Spis treści:
Pro znázornění struktury elektronických nebo elektrických obvodů používáme tzv. obvodová schémata .
Dla projektantów stanowią one podstawowe narzędzie podczas wykonywania dokumentacji: na podstawie schematów tworzy się bowiem np. projekty płytek drukowanych; są one przydatne także jako baza do wykonywania obliczeń.
Warto wspomnieć też, że właśnie ze schematów ideowych układów elektronicznych czerpie się dane do sporządzania listy elementów (materiałów), nazywanej z angielskiego BOM (bill of materials).
Z tego względu już na samym początku przygody z elektroniką należy nauczyć się czytania takich rysunków – jest to proces, który (tak jak w prawie każdej innej dziedzinie) wymaga po prostu praktyki.
I choć biegłości w analizie schematów nie da się zdobyć od razu, to jednak z czasem, po przejrzeniu wielu schematycznych rysunków dojdziesz do wniosku, że zaczynasz je rozumieć, a symbole, linie oraz połączenia na schematach odczytujesz z taką samą łatwością, jak litery w książkach.
Jak číst elektrická a elektronická schémata?
Dlouhodobější praxe ve čtení schémat umožňuje rychle, pohodlně a bezchybně rozpoznat vztahy nebo spojení mezi prvky, ale také – a to je v umění analýzy schémat klíčové – usnadňuje pochopit, jaká je logika konstrukce daného obvodu, s jakým typem obvodu máme co do činění a jak má fungovat. Pro lidi, kteří se čtením elektrických a elektronických schémat začínají, se může zdát dokonce překvapivé, že pouze pomocí schématu jsme schopni předpovědět, jaké napětí se objeví v určitých bodech obvodu nebo jaké proudy v něm potečou. Ve skutečnosti je možné takové údaje určit – je to jen otázka cviku. S určitou zkušeností je možné předvídat nejen chování obvodu, ale i jeho parametry a funkce, a dokonce odhalit chyby v návrhu ještě před sestavením a uvedením prototypu do provozu.
Co bylo dřív – schéma nebo zařízení?
Ačkoli se toto téma týká spíše návrhu obvodů než pouhého čtení schémat, je třeba hned teď zdůraznit, že schéma zařízení se vždy vytváří jako první. Samozřejmě, že na začátku výuky elektroniky můžete experimentovat metodou pokus-omyl a zapojovat různé konfigurace jednoduchých elektronických obvodů na kontaktní desce, ale určitě si umění elektroniky osvojíte za tak krátkou dobu, že si nejprve nakreslíte obvod na papír nebo v počítačovém programu a teprve později jej přenesete na prototypovou desku.
Proč musí návrh schématu předcházet návrhu desky plošných spojů? Prvním důvodem je, že taková analytická fáze je pro elektroniky jednodušší – nakreslit rozvržení a v klidu rozvrhnout jednotlivé součástky zabere mnohem méně času než jejich okamžité umístění na desku.
Za druhé (a to má velký význam v případě “seriózní”, tj. průmyslové elektroniky) výroba prototypu je nákladná a vyžaduje mnohem více času než schematický výkres.
Za třetí, pokud je návrh vytvořen v počítačovém programu patřícím do skupiny tzv. programů EDA, návrh desky přirozeně vyplývá přímo ze schématu – software automaticky vygeneruje pájecí plošky pro příslušné součástky a vytvoří počáteční spoje mezi nimi, zatímco úkolem konstruktéra je rozmístit součástky a vést konečné cesty.
Schéma znázorňuje určité záležitosti symbolicky, takže se může stát, že skutečné uspořádání elektronických součástek nebo jejich částí, jako například v případě vývodů mikrokontroléru, bude ve skutečnosti vypadat trochu jinak než na schématu. V dokumentaci zařízení tedy máme dva různé návrhy: schéma a konkrétní návrh desky plošných spojů (nebo desek plošných spojů) založený na schématu (s cestami, uspořádáním součástek atd.). V tomto článku se zaměříme na první zmíněný typ výkresu.
Čtení elektrických a elektronických schémat – základní principy
Naučit se číst schémata, a tedy i navrhovat je, by znamenalo začít s několika základními, běžně používanými pravidly. Zaprvé: všechna zapojení kreslíme pomocí přímek, které spojují jednotlivé konce součástek. Tyto čáry bychom měli vést pokud možno svisle nebo vodorovně a měly by se křížit v pravém úhlu. I samotný vzhled místa křížení je důležitý – tomu byste měli věnovat pozornost jak při tvorbě, tak při čtení schémat zapojení! Pokud se dvě čáry kříží, ale v místě jejich průsečíku není tečka, jedná se o nespojité čáry. Pokud je naopak v místě průsečíku tečka („tučným písmem“) viditelná, máme co do činění s tzv. křižovatkou, tj. jednoduše elektrickým spojením dvou křížících se čar.
Připojení by měla být vedena tak, aby čtení schématu bylo co nejjednodušší a nejintuitivnější. Není také uvedeno, že vedení se nikdy nevedou pod jiným než pravým úhlem (tj. jinak než vodorovně a svisle). V některých situacích je dokonce vhodné – v zájmu čitelnosti diagramu a určitých po léta zavedených kreslicích konvencí – vést čáry šikmo. Tak je tomu například u takzvané “můstkové” konstrukce; například u klasického usměrňovacího můstku. Dotyčný obvod se skládá ze čtyř prvků (usměrňovacích diod) umístěných tak, jak jsme ukázali na obrázku.
V dobře navrženém schématu zapojení se všechna zapojení součástek a jejich rozmístění na výkrese řídí pevnými logickými pravidly. Pokud se při návrhu obvodů řídíme těmito konvenčními pravidly, můžeme si být téměř jisti, že návrh bude čten správně. Například běžnou konvencí ve schématech, kterou byste měli dodržovat při tvorbě vlastní dokumentace, je, že vedení s vyšším potenciálem (např. kladný pól baterie nebo zdroje) by mělo být na schématu umístěno výše než prvky s nižším potenciálem (např. zem). Dnešní elektronici jsou na toto pravidlo obvykle natolik zvyklí, že dokonce intuitivně považují spoje umístěné v horní části schématu za spoje s vyšším potenciálem – zejména v případě napájecích vedení. Ve skutečnosti se odchylky od tohoto pravidla vyskytují pouze ve schématech z 60. nebo 70. let minulého století. Ve skutečnosti lze odchylky od této zásady nalézt pouze ve schématech z 60. nebo 70. let 20. století. Ve skutečnosti lze výjimky z tohoto pravidla nalézt pouze ve schématech ze 60. nebo 70. let.
Druhým běžným postupem při umísťování součástek na elektrických a elektronických schématech je umístění vstupních obvodů vlevo a výstupních obvodů vpravo. Stejně jako při čtení knihy, když pohybujeme pohledem zleva doprava, jsou signály jakoby “vstupovány” z levé strany, zpracovávány na dalších stupních obvodů a výstupní signály jsou vyvedeny na pravou stranu. Signál tedy logicky prochází obvodem stejným způsobem, jako text prochází stránkou v naší evropské čtenářské konvenci. Ve své elektronické praxi se pravděpodobně setkáte se situacemi, kdy tuto zásadu nelze uplatnit, ale dodržujte ji, kdykoli je to možné. Zvláště užitečný bude například při kreslení schémat napájení: bude z něj zřejmé, kde máme vstup a kde výstup signálu.
Totéž proveďte s analogovými filtračními obvody nebo dokonce s obvody zesilovačů, jako je například audio zesilovač. Na levé straně schématu budete mít vstupní svorky, za nimi předzesilovací stupeň, pak následné obvody až po výkonový zesilovač, tj. poslední zesilovací stupeň, který již dodává správný výkon reproduktoru nebo sluchátkům a který bude na pravé straně. Díky takto nakreslenému schématu můžete snadno očima vysledovat pořadí, v jakém bude náš elektrický signál fyzicky procházet obvodem. Přehledné znázornění součástek a fází obvodu je důležité také proto, že schémata obvodů často obsahují některé překvapivé části, a to nejen pro začátečníky v elektronice. Pokud je však celá konvence uspořádání prvků na schématu zachována v logické, intuitivní podobě, pak se i tyto méně nápadné prvky nebo části schématu lépe čtou.
Symboly součástek ve schématech zapojení
Symboly součástek používané v elektrických a elektronických schématech jsou standardizované a podobné bez ohledu na to, ve které zemi je dané schéma vytvořeno. Samozřejmě můžeme pozorovat některé rozdíly – ty jsou patrné zejména u některých typů součástek, jako např. kondenzátory polarizované (elektrolytické) kondenzátory nebo induktory (tlumivky) a dalších indukčních součástek. Největší rozdíly se projeví u logických hradel a dalších prvků základní číslicové elektroniky. Prozatím se však nebudeme zabývat normalizačními detaily kreslení schémat logických obvodů, ale podíváme se na základní a nejběžnější prvky.
Vytváření a čtení elektronických schémat v počítačových programech
Počítačové programy (např. populární program pro návrh elektroniky Eagle), stejně jako velká návrhová prostředí určená profesionálním elektronikům (např. Altium Designer), také používají speciální prvky schémat. Ty nespecifikují součástky, které jsou fyzicky připájeny na desce plošných spojů, ale umožňují značně zjednodušit schémata. Jsou známé jako net labels nebo popisky sítí. Pokud jsou dvě části obvodu v daném schématu elektronického obvodu specifikovány stejným názvem a stejným symbolem (někdy je symbol vynechán a jediným označením zůstává nápis umístěný přímo nad volným koncem spojovací čáry), pak víme, že tyto dvě čáry jsou skutečně vzájemně propojeny.
Tento přístup zvyšuje čitelnost schématu zapojení, protože nemusíme vést danou linku celým schématem a obcházet ostatní prvky a spoje. Stačí popsat dvě části obvodu stejným názvem sítě
(z ang. net) – označením obvodů, které jsou na stejném potenciálu, je program logicky spojí dohromady. Na druhou stranu získáme zpět tolik potřebný prostor pro směrování spojů a získáme přehlednější schéma. Příklad řešení viz obrázek.
Jak vidíte rezistory (odporniky) jsou označeny jako podlouhlý obdélník s dutinou uprostřed. Pokud šipka s dalším třetím vodičem prochází (nebo dosahuje) tímto obdélníkem, máme co do činění s potenciometrem. Další třetí řádek není nic jiného než připojení posuvníku. Článek je naopak vyznačena jako dvě čáry kolmé na spojovací čáry. Delší, často tenčí, označuje kladný pól, zatímco kratší a (obvykle) silnější označuje záporný pól, tj. katodu.
Samozřejmě, pokud se jedná o baterie – která je sériovým zapojením několika článků – pak je kreslíme postupně, jeden vedle druhého, a jejich počet obvykle odpovídá skutečnému počtu článků, které baterie má.
Kondenzátory značíme podobně jako baterie, obě čárky mají stejnou délku a tloušťku. V případě keramických a filmových kondenzátorů je toto označení jednoduché, zatímco pokud máme co do činění s elektrolytickým kondenzátorem, pak je jedna z pomlček nahrazena obdélníkem ohraničeným tenkou čarou, vedle kterého je obvykle znaménko plus. To znamená, že právě tento konec kondenzátoru by měl být připojen na vyšší potenciál (nezapomeňte, že u elektrolytických kondenzátorů je velmi důležitá polarita, tj. směr napětí připojeného ke kondenzátoru).
Pokud jde o značení cívek, můžeme rozlišovat mezi dvěma nejběžnějšími konvencemi. První, častěji používaná v USA, je označení cívky několika půlkruhy, které simulují vzhled vinutí. Druhé, zjednodušené označení, je naproti tomu jednoduše celý obdélník, uvnitř natřený černou barvou. S tímto symbolem se nejčastěji setkáte na evropských schématech jako s označením pro tlumivky, např. antiinterferenční nebo tlumivky používané v DC/DC měničích. Diody jsou označeny jako trojúhelník (obvykle rovnostranný) s dodatečně nakreslenou čarou. Čárka označuje katodu, zatímco základna trojúhelníku označuje anodu diody. Pokud jsou v označení diody dvě šipky k trojúhelníku, máme co do činění s fotodiodou, tj. světlocitlivou diodou. Pokud naopak šipky směřují z trojúhelníku ven, máme co do činění se světelnou diodou, tj. diodou LED.
Kromě výše popsaných symbolů je užitečné naučit se také různé verze označení pro kontaktní prvky: tlačítka nebo spínače. Na obrázku jsme uvedli nejběžnější a nejintuitivnější označení těchto prvků. První symbol označuje (nejčastěji, ale ne vždy) bistabilní spínač, tj. takový, který při sepnutí udržuje svou polohu (jako např. výkonové spínače). Druhý symbol se používá pro monostabilní neboli momentové spínače – ty při stisknutí pouze zkratují obvod. Takto se na schématech zapojení obvykle označují například populární mikrospínače.
Měřicí přístroje, tj. voltmetry a ampérmetry, jsou označeny jako kruh s písmenem V (u voltmetrů) nebo A (u ampérmetrů). Tyto typy prvků se dnes na schématech vyskytují jen zřídka, i když je vhodné si je připomenout, protože v současné době je již mnoho přístrojů vybaveno vestavěnými analogovými nebo digitálními indikátory. Zmiňme například napájecí zdroje nebo audio zesilovače s analogovým indikátorem (ukazatelem přístroje). Tento typ označení se také velmi často vyskytuje v učebnicích elektroniky nebo elektrotechniky, na schématech znázorňujících různé měřicí systémy pomocí voltmetrů nebo ampérmetrů.
Shrnutí
Schopnost rychle a bezchybně číst schémata je pro každého elektronika nezbytná, a proto vám doporučujeme začít postupně analyzovat stále složitější výkresy již dnes. I když vás zpočátku vyděsí (zejména v případě velkých zařízení), časem si jistě začnete všímat některých struktur a obvodů, které jsou vám již povědomé.
Možnost analyzovat elektronická a elektrická schémata nejen usnadňuje volné čtení dokumentace, včetně záměru konstruktéra nebo dokonce parametrů konkrétních obvodů či jejich částí, ale také dává možnost využít obrovskou databázi schémat, která je k dispozici v knihách, na internetu a v materiálech výrobců. Získáním znalostí značení a symbolů tak získáte obrovský a neocenitelný nástroj pro další vzdělávání a trénink v oblasti vlastního projektování.
