Глава 4
Електроника 101 за Бедини SG
Може да сте забелязали, че електрическите вериги, които са част от този проект, са изразени чрез символи. Тази глава от книжката е за вас, начинаещи, които не сте наясно със символите, които се използват, за да се представи една верига, което се нарича “схема/диаграма”. Но тази глава също така обяснява и функциите на SG веригата, затова моля, не прескачайте напред, ако си мислите, че вече сте запознати с основното.
Тази глава ще покрие само минималното, което ви е нужно, за да работите по проекта. Ако искате да научите повече за електрониката, на ниво начинаещи, силно препоръчвам книгата:
Въведение в електрониката, от Форест Мимс, която можете да закупите от този сайт (някакъв сайт) или от Amazon.com.
[Бележка от преводача: Ето безплатен линк:
Getting Started in Electronics – Forrest Mims]
Добре, да започваме. Има девет различни електронни части, използвани в схемите от предходните глави. Те са:
- батерия
- намотка
- транзистор
- резистор
- диод
- кондензатор
- LED-крушка
- неонова крушка
- ключ
В следващите девет секции ще ви покажа как изглежда всеки един от тези компоненти, ще ви кажа каква работа върши във веригата и ще ви запозная със символа му, за да разберете как се свързва с останалите компоненти.
Батерията е източникът на електрическата енергия, използван от веригата. Докато оригиналният вариант на Бедини SG, построен от Шани Баугман, ползваше 9-волтова алкална батерия, всички модели, с които вие ще работите, ще използват презаредима батерия от оловно-киселинен тип. Тези могат да бъдат запечатани, като “гел-клетъчна” батерия, или по-типичния вид батерии с отворими клетки, като онези, които ползвате в автомобила си. Ние препоръчваме да използвате оловно-киселинните батерии с отворими клетки като тази, илюстрирана тук.
Причината за избор на такава батерия е, че те по-трудно се повреждат, докато изучавате експериментални методи на зареждане. Те също така са сравнително не толкова скъпи и могат да захранват енергетизатора ви между 12 и 24 часа наведнъж.
Символът, показан тук, обозначава батерията в схематичните диаграми. Паралелните линии символизират плочите на батерията. Късите линии представляват отрицателните, а дългите – положителните плочи на батерията.
[Бележка от преводача: Абревиатурата за оловно-киселинни батерии от затворен тип е VRLA (valve-regulated lead-acid battery). Предимството на конструкцията им е, че могат да са ориентирани по който и да е начин, и не изискват постоянна грижа (тоест не чак толкова, колкото искат отворените акумулатори). Има два типа такива батерии – гел-клетъчни, и AGM. Гел-клетъчните имат добавен силициев прах в електролита, който добива консистенция на плътен гел (понякога се наричат “силиконови батерии”). AGM (absorbed glass mat) означава “поет стъклен тампон” и представлява мрежа от фибростъкло между плочите, служеща да попие електролита в себе си и да го съдържа. VRLA батериите са доста температурно уязвими.]
Намотката е онзи компонент на веригата, създаващ магнитно поле, когато по нея протече електричество. Състои се от пластмасова стойка, често наричана “макара”, една или повече дължини жица, навита на тази макара, и материал в центъра на макарата, който да провежда магнитното поле.
Рамката на намотката доста често е под формата на макара с дупка по средата. По този начин, по външната страна на макарата може да се навие жица, и да се придържа на място от пластмасовите дискове двата края, а отворената сърцевина може да се напълни с материал, който да провежда магнитното поле. Тук виждаме изображение на намотка, демонстрираща тази конструкция.
Ето го символа за елемента на намотката в схематичната диаграма. Виждат се трите отличителни белега – рамката, ядрото в центъра, и жиците, които изобразяват оборотите символично, като малки пружини. Точките в горната част на намотките обозначават, че това са еднакви по функционалност краища, но на две различни жици в намотката.
Транзисторът е “полу-проводниково” устройство, което има сложна контролираща функция във веригата. Всъщност, той свързва две части на веригата по такъв начин, че едната да може да контролира какво върши другата. В този случай, ние ползваме транзистора като “ключ” който няма движещи се части, нещо, което да може да включи и изключи електричеството ON и OFF, когато ни е потребно. (Транзисторите могат да бъдат използвани и за други сложни функции, например усилване.)
Тази картинка показва типичен транзистор отгоре и отдолу. Както се вижда, има правоъгълна кутийка с дупка в единия край, която е за закрепване. Също така има три изходящи края, всеки от които трябва да е свързан с веригата. Символичното представяне показва тези три края, и ги нарича В, С и Е. Тези букви означават База/Основа (
Base), Колектор/Събирател (
Collector), и Емитер/Излъчвател (
Emmiter).
Има хиляди различни видове транзистори, които изпълняват стотици различни типове функции в различни вериги. Видът, показан тук, и който ще използваме в проекта, е NPN би-полярен съединителен транзистор (NPN Bi-polar Junction Transistor).
В тази верига, транзисторът ще бъде употребяван като ON/OFF ключ. Емитерът е свързан с негативния терминал на батерията, Колекторът е свързан с Главната намотка, а Базата е свързана с онази част от веригата, която казва на транзистора кога да се включи ON и кога да се изключи OFF. Как точно транзисторът изпълнява тези функции е отвъд контекста на тази книжка. Можете да намерите обяснение в Електроника за начинаещи, препоръчана по-горе.
Резисторът е пасивен компонент, който контролира какво количество електрически ток протича през тази част от веригата. Има две свръзки в двата края на цилиндричното си тяло. Може да се прикачи към веригата и в двете посоки.
Резисторите ги правят в стотици размери и са калибрирани за това какво количеството енергия да минава през тях, както и за това доколко се съпротивляват на електрическия поток, което съпротивление се измерва в единици, наречени Омове – Ohm.
Символът за резистор прилича на вълниста линия, която напомня зъбите на трион.
Трите малки резистора, показани в горната част на картинката, са типични 0.25 ватови резистори, използвани в множество електронни устройства. Може би забелязвате цветните ивици по тях. Тези ивици представляват кодировка, разкриваща стойностите на съпротивлението на дадения компонент.
По-големият син резистор е типично 2-ватово устройство. Цветният му код, започвайки отдясно, е синьо-жълто-кафяво-златно. Това означава, че резисторът има съпротивление 640 Ohm, и се гарантира, че отклонението от тази стойност ще е 5%.
Последната златна линия е онази, която означава 5% “толеранс”. Много електрически компоненти имат оценка на толерантността, защото е невъзможно при масовото производство на компоненти всеки един да има точно същите показатели като останалите.
Диодът е компонент, който позволява на електричеството да протича САМО В ЕДНА посока по веригата. Действа като клапан, който е отворен за електричеството, протичащо в една посока, но ако се опита да се върне назад, клапанът се затваря, и не го пуска да се върне назад. Той прави това без движещи се части, използвайки специална полу-проводникова свръзка, като половин транзистор.
Тъй като диодът пропуска електричеството в едната посока, но го блокира в обратната посока, е много важно диодите във веригата да са вложени правилно. Докато резисторите функционират еднакво и в двете посоки, диодите не го правят!
Диодите обикновено приличат на малък цилиндър, с жица, излизаща и от двете му страни. Диодите обикновено ще имат изписан символа си в единия край, или вместо това в края ще има цветна ивица, както са дадените на картинката примери. Единият край на диода се нарича Катод (С), а другият е Анод (А). Електричеството ще тече през устройството, когато Катодът е “по-отрицателен” от Анода, ИЛИ ако Анодът е “по-положителен” от Катода. Ивицата обозначава Катодния край на диода.
Символът за диод прилича на стрелка, сочеща към плътна линия. Удивително, но посоката на протичане на електричеството е обратно на посоката, в която сочи стрелката. Причината е, че символът за диода бил измислен, когато се вярвало, че електричеството протича от Положително към Отрицателно. След като било открито, че електроните имат Отрицателен заряд, и че потокът им всъщност е от Отрицателно към Положително, било вече твърде късно да се променя символа. Така че, потокът на електроните протича през диода в посока обратна на сочената от стрелката.Кондензаторът е компонент, който съхранява електричество. Докато батерията съхранява електричество в химическа форма, кондензаторът съхранява електричеството под формата на електричен стрес в определен материал, наречен “диелектрик”. Понеже не е нужно да се случат химически промени, за да може електричеството да влезе или да излезе от кондензатора, това означава, че кондензаторът може да бъде зареден и разтоварен много бързо, почти мигновено всъщност.
Кондензаторите ги правят в много форми и размери, от размера на малък резистор, чак до размера на кофа за боклук. Тези два кондензатора с горе-долу 2.5см в диаметър.
Символът за кондензатор е две успоредни линии една срещу друга, с жици излизащи от тях. Тези успоредни линии представляват “плочите” на кондензатора, а празното пространство между тях представлява диелектричния материал, който ги разделя. Така че, типичният кондензатор има два контакта и се свързва с веригата на две места.
Кондензаторите са оценявани спрямо това колко висок волтаж могат да съхраняват, но също и спрямо това колко количество енергия могат да поемат, което се нарича “капацитет”. Капацитетът на кондензатора обикновено се измерва в единици, наречени “микрофаради”, въпреки че много големите устройства в днешно време се измерват и във “фаради”.
Някои кондензатори са “поляризирани”, като диод, и трябва да се свържат с веригата по правилния начин. Други не са поляризирани и могат да се свържат и в двете посоки. Поляризираните кондензатори обикновено са маркирани с ивица върху отрицателния терминал или от страната на надписа.
LED-светлината (светоизлъчващ диод, Light Emitting Diode) е специален диод, който оперира като светлинен източник. Всъщност, повечето полу-проводникови свръзки създават малко светлина по време на функционирането си, но LED са направени така, че максимално да засилят тази своя светлинна функция.
Символът за LED е същият като за диод, освен разликата, че има две малки закривени линийки отстрани, които показват, че се излъчва светлина.
Както всички други диоди, LED позволява на електричеството да преминава само в една посока. И, както всички останали диоди, LED има Катоден и Аноден край и трябва да бъде правилно свързан във веригата, за да оперира.
Неоновата крушка е специално осветяващо устройство, при което два електрода са поставени близо един до друг, затворени в пространство, съдържащо малко количество неонов газ под много ниско налягане. Обикновено отнема около 100 волта, за да се светне една неонова крушка.
Символът за неоновата крушка повтаря вътрешния й строеж, където два успоредни електрода са заобиколени от затворено пространство.
Неоновите крушки могат да работят и на АС и на DC и се оценяват както спрямо нужния волтаж, за да светнат, така и спрямо енергията, която консумират, измерена в миливати.
Ключът е всяко устройство, което позволява временен контакт между два отрязъка от верига. Повечето от нас използват ключове всеки ден, за да включим ON уреди, светлини, вентилатори, печки и други неща. Имаме дори и много автоматични ключове, които включват и изключват нещата ON и OFF, на база предварително зададени условия като например термостата в къщата ни, или в хладилника и фризера.
В проекта Бедини SG контактът се използва, за да разтовари кондензатора в батерията, след като е бил зареден до определено ниво от разтоварванията на Главната намотка.
Базовият символ за контакт е като този, показан тук – жицата е прекъсната чрез отрязък, свързан в единия си край, и плаващ над прекъснатата жица в другия си край. Това представлява прекъсване в жицата, което може да се затвори, за да се завърши връзката.
Другото е изображение, взето от патента на Джон Бедини с номер US #6,545,444. То показва същата ролка и два четкови контакта в символна форма, които предното изображение показва в реален вид.
Така че, всичко което работи, като създава временен контакт, периодично, ще разтоварва кондензатора в батерията и ще поддържа системата в операционен режим.
Прочитането на схематична диаграма е доста лесно, щом веднъж проумеете как са разположени електрическите вериги. Като цяло, веригите имат поне три части. Най-добре могат да се опишат като Захранване, Контрол и Продукция.
Захранването на една верига се състои от “енергоизточника” и онази част от веригата, към която се подава енергията. Контролната част от веригата е онази, който казва на Захранващата част “какво да прави” и “кога да го направи”. Продуктивната част предоставя резултатите от другите две части.
Един пример за верига е домашна система за музика. Захранването идва от щепсела в стената и се трансформира във вида мощност, от която системата има нужда. Контролната част поема сигнала, запазен в записа, и го прехвърля към Захранващата част. Продуктивната част е системата на тон-колоните, където можете да слушате музиката, контролирайки силата на звука.
И така, ето я схематичната диаграма на най-простата форма на нашия проект. Забележете, използвал съм символите, за които говорих по-рано в тази глава и съм обозначил всеки компонент с проста буква, или с буква и цифра. Всички линии, които правят връзки между наименуваните компоненти, представляват жици.
И така, нека прегледаме отново компонентите на веригата. В1 е “първата батерия” или онази, с която системата се захранва. Това е началото на веригата и функционира като “основно енергоснабдяване”. Когато се опитваме да проумеем как работи една верига, винаги започваме от това да открием енергоснабдяването първо. В2 е “втората батерия” или батерията, която системата зарежда. Тъй като това е крайният резултат от веригата, В2 представлява Продуктивния край, и в този случай, действителния край на веригата.
Другите компоненти включват Транзистора (Т), Резистора (R), Диодите (D1 и D2), неоновата крушка (N), Кондензаторът (C) и Ключа (S).
Добре. Нека прегледаме
Захранващата част на веригата. Вече посочихме В1 като енергоизточника и начало на веригата. Така че, какво захранва захранването? В този случай, то захранва енергия към Главната намотка (МС) чрез връзката си с Транзистор (Т).
На диаграмата долу – съм подчертал тази част от веригата с
ЧЕРВЕНО. Проследявайки потока на електроните от Батерия (В1), виждаме, че протича от Отрицателния терминал, върви по жицата до Емитера на Транзистор (Т), излиза от Колектора на Транзистор (Т), следва жицата към подножието на Главната намотка (МС) преминава през Главната намотка (МС) и излиза отгоре, след което върви по жицата до Положителния терминал на Батерия (В1).
Прочетете горния абзац и погледнете рисунката на диаграмата на веригата, докато не се убедите, че описват една и съща идея. Ако имате затруднения с това, моля върнете се към по-предните описания на батерията и транзистора.
Това е Захранващата част на веригата в този проект. Когато се случи тази функция, Главната намотка (МС) се намагнетизира, и отблъсква магнита на роторното колело. Това е единственият момент, в ойто от Батерия (В1) излиза електричество. и единственият момент, в който системата консумира, смятаща се за “вложение”.
Въпреки че това е Захранващата част на веригата, тя също има трите главни функции на Захранване, Контрол и Производство. Захранването идва от Батерия (В1). Контролът е подсигурен от Транзистор (Т), и Производството, или крайният резултат, е възпроизвеждането на магнитно поле, когато електрическият ток протече през Главната намотка (МС).
Сега, нека видим
Контролната част на веригата. Това е онази секция, която казва на Транзистора (Т) кога да се включи ON и кога да се изключи OFF.
Захранването на тази част от системата идва от промените в магнитното поле в ядрото на намотката и способността му да генерира електричество в Тригер-намотката (ТС). Контролната част на тази секция се състои и от Резистора (R) и от Диода (D1). Производителността на тази част от секцията е правилния подбор условия, които да активират Базата на Транзистор (Т), така че да се включва ON и да се изключва OFF в правилния момент, за да управлява Захранващата секция както трябва.
Възникването и разпадането на магнитното поле в ядрото на намотката създава АС вълна в Тригер-намотката (ТС). Когато потокът на електричеството (CF) следва пътя, показан на първата диаграма, Транзисторът е OFF. Когато потокът на електричеството следва пътя от втората диаграма, Транзисторът е ON.
Следва
Производителната секция от веригата. След като Транзистор (Т) се изключи на OFF, токът, осигурен от Батерия (В1), спира да поддържа магнитното поле в Главната намотка (МС). Когато се случи това, магнитното поле трябва да се разпадне. Разпадайки се, то индуцира експлозия от електрическа енергия в Главната намотка (МС), която може да се събере. Улавянето на тази енергия е една от основните причини да учите за този проект.
Производствената секция на веригата е маркирана с
ЧЕРВЕНО на диаграмата. Така че, разпадането на магнитното поле в Главната намотка (МС) е захранването за Производствената секция. Когато Транзистор (Т) е на OFF, единственият отворен път остава през Диод (D2) и оттам заобиколно, за да зареди Кондензатор (С).
Диод (D2) е контролният компонент в тази секция от веригата. Той позволява разтоварването на енергията в Главна намотка (МС) да се отклони заобиколно около Транзистора (Т) и също така спомага изграждането на заряда в Кондензатора (С) без да има разтоварване. Разтоварването на Кондензатора (С) е желаният, краен резултат на тази секция от веригата.
Разбира се, финалният Резултат е когато Кондензаторът (С) се разтовари в Батерия (В2), както е показано, когато Ключа (S) се затвори временно. В тази секция, Кондензаторът (С) е енергоизточника, Ключът (S) е контролното устройство, а зареждането на Батерия (В2) е крайният резултат, крайната Производителност, и последната операция на веригата.
В обобщение, веригата работи по следния начин. Определено количество електричество се взима от Батерията (В1) и се използва, за да се произведе магнитно поле в Главната намотка (МС). Това магнитно поле се използва, за да се създаде механично действие на магнита от роторното колело. След като завърши тази операция, енергията от магнитното поле се разтоварва. Електричеството, произведено от това разтоварване се улавя в Кондензатора (С). Като се натрупат множество разтоварвания на Главната намотка (МС), волтажа на Кондензатора (С) си вдига достатъчно високо, за да може да бъде прехвърлен в Батерия (В2).
Тази серия събития създава онова, което Никола Тесла наричал “сувалираща верига”, при която електричеството се прехвърля от локация в друга локация, но никога не му се позволява да се “заземи”, разтовари или изцяло да се изгуби. Този метод представлява истинското значение на “Запазване на енергията”.
Има още една възможна функция на веригата, и това е
Обезопасяването през неоновата крушка. Когато в Главната намотка (МС) магнитното поле се разпадне, енергията ТРЯБВА да се разтовари НЯКЪДЕ! Ако, поради някаква причина, нещо й пречи да се разтовари пред Диод (D2), както е показано на предната страница, трябва да е възможен втори път за разсейването на енергията, в противен случай Транзистор (Т) ще се повреди.
Обезопасителната верига тук е подчертана с
ЧЕРВЕНО. Когато Главната намотка (МС) освободи енергията си и пътят през Диод (D2) не е достъпен, Неоновата крушка (N) ще светне, оформяйки нова, временна връзка обратно до Главна намотка (МС) през Батерия (В1). Това от една страна не е предпочитаният мчетод, по който да се събере енергията, но този начин все пак дава възможност енергията да се уталожи, без да поврежда Транзистора (Т) като го изложи на твърде висока волтова игла.
Надявам се, че до сега вече си имате доста добра представа как работи веригата, и как се чете схематична диаграма. Ще трябва да знаете всичко това, за да преминете към следващата глава, където ще откриете пълни инструкции за това как да построите своя собствен модел Бедини SG.
Но преди да направим това, има още един малък детайл при четенето на схематични диаграми, който искам да сведа до вниманието ви. Става дума за това как по най-добрия начин символично да се представи кога жиците се “пресичат като се свързват”, и кога жиците се “пресичат, но без да се свързват”. За съжаление, има ДВА метода да се изразят тези различни ситуации и е малко объркващо, ако не ви покажа двата метода.
Първият метод е онзи, който съм използвал в схематичните диаграми до сега в тази книжка. Както се вижда на първата картинка, изображението вляво прилича на хоризонтална линия, правеща дъга над вертикалната линия, представлява място в диаграмата, където двете жици се пресичат, но БЕЗ да се свързват електрически. Изображението вдясно, където линиите се пресичат като кръст, представлява място на диаграмата, където жиците се пресичат и ИМАТ електрическа връзка помежду си.
Вторият метод е използван в някои от патентите на гърба на тази книжка и прилича на това. Изображението вляво, където линиите се пресичат, представлява място на диаграмата, където двете жици се пресичат БЕЗ да правят електрическа връзка. На изображението вдясно, където линиите се пресичат с кръгла точка, която се откроява на кръста, е място, на което жиците се пресичат и ИМАТ електрическа връзка.
Така че, когато четете схематични диаграми, това ще ви е от помощ, за да определите бързо кой метод е използван, в противен случай бихте могли да интерпретирате веригата погрешно.
В коя посока протича електричеството?Хората се занимават с практически електрически неща откакто Бен Франклин изобрети “Гръмоотвода” в далечната 1749г. Концепцията му била, че земята (заземяването) е Отрицателна, а буреносното небе имало Положително количество електричество. Изглеждало, че когато светкавицата удари, се движела от небето в посока земята. Така че се развило разбирането, че електричеството се движи като топлината, от мястото където е в излишък (Положително) до мястото, където има по-малко (Отрицателно).
Когато електронът бил открит от Йозеф Томсън през 1897г, се разбрало, че електронът има “отрицателен заряд”. Това довело до “Теорията за електричния поток” на електричеството, според който електричеството представлява поток от електрони. Това обяснение предполага, че електричеството протича от Отрицателно към Положително. За последните 115 години хората все още вярват и в двете обяснения.
На ден днешен, Теорията за Електричния поток се преподава най-вече в Северна Америка, а Конвенционалната теория се преподава в Европа и Азия. Без значение коя от теориите може да се окаже вярна или невярна, всички обяснения на веригите в тази книга използват модела на Теорията за Електричния ток и предполагат, че електрическите потоци протичат от Отрицателно към Положително във веригата.
[Бележка от автора: Ако сте научени на Конвенционалната теория, моля разберете, че обясненията в тази книга не са “грешни”.]
В коя посока протича магнетизмът?Магнитните полета също протичат между полюсите на магнита. Някои хора вярват, че те протичат от Северен към Южен полюс. Други хора вярват, че протичат от Южен към Северен полюс. А трети вярват, че енергията се излъчва и от двата полюса, и навлиза отново в магнита през центъра му, при така-наречената “неутрална линия”. Може би в следващите 100 години, разбирането ни за магнетизма ще разреши тези въпроси.
Едно от нещата, които все пак знаем за магнитните полета, е как да накараме Северен или Южен полюс да се появи там, където го искаме, в една електрическа намотка.
На изображенията са показани двата метода на намотаване. Погледнато отгоре на намотката, първият пример демонстрира как потокът навлиза отдолу, увива се около магнитното ядро по часовника, и излиза през горната част. Този поток и часовниковото намотаване създава Северен полюс в горната част и Южен полюс в долната част.
Вторият пример показва обратното. Гледано отгоре, потокът навлиза от долната страна, намотава се около магнитното ядро обратно на часовника, и излиза отгоре. Този поток и намотаване обратно на часовника създава Южен полюс отгоре и Северен отдолу.
Обръщането на посоката на потока в който и да е случай ще обърне и полюсите на магнитното поле.
Добре. Сега знаете повече за този проект, отколкото който и да е от нас знаеше преди да си е построил собствения модел. Време е да построите вашия Бедини SG!