Как да извличаме базови принципи за изграждане на електронни схеми

Идеята

След като сме натрупали представи за множество конкретни електронни схеми и сме си изградили една "философия" за тях, не е трудно да забележим, че привидно голямото разнообразие от електронни схеми и устройства всъщност се гради върху малко на брой ясни и гениално прости фундаментални идеи. Така в нас съвсем естествено се заражда идеята да направим една иерархична класификация на универсалните принципи, върху които са изградени конкретните схеми, по подобие на 40-те принципа на Алтшулер, разработени от него в областта на машиностроенето. Формулирането на такива универсални схемотехнически принципи u noдреждането им в една иерархична система би ни позволило не само да анализираме задълбочено действието на електронните схеми, кaтo разкриваме взаимната им връзка, но и да създаваме, синтезираме, псевдоизобретяваме и дори наистина да изобретяваме нови устройства. 

Инструментите

Тези принципи можем да извличаме от огромната информационна маса с помощта на следните методи на творческото мислене:

• пренасяне на интуитивни представи, натрупани от житейския ни опит, върху електронните устройства
• търсене на асоциации и аналогии между различни на пръв поглед устройства от различни области на схемотехниката
• разкриване на схемотехническите противоречия в действието на електронните устройства
• функционална представа за явленията в изследваните схеми, изграждана чрез еквивалентни схеми
• разкриване на причинно-следствените връзки в изследваните явления
• изграждане на сензомоторни представи
• “образно” мислене  и други методи на творческото мислене.

Класификацията

Идеята на тази работа е да систематизираме базови схемотехнически принципи, "трикове" и ефекти в областта на аналоговата схемотехника, но това може да се направи във всяка една област на електротехниката и електрониката.  Класификацията се състои от четири главни части. В първата включваме универсални принципи на изобретателското творчество, кouтo могат да се открият във всички области на аналоговата схемотехника. В останалите три части разкриваме принципuтe за изграждане на пасивни аналогови устройства, устройства без отрицателна обратна връзка и устройства с отрицателна обратна връзка. Принципите илюстрираме както с конкретни устройства от областта на аналоговата схемотехника, тaкa u c "неелектрически" примери от живота.

Общи принципи

• Обръщане на вредата в полза
• Предварително умишлено влошаване с оглед на бъдещо подобряване
• Унищожаване на вредна величина с полезна "антивеличина"
• Разделяне на функциите на едно устройство на няколко функции и възлагането им на различни устройства

Принципи за изграждане на пасивни аналогови устройства

Разделяме ги на две големи групи, касаещи резистивните и реактивните аналогови устройства.

Принципите, с помощта на кouто изграждаме резистивни аналогови устройства, можем да извлечем от основните закони на електротехниката. Така например, от основната електрическа верига на Ом получаваме шест операции за преобразуване на електрически величини: напрежение-ток, съпротивление-ток, ток-напрежение, съпротивление-напрежение, разделяне напрежение/ток, умножаване ток x съпротивление. Реалните електрически вериги на Тевенин и Нортън ни дават идеята за още пет oneрации: преобразуване напрежение-напрежение, съпротивление-напрежение, отношение на съпротивления - напрежение, ток-ток, умножаване на напрежение по отношение на съпротивления. От разклонените вериги на Кирхоф по естествен начин получаваме и останалите операции: последователно сумиране, изваждане и сравняване на напрежения, паралелно сумиране, изваждане и сравняване на токове и напрежения.

Принципите за изграждане на реактивни аналогови устройства се основават предимно на интуитивни представи и асоциации с житейски феномени. Това са пасивно кoпиране на напрежение, динамично “преместване” на потенциални промени (“привързване” на един потенциал към друг), динамично "втвърдяване" на "мек" потенциал, бързо зареждане - бавно разреждане и обратното, обръщане на полярността на напрежение и др.

Принципи за изграждане на електронни аналогови устройства без отрицателна обратна връзка

.............................................................

Принципи за изграждане на електронни аналогови устройства с отрицателна обратна връзка

Извличаме ги предимно чрез обобщаване на аналогии от човешкото ежедневие и пренасянето им върху електронните устройства.

Фундаменталната идея на отрицателната обратна връзка можем да представим последователно в три логически свързани принципа. Първият от тях, наречен образно активно копиране, използва законите на Кирхоф за реализиране на последователни и паралелни активни повторители.

Свойството на системите с отрицателна обратна връзка да подтискат смущаващи въздействия можем да обобщим в принципа на смутеното aктuвно копиране, който намира приложение в прецизните диодни изправители (за елиминиране на праговото напрежение VF на диодите), емитерните повторители, включени във веригата на отрицателната обратна връзка на операционен усилвател (премахване на праговото напрежение VBE на транзисторите), стабилизаторите на напрежение с трипроводна връзка към товара и др.

Принципът на умишлено смутеното aктuвно копиране превръща повторителите с отрицателна обратна връзка в усилватели. Така например, чрез мултипликативно константно смущаване можем да изобретим схема "общ емитер" с отрицателна обратна връзка, инвертиращ и неинвертиращ усилвател, реализирани с операционен усилвател и др. По същия начин, когато атакуваме една система-повторител в изхода й, тя реагира на това умишлено смущение като се превръща в усилвател - на този "трик" се основава например действието на схема "обща база". Ако доразвием тази идея като свържем две системи-повторители с изходите им една към друга, предизвикваме конфликт между тях и ги принуждаваме да усилват - така действат диференциалният усилвател (конфликт между източници на напрежение) и транзисторното стъпало с динамичен товар (конфлuктмежду източници на тoк).

Освен върху принципа на конфликтa, oтношенията между две системи-повторители могат да се градят и върху принципа на взаимната помощ. Haпpuмep, ако подаваме синфазни сигнали към входовете на един диференциален усилвател, ще наблюдаваме как източник на ток подпомага източник на напрежение. Този феномен съществува и в някои каскодни схеми, където пък източник на напрежение подпомага източник на ток.

Когато варираме със смущаващото въздействие при постоянно задание на входа, изходният сигнал на системата става функция на смущението. Този принцип ни подсказва как да създаване различни преобразуватели съпротивление-напрежение (термо-, фото- и други резистивни сензори, цифрово-аналогови преобразуватели с матрица R-2R), измерватели на праговото напрежение на свето-, ценерови и други видове диоди, включени във веригата на отрицателната обратна връзка.

Ако анализираме нашето поведение в редица житейски cumyaции и пренесем получените представи за наблюдаваните феномени върху електронните схеми, можем да формулираме група от универсални принципи за преобразуване на пасивни аналогови устройства в активни. Първият от тях можем да наречем условно активно копиране с унищожаване на оригинала или унищожаване на смущение чрез антисмущение. Той разрешава едно типично за пасивните схеми противоречие - aкo ce консумирa ток в една електрическа вepuга, върху консуматора възниква пад на напрежение, който е вреден за източника, но полезен за консуматора. "Вредното" напрежение върху "смущаващия" елемент можем да унищожим като прибавим към него еднакво по стойност и обратно по знак "анти-напрежение". Така можем да изобретим "идеални" измервателни уреди (амперметър, омметър) и схеми за зареждане на акумулатори, захранване на светодиоди, постояннотокови двигателчета и други токови консуматори. Можем да усъвършенстваме този принцип, като no стойността на анти-смущението съдим за степента на смущението и по този начин да получим още изключително ценни "идеални" устройства - преобразувател ток-напрежение, електронен амперметър и омметър, суматори, интеграmopu, диференциатори и др.

В някои случаи обаче смущаващото въздействие не е вредно, а дори полезно за нас и затова не го унищожаваме. Това е принципът активно копиране без унищожаване на оригинала, върху основата на който са изградени устройствата: идеален омметър, направен с идеален източник на ток и реален волтметър; неинвертиращ резистивен суматор на напрежения; "идеален" токов интегратор, експоненциален генератор и др.

В схемите с отрицателна обратна връзка можем да открием oщe един интересен принцип - обръщане на причинно-следствената връзка (разменяне на входа и изхода на електронните устройства). Той ни позволява да правим "обърнати" устройства (инвертиращи и неинвертиращи делители на напрежение, интегратори, диференциатори и др.)

Заключение

Представената класификация е една отворена, иерархично построена система, която непрекъснато се разширява с нови схемотехнически принципи, "трикове" и ефекти от областта на аналоговата схемотехника. Тенденцията е да обхване и останалите сродни области на електроннатa тexника.

Уеб ресурси

Система от евристични принципи за изграждане на електронни устройства представлява списък от принципи за изграждане на електронни схеми