ПОЛНА «ГОРНИЦА»...
Электронные самоделки, с которыми вы до сих пор знакомились, собраны на так называемых дискретных радиоэлементах. Это — транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, трансформаторы и другие. Каждый из них имеет отдельный корпус сравнительно небольших размеров, и если таких элементов в конструкции не так уж много, то и по габаритам она невелика. А если вы задумали собрать, скажем, компьютер, состоящий из тысяч различных радиодеталей? Представьте, каким же громоздким он будет?
Но ведь многим из вас наверняка уже довелось видеть микроЭВМ, свободно помещающуюся в «дипломате». Сейчас никого не удивишь ни наручными электронными часами, ни микрокалькуляторами и даже телефонным аппаратом, вся электронная «начинка» которого заключена в трубке.
В чем же секрет этих чудесных превращений? Может быть, существуют какие-то особые элементы, в десятки, сотни или даже в тысячи раз миниатюрнее тех, с которыми вы знакомы? Действительно, такие элементы есть. Но они настолько малы, что собрать из них электронное устройство с помощью обычного паяльника невозможно. Тут нужна совершенно иная технология.
Вероятно, вы уже замечали, что узлы с одинаковыми функциями часто используются в различных по назначению аппаратах. Например, усилители — в приемниках, в стереокомплексах, в измерительных приборах; выпрямители и стабилизаторы — в блоках питания. Вот и решили конструкторы собирать из миниатюрных элементов универсальные узлы, способные работать в самых разнообразных устройствах. Причем выводы делают не от всех элементов, а лишь те, что необходимы для работы данного узла. Так возникли новые миниатюрные приборы — микросхемы (сокращенно МС). Благодаря им электронные гиганты прежних лет превратились в современные компактные и изящные аппараты и устройства.
В корпусах МС помещаются десятки, сотни и даже тысячи различных элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, индуктивностей и других. Размеры их настолько малы, что разглядеть детали можно только з мощный микроскоп.
Невидимыми нитями они связаны друг с другом, образуя самые разнообразные электронные устройства. Один такой миниатюрный прибор заменяет целую плату со множеством дискретных элементов.
Как же удается изготавливать элементы размером меньше пылинки? Существуют два основных вида микросхем: полупроводниковые и гибридные. В первых элементы формируются на поверхности специальной пластины — подложки из полупроводникового материала. Вплавляя в пластину кристаллы с различным типом проводимости, получают не только транзисторы и диоды. Так, например, конденсаторы образуются за счет собственной емкости р-п перехода, а роль резисторов выполняют участки полупроводниковой пластины между двумя соседними кристаллами (рис. 1а). В гибридных микросхемах используются бескорпусные транзисторы и диоды, а резисторы, индуктивности и конденсаторы изготавливают, напыляя на диэлектрическую подложку пленочные полоски из высокоомного и низкоомного проводящего материала (рис. 16). В обоих видах МС соединения между элементами выполняются напылением узких проводящих дорожек, а для подключения выводов на дорожках делаются расширенные участки — контактные площадки. Одновременное изготовление большого числа элементов и объединение их в один функциональный узел на языке радиоэлектроники носит название «интеграция», поэтому к слову «микросхема» часто добавляют термин «интегральная».
Промышленность выпускает огромное количество самых разнообразных микросхем, и рассказать обо всех сразу просто невозможно. Начнем с наиболее интересных и универсальных — операционных усилителей (сокращенно ОУ). Они относятся к категории так называемых аналоговых микросхем, предназначенных для работы в усилительной технике. Первоначально ОУ применялись вычислительных устройствах для выполнения математических операций — суммирования, вычитания, интегрирования, дифференцирования. Отсюда и их название — операционные.
Обозначаются ОУ следующим образом. Цифра после буквы К — символа микросхемы — характеризует тип МС: 1, 5, 6 или 7 — полупроводниковая, 2, 4 или 8 — гибридная, 3 — пленочная или керамическая; следующие две или три цифры обозначают порядковый номер серии; буквы УД указывают, что это операционный усилитель; последняя цифра — номер серии.
Например, К153УД6 — полупроводниковый операционный усилитель 53- й серии, порядковый номер серии — 6.
На принципиальных схемах операционные усилители изображаются в виде треугольника, одна из сторон которого расположена вертикально (рис. 2). Вход, изображенный с кружком, называется инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. Обозначается ОУ символом DA.
Операционные усилители характеризуются многими параметрами, из них шесть основных — напряжение питания, потребляемая мощность, чувствительность, коэффициент усиления, полоса пропускания и выходная мощность.
Подробнее с операционными усилителями мы познакомимся на примере микросхемы К14ОУД1Б (КР140УД1Б), наиболее простой из всех существующих ОУ. Она выпускается в корпусах двух вариантов: цилиндрическом для К14ОУД1Б (рис. За) и прямоугольном для КР14ОУД1Б (рис. 36). На рисунке Зв приведена принципиальная схема ОУ (в скобках указаны номера выводов для МС серии КР140). В состав трехкаскадного усилителя входят 9 транзисторов, 1 диод и 12 резисторов. Питание микросхемы осуществляется от двухполярного источника ±12,6 В со средней точкой, потребляемая мощность — 170 мВт. Коэффициент усиления ОУ 1300—12 000, верхняя граничная частота не ниже 100 кГц, низкий уровень собственных шумов.
Рис. 1. Структура и электрическая схема интегральной микросхемы:
а — полупроводниковой, б — гибридной.
Рис. 2. Условное графическое обозначение ОУ.
Рже 3. Внешний вид ОУ К140УД1Б (я), КР140УД1Б (б) и их принципиальная схема (в).
Рис. 4. Принципиальная схема ЭМИ. Рис. 5. Принципиальная схема блока питания.
Рис. 6. Монтажная плата ЭМИ и блока питания со схемой расположения элементов.
Рис. 7. Монтажная плата для подстроечных резисторов.
Рис. 8. Устройство клавиатуры:
1 — корпус ЭМИ, 2 — клавиша, 3 — ось крепления клавиш, 4 — соединительные провода, 5 — стойка крепления контактных пластин, 6 — контактная пара.
Предлагаем собрать на операционном усилителе К14ОУД1Б простейший электромузыкальный инструмент. Он состоит из импульсного низкочастотного генератора на микросхеме DA1 и усилителя на транзисторе VT1, нагрузкой которого служит динамическая головка ВА1.
Генератор собран по мостовой схеме. Напряжение на выходе DA1 скачком переключается между двумя уровнями благодаря положительной обратной связи, осуществляемой через резисторы R2S и R26. Переключение происходит в момент, когда напряжения на входах ОУ равны.
Конденсатор С1 задает диапазон рабочих частот. При положительном выходном напряжении С1 заряжается через R25. Когда напряжения на входах 9 и 10 DA1 сравняются, ОУ переключится в противоположное состояние, напряжение на выходе станет отрицательным, -конденсатор начнет разряжаться через R25. И вновь при равенстве напряжений на входах ОУ переключится. Частоту генерации можно менять, подсоединяя клавишами S1—S24 подстроенные резисторы R1—R24. В промежутках, когда ни одна из клавиш не нажата, генератор «молчит».
VD1 устраняет характерные щелчки в динамической головке во время пауз. Так как генератор критичен к сопротивлению нагрузки, то величина резистора R27, включенного между выходом DA1 и базой VT1, подобрана таким образом, чтобы генерируемые частоты лежали в слышимой области звукового диапазона. Поскольку ОУ работает в импульсном режиме, выходной каскад для упрощения выполнен по схеме транзисторного ключа.
Питается ЭМИ от источника напряжения 9 В (рис. 5). На транзисторе VT1 и стабилитроне VD1 собрано устройство стабилизации. Резистор R1 создает необходимое смещение на базе VT1. С1 сглаживает бросок напряжения в момент включения тумблера SA1. Батарея GB1 состоит из нескольких элементов с общим напряжением 13,5 В. Такой источник необходим для длительного поддержания неизменной величины питающего напряжения. При использовании для питания ЭМИ одних батарей без стабилизатора частота звучания инструмента со временем будет значительно меняться.
Теперь о деталях электромузыкального инструмента. Вме сто микросхемы К14ОУД1Б можно применить КР14ОУД1Б. Однако для этого придется изменить конструкцию монтажной платы. Вместо транзисторов КТ608Б подойдут КТ6О1 — КТ603, КТ801 с любым буквенным индексом. Диод VD1 в ЭМИ — серий Д2, Д9, Д18. Стабилитрон в источнике питания — Д809, Д810, Д818А—Д818Г, Д814Б, Д814В.
Постоянные резисторы — ВС или МЛТ, подстроечные — СПЗ-16. Оксидный конденсатор — К50-6, неполярный — КМ5. Динамическая головка ВА1—любая мощностью 0,1—0,5 Вт. Тумблер SA1 — П1Т-1-1, П2Т-1-1 или МТ1. Источник питания GB1 состоит из трех батарей по 4,5 В (3336Л, «Рубин») или девяти элементов по 1,5 В (373, «Марс»).
ЭМИ с источником питания собирается на монтажной плате размером 65X25 мм, выполненной из фольгирован-ного гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1,5—2 мм (рис. 6). Подстроечные резисторы располагаются на отдельной плате размером 195X20 мм, изготовленной из такого же материала (рис. 7).
Электронная «начинка» ЭМИ размещается внутри игрушечного пианино. Для этого его корпус аккуратно разбирают и удаляют всю музыкальную механическую часть, оставив лишь клавиатуру. Ее необходимо доработать под наш инструмент. Для этого под каждой клавишей устанавливают контактные пары (рис. 8). Их можно изготовить из латуни или использовать контакторы от вышедших из строя электромагнитных реле. В узле крепления контактной пары используются диэлектрические прокладки, например из оргстекла или фанеры, которые вместе с металлическими контактными пластинами крепятся к днищу корпуса. Динамическая головка и тумблер устанавливаются на задней панели ЭМИ. В ней по периметру диффузора ВА1 вырезается отверстие, которое заклеивается тонкой тканью, окрашенной под цвет корпуса. Все соединения выполняют одножильным монтажным проводом в хлорвиниловой изоляции. Если нужно ввести регулировку громкости, в цепь коллектора VT1 последовательно с динамической головкой включают переменный резистор сопротивлением 0—100 Ом.Его можно установить на верхней крышке инструмента и снабдить декоративной ручкой. Заднюю или верхнюю панель корпуса необходимо сделать съемной, чтобы можно было менять батареи питания.
Настраивают ЭМИ по камертону или частотомеру. Для этого нажимают поочередно каждую из клавиш и, вращая ротор соответствующего подстроечного резистора, добиваются звука необходимой тональности,
В. ЯНЦЕВ
Моделист-конструктор
OCR Pirat
