Jak czytać schematy urządzeń elektronicznych?

Jak czytać schematy urządzeń elektronicznych?

Niniejszy artykuł jest poradnikiem dla kompletnie początkujących, którzy szukają wskazówek na temat tego jak czytać schematy.

Najprościej mówiąc schemat elektryczny to opis układu elektronicznego. Tworzy się go jednak nie przy użyciu słów, a stosując uniwersalne symbole i oznaczenia elektryczne.

 

Dlaczego używamy schematów?

Schematy ideowe stanowią specyficzny "język" elektroników oraz elektryków. Pozwala on zrezygnować nie tylko z opisów słownych, ale nawet rysunków czy też zdjęć. Zostają one zastąpione przez znormalizowane symbole elektryczne, o charakterze uniwersalnym i czytelnym dla odbiorców nie tylko w Polsce, ale i (najczęściej) na świecie.

Dzięki temu budowa, ale także naprawa dowolnego urządzenia elektronicznego nie wymaga kontaktu z jego projektantem - wystarczy uważna lektura schematu. To podejście sprawia, że:

  • przedstawiamy dane urządzenie na jednym rysunku, w sposób oczywisty dla wszystkich osób, które znają symbole stosowane na schematach elektronicznych,
  • łatwiej lokalizujemy ewentualne pomyłki i błędy na schemacie,
  • jesteśmy w stanie rozbudować urządzenie bez konieczności jego rozebrania i odczytywania/mierzenia wartości elementów.

Warto zaznaczyć, że o ile w przypadku układów elektronicznych możemy używać określenia "schemat ideowy", o tyle swego rodzaju odpowiednikiem takiej dokumentacji w przypadku układów elektrycznych jest tzw. schemat elektryczny jednokreskowy.

Bonus, streszczenie: pobierz opracowanie tego artykułu w formie plakatu (ściąga w PDF) »

Jak rysować schematy w programach CAD?

Projektowanie schematów ideowych na kartce (lub w programie Paint) bywa uciążliwe i nieefektywne. O wiele wygodniejszym rozwiązaniem jest użycie do tego celu specjalnego oprogramowania CAD.

Programy do projektowania wspomaganego komputerem są nieodzowne w projektowaniu obwodów elektronicznych. Zapewniają użytkownikowi zbiór narzędzi, najważniejsze z nich to:

  • edytory schematów ideowych,
  • baza elementów zawierająca potrzebne symbole,
  • edytory PCB.

Do najpopularniejszych programów CAD należą:

Szczególnie ciekawą propozycją dla początkujących elektroników jest edytor schematów ideowych i płytek drukowanych EAGLE. Dzięki prostemu interfejsowi, licznym narzędziom i rozbudowanym bibliotekom pozwala wykonać poprawny schemat instalacji elektrycznej nawet osobom niezbyt zaawansowanym w tej dziedzinie. Co równie istotne, obecny właściciel marki – Autodesk (który przejął producenta oryginalnego programu o nazwie Cadsoft) - udostępnia darmową wersję programu. Ma ona pewne ograniczenia, ale dla początkujących elektroników nie będą one stanowiły przeszkody.

Jest to idealny wybór dla hobbystów. Więcej na temat samego programu oraz jego obsługi znaleźć można w kursie, jaki został opublikowany jakiś czas temu. W dalszej części artykułu będę używał darmowej wersji EAGLE 6.5.0.

Jak czytać symbole elektryczne?

Jeśli chcesz zająć się samodzielnym konstruowaniem prostych układów, a nawet całych urządzeń elektronicznych, wiedza o tym, jak czytać schemat elektryczny, jest dla Ciebie jedną z kluczowych umiejętności. Przy pewnej wprawie będziesz w stanie nawet zamodelować w myślach działanie urządzenia bez konieczności jego montowania - wyłącznie na podstawie schematu.

Aby zrozumieć budowę układów, zapamiętaj najważniejsze symbole i oznaczenia elektryczne oraz elektroniczne. Zwróć uwagę, że każdy element, taki jak rezystor, dioda LED czy kondensator, ma swoje własne przedstawienie graficzne. Co więcej - możesz skojarzyć je z wyglądem lub działaniem danego podzespołu. Oto tabela przedstawiająca najpopularniejsze symbole elementów elektronicznych:

Tabela z symbolami najpopularniejszych elementów

Tabela z symbolami najpopularniejszych elementów

Na bazie elementów pokazanych w tabeli jesteś w stanie skonstruować pierwszy układ elektroniczny. Połącz w nim tranzystor z diodą LED, aby sterować jej światłem w zależności od sygnałów, które otrzyma z mikrokontrolera. Aby odwzorować taki układ, uruchom środowisko EAGLE i narysuj w nim taki prosty schemat:

z1

Analizując układ widzimy dwa rezystory (10k oznacza 10 kilo Ohm, 120R oznacza 120 Ohm), tranzystor NPN, wejście sygnałowe oznaczone etykietą SIG oraz zasilanie VCC i masę GND. Na chwilę zatrzymajmy się na tych 2 ostatnich symbolach.

Zasilanie nazywane najczęściej Vcc (V - Voltage) oznaczamy strzałką, a masę (potencjał 0) nazywamy GND (Ground) i oznaczamy poziomą kreskę.

Teraz nieco skomplikujmy nasz układ, dodając źródło zasilania (np.: baterię):

z2

Wielokrotne występujące symbole Vcc w rzeczywistości będą połączone, chociaż wizualnie są rozdzielone, to samo dotyczy GND. Rozwiązanie takie poprawia estetykę schematu. Rysowanie szyny zasilania z jednego końca schematu na drugi pogorszyłoby jego czytelność. Podobnie można potraktować szyny sygnałowe, jednak o tym później.

Węzły i przecięcia połączeń

Jest to element budzący wiele kontrowersji wśród początkujących. Większość schematów jest zdecydowanie bardziej skomplikowana niż powyższy. W związku z tym występują na nich skrzyżowania (jedno połączenie krzyżuje się z drugim).

Przykład obrazujący sytuację, o której mowa:

z3

Widoczne na schemacie zielone kropki oznaczają węzły i właśnie w tych punktach sygnał rozdziela się na poszczególne podzespoły. W schemacie odległość węzła od elementów nie ma znaczenia, może być duża albo mała, ważne aby wizualnie wyglądało to dobrze. Wszystkie wyjścia rezystorów skierowane do góry są połączone z dodatnią szyną zasilania, ponieważ wszędzie gdzie pojawiają się skrzyżowania sygnałów są węzły (kropki).

Natomiast do masy podłączone są jedynie katody diod LED nr 1 oraz 3. Katoda diody LED 2 krzyżuje się z masą, ale bez kropki! Wniosek - brak połączenia! Jak widać dioda nr 2 sterowana jest wejściem opisanym jako "ster" może one być podłączone np.: do mikrokontrolera.

Dla jasności powyższy schemat elektryczny mógłby zostać narysowany w taki sposób:

z4

Teraz nikt nie powinien mieć wątpliwości, co dzieje się z diodą nr 2. Jednak mam nadzieję, że przykład ten dobrze zobrazował jak należy interpretować wszelkie skrzyżowania.

Układ scalony - schematy

Układy scalone w postaci schematycznej mogą być mylące, gdyż wyprowadzenia symboli niekoniecznie zgadzają się z rozłożeniem nóżek w rzeczywistym układzie scalonych.

Na poniższych grafikach przestawiono:

  • po lewej widok wyjść mikrokontrolera Atmega8 w obudowie DIP28,
  • po prawej symbol jaki można znaleźć w bibliotece EAGLE.

Grafika po prawej przedstawia ten sam mikrokontroler, ale z drobną modyfikacją. Jak już było wspomniane, schemat jest tylko pewną ideą. W samym schemacie dąży się do osiągnięcia jak najlepszej czytelności. Jak widać po lewej stronie symbolicznego mikrokontrolera są wejścia takie jak zasilanie, złącze oscylatora czy reset. Natomiast po prawej stronie są piny IO, które dodatkowo posortowano indeksami, co w przypadku rzeczywistego mikrokontrolera nie zawsze jest zachowane.

Jeśli chcemy wiedzieć, gdzie znajduje się konkretny pin w obudowie, wystarczy spojrzeć na jego numer obok wyprowadzenia. Poniższy przykład przedstawia podstawowe połączenie mikrokontrolera AVR Atmega8:

z6

Na pierwszy rzut oka widać gdzie jest zasilanie układu, przycisk reset, niezbędne kondensatory oraz gdzie znajdują się linie GPIO mikrokontrolera.

Magistrale – wiele połączeń w jednym

Często zdarza się, że musimy poprowadzić wiele sygnałów z jednego miejsca schematu do drugiego. Można to zrealizować prowadząc pojedyncze połączenia, jednak przy dużej ilości sygnałów schematy będą bardzo skomplikowane.

W takim razie może oznaczymy sygnały etykietami? Pomysł już lepszy ale, mało praktyczny. Po wydrukowaniu dużego schematu odnalezienie dwóch identycznych etykiet będzie trudne. Z pomocą przychodzi nam magistrala (Bus), będąca zestawieniem dowolnej ilości sygnałów.

Idealnym przykładem jest podłączenie mostka H. Przeważnie wymaga, to około 6 połączeń z procesorem. Zamiast prowadzić oddzielne linie sygnałowe, możemy poprowadzić magistrale:

Jak widać jedna magistrala idzie do czujników, które są poza "kadrem". Natomiast druga łączy procesor z mostkiem. Stosując zbiorcze połączenia sprawiamy, że nasze schematy są czytelniejsze i łatwiejsze w interpretacji. Informacje o tworzeniu magistral znajdziecie w naszym kursie EAGLE:

Cadsoft Eagle – część 1 (Schematy)
Cadsoft Eagle – część 1 (Schematy)

Często otrzymuję pytania dotyczące schematów narysowanych w programach graficznych. Postanowiłem napisać ilustrowany kurs obsługi popularnego... Czytaj dalej »

Podsumowanie

Na zakończenie kilka wskazówek pomocnych przy czytaniu i rysowaniu schematów:

  1. Kropka oznacza węzeł czyli połączenie
  2. Sygnały o tych samych etykietach tworzą połączenie.
  3. Dobrze jest rysować symbol napięcia zasilania do góry, a symbol masy na dół.
  4. W celu zmniejszenia ilości połączeń (Net) należy stosować magistrale (Bus).
  5. Dobrze jest nazywać sygnały tak by nazwa informowała nas o jego funkcji.
  6. Zamiast tworzyć jeden spójny schemat warto rozbić go na bloki funkcyjne i połączyć magistralami.
  7. Projektując schemat należy zachować stosowny odstęp pomiędzy elementami, by możliwe było odczytanie nazwy oraz wartości.
  8. Zawsze najpierw twórz schemat układu elektronicznego, a dopiero później PCB.
Bonus, pobierz ściągę!
PDF: Podręczna ściąga streszczająca artykuł

Pobierz opracowanie tego artykułu w formie wygodnej ściągi w PDF. Najważniejsze symbole, przykłady połączeń i wskazówki w jednym miejscu. Pobierz ściągę »

Niniejszy artykuł to jedyne czubek góry lodowej. Jeśli temat będzie popularny na pewno w przyszłości pojawi się jego kontynuacja. Jeśli chcesz wiedzieć więcej o samych elementach powinieneś zapoznać się z naszym kursem podstaw elektroniki.

Kurs elektroniki, poziom I (podstawy) – #0 – wstęp, spis treści
Kurs elektroniki, poziom I (podstawy) – #0 – wstęp, spis treści

Kurs elektroniki od podstaw to seria poradników, dzięki którym już tysiące osób przekonało się, że elektronika może być wciągającym... Czytaj dalej »

Eagle, PCB, Schemat, symbole

Trwa ładowanie komentarzy...