מבוא
סכמות חשמליות הן המפה שלנו לתכנון, בניה, ופתרון בעיות במעגלים. הבנה איך לקרוא ולעקוב אחר הסכמה/שרטוט היא מיומנות חשובה לכל מהנדס אלקטרוניקה.מדריך זה אמור להפוך אתכם לקורא מיומן של סכמות חשמליות! נעבור על כל הסימונים הסכמטיים הבסיסיים של שרטוטים חשמליים:
אחרי זה נדבר על איך הסימונים האלה מתחברים בשרטוט כדי לייצר מודל של מעגל. נעבור גם על כמה טיפים וטריקים שכדאי לשים לב אליהם.
מדריכים מומלצים:
הבנת סכמות היא מיומנות מאוד בסיסית בתחום האלקטרוניקה, אבל יש עוד כמה דברים שאתם צריכים לדעת לפני שממשיכים עם מדריך זה. בדקו את המדריכים הבאים אם עוד לא עשיתם זאת:סימונים סכמטיים (חלק ראשון)
מוכנים להתחיל? הנה כמה סימוני סכמה בסיסיים וסטנדרטיים של רכיבים שונים.נגדים
הבסיסי ביותר מכל הסימונים והרכיבים! נגדים בסכמה בדרך כלל מיוצגים ע"י כמה קווי זיגזג, עם שני חיבורים שיוצאים מתוכם. שרטוטים עם סימונים סכמטיים בינלאומיים יכולים להשתמש במלבן ריק במקום הזיגזג.
פוטנציאומטרים ונגדים משתנים
נגדים משתנים ופוטנציאומטרים מוסיפים חץ לסימון של הנגד הסטנדרטי. נגד משתנה נשאר כרכיב עם שני חיבורים, כך שהחץ פשוט מונח בזווית על האמצע. פוטנציאומטר הוא רכיב בעל שלושה חיבורים, כך שהחץ הופך להיות החיבור השלישי (הזחלן).
קבלים
ישנם שני סימונים נפוצים לקבלים. אחד המציין קבל בעל קוטביות (TODO - polarized), לרוב קבל אלקטרוליטי או טנטלום (tantalum). השני עבור קבלים ללא קוטביות. בשני המקרים יש להם שני מחברים, הנכנסים אנכית ללוחות של הקבל.
סימון עם קו אחד מעוגל מציין שהקבל הוא בעל קוטביות. הקו המעוגל בדרך כלל מסמל את הקתודה של הקבל, שצריכה להיות עם מתח נמוך יותר מהצד החיובי, האנודה. סימן פלוס צריך להופיע ליד החיבור החיובי של קבל בעל קוטביות.
סלילים
סלילים בדרך כלל מיוצגים ע"י סדרה של בליטות מעוגלות, או לולאות. סימונים בינלאומיים יכולים גם להציג אותם כמלבן מלא.
מפסקים
מפסקים יכולים להופיע בצורות שונות. מפסק הבסיסי ביותר הוא SPST עם קוטב אחד ומצב אחד (single-pole, single-throw), מופיע כשני מחברים עם קו חצי-מחובר שמייצג את המפעיל (actuator), החלק שמחבר אותם יחד.
למפסקים עם יותר ממצב אחד, כמו SPDT או SP3D כמו שמופיע בתמונה הבאה, תוסיפו עוד נקודות חיבור עבור המפעיל.
מפסקים עם כמה קטבים מופיעים בדרך כלל ככמה מפסקים דומים עם קו מקווקו שמחבר בין כל המפעילים (actuators).
מקורות מתח
כמו שיש הרבה אפשרויות כדי לספק מתח למעגל שלכם (TODO - How to Power a Project), כך יש מגוון רחב של סמלים סכמטיים למקורות מתח.מקורות DC או AC
ברוב המקרים שתעבדו עם אלקטרוניקה, תשתמשו במקורות מתח קבוע. נוכל להשתמש באחד משני הסמלים הבאים כדי לציין האם המקור מספק מתח קבוע (DC) או מתח חילופין (AC).
סוללות
סוללות (TODO - Battery Technologies), אם אלה סוללות אצבע AA החד-פעמיות, או סוללות Lithium-Polymer הנטענות, בדרך כלל נראות כמו זוג קווים לא שווים:
זוגות קווים נוספים בדרך כלל מציין יותר תאים בסוללה. בנוסף, הקו הארוך יותר בדרך כלל מציין את החיבור החיובי, כאשר הקצר יותר מחובר לצד השלילי.
צמתי מתח
לפעמים, במיוחד בסכמות עמוסות מאוד, אפשר להקצות סמלים מיוחדים לצמתים של המתח. אפשר לחבר רכיבים לסמלים אלה, בעלי חיבור אחד, והם יהיו מחוברים ישירות ל-5V, 3.3V, VCC או GND (אדמה). צמתים של מתחים חיוביים בדרך כלל מיוצגים ע"י חץ הפונה למעלה, כאשר צמתי אדמה כוללים רק קו שטוח אחד או שלושה, או לפעמים חץ או משולש הפונה למטה.
סימונים סכמטיים (חלק שני)
דיודות
דיודות בסיסיות בדרך כלל מיוצגות ע"י משולש התקוע בקו. גם הדיודות מקוטבות (TODO - What is Polarity), כך שלכל אחד משני החיבורים שלה צריך להיות מזהה יחודי. הצד החיובי (האנודה) הוא החיבור שנכנס לצד השטוח של המשולש. הצד השלילי (הקתודה) יוצא מהקו בו המשולש תקוע.
יש כל מני סוגי דיודות שונות, לכל אחד יש תוסף על סימון הדיודה הסטנדרטית. לדים (Light-emitting diodes - LEDs) מוסיפים לסימון זוג חצים הפונים החוצה. פוטודיודות, המייצרות אנרגיה מהאור (למעשה אלה תאים סולאריים קטנים) הופכות את כיוון החצים ומפנה אותם לכיוון הדיודה.
לסוגי דיודות מיוחדות, כמו השוטקי או זנר, יש סימון משלהם, שמשנה קצת את הצורה של הקו בסימון הרגיל.
טרנזיסטורים
טרנזיסטורים, BJT או MOSFET, יכולים להיות בשתי תצורות: קיטוב חיובי או קיטוב שלילי, כך שלשני הסוגים יש לפחות שני דרכים לצייר אותם.BJT - Bipolar Junction Transistor
טרנזיסטור BJT הוא רכיב בעל 3 חיבורים: יש להם C - collector, E - emitter, ו-B - base. יש שני סוגים של BJT - סוג ה-NPN ו-PNP, ולכל אחד יש סימון ייחודי משלו.
הקווים של C - collector ושל ה-E - emitter יהיו מיושרים אחד עם השני, אבל ל-emitter תמיד יהיה סימון של חץ. אם החץ פונה פנימה, זהו PNP, ואם החץ פונה החוצה, זהו NPN. משפט באנגלית שעוזר לזכור איזה מהם הוא מה: NPN - Not Pointing In.
MOSFET - Metal Oxide Field-Effect Transistor
כמו ל-BJT, גם ל-MOSFET יש שלושה חיבורים, אבל השמות שלהם הם: S - source, D - drain, ו-G - gate. ושוב, יש שתי גרסאות של הסימון, תלוי בקיטוב של הרכיב: n-channel או p-channel. ישנם כמה סימונים נפוצים לכל אחד מסוגי ה-MOSFET:
החץ באמצע הסימון (הנקרא bulk) מגדיר אם ה-MOSFET הוא n-channel או p-channel. אם החץ פונה פנימה, זהו n-channel MOSFET, ואם הוא פונה החוצה, זהו p-channel. זכרו את זה כך: "n is in". סוג של ההפך מהמשפט של ה-BJT.
שערים לוגיים
פעולות לוגיות הסטנדרטיות שלנו - AND, OR, NOT ו-XOR - לכל אחד יש סימול סכמטי ייחודי:
הוספת עיגול ביציאה של הרכיב שוללת (negates) את הפונקציה, כך שנוצרים שערי NAND, NOR ו-XNOR:
יכול להיות שיהיו להם יותר מ-2 כניסות, אבל הצורה שלהם צריכה להישאר זהה (אולי תהיה גדולה יותר), ולכולם עדיין צריכה להיות רק יציאה אחת.
מעגלים משולבים
מעגלים משולבים (TODO - Integrated circuits) מבצעים משימה כל כך ייחודית, ויש כל כך הרבה מהם, כך שהם לא באמת מקבלים סימון סכמתי ייחודי. בדרך כלל מעגל משולב מיוצג ע"י מלבן עם חיבורים שיוצאים ממנו. כל חיבור צריך להיות מסומן גם עם מספר הפין וגם התפקיד שלו.בתמונה: סימונים של מיקרובקר ATmega328 (נפוץ בכרטיסי Arduino), שבב הצפנה ATSHA204, ומיקרובקר ATtiny45. כמו שאתם רואים, רכיבים אלה שונים בגודל וכמות הפינים:
בגלל שלרכיבים אלה יש סימון כל כך כללי, השמות, ערכים וסימונים של החיבורים הופכים להיות חשובים מאוד. לכל שבב צריך להיות ערך המזהה בצורה ייחודית את השם של הרכיב.
שבבים מיוחדים: מגברים, מייצבי מתח
חלק מהמעגלים המשולבים הנפוצים יותר בכל זאת קיבלו סימון משלהם. בדרך כלל תמצאו מגברי שרת (OpAmp) מוצגים כמו בתמונה הבאה, עם 5 חיבורים: כניסה לא מתהפכת (+), כניסה מתהפכת (-), יציאה ושני קווי מתח.
לרוב יהיו שני מגברי שרת בתוך מארז שבב אחד, כך שלשניהם יהיה רק קו אספקת מתח אחד ואדמה אחת, וזו הסיבה שבתמונה למעלה למגבר הימני יש רק 3 קווים.
למייצבי מתח פשוטים בדרך כלל יש 3 חיבורים: כניסה, יציאה ואדמה (או כוונון). לאלה בדרך כלל יש צורה של מלבן עם קו כניסה משמאל, יציאה מימין ומלמטה אדמה/כוונון.
שונות
גבישים ומתנדים
גבישים (crystals) או מתנדים (resonators) הם בדרך כלל חלק קריטי למעגל של מיקרובקר. הם עוזרים לספק אות של השעון. לסימון של גביש בדרך כלל יש שני חיבורים, כאשר למתנד, שמוסיף שני קבלים לגביש, בדרך כלל יש 3 חיבורים.
מחברים
לא משנה אם אתם מספקים מתח, או מוציאים נתונים, תזדקקו למחברים ברוב המעגלים. סימונים אלה משתנים בהתאם לאיך שהמחבר נראה, הנה כמה דוגמאות:
מנועים, שנאים, רמקולים וממסרים
נאגד את כל אלה יחד, כי הם (בעיקר) עושים שימוש בסלילים בצורה כלשהי. שנאים (Transformers), לא מהסוג הזה, בדרך כלל כוללים שני סלילים, צמודים אחד לשני, עם כמה קווים שמפרידים אותם:
ממסרים בדרך כלל משלבים סליל עם מפסק:
רמקולים וזמזמים בדרך כלל מקבלים צורה הדומה למקבילים שלהם בחיים האמיתיים:
ומנועים לרוב כוללים את האות "M" בעיגול, עם קצת קישוט ליד החיבורים:
פיוזים
פיוזים חד פעמיים ומתאפסים (PTCs) - רכיבים שבדרך כלל משמשים להגבלת זרם גבוה - לכל אחד מהם יש סימון סכמתי ייחודי:
הסימון של PTC הוא למעשה סימון כללי של תרמיסטור (thermistor), נגד תלוי טמפרטורה. מזהים את הסימון הבינלאומי של נגד?
אין ספק, יש הרבה סימונים סכמטיים שנשארו מחוץ לרשימה זו, אבל אלה שסיקרנו כאן אמורים לתת לכם 90% מאוצר הסימונים הסכמטיים. בגדול, לסימון צריכים להיות הרבה דברים משותפים עם הרכיב שהם מייצגים בחיים האמיתיים. בנוסף לסימון עצמו, לכל רכיב בסכמה/שרטוט חשמלי צריך להיות שם וערך ייחודי, שיעזרו לזהות אותו.
מזהה שמות וערכים
אחד הדברים החשובים בקרוא וכתוב של סכמות חשמליות זה היכולת לזהות מה עושה כל רכיב. סימון סכמטי של הרכיב הוא חצי מהסיפור, אבל לכל סימון צריך להיות צמוד גם שם וערך כדי להשלים את התמונה.שמות וערכים
ערכים עוזרים להגדיר בדיוק מהו כל רכיב. לרכיבים סכמטיים כמו נגדים, קבלים וסלילים, הערך מציין כמה אוהם, פאראד, או הנרי יש להם. לרכיבים אחרים, כמו מעגלים משולבים, הערך יכול להיות רק השם של השבב. למעשה, הערך של רכיב סכמטי מציין את המאפיין החשוב ביותר שלו.שמות הרכיבים כוללים בדרך כלל אות אחת או שתיים ומספר. חלק של האות בשם מציין את סוג הרכיב - R לנגד, C לקבל, U למעגלים משולבים וכו'. המספר בשם מוסיף מספור לאותו סוג רכיב. כל שם של רכיב על הסכמה צריך להיות ייחודי. לדוגמה, אם יש לכם מספר נגדים במעגל, צריך לקרוא להם R1, R2, R3 וכו'. שמות הרכיבים עוזרים לנו להתייחס לנקודות ספציפיות בסכמה.
ישנו סוג של סטנדרט לקידומות של השמות. לחלק מהרכיבים, כמו נגדים (Resistors), הקידומת היא פשוט האות הראשונה של סוג הרכיב - R. קידומות אחרות לא כל כך ברורות. לסלילים למשל (Inductors), האות היא L (כי זרם כבר לקח את האות I, למרות שהוא מתחיל בכלל ב-C). הנה רשימה של רכיבים נפוצים וקידומות לשמות שלהם:
- R - נגדים Resistors
- C - קבלים Capacitors
- L - סלילים Inductors
- S - מפסקים Switches
- D - דיודות Diodes
- Q - טרנזיסטורים Transistors
- U - מעגלים משולבים Integrated Circuits
- Y - גבישים ומתנדים Crystals and Oscillators
למרות שאלה הם שמות "סטנדרטיים" לרכיבים סכמטיים, לא משתמשים בהם בצורה אוניברסלית. תוכלו לראות מעגלים משולבים עם שמות שמתחילים ב-IC ולא ב-U, או גבישים כ-XTAL ולא Y. השתמשו בהיגיון שלכם כדי להבין איזה רכיב הוא מה. הסימון בדרך כלל אמור לספק הרבה מידע.
קריאת סכמות
הבנת מה עושה כל רכיב בסכמה זה יותר מחצי קרב כדי להבין אותה. מה שנשאר זה לזהות איך כל הרכיבים מחוברים יחד.חיווט, צמתים ותוויות
רשתות סכמטיות (Nets) מראות לכם איך הרכיבים מחווטים ביניהם במעגל. הרשתות מיוצגות ע"י קווים בין מחברי הרכיבים. לפעמים (אבל לא תמיד) הם מופיעים בצבע ייחודי, כמו הקווים הירוקים בסכמה הבאה:
צמתים
החוטים יכולים לחבר שני מחברים יחד, או שהם יכולים לחבר עשרות. כשהחוטים מתפצלים לשני כיוונים, הם מייצרים צומת. צמתים על הסכמה מיוצגים ע"י Node, נקודה קטנה הנמצאת בחיתוך של החוטים.
ה-Node מספק לנו דרך להגיד ש"חוטים שחוצים את הצומת הזו מחוברים". כשאין נקודה (Node) בצומת, זה אומר ששני החוטים הנפרדים פשוט עוברים אחד ליד השני, בלי לייצר שום סוג של חיבור. (כשאתם מתכננים מעגלים, בדרך כלל זהו רעיון טוב להימנע מהצמתים הלא מחוברים עד כמה שאפשר, אבל לא תמיד זה אפשרי).
שמות חיבורים
לפעמים, כדי להפוך את הסכמה לקריאה יותר, נותנים שמות לחיווט, במקום למשוך חוטים לאורך כל השרטוט. מניחים שהחיווט עם אותו שם יהיה מחובר, למרות שאין חוט שאפשר לראות מחבר ביניהם. אפשר לרשום את השמות מעל החיווט, או שאפשר להצמיד "תוויות" שיוצאות מהחוטים.בתמונה: כל חיווט עם אותו שם מחובר, כמו בסכמה של מתאם FT231X. שמות ותוויות עוזרות לסכמות להפוך להיות מבולגנות (דמיינו אם כל החיבורים האלה היו באמת מחוברים עם חוטים):
בדרך כלל השמות שנותנים לחיווט מציינים מפורשות את מטרת הסיגנל על אותו הקו. לדוגמה, חיבור המתח יהיה עם תווית של "VCC" או "5V". קווי תקשורת טורית (TODO - Serial Communication) יהיו עם סימון של "RX" או "TX".
טיפים לקריאת סכמות
זיהוי בלוקים
סכמות מרשימות באמת צריכות להיות מחולקות לבלוקים. יכולה להיות שם מחלקה לאספקה וייצוב מתח, או מחלקה של מיקרובקר, או מחלקה המוקדשת למחברים. נסו לזהות כל בלוק ולעקוב אחר הזרימה של המעגל מכניסות ליציאות. מעצבי סכמות טובים יפרסו את המעגל כמו ספר, כניסות בצד שמאל, יציאות בצד ימין.אם מעצב הסכמות ממש נחמד (כמו המהנדס שעיצב סכמה זו של כרטיס פיתוח RedBaord), הוא עשוי להפריד את המחלקות השונות של המעגל לבלוקים לוגיים עם תוויות מסודרות.
זיהוי צמתים של אספקת מתח
צמתים (Nodes) לאספקת מתח הם רכיבי סכמה עם חיבור אחד, אליהם נוכל לחבר את החיבורים של רכיבים כדי לספק להם רמות מתח מסוימות. אלה שמות מיוחדים של חיווטים, שמציינים שכל החיבורים המחוברים לצומת עם שם זהה יהיו מחוברים יחד.בתמונה: צמתים עם אותן שמות, כמו GND, 5V, ו-3.3V, כולם מחוברים למקביליהם, אפילו אם אין חוטים ביניהם.
צמתים של אדמה (GND) שימושיים במיוחד בגלל שהמון רכיבים צריכים להיות מחוברים אליהם.
בדקו את המפרט הטכני של רכיבים
אם משהו בסכמה פשוט לא נראה הגיוני, נסו למצוא את המפרט הטכני של הרכיב החשוב ביותר. לרוב הרכיב שעושה את רוב העבודה של המעגל הוא מעגל משולב, כמו מיקרובקר או חיישן. בדרך כלל זה יהיה הרכיב הגדול ביותר, לרוב ממוקם במרכז של הסכמה.לאן ממשיכים?
זה כל מה שצריך כדי לקרוא סכמות חשמליות! הכרות עם סימונים, מעקב אחרי חיווט, וזיהוי של תוויות נפוצות. הבנה של איך עובדות סכמות ושרטוטים פותחת לכם עולם שלם של אלקטרוניקה! בדקו את המאמרים הבאים כדי לתרגל את יכולות קריאת הסכמות החדשות שלכם:- מחלקי מתח - אחד המעגלים הבסיסיים והיסודיים. למדו איך להפוך מתח גבוה למתח נמוך יותר, בעזרת רק שני נגדים!
- איך משתמשים במטריצה - עכשיו, כשאתם יודעים לקרוא סכמות, למה לא לבנות מעגל? מטריצות הן דרך נהדרת כדי לייצר מעגל אב-טיפוס זמני ומתפקד.
- עבודה עם חוטים - או… דלגו על המטריצה ותתחילו לחווט דברים. לדעת איך לחתוך, לקלף ולחבר חוטים היא מיומנות חשובה באלקטרוניקה.
- מעגלים טוריים ומקביליים - בניית מעגלים בטור או במקביל דורשת הבנה טובה בסכמות.
- Conductive Thread Basics - TODO - אם אתם לא רוצים לעבוד עם חוטים, מה לגבי בניית מעגל לביש (e-textile) עם חוט תפירה מוליך? זה היופי עם סכמות, אותו מעגל סכמתי אפשר לבנות במספר דרכים שונות.
