Spis treści:
Do przedstawiania struktury układów elektronicznych lub elektrycznych używamy tzw. schematów ideowych. 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 czytać schematy elektryczne i elektroniczne?
Dłuższa praktyka w czytaniu schematów pozwala szybko, wygodnie i bezbłędnie rozpoznawać zależności lub połączenia między elementami, ale także – i to jest w sztuce analizowania schematów ideowych kwestia kluczowa – ułatwia zrozumienie, jaka jest logika konstrukcji danego układu, z jakiego typu układem mamy do czynienia i jak ma on działać. Dla osób, które dopiero zaczynają swoją przygodę z czytaniem schematów elektrycznych i elektronicznych, może to się wydawać wręcz zaskakujące, że mając do dyspozycji wyłącznie schemat jesteśmy w stanie przewidzieć, jakie napięcia będą się pojawiały w danych punktach układu, czy też jakie prądy będą w nim płynęły. W rzeczywistości określenie takich danych jest możliwe – to kwestia tylko i wyłącznie praktyki. Dysponując pewnym doświadczeniem można przewidywać nie tylko zachowanie układu, ale też jego parametry i funkcje, a nawet wykrywać błędy projektowe jeszcze przed zmontowaniem i uruchomieniem prototypu.
Co było pierwsze – schemat czy urządzenie?
Choć kwestia ta dotyczy raczej projektowania układów, niż samego czytania schematów, to warto już teraz zaznaczyć, że jako pierwszy powstaje zawsze schemat ideowy urządzenia. Oczywiście na początku nauki elektroniki możesz eksperymentować na zasadzie prób i błędów, podłączając różne konfiguracje prostych układów elektronicznych na płytce stykowej, ale z pewnością w krótkim czasie opanujesz sztukę elektroniki na tyle, by najpierw rozrysowywać układ na papierze lub w programie komputerowym, a dopiero później przenosić go na płytkę prototypową.
Dlaczego projektowanie schematu musi poprzedzać zaprojektowanie płytki drukowanej? Pierwszy powód to fakt, że taki analityczny etap jest dla elektroników po prostu łatwiejszy – o wiele mniej czasu zajmuje rozrysowanie układu i spokojne rozplanowanie poszczególnych elementów, niż umieszczanie ich od razu na płytce. P
o drugie (co ma ogromne znaczenie w przypadku „poważnej”, czyli przemysłowej elektroniki) produkcja prototypu pociąga za sobą koszty i wymaga znacznie więcej czasu, niż schematyczny rysunek.
Po trzecie, jeżeli projekt powstaje w programie komputerowym należącym do grupy tzw. programów EDA, projekt płytki w naturalny sposób wynika wprost ze schematu – oprogramowanie automatycznie generuje pady lutownicze dla danych elementów oraz wykonuje wstępne połączenia pomiędzy nimi, zaś zadaniem projektanta jest rozmieszczenie elementów i poprowadzenie ostatecznych ścieżek.
Schemat ideowy przedstawia pewne kwestie w sposób symboliczny, dlatego może zdarzyć się tak, że faktyczne rozmieszczenie elementów elektronicznych lub ich części, jak w przypadku np. wyprowadzeń mikrokontrolerów, będzie prezentować się w rzeczywistości nieco inaczej, niż na schemacie. W dokumentacji urządzenia mamy zatem dwa różne projekty: schemat ideowy oraz konkretny, wykonany na jego podstawie projekt płytki (lub płytek) PCB (ze ścieżkami, ułożeniem elementów itp.). W artykule skoncentrujemy się na pierwszym wspomnianym typie rysunków.
Czytanie schematów elektrycznych i elektronicznych – podstawowe zasady
Naukę czytania schematów ideowych, a tym samym projektowania ich, należałoby zacząć od kilku podstawowych, powszechnie stosowanych reguł. Po pierwsze: wszystkie połączenia rysujemy za pomocą linii prostych, które łączą poszczególne końcówki elementów. Linie te powinniśmy prowadzić w miarę możliwości pionowo lub poziomo i powinny one krzyżować się pod kątem prostym. Znaczenie ma nawet sam wygląd punktu przecięcia – na to należy zwracać uwagę zarówno przy tworzeniu, jak i czytaniu schematów ideowych! Jeśli dwie linie krzyżują się, ale w punkcie ich przecięcia nie ma kropki, to są to linie niepołączone. Natomiast jeżeli w punkcie przecięcia widoczna jest kropka (pogrubienie), mamy do czynienia z tak zwanym węzłem, czyli po prostu z połączeniem elektrycznym tych dwóch krzyżujących się linii.
Połączenia powinny być prowadzone w taki sposób, aby czytanie schematu było możliwie jak najprostsze i jak najbardziej intuicyjne. Nie jest również powiedziane, że linii nigdy nie prowadzi się pod kątem innym, niż kąt prosty (czyli inaczej niż poziomo i pionowo). W niektórych sytuacjach wręcz wskazane jest – ze względu na czytelność schematu oraz pewne przyjęte od lat już konwencje rysownicze – aby prowadzić linie ukośnie. Dzieje się tak np. w strukturze tak zwanego „mostka”; choćby klasycznego mostka prostowniczego. Wspomniany układ składa się z czterech elementów (diod prostowniczych) umieszczonych tak, jak zaprezentowaliśmy na rysunku.
W dobrze zaprojektowanym schemacie wszystkie połączenia elementów i ich rozłożenie na rysunku podporządkowane są stałym, logicznym zasadom. Jeśli będziemy przestrzegać tych umownych reguł podczas projektowania układów, zyskamy niemal pewność, że projekt zostanie właściwie odczytany. I tak: przyjętą często na schematach konwencją, której warto się trzymać podczas tworzenia własnej dokumentacji, jest to, aby linie znajdujące się na wyższym potencjale (czyli np. dodatni biegun baterii czy też zasilacza) znajdowały się na schemacie wyżej, niż elementy o niższym potencjale (np. masa). Współcześni elektronicy są najczęściej tak przyzwyczajeni do tej reguły, że wręcz intuicyjnie traktują połączenia umieszczone na górze schematu jako te o wyższych potencjałach – zwłaszcza w przypadku linii zasilania. Odstępstwa od opisanej zasady można spotkać właściwie tylko w schematach z lat 60. czy 70. ubiegłego wieku.
Drugą często spotykaną praktyką, jeśli chodzi o rozmieszczenie elementów na schematach elektrycznych oraz elektronicznych, jest umieszczanie obwodów wejściowych po lewej stronie, natomiast wyjściowych – po prawej. Tak, jak podczas czytania książki, kiedy przesuwamy wzrok od strony lewej do prawej, tak i tutaj sygnały są niejako „doprowadzane” ze strony lewej, przetwarzane na kolejnych stopniach układu, a sygnały wyjściowe są wyprowadzane po stronie prawej. Sygnał, logicznie rzecz biorąc, przechodzi zatem przez układ w taki sposób, jak tekst przez stronę w naszej europejskiej konwencji czytelniczej. W swojej praktyce elektronicznej spotkasz prawdopodobnie sytuacje, w których zasady tej nie da się zastosować, ale przestrzegaj jej zawsze, gdy tylko będzie to możliwe. Szczególnie przydatna okaże się np. przy rysowaniu schematów zasilaczy: sprawi, że oczywiste stanie się, gdzie mamy wejście, a gdzie wyjście sygnału.
Podobnie postępuj z układami filtrów analogowych czy choćby wzmacniaczy, np. wzmacniacza audio. Zaciski wejściowe będziesz mieć po lewej stronie schematu, po nich znajdzie się stopień przedwzmacniacza, następnie kolejne obwody, aż do końcówki mocy, czyli ostatniego stopnia wzmacniacza, który dostarcza już właściwą moc do głośnika lub słuchawek i który znajdzie się po stronie prawej. Przy tak rozrysowanym schemacie możesz w prosty sposób prześledzić wzrokiem, w jakiej kolejności nasz sygnał elektryczny będzie fizycznie przechodził przez układ. Uporządkowany sposób prezentacji elementów i stopni układu jest też istotny z uwagi na to, że schematy ideowe posiadają niejednokrotnie pewne zaskakujące nie tylko dla początkującego elektronika fragmenty. Jeżeli jednak cała konwencja ułożenia elementów na schemacie jest utrzymana w logicznej, intuicyjnej postaci, wtedy także owe mniej oczywiste elementy czy fragmenty schematu są łatwiejsze do odczytania.
Symbole elementów na schematach ideowych
Symbole elementów używane na schematach elektrycznych i elektronicznych są znormalizowane i zbliżone do siebie niezależnie od tego, w jakim kraju powstaje konkretny schemat. Oczywiście możemy zaobserwować pewne różnice – są one widoczne zwłaszcza przy niektórych typach elementów, takich jak kondensatory spolaryzowane (elektrolityczne) czy cewki (dławiki) i inne elementy indukcyjne. Największe różnice zaobserwujemy w przypadku bramek logicznych i innych elementów podstawowej elektroniki cyfrowej. Na razie nie będziemy się jednak zagłębiać w szczegóły normalizacyjne dotyczące rysowania schematów układów logicznych, zajmiemy się natomiast elementami podstawowymi i najczęściej spotykanymi.
Tworzenie i czytanie schematów elektronicznych w programach komputerowych
W programach komputerowych (np. popularnym programie do projektowania elektroniki Eagle), a także w dużych środowiskach projektowych dedykowanych dla profesjonalnych elektroników (jak Altium Designer) stosowane są także specjalne elementy schematowe. Nie określają one elementów fizycznie lutowanych na płytce drukowanej, ale pozwalają znacznie uprościć schematy ideowe. Są to tzw. net labels, czyli opisy sieci. Jeżeli dwa fragmenty obwodu w danym schemacie układu elektronicznego określone są taką samą nazwą i tym samym symbolem (czasem symbol jest pomijany i jedynym oznaczeniem pozostaje napis umieszczony bezpośrednio nad wolnym końcem linii połączeniowej), to wiemy, że te dwie linie w rzeczywistości są ze sobą połączone.
Takie podejście pozwala na zwiększenie czytelności schematu ideowego, ponieważ nie musimy prowadzić danej linii przez cały schemat i omijać innych elementów oraz połączeń. Wystarczy, że opiszemy dwie części obwodu tą samą nazwą sieci (ang. net) – oznaczając dane obwody, które są na tym samym potencjale sprawimy, że program sam połączy je ze sobą w sposób logiczny. My natomiast odzyskamy tak potrzebne miejsce do poprowadzenia połączeń i otrzymamy czytelniejszy schemat. Na rysunku przykład rozwiązania.
Jak widać rezystory (oporniki) oznaczane są jako podłużny prostokąt pusty w środku. Jeżeli przez ten prostokąt przechodzi (lub dochodzi do niego) strzałka z dodatkowym, trzecim wyprowadzeniem, mamy do czynienia z potencjometrem. Dodatkowa trzecia linia to nic innego, jak podłączenie suwaka. Ogniwo oznaczamy natomiast jako dwie kreski, prostopadłe do linii połączeniowych. Dłuższa, często cieńsza, oznacza biegun dodatni, natomiast krótsza i (najczęściej) grubsza wskazuje biegun ujemny, czyli katodę.
Oczywiście jeżeli mamy do czynienia z baterią – a więc szeregowym połączeniem kilku ogniw – wówczas rysujemy je kolejno, jedno przy drugim, a ich liczba odpowiada najczęściej faktycznej liczbie ogniw, które posiada dana bateria.
Kondensatory oznaczamy nieco podobnie do baterii, przy czym obie kreski są tej samej długości i grubości. W przypadku kondensatorów ceramicznych oraz foliowych takie oznaczenie jest proste, natomiast jeżeli mamy do czynienia z kondensatorem elektrolitycznym, wtedy jedną z kresek zastępujemy prostokątem obrysowanym cienką linią, przy którym znajduje się najczęściej znak plusa. To oznacza, że właśnie ta końcówka kondensatora powinna być połączona z potencjałem wyższym (pamiętaj, że w kondensatorach elektrolitycznych polaryzacja, czyli kierunek napięcia podłączonego do kondensatora, ma ogromne znaczenie).
W przypadku oznaczeń cewek możemy wyróżnić dwie najczęściej spotykane konwencje. Pierwsza, częściej stosowana w USA, to cewka oznaczona poprzez kilka półokręgów, co ma symulować wygląd uzwojeń. Natomiast drugie, uproszczone oznaczenie, to po prostu pełny prostokąt, zamalowany wewnątrz na czarno. Symbol ten spotkasz najczęściej na schematach europejskich jako oznaczenie dławików, np. przeciwzakłóceniowych czy też dławików stosowanych w przetwornicach DC/DC. Diody oznaczamy jako trójkąt (najczęściej równoboczny) z dorysowaną dodatkową kreską. Kreska oznacza katodę, natomiast podstawa trójkąta – anodę diody. Jeżeli do trójkąta w oznaczeniu diody dochodzą dwie strzałki, mamy do czynienia z fotodiodą, czyli diodą czułą na światło. Natomiast jeżeli strzałki odchodzą od trójkąta na zewnątrz, mamy do czynienia z diodą świecącą, czyli diodą LED.
Oprócz symboli opisanych powyżej warto nauczyć się także różnych wersji oznaczeń elementów stykowych: przycisków lub przełączników. Najbardziej rozpowszechnione i intuicyjne oznaczenia takich elementów pokazaliśmy na rysunku. Pierwszy z nich oznacza (najczęściej, choć nie zawsze) przełącznik bistabilny, czyli taki, który utrzymuje swoją pozycję po przełączeniu (tak, jak wyłączniki zasilania). Drugi symbol stosowany jest w przypadku przycisków monostabilnych, czyli chwilowych – zwierają one obwód tylko wtedy, gdy są wciśnięte. W ten sposób na schematach ideowych oznaczamy najczęściej np. popularne microswitche.
Przyrządy pomiarowe, czyli woltomierze i amperomierze, oznaczamy jako okrąg z wpisaną do środka literą V (dla woltomierzy) lub A (dla amperomierzy). Tego typu elementy obecnie rzadko spotyka się na schematach ideowych, aczkolwiek warto o nich pamiętać, ponieważ do tej pory wiele urządzeń wyposażonych jest we wbudowane wskaźniki analogowe lub cyfrowe. Wymieńmy tu choćby zasilacze czy wzmacniacze audio z analogowym wskaźnikiem (przyrządem wskazówkowym). Tego typu oznaczenia bardzo często spotkać można też w podręcznikach elektroniki czy elektrotechniki, na schematach pokazujących różne układy pomiarowe wykorzystujące właśnie woltomierze czy amperomierze.
Podsumowanie
Umiejętność szybkiego i bezbłędnego czytania schematów ideowych jest kluczowa dla każdego elektronika, dlatego już dziś zachęcamy Cię, abyś zaczął sukcesywnie analizować coraz bardziej złożone rysunki. Nawet jeżeli na początku (zwłaszcza w przypadku dużych urządzeń) będą Cię one przerażały, to z czasem na pewno zaczniesz zauważać w nich pewne znajome już struktury i obwody.
Umiejętność analizy schematów elektronicznych i elektrycznych nie tylko ułatwia swobodne odczytywanie dokumentacji, w tym zamysłu konstruktora, czy nawet parametrów konkretnych układów lub ich części, ale daje możliwość korzystania z ogromnej bazy schematów dostępnych w książkach, Internecie oraz materiałach producentów. Zdobywając wiedzę na temat oznaczeń i symboli zyskujesz zatem ogromne i bezcenne narzędzie do dalszej nauki i kształcenia w zakresie samodzielnego projektowania.
