Схемы 12 В: постоянный ток

Кроме проектов с платой ESP32, в PinPort есть схемы, в которых контроллера нет вовсе. Направление «12 В» — про постоянный ток: лампы, светодиоды, реле, предохранители, кнопки и всё то, из чего собрана проводка автомобиля и первые школьные опыты с электричеством.

Прошивки здесь нет, кода нет, собирать нечего — и запускать тоже нечего. Цепь считается всё время: щёлкнули выключателем — лампа загорелась, приборы показали ток и напряжение, короткое замыкание выбило автомат. Всё это происходит мгновенно и ждать не заставляет.

Отдельно управляется только ход времени. Он нужен шести вещам: нагреву предохранителя, тепловому расцепителю автомата, выдержке селективного УЗО, миганию прерывателя поворотников, разгону двигателя и разряду аккумулятора. Переключатель в панели над схемой умеет ставить время на паузу и ускорять его до трёх тысяч шестисот раз — час за секунду. Кнопка «Сброс» рядом взводит защиту и заряжает аккумулятор.

Как это устроено внутри

Схема превращается в систему линейных уравнений — метод узловых потенциалов, тот же, что в любом учебнике по ТОЭ. Решатель у обоих направлений один и комплексный, но для постоянного тока частота равна нулю, мнимые части вырождаются, и остаётся обычный закон Ома. Резисторы вносят проводимости, источники дают по одному лишнему уравнению, диоды подбираются перебором состояний. Система решается двадцать раз в секунду, поэтому щелчок по выключателю виден сразу.

Из этого следует главное: числа на экране — те же, что получаются на бумаге. Лампа 12 В мощностью 6 Вт имеет сопротивление 24 Ом и берёт 0,5 А; две такие лампы последовательно получают по 6 В каждая и светят вчетверо слабее. Модель не «показывает, что лампа горит» — она считает, насколько.

Детали направления

Источники. Блок питания 12 В — идеальный, с настраиваемым ограничением по току. Аккумулятор — с внутренним сопротивлением: именно оно даёт просадку напряжения под нагрузкой и ограничивает ток короткого замыкания сотнями ампер, а не бесконечностью.

У аккумулятора задаётся ёмкость в ампер-часах и тип — свинцовый, AGM или литиевый, — и из них считается то, ради чего аккумулятор и отличается от блока питания: на сколько его хватит. Число это не получается делением ёмкости на ток, и разница обычно двукратная.

Во-первых, взять можно не всю ёмкость. Свинцовый аккумулятор, разряженный ниже половины, теряет ресурс необратимо; AGM переносит шестьдесят процентов, литий — девяносто.

Во-вторых, ёмкость на наклейке измерена неспешным двадцатичасовым разрядом. При большем токе отдача падает — это закон Пейкерта, и показатель степени у свинца около 1,25, у лития почти единица. Отсюда практический вывод, который на наклейке не написан: шестьдесят ампер-часов не означают шестидесяти ампер в течение часа. При стартерном токе в двести ампер тот же аккумулятор работает минуты.

Расход считается в той же мере, в какой посчитан запас, поэтому счётчик ампер-часов и расчёт времени не спорят друг с другом. Разряженный аккумулятор перестаёт быть источником — схема обесточивается.

Процессы эти идут часами, поэтому в панели над схемой есть ускорение модельного времени: до трёх тысяч шестисот раз, то есть час за секунду. Тем же ускорением удобно смотреть нагрев кабеля.

Нагрузка. Лампа, светодиод, мотор, звонок. У лампы и мотора задаётся паспортная мощность при паспортном напряжении, из них считается сопротивление. У светодиода — цвет (от него зависит прямое падение) и допустимый ток.

Управление. Тумблер, кнопка, реле. Кнопка замкнута, пока нажата; тумблер и рычаг реле щёлкаются мышью прямо на схеме. У реле есть катушка и группа контактов — нормально разомкнутый, нормально замкнутый и общий.

Защита. Предохранитель с номиналом. Перегорает не мгновенно: при превышении номинала он греется, и время до перегорания зависит от кратности. Втрое больше номинала — рвётся сразу.

Измерение. Амперметр включается в разрыв цепи, вольтметр — параллельно детали. Перепутать их — классическая ошибка, и модель назовёт её тем, чем она является: коротким замыканием.

Соединения. Колодка на пять клемм — ею собирают массу кузова или общий плюс. Кабель — отдельная деталь с сечением, длиной и материалом жилы: сопротивление считается по обеим жилам, туда и обратно, и на двадцати метрах тонкого провода потеря напряжения становится заметна глазом.

Автомобильные детали. Замок зажигания с четырьмя положениями — выключено, аксессуары, зажигание, стартер: щелчок переводит на следующее. Генератор — источник на 14,2 В, который включается щелчком («двигатель заведён»); он жёстче аккумулятора, поэтому при работающем двигателе напряжение в сети задаёт он, а аккумулятор заряжается. Реле-прерыватель поворотников размыкает и замыкает себя сам, пока на него подано питание, — период задаётся свойством.

Что схема подскажет сама

После каждого расчёта работает разбор. Он делит замечания на три вида.

Ошибка — так собранное не заработает или опасно. Короткое замыкание (с указанием пути, по которому идёт ток, и его сопротивления), светодиод без токоограничивающего резистора (с расчётом нужного номинала), напряжение выше номинала детали, перегоревший предохранитель с причиной.

Предупреждение — заработает, но не так, как задумано. Лампа вполнакала с объяснением про последовательное и параллельное соединение, ток близкий к номиналу предохранителя, реле, которому не хватает тока на катушке, неподключённые выводы.

Подсказка — всё правильно, просто ничего не происходит: перечислено, какой именно выключатель разомкнут и что щёлкнуть.

Чего модель не считает

Ускорение мигания поворотника при перегоревшей лампе: в настоящей машине тепловой прерыватель реагирует на уменьшившийся ток, в модели период постоянный.

Нагрев проводов и спиралей ламп: сопротивление холодной лампы накаливания в разы меньше горячей, и пусковой ток в модель не входит. Индуктивность катушек реле и обратный выброс при размыкании — там, где без гасящего диода схема выходит из строя, об этом сказано словами в разборе примера, а не показано числом.

Всё это ограничения намеренные: модель считает то, что можно посчитать точно, и честно говорит, где заканчивается её область.