Когда речь заходит о модернизации электрического щита в жилом доме, будьте уверены, что электрик работает с устройствами, использующими цепи, даже если его работа кажется строго электрической. Например, автоматический выключатель с защитой от дугового замыкания (AFCI) достаточно продвинут, чтобы анализировать форму волны тока, различать безвредные и опасные дуги и прерывать цепь при возникновении неисправности (что происходит за доли миллисекунды). В этом случае автоматический выключатель можно определить как электронное устройство. Печатная плата внутри включает микроконтроллер, токовый тороид для измерения тока и источник питания, составляющие электронную схему. Фактически, знание принципов работы и особенностей таких устройств, а также их компонентов и взаимосвязей жизненно важно для электриков, техников, домовладельцев и людей, чья жизнь связана с современными электрическими устройствами. Настоящее руководство предоставляет исчерпывающий обзор электронных устройств и схем, а также информацию об их функционировании.
Что такое электронное устройство?
Электронное устройство — это тип устройства или набор устройств, управляющих потоком электрического тока. Это означает, что оно не просто позволяет току проходить, как это делает медный провод, а принимает более активное участие, управляя потоком тока тем или иным образом, то есть включая и выключая ток, усиливая его, сохраняя, фильтруя, преобразуя из одной формы в другую или выполняя любой другой процесс, связанный с направлением потока электрического тока в соответствии с необходимыми результатами. Хотя различие между электрическими и электронными устройствами не слишком строгое, оно все же имеет смысл в области устройств. Например, лампы накаливания, нагреватели и двигатели являются электрическими устройствами, поскольку они используют электричество в основном для производства тепла, света или движения. Напротив, электронные устройства работают с электричеством на другом уровне и выполняют более сложные действия, такие как обработка информации, управление процессами или передача сигналов. Например, автоматический выключатель AFCI является электронным устройством, поскольку он анализирует форму волны тока и принимает решение на основе результата. В противоположность этому, тепловые и магнитные автоматические выключатели реагируют на ток пассивно и, следовательно, не являются электронными устройствами.
В следующей таблице представлены различные виды электронных устройств, их функции и ситуации, в которых они используются.
| Категория устройства | Его функция | Примеры из повседневной жизни |
|---|---|---|
| Пассивные компоненты | Сопротивляются, сохраняют или фильтруют электрическую энергию без усиления или переключения. Для выполнения своей основной функции они не требуют внешнего источника питания. | Резисторы (ограничивают ток), конденсаторы (хранят заряд, сглаживают напряжение), катушки индуктивности (хранят энергию в магнитном поле, фильтруют сигналы). Присутствуют в каждом электронном изделии — блоке питания зарядного устройства телефона, кроссовере аудиоколонки, таймерной схеме микроволновой печи. |
| Полупроводниковые устройства (активные компоненты) | Усиливают, переключают или преобразуют электрические сигналы. Они требуют внешнего источника питания и формируют активный “интеллект” цепи. | Диоды (пропускают ток только в одном направлении — выпрямители, светодиоды, лазерные диоды), транзисторы (усиливают или переключают сигналы — фундаментальный строительный блок всей современной электроники), интегральные схемы (микропроцессоры, микросхемы памяти, операционные усилители — объединяют миллионы транзисторов на одном кремниевом кристалле). Микроконтроллер в автоматическом выключателе AFCI, процессор в смартфоне, драйвер в светодиодной лампе. |
| Датчики и преобразователи | Преобразуют физическую величину — температуру, свет, давление, движение, магнитное поле — в электрический сигнал или наоборот. | Терморезисторы (температура), фотодиоды (свет), датчики эффекта Холла (магнитное поле — используются в клещевых мультиметрах и контроллерах двигателей), пьезоэлектрические кристаллы (давление и вибрация). Датчик присутствия в умном выключателе света, датчик тока в клещевом мультиметре, микрофон в телефоне. |
| Защитные устройства | Защищают цепи и людей от перегрузки по току, перенапряжения и замыканий на землю. Некоторые из них чисто электрические; самые современные — электронные. | Предохранители и стандартные автоматические выключатели (электрические), устройства GFCI/RCD (электронные — обнаруживают дисбаланс тока и срабатывают), устройства защиты от перенапряжений (электронные — отводят импульсные напряжения), автоматические выключатели AFCI (электронные — анализируют формы тока на наличие дуговых разрядов). Компания HUYU производит полный ассортимент этих защитных электронных и электрических устройств, включая RCBO и AFDD, которые объединяют несколько функций защиты в одном устройстве, таких как HUM18LE‑63 УЗО, которые интегрируют защиту от перегрузки по току и защиту от остаточного тока. |
Что такое электронная цепь?
Электронная цепь — это сеть, состоящая из различных электронных компонентов, которые работают вместе для достижения заданных целей. Такие компоненты соединены проводящими материалами — медными проводами в случае печатной платы, проводами и жгутами в случае проводного жгута или даже микроалюминиевыми дорожками в кремниевых микросхемах. Функциональность каждого элемента сети зависит от определённых физических принципов. Например, резистор должен подчиняться закону Ома, ограничивая ток до определённого значения (V=I*R). Конденсатор служит для накопления энергии согласно формуле Q=C*V. Транзистор предназначен для усиления или переключения на основе управляющих выводов транзисторной схемы. При разработке соответствующей топологии становится возможным создавать операции или функции, которые не выполнял бы отдельный компонент сети.
Типы электронных цепей
Электронные цепи классифицируются по типу обрабатываемого сигнала и по их функции в более крупной системе. Три основных категории: аналоговые цепи, цифровые цепи, и смешанные цепи. В таблице ниже описан каждый тип и приведены распространённые примеры.
| Тип цепи | Что они обрабатывают | Примеры |
|---|---|---|
| Аналоговые цепи | Непрерывно изменяющиеся сигналы — напряжение или ток, которые могут принимать любое значение в пределах диапазона. Аналоговые схемы усиливают, фильтруют, модулируют или преобразуют эти сигналы без преобразования их в цифровое представление. | Аудиоусилитель в ресивере домашнего кинотеатра, блок питания, который преобразует 120 В переменного тока в 5 В постоянного тока в зарядном устройстве для телефона, радиочастотный (RF) тюнер в телевизоре, управление диммированием 0–10 В для светодиодного освещения. |
| Цифровые схемы | Дискретные сигналы — напряжение или ток, которые представляют только два состояния, обычно 0 и 1. Цифровые схемы выполняют логические операции, хранят данные и выполняют запрограммированные инструкции. | Микроконтроллер в автоматическом выключателе AFCI, который запускает алгоритм обнаружения дуги, процессор в умном световом выключателе, память в компьютере, логические элементы, управляющие секвенсором светофора. |
| Смешанные сигналы | Как аналоговые, так и цифровые сигналы. Схема со смешанными сигналами преобразует между аналоговой и цифровой областями и обрабатывает оба типа информации. | Цепь обнаружения и срабатывания в розетке GFCI — аналоговая тороидальная катушка обнаруживает дисбаланс тока, аналогово-цифровой преобразователь (ADC) преобразует его в цифровое значение, а цифровой компаратор принимает решение о срабатывании механизма отключения. Аудиоподсистема смартфона — аналоговый микрофон преобразует звук в напряжение, ADC преобразует его в цифровой формат для обработки, а цифро-аналоговый преобразователь (DAC) преобразует обратно для динамика. |
Где электронные устройства и схемы встречаются в электрической защите
Для электрика, менеджера объекта или домовладельца наиболее прямое взаимодействие с электронными схемами в электрическом мире происходит через защитные устройства в щите. Стандартный миниатюрный автоматический выключатель (MCB) — это электрическое устройство — биметаллическая пластина и магнитная катушка, которые реагируют непосредственно на ток. Но автоматический выключатель AFCI, розетка GFCI, умный Wi-Fi выключатель и сетевой ограничитель перенапряжения — все это электронные устройства. Они содержат печатные платы, микропроцессоры, датчики и блоки питания, и их способность защищать людей и имущество зависит от надежной работы этих схем. GFCI, который не срабатывает из-за деградации внутренней цепи обнаружения за годы эксплуатации, является электронной неисправностью, а не механической — и эта неисправность невидима до тех пор, пока не нажата кнопка TEST. Отраслевые ресурсы от Международного фонда электрической безопасности (ESFI) и технические справочники с платформ электронного проектирования, таких как Всё о схемах предоставляют более глубокое понимание конструкции и работы этих критически важных для безопасности электронных систем. Понимание основ работы этих устройств — что резистор ограничивает ток, что конденсатор сглаживает напряжение, что микроконтроллер выполняет сохранённую программу — это не просто академические знания. Это то, что позволяет электрику диагностировать неисправный GFCI, понять, почему конкретный умный выключатель требует подключения нейтрали, и объяснить домовладельцу, почему AFCI-автомат, сработавший посреди ночи, выполнил свою функцию и не требует замены. Для помощи в выборе правильного защитного устройства для конкретной цепи наш гид по какому размеру автоматического выключателя вам нужно охватывает процесс выбора размеров на основе NEC как для стандартных, так и для электронных защитных устройств.
Часто задаваемые вопросы
Что такое электронные устройства в цепи?
Электронные устройства являются строительными блоками любой цепи, где они помогают контролировать, обрабатывать и преобразовывать различные электрические сигналы. Некоторые из этих компонентов являются пассивными элементами, включая резисторы, конденсаторы и индуктивности; полупроводниковыми устройствами, такими как диоды и транзисторы; а также датчиками и защитными устройствами, такими как GFCI, AFCI и устройства защиты от перенапряжений.
Какие существуют 4 типа электронных устройств?
Четыре основных типа электронных устройств — это пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы и индуктивности), полупроводниковые устройства (диоды, транзисторы и интегральные схемы), датчики (термисторы, фотодиоды и датчики эффекта Холла) и защитные устройства (устройства GFCI/RCD, устройства AFCI и устройства защиты от перенапряжений).
Какие существуют 7 основных электрических устройств?
На вводных занятиях используются или включаются в обучение семь элементарных электрических и электронных компонентов: резистор, конденсатор, индуктивность, диод, транзистор, трансформатор и реле. С помощью этих элементов можно создавать практические электронные устройства, такие как блок питания, усилитель, генератор, таймер и коммутационные устройства.
Какие существуют три типа электронных схем?
Три типа электронных схем — это аналоговые схемы (обрабатывающие непрерывно изменяющиеся сигналы), цифровые схемы (обрабатывающие дискретные сигналы 0/1 и выполняющие логические операции) и смешанные схемы (с аналоговыми и цифровыми функциями на одной подложке или в одной системе). Многие практические электронные изделия — смартфон, розетка GFCI или умный выключатель света — включают все три типа схем.
Ссылки
- All About Circuits — учебник и руководства по электронике. Комплексный образовательный ресурс, охватывающий электронные компоненты, анализ схем и теорию полупроводников.
- Electrical Safety Foundation International (ESFI) — технологии GFCI и AFCI. Руководство для потребителей и профессионалов по электронным защитным устройствам, предотвращающим поражение электрическим током и пожар.
- IEEE — Институт инженеров по электротехнике и электронике. Крупнейшая в мире техническая профессиональная организация, публикующая стандарты и исследования в области электронных устройств, схем и систем.
- JLCPCB — основы электронных устройств и схем. Вводное руководство, охватывающее компоненты, типы схем и основы проектирования печатных плат.
Электронные устройства и схемы являются невидимым интеллектом внутри электрических изделий, которые нас окружают. Электрические компоненты включают резисторы, конденсаторы, диоды, микроконтроллеры и др. Все они — специализированные элементы, позволяющие управлять электрическим зарядом. При правильном соединении они образуют схему, отвечающую за выполнение операции — обнаружение электрических неисправностей, включение или выключение светодиода в зависимости от времени суток, обработку голосовых команд для управления бытовыми приборами и т.д. Знание принципов работы всех перечисленных устройств и схем необходимо не только инженерам; это обязательное условие для всех, кто живет в мире, где каждое устройство — от простейшего выключателя до сложного современного телефона — работает на основе одних и тех же знаний и выполняет свои функции. Компания HUYU производит некоторые необходимые элементы схем, которые отличаются высоким качеством защиты — от полностью электрических до частично электрических электронных устройств, обеспечивающих необходимую безопасность для схем, а значит, для домов и предприятий.
