СОВЕТ: Чувствительность модуля можно изменить, увеличивая или уменьшая размер антенной катушки.

Потребность в нескольких транзисторах (пара Дарлингтона)

пары Дарлингтона также известны как супер-альфа-контуры . Это конфигурация стандартных двухпереходных транзисторов (NPN и PNP), чьи точки базы и эмиттера соединены для увеличения чувствительности и усиления транзистора.Для , нашего проекта детектора проводов под напряжением , мы можем использовать их, чтобы увеличить усиление и генерировать больший ток для переключения третьего транзистора Q3. 2) × Ib (поскольку 2β очень мало, оно игнорируется)

Тестирование детектора переменного напряжения

Самодельный модуль детектора напряжения переменного тока питается от батареи 9 В, которая затем готова к обнаружению любого напряжения переменного тока.Модуль и антенна перемещаются по проводу под напряжением, и можно видеть, что светодиод светится, а зуммер начинает издавать звуковой сигнал, как показано на изображении ниже, где наша схема расположена рядом с проводом под напряжением, который питает наш RPS.

Электромагнитный сигнал обнаруживается антенной на печатной плате и, следовательно, указывает на то, что это провод под напряжением, и с ним следует обращаться осторожно. Полную работу над этим проектом также можно найти в видео по ссылке внизу этой страницы.

Существует несколько способов создания регулятора напряжения переменного тока, но это, безусловно, самый дешевый из всех. Хотя есть некоторые схемы, которые показывают более высокую эффективность обнаружения и индикации, но используемые компоненты немного дороги по сравнению с нашей конструкцией. Надеюсь, вы узнали что-то новое и получили удовольствие от создания собственного детектора переменного напряжения. Если у вас есть вопросы, оставьте их в разделе комментариев или воспользуйтесь нашим форумом.

электронных схем | HowStuffWorks

Возможно, вы слышали термин «микросхема », «», особенно когда речь идет о компьютерном оборудовании.Чип — это крошечный кусок кремния, обычно около одного квадратного сантиметра. Микросхема может представлять собой единственный транзистор (кусок кремния, который усиливает электрические сигналы или служит переключателем включения / выключения в компьютерных приложениях). Это также может быть интегральная схема , состоящая из множества соединенных между собой транзисторов. Чипы заключены в герметичный пластиковый или керамический корпус, который называется корпусом . Иногда люди называют весь пакет микросхемой, но на самом деле микросхема находится внутри упаковки.

Существует два основных типа ИС — монолитная и гибридная . Монолитные ИС включают всю схему на одном кремниевом кристалле. Их сложность может варьироваться от нескольких транзисторов до миллионов транзисторов в микросхеме микропроцессора компьютера. Гибридная ИС имеет схему с несколькими микросхемами, заключенными в единый корпус. Микросхемы в гибридной ИС могут представлять собой комбинацию транзисторов, резисторов, конденсаторов и монолитных микросхем ИС.

Печатная плата , или PCB, удерживает вместе электронную схему.Завершенная печатная плата с прикрепленными компонентами представляет собой печатную плату в сборе или PCBA. Многослойная печатная плата может содержать до 10 установленных друг на друга печатных плат. Гальванические медные проводники, проходящие через отверстия, называемые переходными отверстиями , соединяют отдельные печатные платы, образуя трехмерную электронную схему.

Самыми важными элементами в электронной схеме являются транзисторы. Диоды представляют собой крошечные кремниевые чипы, которые действуют как клапаны, позволяя току течь только в одном направлении.Другие электронные компоненты представляют собой пассивные элементы , такие как резисторы и конденсаторы . Резисторы обеспечивают определенное сопротивление току, а конденсаторы накапливают электрический заряд. Третий основной пассивный элемент схемы — это индуктор , который накапливает энергию в виде магнитного поля. В микроэлектронных схемах очень редко используются индукторы, но они часто встречаются в более крупных силовых цепях.

Большинство схем разработано с использованием программ автоматизированного проектирования или САПР.Многие схемы, используемые в цифровых компьютерах, чрезвычайно сложны и используют миллионы транзисторов, поэтому САПР — единственный практический способ их проектирования. Разработчик схем начинает с общей спецификации функционирования схемы, а программа САПР составляет сложную схему соединений.

При травлении металлического рисунка межсоединений на печатной плате или микросхеме ИС используется устойчивый к травлению маскирующий слой для определения рисунка цепи. Открытый металл вытравливается, оставляя рисунок соединения металла между компонентами.

Почему в электронных схемах используется переменный ток?

В электронных схемах расстояния и токи очень малы, так зачем использовать переменный ток? Прежде всего, токи и напряжения в этих цепях представляют собой постоянно меняющиеся явления, поэтому электрические представления или аналоги также постоянно меняются. Вторая причина заключается в том, что радиоволны (например, те, которые используются в телевизорах, микроволновых печах и сотовых телефонах) являются высокочастотными сигналами переменного тока. Частоты, используемые для всех типов беспроводной связи, неуклонно совершенствовались на протяжении многих лет, от диапазона килогерц (кГц) на заре радио до мегагерц (МГц) и гигагерц (ГГц) сегодня.

В электронных схемах используется постоянный ток для питания транзисторов и других компонентов электронных систем. Схема выпрямителя преобразует мощность переменного тока в постоянный из сетевого напряжения переменного тока.

Связанные статьи HowStuffWorks

Дополнительные ссылки

Источники

• Все о схемах. http://www.allaboutcircuits.com/
• Уроки электрических цепей. http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/
• Концепции электрических цепей.http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/electric/ecircon.html
• Уроки электрических цепей. http://www.electriccircuits.net/

Почему в электронных схемах используется постоянный ток вместо переменного?

Почему в электронных устройствах используется источник постоянного тока вместо переменного тока?

Следует уточнить, что не все электронные устройства, компоненты и схемы используют только источник постоянного тока, но также и переменный ток. Если говорить о логических схемах и ИС (интегральных схемах), да, они используют только постоянный ток.Короче говоря, это зависит от потребностей и целей электронной схемы, используем ли мы переменный или постоянный ток. Посмотрим как.

Ниже приведены сценарии, в которых мы используем как переменный, так и постоянный ток в электронных схемах, и почему большинство электронных схем используют только источник постоянного тока.

Переменный ток в электронных схемах

• В случае LC (резонансная цепь резервуара или схема настройки), сигнал постоянного тока преобразуется в сигнал переменного тока с помощью конденсатора и индуктора (где мы знаем, что конденсатор блокирует постоянный ток, но пропускает переменный ток) который может дополнительно подаваться на схему ограничения или усилитель для усиления или изменения формы сигнала в соответствии с потребностями схемы.
• В фильтрах используются конденсаторы и катушки индуктивности для удаления пульсаций от источника переменного или пульсирующего постоянного тока, чтобы преобразовать его в чистый источник постоянного тока.
• Выпрямители (которые содержатся на диодах) используются для преобразования входного источника переменного тока в пульсирующий источник постоянного тока, и этот процесс известен как выпрямление.
• При усилении смещенный транзистор может использоваться в качестве усилителя с входными сигналами переменного тока.

Из приведенного выше обсуждения ясно видно, что в электронной схеме также используется переменный ток, а не только постоянный ток.

Почему в большинстве электронных схем используется только постоянный ток?

Ниже приведены причины, по которым мы используем источник постоянного тока в электронных схемах вместо переменного тока.

Мы знаем, что основной принцип работы логических вентилей основан на «двоичных» состояниях, которые равны «1» (ВКЛ) и «0» (ВЫКЛ).

В микросхемах, микропроцессорах и цифровых компьютерах им требуется чистый постоянный ток без пульсаций в качестве входного сигнала для генерации цифрового двоичного сигнала (высокого или низкого) для работы ВКЛ / ВЫКЛ, что возможно только с источником постоянного тока.

Это было бы сложно в случае переменного тока, поскольку он меняет свое направление и значение несколько раз в секунду из-за частоты. (50 Гц в Великобритании и 60 Гц в США). Это означает, что входной сигнал переменного тока, который может изменяться 50 или 60 раз в секунду, будет генерировать множество сигналов «ВКЛ» и «ВЫКЛ», что вредно для работы схемы. Кроме того, в случае зашумленных сигналов переменного тока процессор не сможет решить, какой из сигналов является выключенным или включенным.

• Однонаправленные компоненты:

Электронную инженерию невозможно представить без транзисторной магистрали.Транзистору требуется смещение постоянного тока, то есть для нормальной работы положительный сигнал подается на базу транзистора. В случае подачи переменного тока на транзистор или диод, он может не работать должным образом как постоянный для нормальной работы, но обеспечить непрерывную операцию переключения из-за множества положительных и отрицательных сигналов переменного тока (из-за частоты) и даже взорваться, если входное напряжение высокие.

Для конкретных целей, таких как усиление и выпрямление, смещенный транзистор и диод могут использоваться в качестве усилителя и полуволнового выпрямителя соответственно, но это не всегда так в схемотехнике.Короче говоря, переменный ток не поддерживает однонаправленный ток, когда нам необходимо постоянное и установившееся напряжение для большинства электронных компонентов.

Почти все современные электронные устройства (мобильные, портативные, цифровые часы и т. Д.) Используют батареи для хранения и резервного копирования, когда мы знаем, что батареи не могут хранить переменный ток, а только постоянный ток.

Это точные причины, по которым в большинстве современных электронных схем, устройств и компонентов используется постоянный ток вместо переменного тока.

Полезно знать: мощность одинакова для сигналов переменного и постоянного тока i.е. При подключении к тому же нагревательному элементу 5 В переменного тока будет генерировать такое же количество тепла, что и 5 В постоянного тока (среднеквадратичное значение).

Другие причины :

Постоянный ток намного легче контролировать, точнее и легче распространять, чем сигнал постоянного тока.

Если мы будем использовать переменный ток в большинстве электронных схем вместо постоянного тока,

• Это создаст дополнительную работу для простой обработки фазового сдвига между сигналами.
• Питать их от батареек будет сложнее.
• Вы теряете часть мощности, когда напряжение пересекает 0.
• Если у вас одна фаза, у вас пульсирующая мощность.
• Вам нужно адаптировать частоты, если вы ожидаете, что они будут работать вместе.
• А спроектировать хорошее заземление было бы кошмаром.

Похожие сообщения:

Электронные схемы и системы (затронутые)

Группа электронных схем и систем (ECS) занимается анализом, проектированием и синтезом передовых высокопроизводительных и / или маломощных электронных схем и электромагнитных структур.Они варьируются от новых схем и устройств миллиметрового и терагерцового диапазонов до сложных систем на кристалле, включая схемы смешанных сигналов, радиочастотные трансиверы, фазированные решетки, силовую электронику и биомедицинские схемы. Мы также разрабатываем широкий спектр электромагнитных структур, включая микроэлектромеханические системы (MEMS), интегрированные антенны, настраиваемые сети и периодические структуры, такие как поверхности с искусственным импедансом и метаматериалы. Конкретные области текущих исследований включают:

Устройства и схемы РФ

• III-V и кремниевые высокочастотные приборы
• Высокоэффективные и высокомощные усилители и малошумящие усилители на ВЧ и СВЧ частотах
• Генераторы СВЧ и преобразователи частоты (смесители, удвоители, делители)
• Монолитные перестраиваемые КМОП-фильтры RF

Смешанные сигнальные цепи

• АЦП и ЦАП с частотой Найквиста и передискретизацией
• «Преимущественно цифровые» АЦП
• Аналоговые и «в основном цифровые» схемы фазовой автоподстройки частоты
• Методы согласования динамических элементов и определения несовпадений
• Методы цифрового улучшения аналоговых схем

Энергетические системы

• Пико-инверторы для фотоэлектрических батарей, подключенных к сети
• Сбор энергии / очистка
• Преобразователи постоянного тока в постоянный с переключаемыми конденсаторами для мобильных приложений

Система на микросхеме

• Реконфигурируемые передатчики и приемники
• РЧ-приемники с широким динамическим диапазоном для когнитивных радиостанций
• Интегрированные фазированные решетки СВЧ и миллиметрового диапазона частот
• Активные и пассивные матрицы формирования изображений от миллиметрового диапазона до ТГц
• Приемопередатчики со сверхнизким энергопотреблением для телесетей

Прикладная электромагнетизм и СВЧ структуры

• RF микро- и нано-электромеханические системы (MEMS и NEMS)
• Кремниевые интегрированные антенны для систем от миллиметрового диапазона до ТГц
• Анизотропные поверхности с искусственным импедансом для управления электромагнитными эффектами
• Интеграция активной электроники и РЧ МЭМС с антеннами и ЭМ структурами
• Настраиваемые фильтры и схемы согласования импеданса
• Электрически малогабаритные антенны для приложений от 100 МГц до 6 ГГц

Оптические устройства и схемы

• Оптоэлектронные устройства из материалов III-V и Si
• Высокоскоростные и маломощные электронные трансиверы для оптической связи
• Высокоскоростные электронные системы отбора проб для оптоэлектронных интерфейсов

Биомедицинские контуры

• Цепи малошумящие и маломощные для биомедицинских приборов
• Чрескожная передача энергии
• Цепи сбора биоэнергии
• Биосенсоры белков, ДНК и малых молекул
• Системы нейронной записи и картирования мозга

В состав группы входят шесть стипендиатов IEEE, один член Национальной инженерной академии и обладатель множества других наград.Мы активно участвуем в инженерных обществах, и наши члены обычно занимают должности в административных комитетах или в качестве редакторов журналов IEEE Solid-State Circuits Society, IEEE Circuits and Systems Society, IEEE Microwave Theory and Techniques Society и IEEE Antennas and Propagation Society. . Мы сотрудничаем с несколькими исследовательскими центрами на территории кампуса, включая Центр беспроводной связи, Центр надежности и основ проектирования RF MEMS, Калифорнийский институт телекоммуникаций и информационных технологий (CALIT2) и лабораторию CALIT2 Nano-3 для микротехнологии твердых материалов. -государственные, оптические и РЧ МЭМС устройства.Кроме того, наши преподаватели хорошо связаны с местной электроникой, связью, аэрокосмической и другими высокотехнологичными отраслями, часто входят в состав технических консультативных советов и предоставляют консультации ведущим компаниям в этих областях. Наши выпускники основали несколько компаний, занимающихся производством полупроводников и средств связи.

В наших лабораториях есть современные инструменты для проектирования, изготовления и тестирования высокочастотных цепей, систем и структур. Инструменты численного электромагнитного моделирования включают Ansoft HFSS, Sonnet EM-Suite, IE3D, CST Microwave Studio, AWR Microwave Office и Remcom XFDTD.Инструменты проектирования RF / Microwave и VLSI включают Agilent ADS, программное обеспечение Cadence Design Systems и другие. ВЧ испытательное оборудование включает в себя широкий спектр генераторов сигналов до> 100 ГГц, анализаторы спектра до> 200 ГГц, тестеры частоты ошибок по битам до> 50 Гбит / с, 2- и 4-портовые векторные анализаторы цепей, работающие на частотах до 250 ГГц, оборудование для измерения фазового шума до 100 ГГц и очень быстрые осциллографы с полосой пропускания 40 ГГц. У нас также есть 8 зондирующих станций, способных работать в диапазоне радиочастот до> 300 ГГц, оборудование для сборки и сборки схем, а также доступ к механическому цеху на территории кампуса для изготовления сложных корпусов и электромагнитных структур.У нас есть системы измерения антенн как в дальнем, так и в ближнем поле до 300 ГГц, а также камера Фарадея для измерений с низким уровнем шума. Для измерений со сверхмалым энергопотреблением доступны сверхчувствительные измерители тока и источника с разрешением <1 фА.

У нас есть полный доступ к современной лаборатории микротехнологий (веб-сайт) для производства современных твердотельных, оптических и RF MEMS-устройств. Сюда входят инструменты для субмикронной литографии и электронно-лучевой литографии, напыления и испарения, PECVD, RIE, усовершенствованные инструменты для травления, гальванические станции и полный набор диагностического оборудования (3-D профилометр Wyko, Dektak, стресс-тестер, лазерные резаки и т. Д. .). Также доступны три современных машины SEM.

Реализация электронных схем на основе жидкой синтетической плазмы — новая концепция

Биологическое сопротивление R и емкость C

Синтетическая плазма содержит ионы электрически заряженных частиц. Под действием внешней ЭДС они приобретают динамизм, сталкиваются с гранями и, таким образом, проявляют сопротивление R. Аналогичным образом, ионы электрически заряженных частиц, размещенные на расстоянии, имеют динамическое поле ЭДС между собой и, таким образом, проявляют емкость C.Трубки из силиконовой резины разного расстояния и разного диаметра заполнялись синтетической плазмой. Емкость трубки C и сопротивление R измерялись емкостным измерителем и мультиметром.

На рисунке изображена принципиальная схема нестабильного мультивибратора. Здесь оба конденсатора (C ₁ и C ₂ ) заряжаются и разряжаются, но не одновременно, поэтому в соответствии с их полярностью транзисторы Q ₁ и Q ₂ включаются и выключаются, но опять же, не одновременно. время, поэтому в результате схема выдает два стабильных состояния с регулярным интервалом.

а) Базовая электронная схема нестабильного мультивибратора; б) Схема синтетической плазмы нестабильного мультивибратора.

Создание транзистора на основе ткани (кожи) человека возможно сейчас, когда разные точки кожи можно рассматривать как три контакта транзистора (5). Фактически, все ткани человеческого тела должны быть естественно перезаряжаемыми, потому что в реальной аппаратной схеме нет возможности заряжать их, как батарею (9). Также схема, которая работает с человеческим телом, должна быть с минимальным энергопотреблением, компактной и менее шумной для минимального повреждения клеток (10).Авторы сначала заменили один регистр на синтетическую плазму и проверили выходные характеристики. Как только выходные характеристики соответствуют всем идеальным характеристикам схемы, авторы заменили другой компонент той же схемы, и в конечном итоге они придумали биологическую электронную схему на основе синтетической плазмы.

На рисунке изображена реальная базовая схема нестабильного мультивибратора на основе синтетической плазменной жидкости. Здесь различные резисторы и конденсаторы были реализованы путем вставки двух металлических проводов в пробирки (заполненные синтетической плазмой).Плазма действует как резистор, а также как конденсатор, как описано ранее. После реализации резистора и конденсатора была предпринята успешная попытка реализовать два транзистора. Как показано на рисунке 1b, три медные пластины (2 см × 3 мм) были соединены металлическими проводами, вставленными в пробирки, заполненные плазмой, образующие транзисторы.

Как видно из рисунка, все трубки заполнены одинаковым уровнем плазмы. Для реализации регистров / конденсаторов анализировали жидкость от 15 до 20 мл в прозрачных стеклянных пробирках диаметром 12 мм.Аналогичным образом, используя транзисторы, анализировали от 40 мл до 50 мл жидкости в прозрачных стеклянных пробирках диаметром 25 мм. Деревянная подставка используется для механической опоры.

На рисунке и рисунке показаны схема электронного дифференциального усилителя и физическая модель аналогичной схемы соответственно. В идеальной электронной схеме две базы транзисторов являются входами. Следовательно, они вычитали и умножали на пару. В результате могут быть получены синусоидальные выходы со сдвигом фазы на 180 °.

а) Схема дифференциального усилителя; б) Схема схемы синтетической плазмы вне дифференциального усилителя.

На этот раз авторы применили аналогичный подход к созданию электронной схемы. Было взято пять ламп, чтобы реализовать три резистора и два транзистора, так как они были заполнены синтетической плазменной жидкостью (равное физическое количество). Здесь также синтетическая плазма играет важную роль в разработке компонентов и, наконец, всей биологической электронной схемы.

Распечатать эти электронные схемы прямо на коже

Таким образом, остаются большие надежды на другой вид нуклеиновой кислоты вакцины, в которой используется ДНК, а не мРНК.Вакцины на основе ДНК обладают большинством преимуществ мРНК-вакцин, но они не вызывают серьезных побочных эффектов и, что особенно важно, их не нужно хранить в холодильнике. Эти характеристики могут сделать эти вакцины благом для сельских и бедных регионов. «Если нам действительно нужно вакцинировать 7 миллиардов человек, нам могут понадобиться все возможные технологии», — говорит Маргарет Лю, председатель правления Международного общества вакцин.

Устройство Inovio использует метод, называемый электропорацией, для проникновения ДНК-вакцины в клетки.Кейт Бродерик, старший вице-президент Inovio по исследованиям и разработкам, работала над этим методом в течение многих лет, но пандемия дала как мотивацию, так и финансирование для ускорения разработки. Спенсер Лоуэлл

ДНК-вакцины, однако, сопряжены с серьезной проблемой. При введении с помощью обычной иглы для подкожных инъекций они, в лучшем случае, вызывали лишь слабый иммунитет во многих исследованиях на людях. Но если небольшая амбициозная компания из Пенсильвании, поддерживаемая Министерством обороны США, преуспеет в своих клинических испытаниях, ДНК-вакцины — с помощью новой технологии доставки — могут вскоре присоединиться к борьбе с COVID-19 и множеством других вирусных заболеваний.

Компания Inovio Pharmaceuticals использует методику, известную как электропорация, при которой электрический импульс, прикладываемый к коже, на короткое время открывает каналы в клетках, позволяя вакцине проникнуть внутрь. После стандартной инъекции вакцины устройство электропорации Inovio, которое выглядит как электрическая зубная щетка, прижимается к коже. При нажатии кнопки слабое электрическое поле проникает в руку, открывая каналы в клетки. Этот инструмент дает ДНК-вакцинам необходимый импульс для работы на людях — по крайней мере, так заявляют в компании.Это инженерное решение биологической проблемы.

Имея в виду своих зарубежных боевиков, Министерство обороны США (DOD) поддержало подход Inovio, заключив с Inovio контракт на 71 миллион долларов США на расширение производства своего устройства электропорации, а также нераскрытую сумму для покрытия фаз 2 и 3 исследований вакцина COVID-19 компании. Фонд Билла и Мелинды Гейтс выделил компании 5 миллионов долларов в рамках усилий по обеспечению равноправного доступа к вакцинам против COVID-19.

Inovio сейчас завершает фазу 2 исследований, в которых проверяется безопасность и эффективность вакцины на относительно небольших группах в США и Китае, и эти результаты неизбежны.Тем временем компания наращивает производство, планируя поставить сотни миллионов доз вакцины против COVID-19 населению мира, если вакцина окажется успешной.

Но вот загвоздка: инструмент электропорации важен для вакцины Inovio, но он также добавляет уровень сложности. Это одновременно и средство, и препятствие. Inovio должна производить не только вакцину, но также устройство и одноразовые наконечники к нему. Любому участку вакцинации, планирующему ввести вакцину Inovio, потребуется не только устройство, но и люди, которые знают, как его использовать.Общественность должна будет укрепить доверие к новому аппарату. И все это должно произойти во время пандемии и безудержного внедрения вакцины, характеризуемого повальной дезинформацией и, в некоторых случаях, нежеланием вакцинироваться.

На этом фоне идея усложнить массовую вакцинацию с помощью электрического устройства вызвала скептицизм. «Это нестандартная методика вакцинации», — отмечает Джон Мур, иммунолог из Weill Cornell Medicine в Нью-Йорке. Методика может сработать, но «насколько она практична — это совершенно другой вопрос», — говорит он.

Ни скептики, ни жесткие вопросы регулирующих органов не остановили Inovio. Не имеет значения и тот факт, что, несмотря на более чем десятилетние исследования и разработки в области других болезней, компании еще предстоит вывести ДНК-вакцину на рынок. Это вряд ли нормальные времена. Коронавирус продвинул многие другие новые технологии, лекарства и вакцины в мейнстрим, и в процессе этого были созданы огромные истории успеха в бизнесе. Inovio делает ставку на то, что его технология попадет в эту элитную группу победителей эпохи пандемии.

Вакцины на основе нуклеиновых кислот привлекали ученых на протяжении десятилетий, потому что их можно быстро разработать и легко изготовить. Эти вакцины обычно изготавливаются либо с ДНК, двухцепочечной молекулой, несущей генетический код живых организмов, либо с матричной РНК (мРНК), одноцепочечной молекулой, которая комплементарна ДНК и несет инструкции ДНК для синтеза белков. Вакцины на основе ДНК и мРНК можно рассматривать как схемы, которые инструктируют клетку производить определенный белок из вируса, который вызовет иммунный ответ.

Вакцина Inovio содержит фрагмент ДНК, который кодирует производство белка коронавируса. Если позже организм подвергнется действию настоящего вируса, иммунная система распознает этот белок и установит защиту. ДНК сначала амплифицируется в бактериальных клетках (вверху), а затем очищается (внизу). Спенсер Лоуэлл

При создании вакцины на основе нуклеиновых кислот ученые сначала секвенируют геном вируса. Затем они выясняют, какой из его белков является наиболее важным и наиболее распознаваемым иммунной системой человека.Затем они производят ДНК или мРНК, которые кодируют производство этого белка, и превращают его в вакцину. Этот генетический материал вводится в организм, где соседние клетки принимают его и начинают следовать своим новым инструкциям по созданию вирусного белка. Для иммунной системы это выглядит как вирусная инфекция и вызывает реакцию. Теперь, если когда-нибудь появится настоящий вирус, иммунная система будет готова к атаке.

Изменить дизайн вакцины на основе нуклеиновых кислот так же просто, как вставить новый код.Это невероятно важно, когда вы сталкиваетесь с вирусом, который часто мутирует. Действительно, несколько очень заразных вариантов SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19, уже появились во всем мире, и ученые предупредили, что доступные в настоящее время вакцины могут быть менее эффективными против некоторых из них.

Несмотря на привлекательность нуклеиновых кислот, ни одна из них не была одобрена для коммерческого использования у людей медицинскими регулирующими органами до пандемии. Фактически, большинство вакцин на основе нуклеиновых кислот не прошли промежуточных клинических испытаний.Проблема: клетки человека с трудом принимают чужеродную ДНК или мРНК. После инъекции большая часть вакцины останется инертной в организме и в конечном итоге разрушится, не вызывая значительной иммунной реакции.

Разработчики мРНК-вакцин недавно решили эту проблему, упаковав вакцину с химическими веществами. В одном из подходов исследователи инкапсулируют мРНК в жировые капли, называемые липидными наночастицами, которые сливаются с клеточной мембраной и помогают вакцине проникнуть внутрь.

Такие компании, как BioNTech, Moderna и CureVac, были в процессе тестирования различных мРНК-вакцин против других вирусов, когда разразилась пандемия COVID-19.Давление рынка и миллиарды долларов от правительств помогли компаниям завершить работу, причем быстро. Вакцина мРНК от BioNTech, в сотрудничестве с Pfizer, первой поступила на рынок в Соединенных Штатах и ​​Европе, за ней быстро последовала вакцина от Moderna.

Но стратегии доставки, используемые для мРНК-вакцин, не работают для ДНК-вакцин. Эта проблема привела к изливу творческого развития и, в конечном итоге, к принятию электротехнического подхода.

Первые исследования ДНК-вакцин на людях, которые начались в середине 1990-х, «потерпели полный провал», — говорит Кейт Бродерик, старший вице-президент по исследованиям и разработкам Inovio.Вакцина просто не вызвала особого иммунного ответа. «Это было большим сюрпризом и разочарованием, — добавляет Джеффри Улмер, который до прошлого года возглавлял доклинические исследования и разработки в фармацевтическом гиганте GSK, а теперь является отраслевым консультантом. множество различных мишеней болезней, это просто не могло быть перенесено на людей », — говорит он.

Проблема заключалась в том, чтобы заставить ДНК, которая представляет собой большую молекулу, проникнуть не только через внешние слои клетки, но и через ядерную мембрану клетки в ядро.В отличие от мРНК-вакцины, которая может функционировать в частях клетки вне ядра, ДНК-вакцина может функционировать только внутри ядра. Некоторые исследователи полагали, что ДНК-вакцины хорошо работают у мелких животных, потому что инъекционная игла создает давление, которое повреждает многие окружающие клетки, позволяя молекулам ДНК проникать. Но в более крупных человеческих телах игла создает относительно небольшое давление, и меньшее количество клеток принимает вакцину.

Итак, ученые начали экспериментировать с более физическими способами доставки вакцин и увеличения клеточного поглощения.«Это здравый смысл: вместо того, чтобы сказать:« Пожалуйста, откройте маленькое окошко и позвольте мне войти », вы применяете жестокий подход, когда вы ломаете дверь», — говорит Шан Лу, иммунолог из Медицинской школы Массачусетского университета.

С этой целью исследователи разработали всевозможные творческие методы для физического введения вакцин в организм. Они попробовали сонопорацию, при которой звуковые волны проникают через внешний слой клетки, и инъекции под давлением, при которых поршень, толкаемый внезапным высвобождением энергии, обеспечивает узкая струя жидкости под высоким давлением.Они экспериментировали с микроволнами, в которых искра, генерируемая электродами, вызывает микровзрыв, посылая волну энергии, которая проталкивает вакцину через кожу без иглы. Они опробовали генные пушки, которые продвигают покрытые ДНК частицы золота в клетки, и микроиглы, которые были пропитаны вакциной и превращены в участки кожи.

Новейшее устройство Inovio, Cellectra 3PSP, в настоящее время производится на заводе Inovio в Сан-Диего. Карманный компьютер Cellectra выдает около сотни доз на одном заряде батареи.Его электроды посылают серию электрических импульсов, которые заставляют близлежащие клетки открывать каналы, через которые может проникнуть вакцина. Спенсер Лоуэлл

Среди всех этих претендентов электропорация выделялась как особенно многообещающая. «Электропорация, возможно, была технологией, которая позволила ДНК-вакцинам действительно возродиться в качестве технологии, которую можно было бы использовать», — говорит Эми Дженкинс, менеджер программы биологических технологий в исследовательском подразделении вооруженных сил США, DARPA, которое инвестировало как в мРНК, так и в ДНК. вакцины на основе.

Исследователи уже несколько десятилетий регулярно используют электропорацию для переноса генетического материала в клетки в лаборатории. Врачи также использовали высоковольтную версию электропорации для разрушения раковых образований у людей в рамках хирургической техники. Так что адаптация его к вакцинам не была радикальным шагом.

Новейшее устройство электропорации от Inovio, Cellectra 3PSP, является портативным и работает от батареи. Он может доставить около сотни доз на одной зарядке и имеет срок службы около 5000 использований из-за ограничений батареи.Для каждого использования требуется одноразовый наконечник. Как и в случае с более традиционными вакцинами, местом инъекции является плечо. Вакцинация начинается с внутрикожной инъекции вакцины — укола, наносимого только под кожу. Затем кончик устройства Cellectra прижимается к коже непосредственно над местом укола. Электроды длиной около 3 миллиметров подают серию из четырех прямоугольных электрических импульсов длительностью 42 миллисекунды каждый, с силой тока 0,2 ампера.

По данным клинического исследования Inovio, реципиент чувствует кратковременный приступ боли, схожий с уровнем боли, который испытывают люди от прививки от гриппа.Получатели оценили его в среднем примерно на 2,5 балла по шкале от 0 до 10, хотя говорят, что это ощущение похоже на ощущение жужжания, а не на укол и давление укола.

Импульсы заставляют близлежащие клетки временно открывать каналы, через которые может проникнуть вакцина. Как только электрические импульсы заканчиваются, эти каналы закрываются. «Теперь эта молекула ДНК заперта внутри клеток», — говорит Бродерик из Inovio. Затем ДНК «действует как код, поэтому ваши клетки становятся фабрикой по производству вакцины», — объясняет она.По словам Лу из Массачусетского университета, электропорация обычно в 10-100 раз эффективнее вызывает иммунный ответ, чем та же ДНК-вакцина, вводимая только с помощью обычной иглы.

За последнее десятилетие ДНК-вакцины Inovio были протестированы против ВИЧ, лихорадки Эбола, MERS, лихорадки Ласса и вируса папилломы человека (ВПЧ), каждая из которых доставлялась с той или иной формой электропорации. По словам Бродерика, в общей сложности более 3000 человек получили одно из электропорированных лекарств Inovio, в основном в рамках фаз 1 и 2 исследований.

В исследовании фазы 1 с участием 40 добровольцев вакцина Inovio от COVID-19, вводимая в двух дозах, оказалась безопасной и вызвала иммунный ответ. Результаты мало что говорят нам о том, насколько хорошо вакцина защитит от COVID-19 в реальной жизни. Это станет более ясным после завершения второго этапа исследования с участием 400 добровольцев в Соединенных Штатах, которое в настоящее время ведется. Компания также проводит исследование фазы 2 с участием 640 добровольцев в Китае, где она сотрудничает с биотехнологической компанией Advaccine Biopharmaceuticals Suzhou Co.коммерциализировать вакцину.

Во время пандемии некоторые разработчики вакцин связывали различные фазы своих клинических испытаний, чтобы ускорить процесс. Но Inovio пока не может начать испытание фазы 3 в Соединенных Штатах — сначала ему нужно ответить на вопросы Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США об устройстве Cellectra 3PSP. В сентябре FDA уведомило Inovio о частичной «клинической приостановке» испытаний — тактике, которую агентство использует, когда его рецензенты обнаруживают проблемы с безопасностью или качеством продукта, которые не были решены разработчиком лекарства.«Вакцина Inovio поставляется с отдельным новым устройством, поэтому для этого требуется дополнительный независимый надзор со стороны проверяющих устройств FDA», — говорит Деннис Клинман, бывший старший обозреватель вакцин в FDA, а теперь консультант. По его словам, причиной приостановки клинических испытаний, вероятно, является дополнительный контроль за устройством.

Inovio заявляет, что планирует ответить на вопросы FDA, используя данные из исследования фазы 2, но не раскрывает специфику запросов агентства. «Речь не шла о безопасности или использовании устройства в клинике», — говорит Бродерик.«Нам нужно прояснить больше логистических областей».

Помимо Inovio, по крайней мере три другие компании — Genexine, Takis и OncoSec — проводят на людях исследования электропорированной ДНК-вакцины против COVID-19. Другие компании, такие как Ichor Medical Systems и IGEA Clinical Biophysics разработали устройства электропорации, которые они лицензируют фармацевтическим компаниям для доставки ДНК-вакцины против других заболеваний. Однако не все думают, что электропорация — это решение для ДНК-вакцин.Некоторые группы продолжают работать над альтернативными методами доставки, надеясь, что всплеск интереса со стороны пандемии подтолкнет и их стратегии к финишу.

В двухэтапном процессе Inovio ДНК-вакцина сначала вводится с помощью шприца. Затем устройство Cellectra прижимается к коже для электропорации клеток. Спенсер Лоуэлл

Введение нового, незнакомого устройства в процесс вакцинации, особенно во время пандемии, несомненно, сопряжено с логистическими проблемами.Устройства должны производиться и поставляться серийно, что увеличивает стоимость вакцины. Медицинский персонал должен быть обучен работе с Cellectra. Дополнительный шаг (удар после прививки) увеличивает время каждой вакцинации. Учитывая, что люди выстраивались тысячами в автомобильные очереди протяженностью в несколько миль, чтобы получить вакцину от COVID-19, эти неудобства нетривиальны.

«Я не знаю, что [вакцина Иновио] будет использоваться» во время этой пандемии, — говорит Мур, иммунолог из Weill Cornell.«Он не является одним из самых мощных и одним из самых неудобных в доставке, поэтому в конце концов люди будут голосовать ногами — или руками, в зависимости от того, что может быть», — говорит он. Лю из Международного общества вакцин добавляет: «У нас даже нет достаточного количества людей, обученных в США, чтобы делать достаточно инъекций шприцами». «Будет трудно сделать», — говорит она.«Я думаю, что это устройство представляет собой гораздо более серьезную проблему, не с точки зрения логистики, а с точки зрения маркетинга», — говорит Брюс Гудвин, который в настоящее время возглавляет исследования по созданию биотехнологий в Управлении совместной программы Министерства обороны США по химическим, биологическим, радиологическим и химическим веществам. Ядерная оборона (JPEO – CBRND). «Устройство, которое [выглядит] в основном [похоже] на смесь соникатора и электрошокера, не обязательно из тех пиарщиков, которых хотят выпускать, если нет другого выбора.»

Спенсер Лоуэлл

С другой стороны, вакцины против COVID-19, доступные прямо сейчас, не могут быть доступны в больших количествах по всему миру. Изначально вакцины Pfizer и Moderna должны были транспортироваться и храниться в морозильных камерах при температуре около –80 ° C и –25 ° C соответственно. (В феврале компания Pfizer пересмотрела свои правила хранения, чтобы разрешить хранение при температуре
–25 ° C до двух недель.) Вакцины COVID-19, разработанные Johnson & Johnson, AstraZeneca и Novavax, а также внедренные в Китае и России не нужны ультрахолодные морозильники, но все они нуждаются в охлаждении.

Во многих бедных и отдаленных частях мира этой сложной цепочки поставок холодильников или морозильников просто не существует. Даже в более развитых и урбанизированных странах существует множество историй о неудачах. Плохой температурный режим испортил 12 000 доз на пути в Мичиган. Отключенный морозильник убил 2000 доз в больнице в Массачусетсе. Повсеместные отключения электроэнергии в Техасе привели к остановке поставок и заставили чиновников изо всех сил пытаться ввести тысячи доз, прежде чем они испортятся.

Вакцина, которую можно хранить при комнатной температуре, позволит избежать этих ловушек и «значительно упростит распространение вакцины по всему миру», — говорит Улмер, бывший исследователь GSK.«Это большое преимущество». По данным компании, вакцина Inovio стабильна в течение года при комнатной температуре от 19 ° C до 25 ° C и не менее месяца в жарком климате.

Вакцины Pfizer и Moderna с мРНК также обычно вызывают гриппоподобные побочные эффекты, такие как лихорадка, озноб, головная боль, мышечные боли, тошнота и усталость. Некоторые из этих реакций были невероятно сильными, — говорит Барбара Фелбер, старший научный сотрудник отделения вакцин Национального института рака. Например, через несколько часов после вакцинации мРНК COVID-19 25-летний сын Фельбера дрожал и дрожал с ног до головы, будучи одетым во все одеяла в своей квартире.«У него была такая плохая реакция, что мы разговаривали с ним по телефону всю ночь», — говорит Фелбер. Конечно, у большинства людей нет такой реакции, добавляет она, и побочные эффекты временны. «Так лучше. иметь [побочные эффекты], чем заразиться SARS-CoV-2 », — подчеркивает она.

Центры США по контролю и профилактике заболеваний (CDC) отслеживают побочные эффекты вакцин против COVID-19 с помощью инструмента для смартфонов под названием
V-safe, с помощью которого получатели могут самостоятельно сообщать о своих симптомах.Около 25 процентов участников сообщили о лихорадке, а 42 процента сообщили о головных болях после приема второй дозы вакцины Pfizer. «Я не слышал ни о ком, кто получил бы инъекцию ДНК с электропорацией, у кого был бы какой-либо из этих типов побочных эффектов», — говорит Фелбер.

Для ДНК-вакцины Inovio единственным побочным эффектом является кратковременная жужжащая боль в месте инъекции, говорит Бродерик, руководитель отдела исследований и разработок компании

Положительных сторон ДНК-вакцин, плюс простота производства и низкая стоимость одной дозы, было достаточно, чтобы убедить Министерство обороны вложить значительные средства в Inovio на раннем этапе пандемии.В июне 2020 года агентство выделило 71 миллион долларов на расширение производства устройства Cellectra для вакцины против COVID-19. Министерство обороны также оплатит исследования фазы 2 и 3 клинических испытаний Inovio, говорит Николь Дорси, директор по отбору и оценке технологий в JPEO-CBRND Министерства обороны США, которая курирует финансирование. «Устройство электропорации, вероятно, является менее привлекательной частью ДНК-вакцины», но развернуть его намного проще, чем поддерживать транспортировку по холодовой цепи за границу, — говорит она.

Логистика нового устройства кажется вполне управляемой для военных.«Пытаться развернуть эти устройства [Cellectra] 3PSP для 300 миллионов человек на каждом Walgreens на каждом углу — это логистическая проблема, которая, вероятно, просто неразрешима», — говорит Крис Эрнхарт, технический директор программы поддержки биотехнологий в JPEO-CBRND. «В случае Министерства обороны это легко разрешимо, потому что у нас очень специфическая популяция, и цифры просто ниже».

Даже если технология и вакцины Inovio не будут приняты в гражданском мире во время этой пандемии, они могут оказаться полезными в долгосрочной перспективе.«Инвестиции, которые мы делаем сейчас, связаны с реакцией на COVID, но во многих отношениях мы также готовимся к следующему мероприятию, — говорит Эрнхарт. — Это может быть мероприятие биологической войны или другое эндемическое заболевание. вспышка.»

И, возможно, пришло время для технического апгрейда. Бродерик из Inovio отмечает, что люди впервые начали вводить лекарства с помощью шприцев около 1650 года, когда гусиные перья использовались для игл. «На самом деле это действительно устаревший метод, — говорит она. — В то время, когда у нас в карманах больше вычислительной мощности, чем то, что было на Луне, мы должны быть открыты для новых технологий доставки вакцин.»

Эта статья появится в номере печати за июнь 2021 года как« Vaccines Go Electric ».

Статьи по теме в Интернете

Основы проектирования и анализа электронных схем

Электронные схемы состоят из дискретных компонентов схемы (например, конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов), которые все соединены между собой на макетной плате или печатной плате (PCB).

В этой статье обсуждаются основные концепции проектирования и анализа схем.Но сначала давайте взглянем на основные элементы схемы.

Основные элементы схемы

На высоком уровне электронные схемы состоят из трех элементов:

• Источник питания: подает питание переменного или постоянного тока на цепь

• Проводник: среда, по которой электричество течет от источника к нагрузке

• Нагрузка: любой элемент, потребляющий или рассеивающий энергию. На практике электрические нагрузки могут относиться к различным компонентам на макетной плате или печатной плате.

Печатные чертежи принципиальных электрических схем.

Цепи переменного и постоянного тока

В зависимости от типа источника питания цепи могут быть переменного или постоянного тока. Источник питания в цепи переменного тока подает периодически реверсивный ток, графически изображенный в виде синусоидальной формы волны, в то время как цепи постоянного тока имеют однонаправленный ток с чистой синусоидальной формой волны. Цепи переменного тока используются в приложениях с большой мощностью, таких как электродвигатели и сети передачи энергии, в то время как цепи постоянного тока обычно используются в приложениях с низким энергопотреблением, таких как портативная электроника и системы управления батареями (BMS).

Аналоговые и цифровые схемы

Аналоговые схемы — это электронные системы, в которых ток и напряжение непрерывно меняются во времени, то есть они передают информацию в виде изменяющихся во времени непрерывных сигналов. Аналоговые схемы бывают одного из двух типов — активные или пассивные. Активные схемы содержат активные компоненты, такие как транзисторы и диоды, в то время как пассивные схемы содержат пассивные компоненты, такие как резисторы и катушки индуктивности. Обычное применение аналоговых сигналов — это приборы для лечения, такие как сигналы электрокардиограммы (ЭКГ).

Цифровые схемы используют цифровые сигналы, состоящие из двух дискретных уровней. Оба уровня представляют разные «состояния», такие как 1/0, ВКЛ / ВЫКЛ или Истина / Ложь. Они часто содержат транзисторы, которые создают логические вентили с использованием логической логики. Логические вентили — это строительные блоки интегральных схем (ИС), используемых в современных электронных устройствах, таких как ноутбуки, смартфоны и бытовая техника.

Разработка принципиальной схемы

Схемы электрических цепей представляют собой символические изображения электрических цепей, которые могут быть составлены на бумаге или в цифровой форме (с использованием программного обеспечения для проектирования печатных плат, такого как EasyEDA).На принципиальной схеме показаны различные компоненты (с использованием стандартных электронных символов) и их взаимосвязи. Эти дизайны обычно располагаются слева направо на странице.

Чтобы спроектировать принципиальную схему с помощью программного обеспечения для печатных плат, вы можете начать с базового шаблона схемы. На панели в приложении (которая может быть обозначена как «символы» или «инструменты») вы можете выбирать из множества электронных компонентов, таких как конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы и многое другое. При необходимости выберите и разместите компоненты в различных точках схемы и соедините их соединительными линиями.Вы также можете усложнить свои схемы, создав дополнительные слои с помощью планов этажей печатных плат.

Крупный план следов цепи на готовой печатной плате.

Тестирование и проверка

В программной среде печатной платы вы можете тестировать свои конструкции, регулируя различные параметры схемы, например, подавая на элемент питание постоянного или переменного тока или изменяя значения резисторов. Если ваш проект точен, система должна работать так, как задумано, и выдавать результат, аналогичный тому, который вы получили бы при расчетах.

Для устранения проблем с электричеством (проверка) вы можете проверить наличие ошибок в своей конструкции, запустив программу проверки электрических правил (ERC). Для решения проблем проектирования в большинстве программных инструментов есть средство проверки правил проектирования (DRC). DRC проверяет, соответствует ли ваш проект геометрическим ограничениям целевой печатной платы. Например, он проверяет минимальную ширину дорожек, расстояние между дорожками, контактными площадками и сквозными отверстиями, а также проверяет, что заземление аналоговой и цифровой схемы разделено.Когда ваша схема будет завершена, вы можете преобразовать ее в компоновку для изготовления окончательной печатной платы.

Анализ электрических цепей

Анализ цепи — это процесс определения напряжений и токов в каждом элементе электронной схемы. Целью этого является решение проблем в электрических цепях с использованием установленной системы уравнений. Двумя популярными методами анализа цепей являются метод узлового напряжения и метод тока сетки. Оба полагаются на законы Кирхгофа и Ома.

Метод напряжения узла

Метод узлового напряжения (также известный как узловой анализ) использует закон Кирхгофа и закон Ома для определения напряжений между узлами (точками в цепи, в которых соединяются два или более элемента).

Согласно закону Ома, величина тока, протекающего через любые две точки в электронной цепи, прямо пропорциональна разности потенциалов (также известной как ЭДС) между двумя точками. Математически это выражается как V = I / R (где v — напряжение в вольтах, I — ток в амперах, а R — сопротивление в Ом).

Текущий закон Кирхгофа (KCL) гласит, что ток, текущий в узел и из узла в любой момент времени, эквивалентен. Математически это выражается как IOUT = IIN или — IOUT + IIN = 0.

Основные этапы узлового анализа включают:

• Выбор опорного (или заземляющего) узла и определение его значения как 0 В

• Использование обозначений, таких как узлы a, b, c и т. Д., Для определения всех остальных узловых напряжений

• Использование KCL для определения узловых напряжений в цепи

• Решение узловых токов по закону Ома

Электронные схемы — это тонкая «электростанция» всех современных устройств и оборудования.Кредит изображения: Pixabay.

Метод течения сетки

Метод узлового напряжения использует закон напряжения Кирхгофа (KVL), чтобы найти значение тока, протекающего по петлям в цепи. KVL утверждает, что алгебраическая сумма всех напряжений в контуре равна нулю. Математически KVL можно выразить как ∑ (I1 + I2 + I3) = 0.

Текущий метод сетки основан на концепции петель и сеток. Петля — это любая замкнутая область вокруг цепи, начинающаяся от вывода любого компонента, вокруг соединенных элементов и обратно до начальной точки.Сетка — это петля, не содержащая другой петли.

Чтобы найти токи, протекающие по петлям, с помощью метода тока сетки:

• Найдите сетки внутри схемы

• Назначьте текущие обозначения каждой сетке, работая по часовой стрелке или против часовой стрелки

• Запишите уравнения KVL для каждой сетки

• По полученным уравнениям вычислите токи в сетке.

Электронные схемы различной сложности присутствуют во всех видах оборудования или устройств, улучшающих качество жизни человека.