Совсем недавно смартфоны казались настоящими технологическим чудом. А сегодня как минимум 35% людей подтверждают свою зависимость от этих чудес (остальные ещё верят в силу воли). Цифровой детокс для одних стал модным трендом, а для других — источником заработка. Разбираемся, стоит ли делать отдых от гаджетов обязательным элементом рутины.
Цифровой детокс выглядит относительно новым понятием, которое недавно вошло в тренды. На самом деле, уже в 2012-м году в журнале Fast Capitalism вышла статья «Время для цифрового детокса? От информационного переедания к digital-диете». Звучит так, будто написано вчера.
А теперь — минутка свежей статистики:
59,5% населения Земли используют интернет — это 4,66 млрд человек.
6 часов и 40 минут в сутки в среднем проводит современный человек у экрана гаджета, и спит — примерно столько же.
У поколения Z (родившихся в период с 1995 по 2010-е годы) показатель экранного времени приближается к 9 часам в сутки.
49% современных детей в возрасте до 2 лет уже взаимодействуют со смартфоном.
Очевидно, что со временем все эти показатели будут только расти. Голоса сторонников цифрового детокса звучат всё громче, а хотя бы к цифровой гигиене (осознанному использованию смартфона и прочих девайсов) сегодня и вовсе призывают из каждого «утюга».
Он вырастет и тоже задумается о цифровом детоксе
❯ Так что же это за цифровой детокс?
Под цифровым детоксом обычно понимают осознанный отказ от использования гаджетов. Его адепты призывают снизить или вообще свести к нулю экранное время — период, который современный человек проводит перед экраном смартфона, планшета или другого электронного устройства.
Внутри цифрового детокса успели сложиться свои тренды. Например, многие исследователи рассматривают его в разрезе сокращения времени использования соцсетей. Из 6 часов 40 минут экранного времени пользователя в сутки в среднем 2 часа и 27 минут уходят именно на залипание в соцсетях.
Совсем как обычное очищение организма, только цифровое | Источник
❯ От чего очищаемся? Последствия увеличенного экранного времени
Пять лет назад почти всё человечество (кроме тех, у кого нет интернета) уже стало участником глобального эксперимента с резким увеличением экранного времени. Речь, конечно же, о пандемии COVID-19.
Например, в Индии в разгар пандемии экранное время достигло 6 часов на человека в сутки, и это меньше, чем в среднем по миру в 2025-м году. Вот к каким последствиям это привело:
Разбалансировка уровней дофамина (вырабатывается в предвкушении удовольствия), серотонина (стабилизирует настроение) и мелатонина (регулирует биологический ритм).
Снижение концентрации внимания и способности ясно мыслить. Учёные поэтично называют это явление «мозговой туман».
Повышенная утомляемость глаз, возросшее количество жалоб на боли в шее и спине.
Снижение физической активности. Где же найти на неё время, проводя 6 часов в день в гаджете?
Различные поведенческие отклонения. Чаще всего в исследовании фигурировали повышенная тревожность и депрессия.
А что, если ёжик заблудился в «мозговом тумане»? | Кадр из мультфильма «Ёжик в тумане»
❯ Что будет, если ограничить время, проводимое в гаджетах?
В 2021 году учёные проанализировали результаты проведённых в 11 странах исследований с участием 3625 человек. Во имя науки эти люди добровольно ограничивали использование соцсетей или вообще отказывались от смартфона на срок от одних суток до четырёх недель. «Как же они работали?» — вероятно, спросите вы. Спокойствие! В исследованиях участвовали преимущественно студенты, которым, видимо, пришлось вспомнить, где же в их университете находится библиотека.
Не подскажете, как пройти в библиотеку? | Кадр из фильма «Операция “Ы” и другие приключения Шурика»
Спустя две недели цифрового детокса поведение участников стало более осознанным, ослабли признаки прокрастинации (вечного откладывания дел и задач на потом), а у людей с изначально высоким уровнем тревожности ещё и сон улучшился! Многие участники отмечали, что вырос их уровень удовлетворённости жизнью. В основном это были те, кто воздерживался от использования именно соцсетей с их общей тенденцией транслировать поток только успешного успеха и счастливого счастья.
Когда после 24-часового цифрового воздержания участников исследования опросили о настроении, большинство ответило, что оно не изменилось. Так что ждать какого-либо мгновенного эффекта от дня без смартфона не стоит. После семи дней без соцсетей многие рассказали, что жить им стало скучнее.
❯ А не махнуть ли нам в …? Цифровой детокс в туризме
Потребность человека в отдыхе от гаджетов в последнее время настолько велика, что в отдельных отраслях такая возможность стала маркетинговым преимуществом. Прежде всего, это туризм. Раньше проводить отпуск там, куда Макар телят не гонял и интернет ещё не дотянулся, было уделом странных личностей. Теперь это тренд.
Хотите детокса? Он есть у тревел-маркетологов
Можно устроить себе комфортный детокс в Красной Поляне или на Алтае. А можно отправиться в глухую деревню в Тверской области (цифровой детокс в удалённых от больших городов населённых пунктах обеспечен просто за счёт особенностей сотового покрытия). Кстати, отдыхать в деревне теперь действительно модно. Тренд называется избинг.
А что же учёные? Они опросили 346 отдыхающих на острове Гран-Канария о том, почему они не используют соцсети в процессе отдыха. В анкете можно было выбирать несколько вариантов. Самым популярным ответом (более 70%) стал вариант «Потому что я не знаю, где подключиться к сети». Исследование проходило в 2015-м году, так что в их отеле, вероятно, ещё не было бесплатного Wi-Fi. Вариант «Потому что мне не нужны соцсети на отдыхе» набрал лишь 45%. Так что уехать куда-нибудь подальше выглядит вполне рабочим методом детокса.
В деревню, к тётке, в глушь, в Саратов! | Кадр из фильма-спектакля «Горе от ума»
❯ А если не обрубать, а сократить? Частичный цифровой детокс
Это всё, конечно, хорошо. Но на всю жизнь в глухую безинтернетную деревню не уедешь. Устроить себе полную отключку от гаджетов дольше, чем на неделю-другую в год — непозволительная роскошь для большинства современных людей.
Учёные давно пытаются выяснить, что будет, если просто сократить своё экранное время. В 2023-м году эти жестокие люди 😄 связали 31 представителя возрастной категории young adults (молодые взрослые, 18-32 года) и заставили две недели проводить в соцсетях не более 30 минут в день. Шутим, участники согласились добровольно — героические личности.
Изначально подопытных было 43. Но трое честно признались, что не смогли зависать в соцсетях меньше часа в день. Остальные либо перестали вовремя передавать учёным данные о ходе эксперимента, либо отказались от финального интервью. То есть четверть участников изначально не справилась с задачей. Зависимость — страшная штука!
Чтобы не пропагандировать употребление алкоголя или табакокурение (ребята, это правда очень вредно!), оставим здесь картинку с тортиками | Источник
Исследование показало, что для выполнения условий эксперимента участникам пришлось сократить время, проведённое в соцсетях, в среднем на 77%. Частичный цифровой детокс не сказался кардинально на их физической активности. Зато участники дружно сообщили, что во время эксперимента выросла продолжительность и качество их сна. Популярный комментарий: «Я просто ложился спать раньше каждую ночь, потому что мне нечего было делать».
Если б не этот ваш эксперимент, зависла бы в сети до утра… | Источник
Исследователи наблюдали за участниками ещё две недели после завершения эксперимента. Абсолютное большинство не вернулось к прежнему экранному времени и после снятия ограничений. Хотя учёные считают, что это вопрос считанных недель или месяцев. Это подтверждает, например, журналистка Анита Кати, которая провела неделю на ретрите в Мексике почти без возможности доступа в интернет. Следующие четыре недели прошли в попытках сохранить эффект в привычной среде. А затем она смирилась и стала проводить в гаджетах ровно столько же времени, сколько и до поездки.
Так что уповать на пользу временного ограничения экранного времени не стоит. Эффект будет, только если ввести это в привычку.
❯ Как ограничить себя? Приложения и другие способы сокращения экранного времени
Необходимость умеренных ограничений признают даже те, кто от его увеличения, казалось бы, только выиграет. Некоторые соцсети позволяют задать максимальное время, которое пользователь может провести в приложении. Как только часики отмерят положенный лимит, на экране появится уведомление.
Instagram* «помогает» пользователям бороться с зависимостью от себя с 2018-го года
Популярны и приложения для уменьшения отслеживания экранного времени. Часть из них уведомляет пользователя о превышении выбранного лимита, другая — просто блокирует экран.
Исследование 2020 года показало, что 41% его участников в возрасте от 18 до 35 лет используют специальные приложения для контроля экранного времени. Насколько они действительно помогают воздерживаться от чрезмерного залипания в смартфоне, осталось за кадром. Но такого рода приложения оказались хороши для самоуспокоения. Участники, не применявшие их, связывали свой опыт в социальных сетях с проблемным использованием смартфона, то есть зависимостью от гаджета. У пользователей приложений для контроля экранного времени такая взаимосвязь отсутствовала и они не считали свой опыт проблемным.
Более 10 млн пользователей пытаются ограничить своё экранное время с помощью одного только приложения StayFree. И это только на Android!
Как и любые другие, подобные приложения являются источником заработка для их создателей. Хотя пользователи чаще выбирают либо бесплатные варианты, либо Freemium, покупая в таких приложениях отдельные дополнительные опции.
Есть и совсем уж радикальные варианты уменьшения экранного времени. Например, вернуться к истокам и купить себе кнопочный телефон.
The Telegraph недавно опубликовал обзор актуальных моделей кнопочных телефонов для борьбы с гаджетозависимостью. Само собой, со ссылкой на новый «Барбифон». Ничего личного — просто реклама | Источник
❯ Так что же делать? Конкретные шаги для организации digital-детокса
Не рубите с плеча. Кратковременный полный отказ от гаджета не даст вообще ничего. Вернувшись в прежние условия, вы снова придёте и к прежним привычкам.
Изучите своё экранное время. Определить, сколько часов и как именно вы тратите помогут те самые приложения для цифрового детокса. Уже после этого стоит решать, что можно ограничить или полностью отказаться.
Замените digital-детокс цифровой диетой. Установите время, в которое вы ежедневно будете переводить рабочие чаты в беззвучный режим и придерживайтесь его. Откладывайте смартфон в сторону минимум за час до сна.
Придумайте, чем занять освободившееся время, заранее. Большинство участников экспериментов по отказу от смартфона говорили, что им скучно!
Попробуйте автоматизировать часть рабочих задач, которые вы чаще всего делаете со смартфона. Выбирайте для работы надёжные сервисы, чтобы не переписываться в чатах с техподдержкой часами. Например, с Timeweb Cloud ничто внезапно не нарушит ваш цифровой детокс 😉
Смиритесь с тем, что вы — современный человек, и совсем без гаджетов не обойдётесь (если не планируете переезжать в самую глухую деревню). Стоит сместить акцент с полного отказа от интернета на экологичное использование и стремиться свести к минимуму риски для здоровья.
Прежде чем отключать Wi-Fi и отправляться в длительный цифровой детокс, не забудьте рассказать о своих планах в комментариях. Или поделиться опытом с новичками, если вы уже устраивали себе цифровую разгрузку. Помогло?
Написано специально для Timeweb Cloudи читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашемблоге на Хабре и телеграм-канале.
Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов (за вознаграждение) — пиши сюда.
«Я не такая», «со мной этого точно не может случиться» — говорили они, но упорно продолжали пихать батарейки в пульт для телевизора не той стороной…
При проектировании многих схем, особенно со сменным батарейным питанием, наличие защиты от переполюсовки в них ну просто обязано быть. И если вы уверены, что для решения данной проблемы достаточно одного диода, эта статья написана точно для вас. Мы подробно рассмотрим и проведем моделирование нескольких схем защиты от переполюсовки, оценим возможности их применения. В заключении я сформулирую краткую дорожную карту по выбору варианта схемотехнического решения под конкретный случай.
Всех неравнодушных к электронике прошу в статью!
❯ Механическая защита
Очень распространенный метод. Большинство современных разъемов, и практически все силовые, имеют механическую «защиту от дурака» — конструкция ответных разъемов позволяет соединить их только в одном положении, при котором соблюдается требуемая последовательность подключения. Но данный способ защиты не должен исключать других способов, и лучше применять его совместно с электронной защитой.
Часто с механической защитой применяют цветовую маркировку проводов. Это позволяет привлечь дополнительное внимание человека, осуществляющего подключение.
Замечу, что механическая защита от переполюсовок не всегда упрощает устройство. Электрическая схема конечно же будет проще, но платой за это может быть усложнение механической сборки изделия, трассировки и пайки печатной платы. Посмотрите, как усложнился разъем USB-C в сравнении с USB-A только ради того, чтобы упростить его использование и сохранить «защиту от дурака». Два ряда контактов с повышенной плотностью размещения, что требует более высокого класса печатной платы и большего числа ее слоев. Как-то надо это еще и спаять. И все это ради того, чтобы пользователь мог воткнуть штекер в гнездо не глядя.
❯ Последовательное включение диода
Когда речь идет о защите цепей питания от нештатного попадания в них напряжения обратной полярности, на ум сразу приходит обычный полупроводниковый диод. И действительно, диод обладает свойством односторонней проводимости, что позволит легко и без затей преградить путь току в неположенном направлении.
Схема на картинке иллюстрирует самый распространенный способ защиты от переполюсовки с помощью диода. Для большей наглядности в качестве нагрузки я буду использовать светодиод в компании токоограничивающего резистора.
При выборе диода нужно учитывать, что его средний прямой ток (Average Forward Current) должен быть больше с учетом некоторого запаса, чем средний ток потребления защищаемой схемы. Если защищаемая схема может потреблять импульсный ток, необходимо сопоставить его с повторяющимся импульсным прямым током диода (Repetitive Pulsed Forward Current) или не повторяющимся (Peak or Surge(Non-repetitive)Forward Current), если импульсы тока не периодические.
Посмотрим на эту схему в работе, чтобы наглядно оценить ее особенности. При «правильном» подключении питания диод открыт, ток поступает в нагрузку. При смене полярности питающего напряжения диод закрывается и предотвращает протекание тока через нагрузку в обратном направлении. Чтобы диод сохранил работоспособность после переполюсовки питания, необходимо, чтобы его максимальное обратное напряжение (Reverse Voltage) превышало максимально возможное напряжение, поступающее на схему.
Но, за все надо платить. И расплатой за простоту данной схемы является потеря напряжения и мощности на диоде. Я добавил еще один вольтметр в схему. Путем нехитрых вычислений видно, что на диоде падает 0,7 В. При токе нагрузки в 10мА мы теряем 7 мВт мощности. При таком маленьком токе это не страшно. И на фоне напряжения питания 12 В потери напряжения на диоде не кажутся такими ощутимыми.
Но если условия эксперимента изменятся, то результат работы схемы может быть неудовлетворительным. Ток потребления современных устройств, даже мобильных, может быть весьма немаленьким… для применения диодов. Также мы наблюдаем устойчивую тенденцию на снижение величины питающих напряжений.
При токе потребления уже в 10 А на диоде мы потеряем 7 Вт. Диод будет очень теплым или радиатор под ним будет немаленьким. А если питание будет осуществляться от аккумулятора с номинальным напряжением 3,6 В, то полезной нагрузке достанется всего 2,9 В, и это уже потери примерно в 20 %. В подобных случаях использование диода в таком включении явно не годится.
Что же делать? Можно попробовать подобрать диод с меньшей величиной прямого падения напряжения (Maximum instantaneous forward voltage drop per diode или forward voltage). Но вряд ли из этого получится что-то хорошее. У диодов с более высоким рабочим напряжением будет более высокое прямое падение напряжения. Также диоды, рассчитанные на высокий ток, тоже имеют большое падение напряжения.
Таким образом, подобное решение больше подходит для схем с напряжением питания выше 5 В и незначительным потреблением тока, когда потребляемая мощность больше зависит от величины напряжения питания.
Если к рассмотренной схеме добавить пару конденсаторов, то мы дополнительно получим отличный фильтр от провалов в напряжении питания. Когда входное напряжение просядет ниже, чем напряжение на конденсаторе С2, диод не позволит ему разряжаться в цепи питания, и вся его энергия будет расходоваться на поддержание работы вашей схемы.
❯ Параллельное подключение диода
Удивительная история, но в радиолюбительских схемах встречается такое решение. На рисунке ниже можно видеть, что диод имеет обратное включение параллельно нагрузке. Отчасти это может быть оправданно в бюджетных схемах с критически низким напряжением питания, где падение напряжения на последовательном диоде — непозволимая роскошь. Но я не сторонник такого подхода, так как он не может считаться безопасным для некоторых случаев.
Принцип действия схемы заключается в том, что при смене полярности диод открывается и замыкает через себя источник питания. Если источник питания имеет встроенную защиту, то он уйдет в защиту, и отключит свое выходное напряжение, приложенное к схеме неправильной полярностью.
Но если такой защиты нет… Модель на рисунке показывает как примерно может вести себя литиевый аккумулятор при переполюсовке. Обратите внимание, во сколько раз увеличивается ток по сравнению с обычным. Хотя напряжение источника ЭДС сильно просело, ток на какое-то время возрастет на несколько порядков. И будет расти пока что-то не перегорит. Или не выдержит диод, а может отгорят проводники от батарейки, ну или еще что…
Для продления жизни диода при таких «шоковых» нагрузках, необходимо, чтобы параметры этого диода удовлетворяли характеристикам схемы защиты применяемого источника питания. Пиковый прямой ток диода (Peak or Surge(Non-repetitive)Forward Current) должен быть больше, чем ток отключения при коротком замыкании источника питания. Время, в течении которого допускается воздействие на диод током короткого замыкания, должно превышать время включения защиты источника питания. Пиковый ток для диодов обычно указывают за половину периода сетевого напряжения 50 Гц, т.е. за 10 мс. Таким образом получается, что габариты диода будут значительно больше, чем в случае с последовательным подключением диода.
Если вы не можете гарантировать параметры применяемого совместно с вашей схемой источника питания, то ограничить ток через защитный диод можно с помощью предохранителя. Предельный ток предохранителя должен быть больше, чем максимальный ток потребления нагрузкой. Время воздействия тока короткого замыкания будет теперь зависеть от времени перегорания предохранителя, а диод должен в течении этого времени «потерпеть».
Чтобы облегчить страдания диода, по входу питания можно разместить низкоомный резистор. Он не должен оказывать влияние на работу схемы, для этого его сопротивление должно быть много меньше, чем эквивалентное сопротивление этой схемы. Этот резистор будет обладать еще одним полезным свойством — он ограничит величину пускового тока вашей схемы. Обратите внимание на модель, всего 1 Ом по входу снизил ток короткого замыкание почти на порядок.
Также следует учитывать, что при переполюсовке питания открытый защитный диод будет включен с нагрузкой параллельно. Падение напряжения на открытом диоде (Maximum instantaneous forward voltage) должно быть ниже, чем совокупное обратное падение напряжения на вашей схеме, иначе она может пострадать. На схеме я специально добавил еще один светодиод, чтобы показать этот эффект. При переполюсовке для перегорания предохранителя понадобится какое-то время. В течении этого времени дополнительный светодиод успевает светиться. В реальной схеме в этот момент какие-то компоненты, обладающие низким допустимым обратным напряжением, могут перегореть.
❯ Диодный мост
Глядя на схемы устройств с питанием от сети переменного тока230 В 50 Гц, практически в каждой можно обнаружить диодный мост. Учитывая, что сетевое напряжение меняет полярность каждые10 мс, а диодный мост успешно справляется с его выпрямлением, невольно возникает соблазн использовать диодный мост для защиты от переполюсовки и в низковольтных схемах с питанием от постоянного тока.
Если вы решились на такой прием, то необходимо учитывать, что при прохождении через диодный мост не зависимо от полярности ток всегда встречает на своем пути два последовательно включенных диода. И мы получаем потерю напряжения питания примерно на1,5 В. В нашей модели при низковольтном питании напряжения после диодного моста едва хватает для питания светодиода.
Такая потеря на фоне сетевого напряжения 230 В составит меньше 1%. Также подобные устройства как правило содержат блоки, трансформирующие электрическую мощность. Высокое сетевое напряжение преобразуется в низкое, напряжение уменьшается в десятки раз, чтобы стать пригодным для питания микросхем и прочего. При этом также в десятки раз снижается ток, потребляемый из сети в сравнении с током, который течет по низковольтной части схемы. Как следствие, на диодном мосту выделяется крайне невысокая мощность, и это никак не влияет на общий КПД.
Если же мы будем использовать диодный мост для защиты от переполюсовки на постоянном токе при низком напряжении питания, то потери на диодах обязательно нужно учитывать.
❯ SBR — диоды
Лет десять назад компания Diodes Incorporated предложила свое решение проблемы переполюсовки в цепях питания, нацеленное на применение в автомобильной электронике — выпрямительные диоды с «супер барьером» (Super Barrier Rectifier – SBR). Особенностью диодов (SBR10M100P5Q на 10 А, 100 В и SBR8M100P5Q на 8 А, 100 В) является низкое прямое падение напряжения до 0,6 В и высокое быстродействие.
Основная проблема диодов Шоттки, которая ограничивала их применение в выпрямителях — это резкое увеличение обратного тока утечки при повышении температуры. Современная электроника достаточно теплонагруженная, что повышает риски пробоя при переполюсовке. SBR — диоды не имеют такой проблемы.
Аналогичные девайсы предлагают Toshiba и Philips, за ними потихоньку подтягиваются и другие производители. В общем, если порыть как следует, то можно найти подходящий диод даже на «Чип и Дипе» за вполне разумные деньги. Из ограничений на применение мы будем иметь токи 10 — 20 А, и предельное напряжение до сотни вольт и прямое падение напряжения честных 0,45 — 0,6 В.
❯ Релейная защита
Давайте не надолго погрузимся в мир силовой электроники и посмотрим, как обстоят дела с защитой от переполюсовки там. Оказывается, когда напряжения измеряются киловольтами, а ток сотнями и тысячами ампер, реле вновь обретают свою актуальность.
Не так давно для экспериментов на скорую руку собирали трехфазный выпрямитель на 100 кВт и схему непрерывного переключения между источниками питания. С учетом того, что прямое падение напряжения на подходящих диода составляет больше 2,5 В, при токе в 400 А диод превращается в электрический обогреватель. Как тут без реле обойтись? На данные мощности MOSFET и Sic полевики появились сравнительно недавно, стоят приличных денег, имеют падение напряжения примерно 1,5 В, и пока не вызывают доверия. А IGBT сборки имеют падение напряжения такое же, как на диоде. Вот и получается, что применение реле выглядит вполне оправданно.
Рассмотрим более приземленный случай защиты от переполюсовки с использованием реле. Как видно из схемы основные функции защиты здесь все-таки выполняет диод. Функция реле сводится к тому, чтобы минимизировать потери на открытом диоде. При переполюсовке диод закрыт, питание на обмотку реле не поступает, контакты реле разомкнуты. При подаче питания в правильной полярности диод открывается, ток поступает в нагрузку и в том числе на обмотку реле. Через короткий промежуток времени после этого контакты реле замыкаются, шунтирую диод, весь ток в нагрузку теперь поступает через замкнутые контакты реле с минимальными потерями мощности.
Недостатком схемы, кроме ограниченной надежности реле, является то, что через диод при включении проходит полный ток нагрузки. В следствии чего, диод может быть достаточно большим и дорогим. Компенсировать этот недостаток можно, если немного доработать схему. Теперь ток через диод поступает только в обмотку реле, величина тока в обмотке может быть намного меньше, чем в нагрузке. Следовательно диод можно использовать намного компактней.
Недостатком схемы в сравнении с первым вариантом можно считать меньшую надежность из-за того, что диод не используется для питания нагрузки, весь ток идет только через контакты реле. А поломка реле — явление не такое редкое.
❯ Схема защиты на полевом транзисторе P-типа
В современных электронных схемах в качестве защиты от переполюсовки с низким падением напряжения достаточно часто применяют силовые полевые транзисторы. Это позволяет минимизировать потери мощности, получаемой от источника питания, при практически полном отсутствии обратного тока.
Применение MOSFET транзисторов N типа конечно предпочтительнее. Они дешевле, сопротивление их канала значительно ниже, что обеспечивает более компактные размеры. Но использовать их можно только при условии, что нет необходимости подключать защищаемую схему к общей земле. А это сильно ограничивает область применения такой схемы защиты. Поэтому работу схемы мы рассмотрим на транзисторе P типа.
Канал MOSFET транзистора обладает симметричной структурой, что позволяет ему одинаково хорошо проводить ток в обоих направлениях, как от стока к истоку, так и обратно. Но из-за наличия в структуре MOSFET обратного диода использование транзистора в обратном включении для ключевого или усилительного режима не имеет смысла, так как при закрытом канале обратный ток будет протекать через этот диод. Также в MOSFET отсутствует ток между стоком или истоком и затвором. На этих свойствах полевых транзисторов основана простота данной схемы защиты.
При подаче на схему напряжения питания прямой полярности во время переходного процесса ток начинает протекать через обратный диод транзистора. Падение напряжения на нем как правило достаточно большое. Но этого достаточно чтобы создать падение напряжения в нагрузке. Так как нагрузка включена между истоком и затвором P-канального полевого транзистора, это создает отрицательное смещение затвора относительно истока. По мере нарастания напряжения питания, падение напряжения на нагрузке превысит пороговое напряжение затвора, и канал полевого транзистора откроется — падение напряжения на транзисторе сильно снизится и будет обусловлено только низким сопротивлением канала (Rds).
На графике мы можем увидеть момент открытия транзистора, это происходит, когда напряжение на затворе достигает -4 В, что соответствует пороговому напряжению затвора. Таким образом, следует подбирать такой транзистор, пороговое напряжение затвора (Gate Threshold Voltage, Vgs(th)) которого будет ниже, чем напряжение питания схемы.
Если же на схему случайно подать напряжение питания обратной полярности, то диод в транзисторе будет закрыт, открыть канал транзистора при этом будет невозможно. Ток через схему течь не будет, а напряжение на ней будет практически равно нулю. На схеме ниже видно, что все напряжение питания будет приложено между стоком и истоком транзистора, следовательно нужно подбирать такой транзистор, напряжение пробоя между стоком и истоком (Drain-to-Source Breakdown Voltage, V(br)dss или Drain-to-Source Voltage, Vds) у которого с запасом превышает максимальное напряжение питания схемы.
Также необходимо учитывать, что еще одним ограничением для полевого транзистора является сравнимо невысокое предельное напряжение между истоком и затвором (Gate-to-Source Voltage, Vgs). Обычно оно не превышает ±20 В, в редких случаях около ±30 В. Если напряжение питания будет больше этой величины, в схему можно добавить резистивный делитель.
Соотношение плеч делителя нужно подобрать так, чтобы при минимальном напряжении питания напряжение между затвором и истоком было выше порогового напряжения затвора, а при максимальном напряжении питания — напряжение затвора не должно превышать напряжение пробоя затвора (Vgs).
Если схема имеет расширенный диапазон питающих напряжений или предполагается наличие пульсаций с большой амплитудой, удобнее ограничить напряжение затвора с помощью стабилитрона, напряжение стабилизации которого должно быть выше порогового напряжения затвора и ниже напряжения его пробоя.
Наличие в схеме дополнительного делителя напряжения или защитного стабилитрона тоже приводит к дополнительной потери мощности, но мощность эта несопоставима меньше, чем при использовании защитного диода.
❯ Полевой транзистор N-типа с бустерной накачкой затвора
Основным ограничением на применение MOSFET транзистора P-типа является достаточно высокое пороговое напряжение затвора (Vgs(th)). Найти подходящий транзистор при низковольтном питании ниже 5 В может оказаться непростой задачей… или недешевой. При этом все больше приложений на микроконтроллерах работают при напряжениях 3,3 В и даже ниже. В этом случае нам не помогут и N-канальные транзисторы, отключающие общий минус схемы.
Конечно же можно найти транзистор с пороговым напряжением затвора около одного вольта. Но и максимальное напряжение между стоком и истоком у него будет может быть 12 В или немного больше. И максимальная рассеиваемая мощность будет совсем невелика.
Если напряжение питания слишком низкое и требуется добиться минимального падения на защитном транзисторе, и минус схемы должен быть связан с общим проводом, можно использовать N-MOSFET и схему подкачки для управления его затвором. Схема должна генерировать дополнительное напряжение относительно плюса питания, которое прикладывается между затвором и истоком. Величина вольтдобавки обычно составляет около 10 В.
Принцип работы схемы можно посмотреть на анимации. В первый момент напряжение питания поступает на схему накачки напряжения через паразитный диод. Далее схема начинает генерировать повышенное напряжение. Как только это напряжение превышает напряжение питания на пороговое напряжение затвора, канал транзистора полностью открывается.
Изобретать схему вольтдобавки в компактном устройстве я бы не стал, и никому не советую. Тем более, что для этих целей есть подходящие микросхемы. В качестве примера приведу MAX16128, стоит сравнительно недорого, еще и предоставляет дополнительные функции защиты от перегрузки. Если защита от перегрузки не нужна, можно выкинуть один транзистор и оставить только второй по схеме.
Важное преимущество MAX16128 — это возможность работать при напряжении питания 3 В. А функции защиты обеспечиваются при напряжениях от -36 В до 90 В. Микросхема использует внешние ключи, вы можете самостоятельно подобрать транзисторы на необходимый ток.
Микросхемы, позволяющие реализовать защиту от переполюсовки, выпускают и другие производители, в том числе Texas Instruments. Например, микросхема серии TPS2662x позиционируются как электронные предохранители с широким набором функций защиты от перегрузок, в том числе защита от обратной полярности по входу и по выходу. Микросхемы содержат встроенные силовые ключи с рабочим током до 880 мА.
❯ Биполярные транзисторы в качестве защиты от переполюсовки
Конечно же, рассматривая схемы защиты от переполюсовки, нельзя пройти мимо биполярных транзисторов. Хотя это не самая популярная практика — мы получим больше недостатков, чем достоинств. Но при низких напряжениях питания и малом токе потребления это может быть вполне уместно. Пускай это будет тот самый злосчастный ультра бюджетный пульт от телевизора…
Использование транзисторов PNP и NPN отчасти схоже с полевыми транзисторами. Транзистор NPN типа также должен будет коммутировать минусовой провод питания. Поэтому принцип работы мы рассмотрим на примере PNP транзистора.
Попробуем оценить эту схему в деле. Для транзистора BC807-16 коэффициент усиления по току hfe заявлен от 100 до 250. Значит, что при выбранном для моделирования токе нагрузки 20 мА, для открытия транзистора достаточно обеспечить базовый ток 0,1 мА. Но на деле транзистор при этом еще не вышел в насыщение, и падение напряжения на нем составляет примерно 700 мВ. Это не сильно отличается от последовательно включенного диода.
Чтобы вывести транзистор в насыщение будет даже недостаточно рассчитать ток базы с учетом минимального значения hfe = 100. Чтобы транзистор наверняка оказался в насыщении, ток базы должен быть примерно в 10 — 20 раз меньше тока нагрузки. Падение напряжение на переходе коллектор — эмиттер значительно снизится, но теперь потери мощности будут происходить за счет тока базы и составят примерно от 10%. Зато потери напряжения минимальные.
Основной недостаток схемы в том, что ее применение очень сильно ограничено по максимальному обратному напряжению. Во время переполюсовки все напряжение источника питания прикладывается между эмиттером и базой транзистора. У большинства транзисторов предельно допустимое значение этого напряжения совсем небольшое. Например, для BC807 это всего 5 В.
В общем, это решение сгодится только для бюджетных схем с низким напряжением питания, минимальным потреблением тока или если потери мощности не так критичны.
❯ Заключение
Для защиты электрической схемы от подачи входного напряжения обратной полярности не существует универсального решения. Все зависит от каждого конкретного случая. В этой статье мы рассмотрели десяток схемотехнических решений с разной функциональностью. Остается подвести краткий итог.
Для защиты электрических схем от случайного подключения питания с обратной полярностью часто применяются диоды. При последовательном подключении диод снижает напряжение питания. При параллельном — требуется дополнительное ограничение тока с помощью предохранителя или резистора с низким сопротивлением, а сам диод должен иметь значительный запас по току и габаритам. Небольшое обратное напряжение, создаваемое на открытом диоде при переполюсовке может быть достаточным для повреждения компонентов с низким допустимым обратным напряжением.
В автомобильной электронике можно использовать специализированные SBR — диоды. В сравнении с диодами Шоттки, они обеспечивают меньшее падение напряжения и обратный ток утечки при повышенных температурах.
Для компенсации потери мощности на защитном диоде в силовых схемах можно применять реле. Но этот подход совершенно не приемлем для миниатюрных устройств.
Если напряжение питание не превышает 5 В и имеет небольшой рабочий ток, можно использовать защиту на маломощном биполярном транзисторе.
При напряжениях ниже киловольта можно использовать схемы защиты на основе полевых транзисторов. Использование P-MOSFET будет самым простым решением. Использование N-MOSFET позволит незначительно повысит эффективность схемы, но приведет к ее усложнению, либо защищаемую схему необходимо будет изолировать от потенциала общего провода.
Если схема питается от батареек или аккумуляторов с низким напряжением, но при этом потребляет значительный ток, в этом случае можно использовать защиту на основе полевых транзисторов с накачкой затвора на основе специализированных микросхем.
Отдельного внимания заслуживают схемы защиты от переполюсовки аккумуляторных батарей, но в рамках данной статьи они рассмотрены не были. При кажущейся простоте, тема достаточно емкая, я постараюсь написать об этом как-нибудь в другой раз.
Всем спасибо за внимание! Если я еще что-то забыл упомянуть по данной тематике, не стесняйтесь писать свое мнение в комментариях.
Написано специально для Timeweb Cloudи читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашемблоге на Хабре и телеграм-канале.
Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.
Сейчас все магазины и торговые интернет-площадки забиты недорогими LED телевизорами малоизвестных фирм с труднопроизносимыми названиями. Прогресс не стоит на месте и уже даже в таких моделях доступны всякие современные плюшки, которые ранее были характерны только для категории смарт-ТВ. Один из таких аппаратов и попал ко мне в руки в неисправном состоянии.
Если раньше в ЖК-телевизорах с подсветкой на лампах CCFL часто ломались электролитические конденсаторы, то в современных телевизорах со светодиодной подсветкой наиболее распространённой проблемой стали неисправности самих светодиодов. Причем их срок службы в разы меньше, чем у CCFL ламп. Например, попавший ко мне телевизор имеет дату изготовления – 2021 год. Учитывая, сколько он пролежал в магазине до того, как попал к владельцу и сколько пролежал уже в неисправном состоянии, можно сказать, что отработал он всего ничего. Это просто недопустимо мало.
Связано это, чаще всего, с тяжелым режимом работы светодиодов. В целях экономии, они работают в максимально допустимом режиме и очень быстро деградируют. В конце концов, наиболее слабый из них перегорает, а поскольку они все обычно включены последовательно, то вся подсветка гаснет. Нормальный ремонт такой неисправности должен заключаться в замене всех планок со светодиодами на новые.
Эти планки представляют собой полоски меди или алюминия с тонким слоем изолированных печатных проводников, на которые через равные промежутки напаяны светодиоды. Печатные проводники вместе с медной или алюминиевой подложкой работают теплоотводом. Над светодиодом установлена рассеивающая линза. Такие планки обычно поставляются в полностью смонтированном виде, однако существуют и ремонтные планки, только с одним установленным светодиодом. Их предполагается использовать для замены только одного сгоревшего светодиода.
Ввиду большого разнообразия этих планок, как по числу установленных светодиодов, так и по их типу (все вместе это определяет рабочее напряжение и ток планки), найти оригинальные планки бывает проблематично. Можно попробовать подобрать замену из планок, близких по размеру, напряжению и току, но тогда может потребоваться замена разъема (их можно взять с неисправных планок). Также и стоимость этих планок довольно существенна. На маркетплейсах предлагаются целые наборы таких планок для телевизоров различных диагоналей.
Виды светодиодных планок (фото из интернета)
Если найти новые планки не представляется возможным, приходится прибегать к замене светодиодов. Необходимо менять все светодиоды разом по двум причинам. Во-первых, новые светодиоды могут немного отличаться оттенком цвета свечения и яркостью от старых. Во-вторых, старые светодиоды, даже если они еще светят, все равно уже сильно изношены и могут в скором времени также выйти из строя. Эта операция достаточно трудоемка и осуществима только в условиях мастерской. Металлическая планка является теплоотводом, что затрудняет монтаж и демонтаж компонентов обычным бытовым паяльником. Необходимо использовать специальный подогревной столик. Также необходимо хорошо ориентироваться в огромном разнообразии светодиодов и их посадочных мест (бывают светодиоды с одинаковыми посадочными местами, но с разным расположением катода и анода и, соответственно, кристалла). Также после монтажа необходимо с достаточно высокой точностью установить на место и зафиксировать рассеивающие линзы, находящиеся над каждым светодиодом. После такого ремонта имеет смысл еще и уменьшить рабочий ток светодиодов, чтобы продлить им жизнь. Для этого необходимо проанализировать схемотехнику драйвера и найти элементы, отвечающие за этот параметр. Яркость свечения экрана при этом уменьшится, ухудшая потребительские качества аппарата, но, по общему мнению ремонтеров, это необходимый шаг.
Как бы то ни было, вышеперечисленные операции по ремонту (включая достаточно трудоемкие разборку и сборку матрицы) достаточно дороги и могут доходить до половины стоимости нового аппарата, в зависимости от жадности мастера. И уж тем более цена ремонта может легко превысить стоимость этого телевизора на вторичном рынке, делая ремонт в мастерской аппаратов такого класса экономически нецелесообразным. Такие телевизоры часто отправляют на утилизацию или отдают на запчасти радиолюбителям.
Фото на фоне ковра матраса
Так подобный экземпляр и попал ко мне. Знакомьтесь – телевизор Грюндик, диагональ 40”, модель 40VLE6910BP. Разумеется, кроме названия, никакого отношения аппарат к немецкой фирме GRUNDIG не имеет и полностью собран в КНР. Под этой маркой сейчас поставляется широкий спектр ширпотреб-аппаратуры самого что ни на есть лоукост сегмента.
Вид сзади
Как можно быстро и недорого вернуть к жизни подобный аппарат? Чтобы без специального оборудования или многомесячного ожидания деталей с алиэкспресса. Вместо специальных планок можно использовать доступную и недорогую светодиодную ленту с клеевым слоем. Такую ленту легко смонтировать и несложно подключить, используя только обычный паяльник. Долговечность такой подсветки будет намного выше штатного решения, ведь теперь вся мощность подсветки равномерно делится между несколькими сотнями отдельных светодиодиков, обеспечивая им комфортный тепловой режим. Минус такого решения – не очень хорошая равномерность засветки из-за отсутствия рассеивающих линз. Но, если к качеству картинки не предъявляется высоких требований и предполагается использовать отремонтированный аппарат в гараже или дачном домике с высокой вероятностью его хищения, то такой вариант ремонта может вполне иметь место быть.
Кстати, есть и еще более дешевый и более быстрый вариант ремонта — перегоревшие светодиоды можно просто закоротить накоротко. Драйвер светодиодов стабилизирует ток, поэтому при отсутствии одного из диодов в цепочке он просто уменьшит напряжение. На изображении при этом появится затемненное пятно на месте выключенного светодиода. Однако, такой ремонт поможет ненадолго. Поскольку светодиоды уже «уставшие», то велика вероятность того, что через непродолжительное время выйдет из строя еще какой-нибудь из оставшихся и придется снова лезть в аппарат.
Найти неисправный светодиод можно, засвечивая его от внешнего источника питания. В качестве этого источника подойдет, например, мультиметр в режиме прозвонки диодов. Тестового напряжения и тока большинства мультиметров достаточно чтобы засветить исправный светодиод. С неисправного светодиода можно сковырнуть пластиковую часть и наплавить каплю припоя прямо на оставшиеся электроды.
Снятая крышка вместе ножками
Итак, приступим к ремонту. На указанном аппарате сзади винтами прикручена крышка. Открутив ее, мы получаем доступ к единственной плате, на которой смонтирован сетевой источник питания, драйвер светодиодов, тюнеры, разъемы и процессор обработки сигналов.
Что внутри под крышкой
Проверяем электролитические конденсаторы – визуально они целые, не вздутые, еще бы — аппарату года три всего. Снаружи платы располагаются только динамики, фотоприемник ИК-пульта со светодиодом индикации и плата приемопередатчика WiFi/Bluetooth. Кнопки управления у этой модели упразднены (очевидно, с целью максимального удешевления). С основной платы широким шлейфом идет сигнал на плату матрицы.
Разъем к плате матрицы
Шлейф нужно аккуратно отключить, нажав на защелки по краям разъема, а саму плату матрицы отсоединить от корпуса так чтобы она свободно болталась на шлейфах к матрице. В моем случае она прикручена тремя мелкими винтиками и приклеена кусочками токопроводящего скотча. Скотч отдираем, винтики выкручиваем.
Плата матрицы
ВНИМАНИЕ! С шлейфами, идущими к матрице, а также самой матрицей нужно обращаться очень аккуратно! Это крайне хрупкие детали телевизора.
Плата отсоединена и свободно болтается
Далее переворачиваем ТВ и пытаемся добраться до матрицы. Данная модель настолько удешевлена, что в ней «корыто», в котором располагаются светодиоды и является корпусом телевизора, а матрица удерживается только наружней декоративной рамкой. Аккуратно поддев эту рамку последовательно по всему ее периметру, снимаем ее.
Снятая декоративная рамка
Под рамкой сразу получаем доступ к матрице. Матрицу нужно крайне аккуратно поддеть и снять, обязательно двумя руками, не допуская ее изгиба. Матрицы больших диагоналей вообще лучше доставать в 4 руки.
Снятая матрица
Теперь мы получили доступ к рассеивателю. Чтобы его снять необходимо вытащить дистанционную рамку, обеспечивающую зазор между рассеивателем и матрицей. Эта рамка также крепится на защелках и легко снимается. При снятии листов рассеивателя крайне необходимо их не перепутать местами и уложить потом той же стороной как и было. Поэтому берем и снимаем всю пачку и той же стороной кладем рядом с матрицей куда-нибудь на диван.
Дистанционная рамка рассеивателя
Можно снимать рассеиватель
И вот, наконец, мы добрались до светодиодов. По вышеприведенной методике ищем сгоревший светодиод и закорачиваем его. При включении питания светодиоды подсветки зажигаются. Но это может быть ненадолго, процессор может заметить отсутствие матрицы и выключить подсветку, перейдя в аварийный режим. Однако в моей модели процессору на отсутствие матрицы пофиг и подсветка светит.
Пока подсветка светит нужно успеть измерить напряжение на одном светодиоде и на всех линейках. В моем случае напряжение на светодиоде оказалось равным примерно 2,65 В, а на линейке из 7 светодиодов ~18,5 В, на всех трех линейках всего ~56 В. Как же вколхозить сюда 12-вольтовую светодиодную ленту? Очень просто! Нужно взять 5 одинаковых кусков и включить их последовательно. 5*12 В = 60 В, что весьма близко к 56. Поскольку драйвер светодиодов стабилизирует ток, он легко подгонит выходное напряжение под нужное ленте. В телевизорах с другим количеством светодиодов количество последовательно включенных отрезков будет иным.
Ширина углубления корыта – примерно 80 см, поэтому необходима лента длиной 5*0,8 м = 4 м. Поэтому я купил в магазине 5-метровый кусок ленты. Ленту необходимо выбирать с наиболее редким расположением светодиодов (60 светодиодов на метр, указанная на упаковке мощность ~4,2 Вт/м) и наиболее холодным цветом свечения (6500 К).
Удаляем со дна «корыта» дополнительный белый отражатель. Этот отражатель переотражает отразившийся от рассеивателя свет. Он обычно крепится на двухстороннем скотче и легко отрывается. Но, отрывать его нужно аккуратно, он потом нам еще пригодится. После этого наклеиваем на дно «корыта» предварительно нарезанные куски ленты через одинаковое расстояние. Проводками от старых планок соединяем в схему. Подключаться лучше в середине отрезка чтобы уменьшить неравномерность свечения, связанную с падением напряжения на самой ленте.
Монтаж ленты и проводов
Поначалу я установил 5 отрезков ленты.
Вариант с пятью отрезками
Как выглядит на рассеивателе
Результат получился удовлетворительный, изображение на матрице ожидаемо появилось.
Неравномерность на динамичной картинке
Неравномерность засветки с пятью отрезками особенно хорошо видна на однородных изображениях. При просмотре фильмов с динамичной картинкой неоднородность практически не бросается в глаза.
Неравномерность на динамичной картинке
Я докупил еще 5 метров такой же ленты и наклеил отрезки в 2 раза чаще. При этом, соседние пары отрезков соединил параллельно, а все 5 получившихся пар – последовательно. Чтобы в итоге все отрезки оказались под одинаковым током и напряжением.
Здесь H1-H10 обозначены одинаковые отрезки 12-вольтовой ленты
Вариант с десятью отрезкамиленты
Как выглядит на рассеивателе
На динамичной картинке
Как видим, с десятью отрезками на однородной картинке неравномерность подсветки практически стала незаметной. На картинке из фильма неравномерности незаметно вообще.
Можно, наверное, пойти еще дальше и наклеить еще 5 отрезков по схеме 5 групп последовательно, в каждой группе по 3 отрезка параллельно, как на схеме ниже.
Здесь H1-H15 обозначены одинаковые отрезки 12-вольтовой ленты
В этом случае расстояние между светодиодами на ленте практически сравняется с расстоянием между лентами и матрица светодиодов станет практически симметричной. Тогда и равномерность засветки по всем направлениям станет одинаковой. Но меня вполне устроил и предыдущий вариант.
Ранее снятый отражатель нарезаем полосками и заклеиваем им промежутки между лентами с помощью двустороннего скотча, также приклеиваем куски отражателя по периметру.
В принципе, можно этим и не заморачиваться, это лишь ненамного ухудшит равномерность засветки.
Далее собираем телек в обратной последовательности. Кладем на свое место рассеиватель, потом дистанционную рамку, потом матрицу и защелкиваем на место декоративную рамку. Перед окончательной сборкой делаем контрольное включение. Все работает. Собираем окончательно, прикручивая винтами на место заднюю крышку.
Итого: затраты на светодиодную ленту: ~600 р, затраты времени: ~4 ч. Из инструмента необходимы только отвертки, паяльник, мультиметр.
Вот так относительно быстро и недорого можно самостоятельно восстановить работоспособность телевизора.
Написано специально для Timeweb Cloudи читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашемблоге на Хабре и телеграм-канале.
Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов (за вознаграждение) — пиши сюда.
Это продолжение рассказа о выставке, посвящённой 100-летию конструктора вычислительной техники М.А. Карцева и 40-летию компьютера «Агат». Первая часть здесь.
В предыдущей статье я рассказал, какие материалы по «Агатам» удалось найти в архиве НИИВК. Хотя и те события от нас отделяет более 40 лет, по меркам истории это буквально вчера. Сегодня же я предлагаю заглянуть в более далёкие времена, когда ЭВМ не то что не называли компьютерами — когда сама идея того, что электронная вычислительная машина может существовать, вызывала скепсис.
Михаил Александрович Карцев был среди тех, кто этого скепсиса не побоялся. Он — один из генеральных конструкторов советской вычислительной техники, чей личный трудовой путь (да простят мне этот архаичный штамп) совпал с зарождением и развитием целой отрасли. Начав рядовыми инженерами или радиомонтажниками во времена первых ламповых машин, Карцев и его коллеги приложили руку к разработке трёх, а то и четырёх поколений ЭВМ, доросли до руководителей НИИ и основали свои научные школы.
В общем, юбилей такого человека, да ещё и вековой, Политехнический музей никак пропустить не мог. Тем более что именно нам родственники М.А. Карцева передали на хранение его личный фонд. Зимой 2023 года мы приступили к разработке концепции выставки. Сроки и средства были как всегда ограничены, поэтому мы решили обойтись без авангарда и сделать всё вполне традиционно. Рассказ должен был начаться с биографии главного героя, а далее перейти к его детищам и их общей непростой судьбе.
Проиллюстрировать биографию Михаила Карцева с помощью личных вещей оказалось непросто. Он действительно был из тех людей, про кого говорят, что они живут работой. Его сын вспоминал:
«У него не было хобби в общепринятом смысле этого слова. В свободное время он в основном читал. Он никогда не занимался спортом, был активным противником дачи и машины...»
Всё, что мы смогли наскрести, уместилось в одной витрине, да и та своей скромностью скорее навевала мысли о довлатовском партизане Боснюке.
А ведь жизнь Михаила Карцева, мягко говоря, не была скучной. Она и трагична, и типична для людей того поколения: едва окончив школу, он попал на фронт Великой Отечественной.
Михаил Карцев — пятый слева во втором ряду
Начал свой боевой путь стрелком, успел послужить и в артиллерийских, и в танковых частях. Участвовал в освобождении Румынии, дошёл до Будапешта, был награждён медалями и орденом Красной Звезды — а после, как и многие другие ветераны, о войне старался не говорить.
«… из него практически невозможно было вытянуть фронтовые воспоминания. Он жил не прошлым, а будущим».
Владимир Михайлович Карцев
Очень характерная выписка из личного дела. «Бывали за границей?» — «Да, бывал. В составе частей Красной Армии»
После демобилизации в 1947 году Карцев сделал довольно нетипичный выбор. В отличие от многих сверстников, кто сразу пошёл работать, он решил, что ему необходимо получить высшее образование. Карцев поступил на радиотехнический факультет Московского энергетического института — возможно, не в последнюю очередь потому, что на Южном фронте ему довелось побыть командиром отделения радио.
Там его в числе других талантливых студентов заметил один из корифеев советской вычислительной техники Исаак Семёнович Брук. Он пригласил Карцева на работу в лабораторию электросистем Энергетического института АН СССР, где в тот момент готовился к реализации смелый проект — электронная цифровая вычислительная машина, будущая М-1.
Вдохновившись записными книжками самого Михаила Александровича, дизайнеры предложили стилизовать информационные стенды о его жизни и его машинах под клетчатый тетрадный лист.
Тексты и фотографии по их задумке должны были перемежаться небольшими рукописными фрагментами. Правда, поначалу для этого выбрали какие-то несвязные обрывки текста вроде «Если в М-4 при». Я настоял, чтобы их заменили на более осмысленные фрагменты — «проблема ввода и вывода», «технические усовершенствования».
Конечно, основная моя роль на выставке сводилась не к критике дизайна. В первую очередь мне нужно было грамотно подобрать исторические документы и артефакты и придумать, как преподнести их посетителю.
Ещё отцами-основателями Политехнического было заведено не просто показывать те или иные вещи, а объяснять, как они работают. Вот и вычислительную машину М-1, внешне совсем не похожую на привычный компьютер, хотелось сделать чуть ближе для нашего современника. Например, сохранилась распечатка первой программы, выполненной на М-1.
Суть самой задачи хорошо известна — расчёт точек для параболы y = x². График этой функции симметричен, поэтому, сравнивая результаты решения для положительного и отрицательного значений x, легко убедиться в правильности работы машины. Но вот как именно следует читать распечатку, нигде в источниках не говорилось. По набору символов на распечатке понятно, что это числа в восьмеричной системе счисления — тогда она была популярнее общепринятой сегодня шестнадцатеричной.
Например, на пульте ЭВМ «Урал» конца 50-х — тоже клавиши с восьмеричными цифрами:
А вот почему колонок четыре, как они соотносятся друг с другом и что значат отдельно стоящие цифры 1 и 5? Я знал, что М-1 работала с 24-разрядными двоичными числами. 24 разряда идеально ложатся на восемь восьмеричных цифр (каждая из которых заменяет три бита). Но было неизвестно, как в памяти машины разделялись целая и дробная часть. Здесь на помощь пришёл оригинальный отчёт Лаборатории электросистем:
Объём числа составляет 24 двоичных разряда, т.е. число представлено в виде цепочки из 24-х триггеров, которую в дальнейшем мы будем называть регистром. Принята система представления чисел в виде модуля и знака. Т.е. в регистре хранится модуль числа, и, кроме того, в него введён 25-й триггер, одно из положений которого соответствует знаку +, другое — знаку −.
Для удобства вычислений принято, что наивысший разряд числа соответствует 2−1, т. е. вычисления производятся над дробными числами.
Такое допущение не сужает диапазон решаемых задач, так как при использовании чисел, превышающих по модулю единицу, они могут быть приведены к дроби нужной величины путем соответствующего изменения масштабов исходных данных и результатов.
После этого головоломка сошлась: 76000000 1 = 111 110 000 000 000 000 000 000 1 = −0,11111(2) = −0,96875(10). А записанное справа от этого числа значение 74040000 5 соответствует 0,9384765625, то есть представляет собой квадрат предыдущего числа. Получилось, что левые две колонки соответствуют отрицательной ветви параболы, а правые две — положительной.
Цифры 1 и 5 обозначают знак числа. Почему именно они, точно неизвестно, но у меня есть версия, что это мнемоника: 1 — один — отрицательное, 5 — пять — положительное. Подтвердить или опровергнуть гипотезу мог бы Юрий Рогачёв — последний из тех, кто принимал участие в работе над ранними машинами Брука и Карцева, но, увы, он ушёл из жизни за два года до того, как мы начали готовить выставку.
Ю.В. Рогачёв
От самых первых ЭВМ, разработанных при участии Михаила Карцева, не осталось практически ничего, кроме фотографий и отчётов. В таких случаях кураторы и хранители музейных коллекций обычно рекомендуют дополнительные предметы, которые можно включить в экспозицию. Не все из них обязаны иметь прямое отношение к её теме. Они могут, например, погружать в контекст эпохи или, как вот эта электронная лампа 1946 года, показывать тогдашний уровень развития технологий.
На её примере очень хорошо можно объяснить принцип работы электронных ламп, пусть конкретно она и никогда не применялась в вычислительной технике.
А самый важный предмет в витрине с элементной базой — одновременно и самый маленький. Эта неприметная деталька, похожая на резистор, с надписью КВМГ — предположительно первое в СССР изделие, специально разработанное для нужд электронной вычислительной техники.
Название расшифровывается как «купроксный выпрямитель малогабаритный», фактически это маломощный полупроводниковый диод. Дело в том, что М-1, хоть и была первенцем, уже не вполне принадлежала к первому поколению ЭВМ. Значительная часть логических схем в ней была выполнена не на радиолампах, а на подобных полупроводниковых выпрямителях. История их появления довольно интересна:
В какой-то момент Брук произносит: «Это ж какая машина получится, сколько ж там будет ламп! У меня столько комнат нет, чтобы всё разместить». А потом обращается к Матюхину: «Коля, у нас на складе купроксы немецкие. Нужно посмотреть, может, их можно использовать».
Воспоминания Юрия Рогачёва
Дело в том, что Исаак Семёнович как действительный член Академии артиллерийских наук имел доступ к складам трофейного немецкого имущества, где нашлось в том числе и несколько тысяч компактных выпрямителей. И это было не единственное, что пригодилось для создания вычислительной машины: в её импульсных схемах применили надёжные немецкие пентоды, а в качестве устройства ввода-вывода поставили вермахтовский рулонный телетайп. Такая вот перековка мечей на орала.
Подробнее про М-1
Быстродействие: 20–500 операций в секунду Объём памяти: 256 + 256 слов (≈1,5 килобайта) Разрядность: 25 бит Тип: двухадресная Элементная база: электронные лампы, полупроводниковые диоды Количество элементов: 730 ламп, несколько тысяч диодов Потребляемая мощность: 7 кВт Объём выпуска: 1
Одна из двух первых советских ЭВМ (появилась одновременно с МЭСМ, которую разрабатывал коллектив Сергея Лебедева). Отчасти стала реализацией идей, которые Исаак Брук и Башир Рамеев изложили в 1948 году в первом проекте цифровой ЭВМ.
М-1 стала первой в мире ЭВМ, в которой большая часть логических схем была выполнена на полупроводниках. Машина содержала всего 730 ламп и занимала менее 4 м² в комнате площадью 16 м². Для сравнения — МЭСМ содержала 6000 радиоламп и занимала две комнаты.
В комнате <...> был построен постамент, в центре которого установлена прямоугольная вентиляционная колонна с отверстиями для обдува панелей. По бокам этой колонны размещались три стойки, предназначенные для крепления на них панелей с электронными схемами: стойка арифметического узла, стойка главного программного датчика и стойка с электроникой запоминающего устройства на магнитном барабане. Под постаментом установлен вентилятор, нагнетающий в колонну воздух для охлаждения стоек.
Одна из первых «серьёзных» работ, выполненных на М-1, — расчёты по обращению матриц большой размерности для задач, связанных с газодиффузионным обогащением урана. Их проводили по программе, составленной академиком Сергеем Соболевым.
У машины было два запоминающих устройства — на электростатических трубках (быстрое, но теряющее данные при выключении) и на магнитном барабане (медленное, но сохраняющее данные после выключения). Электростатическая память М-1 состояла из 8 электронно-лучевых трубок ЛО-737 и блоков развёртки и управления. На экране каждой трубки размещались 32 строки, в каждой из которых содержалось 25 точек, т. е. одно число или команда.
В машине М-1 использовалась потенциально-импульсная система элементов. Триггеры и клапаны были импульсными и строились на радиолампах (триггеры — на двойных триодах 6Н8С, клапаны — на пентодах 6Ж4). Диодные логические схемы были потенциальными и строились на полупроводниковых приборах — малогабаритных купроксных выпрямителях КВМП-2-7.
Использование полупроводниковых элементов позволило в разы уменьшить количество радиоламп, а значит, и потребляемую мощность, и тепловыделение машины. Брук, как пишут коллеги-исследователи, обладал хорошими связями «в верхах», и к моменту создания М-2 смог добиться выпуска советских аналогов этих купроксов.
Найти подобную любопытную историю мы старались про каждую машину. Меньше всего нам хотелось делать информационные стенды похожими на увеличенный в десять раз справочник с техническими характеристиками. Разумеется, данные о быстродействии и объёме памяти важны, потому что по ним легко проследить стремительный прогресс вычислительной техники. Но мы также старались продумать и ответы на другие вопросы — в каком историческом контексте появилась та или иная машина, благодаря чему стало возможным её создание, для каких задач она применялась.
Поскольку выставка должна была проходить в фондохранилище, куда можно попасть только с экскурсией, было понятно, что основную часть информации до посетителей будет доносить экскурсовод. Поэтому тексты было решено делать максимально краткими и простыми, более похожими на шпаргалки.
Уже по опыту ведения экскурсий могу сказать, что про М-2 посетителям было интереснее всего узнать, как её собирали буквально «с миру по нитке» из деталей, изготовленных разными непрофильными предприятиями — просто потому, что компьютерную промышленность в стране ещё только предстояло создать.
Подробнее про М-2
Быстродействие: 2–3 тысячи операций в секунду Объём памяти: 512 + 512 слов, позже 4096 слов (≈4,5, позже ≈17 килобайт) Разрядность: 34 бита Тип: трёхадресная Элементная база: электронные лампы, полупроводниковые диоды Количество элементов: 1879 ламп, несколько тысяч диодов Потребляемая мощность: 29 кВт Объём выпуска: 1
Основные узлы ЭВМ размещались в четырёх шкафах: арифметический узел, программный датчик, управляющие блоки запоминающих устройств, электростатическое запоминающее устройство. Триггеры, клапаны, усилители машины были основаны на радиолампах (6Н8С, 6Ж4Б, 6П9), логические схемы — на малогабаритных полупроводниковых выпрямителях.
В 1956 году машина была модернизирована. Под руководством Михаила Карцева для неё разработали ферритовую память, которая оказалась более ёмкой, быстрой и надёжной, чем электростатические трубки и магнитные барабаны. По производительности машина М-2 не уступала ЭВМ «Стрела», но, в отличие от неё, размещалась в комнате площадью 22 м² и потребляла 29 кВт мощности, в то время как «Стреле» требовалось 300 м² и 150 кВт.
Писать программы с нуля, как на М-1, уже было необязательно: для пользователей М-2 было разработано математическое обеспечение, включавшее библиотеку стандартных программ (ввод-вывод, служебные программы, программы элементарных функций). Это высвобождало время для более творческих занятий.
«… талантливый инженер М. А. Карцев <...> придумал очень удобную систему команд. Вероятно, система команд чем-то похожа на стихотворение — её сочинение не терпит соавторства. Может быть, именно поэтому система команд М-2 получилась такой цельной — не сборная солянка, а поэма в кодах».
А.С. Кронрод. «Беседы о программировании»
А вот при подготовке инфографики про М-4 пришлось решить каверзную задачку. В фондах музея было вот такое фото этой машины:
И всё бы ничего, но на другом известном фото М-4 (из не менее авторитетного источника) она показана зеркально.
Качество ни первого, ни тем более второго снимка не позволяло разглядеть надписи на панелях, а все ручки, шкалы и измерительные приборы выглядели совершенно симметричными и потому не могли подсказать, какая из фотографий ориентирована правильно. Тем не менее, задачу удалось решить — готов обсудить в комментариях ваши версии, как именно.
Подробнее про М-4
Быстродействие: 15–20 тысяч операций в секунду Объём памяти: 1024 слова (≈3 килобайта) + 1024 слова Разрядность: 23 бита Тип: одноадресная Элементная база: электронные лампы, транзисторы Потребляемая мощность: 5,5 кВт Объём выпуска: 2
Специализированная ЭВМ для обработки информации от радиолокационной станции. С одной стороны, это позволило сделать машину проще: поскольку заранее понятно, данные какого рода будут поступать на обработку и что с ними нужно делать, можно обойтись одноадресными командами, работать с числами с фиксированной запятой, а часть оперативной памяти заменить на постоянную, в которой будут храниться константы и самые востребованные алгоритмы.
С другой стороны, узкая специализация в чём-то привела к усложнению машины: в ней появились дополнительные канальные процессоры ввода-вывода, помогавшие центральному вычислителю оперативно справляться с потоком данных. Эти решения, впервые применённые в М-4, стали общепринятыми для компьютеров ПВО и СПРН на ближайшие десятилетия. Быстродействие в 50 тыс. сложений или вычитаний в секунду, 15 тыс. умножений в секунду, или 5,2 тыс. операций деления или извлечения квадратного корня в секунду было почти рекордным для своего времени.
Михаил Карцев пригласил для разработки алгоритмов математика Александра Брудно. Его программа могла параллельно рассчитывать четыре траектории целей, а М-4 выполняла сложение и умножение во всех четырёх ветвях программы за один такт. Громоздкие операции деления были полностью исключены, и среднее быстродействие ЭВМ на этой программе достигало 20 000 операций в секунду.
С технической точки зрения М-4 была переходным звеном между ЭВМ первого и второго поколения: некоторые схемы по-прежнему оставались ламповыми, но широко использовались и транзисторы, уже хорошо освоенные к тому времени советской промышленностью. Для достижения максимальных характеристик требовался строгий контроль параметров транзисторов, вплоть до их индивидуального отбора.
«Второй комплект М-4 был использован для макета экспериментальной РЛС ЦСО-С6. Для этой цели пришлось сконструировать специальное устройство сопряжения: быстродействия элементов М-4 для обработки данных в реальном времени не хватало. <...> Модернизированная машина была названа М4-М».
Юрий Ревич, «ЭВМ и многопроцессорные комплексы М.А. Карцева»
Любопытная история связана и с иллюстрацией из журнала «Наука и жизнь». На ней за пультом ЭВМ работает девушка, но в ходе поиска материалов к выставке я наткнулся на фотографию, по которой явно и был сделан этот рисунок. На ней всё то же самое, только за пультом сидит мужчина.
Вот такая зарисовка к продвижению идей равноправия. На самом деле художник ничуть не погрешил против истины, потому что даже во времена первых ЭВМ их операторами нередко были женщины. Да и одной из разработчиц машин серии М была Тамара Миновна Александриди.
Т.М. Александриди
Нужно сказать, что к инженерным талантам женщин Брук относился весьма скептически и, как правило, в свою команду их не брал. Просматривая список лучших студентов пятого курса, он поставил галочку против фамилии Александриди, участника Великой Отечественной войны, члена партии и капитана институтской сборной по волейболу. И очень сильно удивился, когда в его лаборатории появилась молодая девушка, но делать нечего, и в качестве темы дипломного проекта Исаак Семёнович предложил мне разработать запоминающее устройство на электронно-лучевых трубках. Так, благодаря моей греческой фамилии мне довелось участвовать в создании одного из первых в СССР компьютеров.
Нам хотелось уделить внимание не только главному юбиляру, но и другим создателям первых ЭВМ. К сожалению, вычислительная техника в нашей стране всегда была в тени физики, атомной энергетики, космоса. Хотя без быстрых и надёжных вычислительных машин достижений в этих сферах могло и не быть — или они наступили бы позже и не оказали бы такого эффекта. Так что в моём идеальном мире фамилии Брука, Лебедева, Карцева, Рамеева должны быть не менее известны, чем фамилии Королёва, Туполева или Курчатова. Но работать над этим нужно долго, а пока мы отдали разрабочикам дань уважения, разместив информационный стенд с краткими биографиями каждого из них.
Соседнюю витрину мы заполнили предметами, отражающими развитие компьютеров в 1960-х — 1970-х гг. Размеры компонентов становились меньше, а их возможности — больше. Отдельной нашей удачей я считаю то, что в музее НИИВК нашёлся стенд с последовательными стадиями производства печатных плат по технологиям конца 1970-х.
Одно дело — увидеть готовое изделие и принять его как данность, и совсем другое — проследить весь путь его создания, начиная от фотошаблона с рисунком дорожек.
Ещё одним сокровищем, найденным в архиве НИИВК, оказались эскизы — или, как сказали бы сегодня, концепт-арты вычислительных центров.
М-4М
М-10
Конечно, в реальности не было ни натёртых до зеркального блеска полов, ни высоченных потолков, и реальные М-4 и М-10 стояли в куда более стеснённых условиях. Но сам факт того, что кто-то задумывался не только о том, чтобы разработать машину, но и о том, чтобы выгодно подать её визуально, говорит о многом.
Судя по фото, был также изготовлен детальный макет вычислительного комплекса из трёх М-10. Представьте, сколько труда на это ушло при технологиях того времени. Это сегодня можно напечатать на 3D-принтере столько однотипных моделек, сколько нужно, а тогда почти всё приходилось делать вручную.
О сложности реального комплекса никто не скажет лучше самого конструктора:
«Нам говорили, что мы психи, что… это никогда не заработает»
Михаил Карцев
Борис Малиновский в своей книге «История вычислительной техники в лицах» приводит такое сравнение. В БЭСМ-6 использовалось 60 тысяч транзисторов, 180 тысяч полупроводниковых диодов, 12 миллионов ферритовых сердечников. Вычислительный комплекс из трёх М-10 содержал 2 миллиона 100 тысяч микросхем, 1 миллион 200 тысяч транзисторов, 120 миллионов ферритовых сердечников.
Подробнее про М-10
Быстродействие: 5,1 млн операций в секунду Объём памяти: 0,5 + 0,5 + 4 мегабайта Разрядность: 64 бита Тип: VLIW Элементная база: микросхемы Количество элементов: 386 тысяч микросхем (по другим данным — более 600 тысяч), 353 тысячи транзисторов Потребляемая мощность: 112 или 66 кВт Объём выпуска: ~50
В 1968 году начал разрабатываться проект системы сплошного надгоризонтного обнаружения космических объектов. Для командного пункта системы и новой РЛС «Дарьял» требовался вычислительный комплекс производительностью не менее 5 млн операций в секунду. Таким комплексом стала М-10, разработанная коллективом под руководством Михаила Карцева в очень короткие сроки. В 1973–1980 гг., до появления МВК «Эльбрус-1», М-10 была самой быстрой отечественной ЭВМ и одной из самых быстрых в мире, уступая лишь лучшим машинам Сеймура Крэя.
М-10 относилась к классу синхронных многопроцессорных ЭВМ. В её состав входили устройства различного типа, работавшие параллельно и синхронно, в течение одного машинного такта процессора:
Арифметические процессоры, работающие с числами разрядностью до 128 бит.
Устройство управления.
Каналы связи «процессор — память». Максимальная разрядность доступа в память по одному каналу — 512 бит, что позволяло заполнять входные регистры всех арифметических процессоров за одно обращение.
Мультиплексный канал прямого доступа во внутреннюю память. Позволял осуществлять ввод-вывод по 24 дуплексным подканалам с суммарной скоростью до 7 Мбайт/с.
М-10 — ЭВМ третьего поколения, то есть основанная на микросхемах. Внутри каждой из них скрывалось 3–5 логических элементов, а значит, одна такая микросхема заменяла пару десятков транзисторов, диодов и других радиодеталей. В состав ЭВМ входили 31 основной шкаф, пульт оператора, 8 математических пультов и 6 устройств ввода-вывода.
Как и другие ЭВМ этого класса, М-10 была многопользовательской и обеспечивала одновременную работу до 8 операторов в режиме разделения времени. В НИИВК была создана волоконно-оптическая сеть, способная объединять до шести М-10.
За время разработки ЭВМ М-10 отечественная промышленность освоила выпуск микросхем памяти. Благодаря этому в 1977 году удалось создать модернизированную версию — М-10М, в которой количество шкафов сократилось до 14. Это позволило уменьшить необходимую площадь машинного зала с 325 до 200 м². Машины М-10 и М-10М были полностью совместимы друг с другом.
«Возможности, предоставляемые структурой М-10, не всегда можно выразить в «операциях в секунду». Поэтому не следует удивляться, что, хотя производительность М-10 была в своё время оценена в 5,1 млн оп./с, реальный выигрыш по скорости по сравнению с другими машинами <...> оказывался значительно больше, чем можно было бы ожидать. Например, при расчетах кинетической модели плазмы для сетки в 512 узлов и количестве макрочастиц до 10⁴ (вариант, который на пределе помещается во внутреннюю память БЭСМ-6) разница в скоростях между М-10 и БЭСМ-6 получается примерно в 20 раз, при большем количестве узлов сетки и макрочастиц — значительно больше, чем в 20 раз; при этом на БЭСМ-6 счёт шёл с 48, а на М-10 — с 64 разрядами. При счёте одной из задач механики сплошной среды разница в скоростях между М-10 и ЕС-1040 получилась более чем в 45 раз (8,5 мин на вариант на М-10 вместо 6,5 ч на ЕС-1040)».
Михаил Карцев, «Основные принципы проектирования ЭВМ М-10»
Мы также нашли фото полноразмерных макетов, на которых отрабатывалась эргономика рабочего места оператора М-10.
Забавная история связана с размещением в экспозиции одного из блоков этой ЭВМ — постоянного запоминающего устройства на основе металлических перфокарт. Да, была и такая технология — они считывались по принципу электрического конденсатора.
Но когда предмет захотели разместить в имевшейся нише, оказалось, что его масса превосходит несущую способность конструкции. Пришлось заменить оригинал фотографией. Вроде бы и фейл, зато как нельзя лучше говорит о важности миниатюризации техники.
Суперкомпьютерам НИИВК не суждено было сохраниться до наших дней в комплектном виде — слишком уж огромными они были и слишком много драгоценного металла содержали в себе. Самый крупный известный нам «осколок былого величия» — стойка от М-13, последнего суперкомпьютера, к которому приложил руку лично Михаил Карцев...
До тех пор, пока в вашем хозяйстве имеется единственный мультиметр, у вас не возникает никаких проблем — в ваших устройствах присутствует именно то напряжение, которое он показывает (смайл). Но как только у вас появляется два или больше мультиметров, немедленно встаёт вопрос: кому из них можно верить, а кто откровенно врёт при каждом измерении (и насколько и в какую сторону)?
Решить эту проблему можно двумя способами: либо найти доступ к эталонному поверенному мультиметру 5+ разрядов (чем больше — тем лучше) и сравнить с его показаниями показания ваших приборов, либо воспользоваться специальными платами рефренсного напряжения.
Понятно, что лучше получить доступ к эталонному мультиметру, но мало кто имеет такую возможность. В этом смысле воспользоваться платами с Алиэкспресс гораздо проще, но тут нас поджидают ловушки, умело расставленные китайскими «оптимизаторами бизнеса» (нельзя просто так взять и продать неперемаркированный чип рефренсного напряжения).
Обо всём этом мы и поговорим далее, а заодно я поделюсь впечатлениями о мультиметрах, которые приняли участие в этом исследовании.
❯ AD584
На Алиэкспресс присутствует множество плат эталонного напряжения, одним из самых популярных вариантов являются платы на различных модификациях микросхемы AD584 от ANALOG DEVICES. Поскольку оригинальный чип от ANALOG DEVICES стоит недёшево, то речь не идёт об использовании новых оригинальных чипов в платах — китайцы утверждают, что используют хоть и б/у, но всё-таки оригинальные чипы.
И тут присутствуют несколько уровней разводки:
Уровень 1. Базовый. Суть разводки заключается в том, что берутся более дешёвые и менее точные (но оригинальные) микросхемы с индексом «J» и перемаркировываются в более точный и дорогой вариант с индексом «K». Подлость конечно, но не самый худший вариант, поскольку используется всё же оригинальный чип и для покупателей остаётся хотя бы более-менее приличная температурная стабильность выдаваемого напряжения.
Уровень 2. Вообще неизвестно что, а не AD584. Тут трудно сказать, но, судя по всему, под видом AD584 в платы может устанавливаться вообще неизвестно что из продукции китайского микросхемостроения (я бы сказал китайской алхимии).
Уровень 3. Полный треш. В эту категорию входят платы с откровенным трешем на борту, наподобие неправильной схемотехники или надписей рефренсного напряжения, распечатанные на бумажке с одинаковыми значениями для всех продаваемых плат.
В общем, покупка подобной платы — это та ещё лотерея с примерно теми же шансами на успех. Тут ещё нужно отметить, что фотографии плат на Али не имеют никакого отношения к тому, что вам в реальности пришлют. Я долго выбирал нормальный вариант и в итоге мне прислали что-то вроде «Разводки №1».
При рассмотрении под микроскопом, видна явная перемаркировка микросхемы лазером. Это именно перемаркировка потому, что на оригинальной микросхеме надписи наносятся краской.
За то, что мой вариант относится к первому уровню разводки (J — K), говорят следующие признаки:
Микросхема имеет «потасканный» вид, которого не может быть у нового чипа.
Микросхема явно перемаркирована, чего нет необходимости делать для нового чипа.
Плата демонстрирует стабильность — при разных условиях и разной температуре окружающего воздуха выдаёт одни и те же напряжения.
Очень близкие показания тестовых мультиметров говорят о том, что надписи фломастером имеют отношение к действительности.
А то, что значения выдаваемых напряжений написаны от руки даёт надежду на то, что это всё-таки реальные значения, записанные «китайским оператором» с экрана эталонного мультиметра.
❯ UNI-T UT70A
«Дубовый» аппарат во всех смыслах этого слова — всего два знака после запятой, но совершенно неубиваемый корпус, плюс ещё снабжённый даже не чехлом, а мощной защитной оболочкой. Остальные участники тестирования смотрятся субтильными «офисными мальчиками» на фоне брутального UNI-T UT70A. Сбоку на оболочке написано «PROFESSIONAL» (видно на фото).
В общем, если вам когда-нибудь понадобится лезть на столб, чтобы там что-то измерить в щитке, то UNI-T UT70A будет лучшим помощником в этом мероприятии. Я думаю падение со столба никак не отразится на его функционировании (смайл).
К достоинствам этого аппарата можно также отнести всеядность — кроме стандартного набора возможностей для подобного рода девайсов он ещё измеряет ёмкость, индуктивность и т. д.
❯ UNI-T UT61E+
Мультиметр не нуждающийся в представлении и являющийся «стандартом де-факто» для любительских (и не только) измерений. Отличное соотношение цена/качество и всеобщее признание.
Особого смысла говорить об этом приборе нет, отмечу только, что по сравнению со своим старшим братом UNI-T UT70A он выглядит довольно хлипко. Со столба его точно лучше не ронять, я бы не рекомендовал его ронять даже со стола.
❯ BSIDE S11
Откровенно хипстерский вариант со своеобразным юзабилити. Начать хотя бы с того, что щупы у него вставляются снизу и этот мультиметр невозможно поставить вертикально — его назначение работать лёжа (смайл). Щупы, кстати, у него нестандартные.
Типа полный автомат (как этот автомат работает мы ещё посмотрим далее), отсутствует возможность измерения силы тока и прочие подобные «нюансы».
В общем, оставляет очень неоднозначное впечатление, хотя, надо сказать, именно он всегда валяется где-то рядом, а не лежит в коробке (а это уже о чём-то говорит).
❯ ZOYI ZT-703S
Куда ж без ZOYI ZT-703S? Этом сезоне это чуть ли не самый модный девайс. Аппарат тоже очень неоднозначный.
К достоинствам можно отнести великолепный дизайн (его просто приятно держать в руках и с ним приятно работать), который даст фору всем остальным участникам теста. Также в нём очень удобно реализовано управление сложным комплексом (мультиметр + осциллограф) при помощи всего четырёх функциональных кнопок и кнопки меню.
К недостаткам можно отнести совершенно провальную реализацию откидной ножки — она драматически хлипкая и не даёт нормально работать с прибором в вертикальном положении и… то, что это не осциллограф. Об этом чуть подробнее.
Во всей рекламе ZOYI ZT-703S заявляется как портативный осциллограф. Это не так. Назвать это осциллографом нельзя — в прошивке куча ошибок, форма сигнала и его измеренные значения зависят от выставленных пределов измерения (чего категорически не должно быть в нормальном осциллографе). В лучшем случае это можно назвать показометром и заготовкой для написания нормальной прошивки в будущем (только кто это будет делать?).
Но парадоксальным образом ZOYI ZT-703S является самым удобным мультиметром из всех, участвующих в тесте. Именно за ним тянется рука, когда нужно что-то измерить. А возможность (пусть криво и неточно) увидеть форму исследуемого сигнала ставит точку в выборе и ZOYI ZT-703S получает приз «выбор редакции».
❯ YAOREA YR1035+
YAOREA YR1035+ не является мультиметром в общепринятом смысле этого слова — это специализированный тестер для аккумуляторов. В этот обзор он попал потому, что измеряет напряжение и сопротивление, причём делает это исключительно точно и не протестировать его было бы неправильно.
Коротко: тестер своеобразный и специфический, но исключительно качественный для своих целей.
❯ DL24
Этот девайс идёт вне конкурса, так как является не мультиметром, а электронной нагрузкой. Но поскольку у него на дисплее выводится невероятное количество разрядов после запятой, то было любопытно узнать насколько подобная «точность» соответствует действительности.
❯ Стенд
Для того, чтобы исключить влияние сетевых наводок и наводок DC/DC преобразователей, плата рефренсного напряжения запитывалась непосредственно от 12-вольтового аккумулятора. Диапазон допустимых входных напряжений платы составляет от 12 до 24 вольт.
Для измерения напряжения мультиметрами использовались их комплектные шнуры.
❯ Диапазон 2,5 В
Начнём тестирование с диапазона 2,5 В. Здесь и в дальнейших таблицах участники выстроены по качеству полученного результата — от лучшего (сверху) до худшего (снизу).
Мультиметр BSIDE имеет два режима измерения напряжения «специальный» и «авто», поэтому в таблице присутствуют две строки для него.
❯ Диапазон 5 В
Диапазон 5 В. Обращает на себя внимание результат расхождения в всего в 0,001 вольта между эталоном и показаниями UNI-T UT61E+, что косвенно свидетельствует о подлинности микросхемы AD584 на используемой рефренсной плате.
Обратите внимание, что все отклонения показаний отрицательные и только отклонение показаний BSIDE S11 в режиме Auto — положительное.
❯ Диапазон 7,5 В
В диапазоне 7,5 В примерно та же картина с тем же распределением мест участников (только электронная нагрузка DL245 чуть улучшила свой результат.).
❯ Диапазон 10 В
Ну и заключительный тест в диапазоне 10 В. При этом тестовом напряжении все отклонения получаемых значений стали отрицательными.
❯ Сводная таблица
Теперь сведём в одну таблицу процент отклонений измеренных значений напряжения всеми участниками теста.
И для большей наглядности представим эту информацию в графическом виде. На вертикальной оси находятся значения отклонений измеренного напряжения от эталонного в процентах. На горизонтальной оси находятся четыре блока значений в диапазонах 2.5, 5, 7.5, 10 В.
Цвета значений на графике соответствуют условным цветам мультиметров в сводной таблице.
Теперь немного об интерпретации полученных во время тестирования результатов.
UNI-T UT61E+
Наилучшим образом показал себя признанный фаворит UNI-T UT61E+. Значения его показаний минимально отличаются от анонсированных на рефренсной плате.
YAOREA YR1035+
Практически вровень с UNI-T UT61E+ идёт тестер для аккумуляторов YAOREA YR1035+, что не удивительно, поскольку это ещё один признанный «стандарт де-факто» для своей области применения (измерения параметров аккумуляторов).
BSIDE S11
Далее начинаются чудеса. Если первое место поделили между собой UNI-T UT61E+ и YAOREA YR1035+, то на втором месте, совершенно неожиданно, оказался «хипстерский» и на вид совершенно несерьёзный BSIDE S11.
Причём в отношении BSIDE S11 выяснилось следующее: оказывается, нормально он измеряет напряжение только в специально предназначенном для этого режиме (который нужно включать кнопкой дополнительно), а в режиме «Auto» его показания начинают отличаться от его же показаний в обычном режиме. К тому же они ещё и «скачут через ноль» в разных диапазонах напряжения, а в диапазоне 10 В вообще приобретают неприличную погрешность.
И тут есть два момента. Во-первых, вы никогда не узнаете о такой особенности работы мультиметра, пока не проведёте подобное тестирование. А до тех пор у вас (при одинаковом измеряемом напряжении) на экране будут разные цифры в разных режимах. Так можно долго мучиться и гадать почему ваша схема работает как-то странно.
И во-вторых, исходя из этих данных, режим «Auto», который анонсируется и является основным для BSIDE S11, в нём практически профнепригоден, по крайней мере в отношении измерения постоянного напряжения.
ZOYI ZT-703S
Красавец и всеобщий любимец ZOYI ZT-703S умудрился проиграть не только фаворитам UNI-T UT61E+ и YAOREA YR1035+ (что не так обидно), но и «выскочке» BSIDE S11 (вот уж чего я никак не ожидал).
Получается, что у него неполноценна не только осциллографическая часть, но и с измерительной тоже есть проблемы. Но, с другой стороны, сеть заполнена хвалебными отзывами об ZOYI ZT-703S и возможно это проблемы только моего конкретного экземпляра.
Электронная нагрузка DL24
Электронная нагрузка DL24 выступила в целом неплохо, но, как говорится, есть нюансы. На графиках хорошо видно, что погрешность изменяется в зависимости от величины входного напряжения. И чем меньше это напряжение, тем больше погрешность. Этого вы тоже никак не сможете узнать, пока не проведёте подобное тестирование. А до тех пор будете гадать почему у вас «концы с концами» не сходятся в ваших измерениях.
И в процессе тестирования выявилась ещё одна особенность DL24 — у неё совершенно неприлично «скачет» последний разряд, чего не происходит ни у одного мультиметра. В чём причина такого поведения сказать трудно. Может быть это особенность работы её АЦП, а может быть разработчики просто решили не заморачиваться сглаживанием выводимых значений.
UNI-T UT70A
UNI-T UT70A подтвердил свою «дубовость» и стал аутсайдером тестирования с результатом почти в полпроцента погрешности в диапазоне 2,5 В. Но что-то мне подсказывает, что его это мало беспокоит (смайл).
❯ Итоги и выводы
Для повседневного использования лучше всего подходит ZOYI ZT-703S в силу своей эргономики и наличия псевдо-осциллографа на борту (которым можно оперативно посмотреть форму измеряемого сигнала). Погрешность его измерений хоть и повышена, но находится на приемлемом уровне для большинства некритичных применений.
В том случае, когда нужна именно высокая точность, потребуется расчехлять UNI-T UT61E+ или YAOREA YR1035+.
Малыш BSIDE S11, который всегда под рукой, может с успехом заменить своих более продвинутых собратьев. Только нужно не забывать переключать его из режима авто в режим измерения постоянного напряжения.
Электронной нагрузке DL24 в целом можно доверять, только нужно помнить, что последнего разряда у неё фактически нет и что чем ниже измеряемое напряжение, тем больше погрешность в её показаниях.
UNI-T UT70A остаётся на скамейке запасных и ожидает своего звёздного часа в какой-нибудь экстремальной ситуации, когда понадобится его неубиваемость.
Ну и главный вывод: свою технику надо знать. Её нужно тестировать (калибровать) прежде, чем с ней работать (если конечно вы серьёзно относитесь к своему делу).
Написано специально для Timeweb Cloudи читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашемблоге на Хабре и телеграм-канале.
Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов (за вознаграждение) — пиши сюда.
Успел в студенческие годы этак в 2004 г попользоваться Palm tungsten что ли, в те годы этот была просто пушка. На фоне тогдашних телефонов с полифонией экран с весьма приличным разрешением и возможность пользовать функциональные приложения и играть в Worms например была чем-то удивительным. Тогдашний стационарный комп иметь на борту то ли 266, толи 333 МГц и 32 мб оперативки, а это американское чудо располагало немыслимыми 400 МГц и 52 что ли мб оперативки. По общим показателям для эпохи дискет это был суперсовременный гаджет, стильный и крутой. К сожалению, жизнь его тогда была недолгой у меня и он был украден вместе с сумкой... Взамен после летних усиленных подработок был куплен Dell Axim X51v с ещё более лучшим экраном и камнем, с человечьей виндой, вай-фаем и так оно далее,но внешне он был весьма унылым и походил скорее на первые тогдашние страшненькие смартфоны. Тоже принёс много пользы, в основном как электронный словарь, и поныне лежит в ящике стола, достаëтся раз в год для ностальгирования. Всё работает и даже немного держит батарея
В этой статье я хочу описать свой опыт разработки такого простого, но в тоже время самого используемого элемента «Умного дома». Речь пойдет о модуле управления освещением. Забегая вперед, хочу сказать, что данный проект был реализован еще в 2021 году, но в настоящее время потребовалась реализация еще одного модуля. Я решил совместить приятное с полезным, дополнительно обновить прошивку устройства и «перепроектировать» данный модуль с помощью современного ПО и само собой — поделиться с вами. Если стало интересно, то добро пожаловать под кат.
❯ Небольшая предыстория
Домашней автоматизацией я занимаюсь давно и застал те времена, когда еще не было доступных микроконтроллеров с беспроводной коммуникацией на борту (типа ESP8266), в основном использовались проводные решения на базе 1-Wire. И мой «Умный дом» не стал исключением.
Каждый начинающий «строитель» «Умного дома» понимает, что первым делом нужно научиться включать и выключать свет, чтобы эффектно удивлять друзей, управляя освещением со смартфона. В те времена это казалось магией :) Вот и я, закупившись на Алиэкспрессе поддельными двухканальными 1- Wire свичами DS2413P, решил реализовать управление светом. В итоге была собрана плата управления на базе купленных свичей и симисторным управлением нагрузкой. Данное устройство надежно проработало аж до 2021 года. Но летом того же года была жуткая гроза и по витой паре интернет провайдера прилетел мощный разряд, который унес в электронный рай сетевую карту сервера, USB 1-Wire адаптер, ну и плату управления освещением с эффектным взрывом симистора. Тогда я подумал, что пора завязывать с проводными решениями ибо гирлянда сгоревших устройств ни на секунду меня не радовала и я принялся за разработку беспроводного модуля управления освещением.
❯ Проектируем аппаратную часть
Условно мы можем разделить модуль на три сегмента:
Система питания;
Контроллер управления;
Система силового управления.
При проектировании принципиальной схемы устройства будем придерживаться «золотого» принципа: чем проще — тем лучше, а значит — надежнее. Поэтому в качестве системы питания будет реализована схема на базе экономичного импульсного преобразователя напряжения LNK306GN, который доказал свою надежность временем и работой в аномальных условиях.
Краткая информация о LNK306GN:
LNK306GN — это понижающий преобразователь с наименьшим количеством внешних элементов. Серия микросхем LinkSwitch-TN специально разработана для замены всех неизолированных источников питания с линейным питанием и питанием от конденсаторов в диапазоне выходного тока менее 360 мА при равной стоимости системы, обеспечивая гораздо более высокую производительность и энергоэффективность. Устройства LinkSwitch-TN объединяют в монолитной IC силовой полевой МОП-транзистор с напряжением до 700 В, генератор, простую схему управления включением/выключением, высоковольтный импульсный источник тока, генератор частот, схему ограничения тока и схему отключения при перегреве.
В качестве «мозга» нашего устройства, будем использовать микроконтроллер от компании Espressif Systems ESP8266. А для силового управления нагрузкой, то есть нашими лампочками, будем использовать связку оптопары MOC3052M и симистора BT136-600. Почему не реле? — спросите вы, ну не люблю я реле, они щелкают и габаритные. Ниже можно видеть результат разработки принципиальной схемы устройства. Для разработки схем и печатных плат я использую открытое ПО KiCAD.
Принципиальная схема модуля:
Как я уже говорил ранее, источник питания реализован на высоковольтном импульсном преобразователе LNK306GN, который позволяет максимально упростить схему источника питания. На выходе источника формируется напряжение в 3,3 В, данное напряжение устанавливается обратной связью, которая организована с помощью резистивного делителя напряжения R4 и R5. Данная схема питания не имеет гальванической развязки с сетью, поэтому нужно обеспечить эффективную изоляцию платы для исключения поражения электрическим током. Первоначальный запуск устройства должен выполняться с последовательно подключенной нагрузкой (лампа накаливания 60 Вт) в цепи питания, чтобы исключить повреждения в случае ошибки при монтаже компонентов.
Трассировка платы:
Визуализация печатной платы:
Хочется добавить, что данная плата разрабатывалась с учетом современных реалий, здесь изменен форм-фактор микросхемы LNK306GN на SOP-7 в старой версии модуля используется тип корпуса DIP-7.
❯ Изготовление печатной платы
На тот момент, плата изготавливалась по канонам DIY, с помощью фоторезиста и фотошаблона. Но в настоящее время я пользуюсь для изготовления прототипов плат лазерным методом.
Активация фоторезиста с помощью фотошаблона:
Плата прототипа модуля после монтажа электронных компонентов:
❯ Разработка корпуса
Разработка корпуса устройства выполнялось в открытом ПОFreeCAD. Корпус довольно тривиальный и не содержит сложных элементов.
Визуализация корпуса с моделью платы:
Далее модель корпуса распечатывается на 3D принтере, в качестве материала печати используется HIPS пластик.
Устройство в собранном виде:
AirTag для сравнения габаритов устройства:
❯ Разработка прошивки и описание интерфейса
Разработка микро ПО устройства велась в средеArduino IDE, обновленная версия реализована на моей, ставшей уже базовой, прошивке для умный устройств. Для улучшения пользовательского опыта, в прошивке применены следующие технологии:
Captive portal;
Multicast DNS;
MQTT Auto Discovery;
SSDP.
Captive portal— это сервис, на который принудительно перенаправляется пользователь, который выполнил подключение к устройству. Данный сервис работает только в режиме «точки доступа» при первоначальной конфигурации устройства. При отсутствии сетевого соединения или при первоначальной настройке, устройство создает беспарольную точку доступа с именемCYBEREX-Light. При подключении к данной точке доступа, пользователь автоматически будет перенаправлен на страницу авторизации для выполнения первоначальной конфигурации устройства. Для конфигурации устройства необходимо ввести пароль по умолчанию "admin".
Ниже приведены несколько скриншотов веб интерфейса устройства.
Страница входа:
Главная страница с элементами управления:
Конфигурация обмена по MQTT протоколу:
Multicast DNS — данный сервис используется для поиска устройств по доменному имени в локальной сети без использования предварительно настроенного DNS сервера. Другими словами, пользователь может получать доступ к устройству без необходимости ввода IP адреса. Ниже пример использования данного сервиса, где доступ к устройству выполняется с помощью его локального имени 11395386.local.
Страница конфигурации управления устройством через API:
Как вы можете видеть на скриншоте, в устройстве реализован доступ управления каналами модуля по API. Данная функция необходима для прямого взаимодействия с устройством без посредников в виде MQTT сервера или системы «Умного дома». Эту функцию можно использовать для подключения беспроводных выключателей, пример реализации в одном из моих проектов:
Демонстрируемый беспроводной выключатель также реализован на ESP8266, в качестве элементов питания использует две батарейки формата ААА. Данный выключатель проработал уже три года на одних элементах питания, благодаря режиму DeepSleep.
А еще функция данного API применяется в моей «умной колонке» (статья первая,статья вторая) для управления освещением. Ниже пример кода для реализации прямого управления с помощью «умной колонки»:
tts.va_speak("Сожалею, но возникла ошибка, попробуйте позже!")
❯ Интеграция в «Умный дом»
Интеграция устройства в систему «Умного дома» реализована с помощью MQTT Auto Discovery. MQTT Auto Discovery— сервис, позволяющий максимально упростить интеграцию нашего устройства в систему «Умного дома». В моем случае, в качестве системы «умного дома», я использую Home Assistant, поэтому сервис MQTT Auto Discovery адаптирован именно под неё. Ниже код реализации MQTT Auto Discovery в микро ПО устройства:
После успешного подключения устройства к сети и настройки MQTT соединения, в «объектах» Home Assistant появятся объекты нашего устройства, пользователю останется только настроить карточку объектов на панели управления, чтобы иметь возможность управлять данным модулем. Ниже приведен пример кода карточки объектов:
Пример кода карточки объектов:
type: horizontal-stack
cards:
- show_name: true
show_icon: true
type: button
tap_action:
action: toggle
entity: light.cl1
name: Свет 1
show_state: true
hold_action:
action: more-info
- show_name: true
show_icon: true
type: button
tap_action:
action: toggle
entity: light.cl2
name: Свет 2
show_state: true
hold_action:
action: more-info
- show_name: true
show_icon: true
type: button
tap_action:
action: toggle
entity: light.cl3
name: LED
show_state: true
hold_action:
action: more-info
В результате карточка объектов будет выглядеть следующим образом:
Осталось упомянуть о последнем сервисе SSDP. Чтобы как-то «повелевать» всем зоопарком моих умных устройств, был реализован данный сервис.
SSDP (Simple Service Discovery Protocol) — сетевой протокол, основанный на наборе протоколов Интернета, служащий для объявления и обнаружения сетевых сервисов. SSDP позволяет обнаруживать сервисы, не требуя специальных механизмов статической конфигурации или действий со стороны серверов, таких как DHCP или DNS. Для моего удобства, я написал мобильное приложение, которое позволяет в три нажатия обнаружить и сконфигурировать устройство без лишних хлопот и похода в роутер. Ниже представлены скриншоты приложения, ссылка на приложение будет размещена в конце статьи.
Приложение для поиска устройств в сети:
❯ Использование аппаратного выключателя
Дабы не исключать классическую схему управления освещением с помощью обычного выключателя, который обычно встраивается в стену, в устройстве также реализован вход (J5) для подключения аппаратного выключателя. Данное решение позволяет без дополнительных переделок интегрировать модуль в существующую систему освещения.
❯ Итоги
Ну что ж, давайте подведем итоги. В итоге у нас получилось простое, но эффективное и относительно компактное устройство для управления освещением, с возможностью работы как в автономном режиме, так и в составе «Умного дома». Данное устройство разрабатывалось, прежде всего, для управления светодиодным освещением, но примененные силовые симисторы позволяют коммутировать осветительную нагрузку до 300Вт на канал, без ощутимого нагрева силовых элементов.
На этом можно и завершить статью. Надеюсь, мой опыт будет вам полезен. Если у вас есть замечания, предложения или вы хотите поделиться подобным опытом, то добро пожаловать в комментарии! Если статья вам понравилась, то поддержите её стрелочной вверх. Всем добра, здоровья и спасибо за внимание!
Приветствую, коллеги! Меня зовут ProstoKirReal, и сегодня я хочу обсудить с вами физический уровень (L1) модели OSI. Понимание этого уровня является основополагающим для всех, кто только начинает свой путь в сетевых технологиях.
❯ Что такое физический уровень?
Физический уровень (Physical Layer) — это первый и самый низкий уровень модели OSI. Он отвечает за передачу необработанных битов данных по физическим средствам связи, таким как кабели и радиоволны. Этот уровень определяет электрические, механические, процедурные и функциональные характеристики для активации, поддержания и деактивации физических соединений между конечными системами.
Для начала необходимо понять, а что же такое бит данных. Я в первые месяцы работы очень часто путался в понятиях бит и байт.
Бит и байт — это две основные единицы измерения информации в компьютерных системах. Разница между ними заключается в следующем:
❯ Бит
Определение: бит (bit) является наименьшей единицей информации в компьютерных системах.
Значение: может принимать одно из двух значений: 0 или 1. Эти значения часто интерпретируются как «включено» или «выключено», «истина» или «ложь».
Использование: используется для представления двоичной информации и операций на уровне аппаратного обеспечения.
❯ Байт
Определение: байт (byte) состоит из 8 битов.
Значение: может представлять 256 различных значений (от 0 до 255 в десятичной системе или от 00 до FF в шестнадцатеричной системе).
Использование: широко используется для представления данных, таких как символы в текстовых файлах. Например, каждый символ в стандарте ASCII кодируется одним байтом.
Примерное сравнение:
Бит: 0 или 1
Байт: 8 битов (например, 01101010)
Для запоминания есть старая шутка:
Штирлиц поругался с посетителем бара и вышел с ним 1 на 1. На выходе он увидел 8 человек с битами. «Один байт равно 8 бит», — подумал Штирлиц
Выше я писал о двоичной и шестнадцатеричной системе. А для чего они?
На двоичной системе общаются между собой различные сетевые устройства, компьютеры и т.д. А что же делать нам обычным людям? Даже простые данные в двоичной системе выглядят очень громоздко.
К примеру предложение «Hello, world!» выглядит как 01001000 01100101 01101100 01101100 01101111 00101100 00100000 01110111 01101111 01110010 01101100 01100100 00100001. Для повышения читаемости таких массивов данных используют шестнадцатеричную систему. К примеру, предложение «Hello, world!» выглядит как 48 65 6C 6C 6F 2C 20 77 6F 72 6C 64 21. Уже читабельнее?
То есть 1 бит – 0, 1 байт – 01001000, в 16-ричной 1 байт – 48.
Шестнадцатеричная система счисления — это удобный, компактный и общепринятый способ представления двоичных данных в компьютерных сетях и других областях информатики. Она позволяет инженерам и программистам эффективно работать с данными, обеспечивая при этом легкость преобразования и улучшенную читаемость.
❯ Преимущества шестнадцатеричной системы
Удобство преобразования: простое преобразование между шестнадцатеричной и двоичной системами.
Краткость записи: значительно более короткие записи по сравнению с двоичной системой.
Повышенная читаемость: легче для восприятия и анализа при работе с низкоуровневыми данными.
Принятость в стандартах: широко используется в сетевых и компьютерных стандартах.
Сложно? Еще немного и доберемся до L1. Еще одно понятие, которое нам будет необходимо для понимания.
❯ Пакет данных
Пакет данных —это набор информации, который передается между устройствами в компьютерных сетях. Он содержит данные, такие как текст, изображения, аудио или видео, и информацию о том, куда и откуда эти данные должны быть отправлены. Пакеты данных играют ключевую роль в передаче информации через сети.
Пакет служит нам для передачи информации от компьютера к компьютеру. Вообще это отдельная тема для разговора, после модели OSI займусь написанием статьи про пакеты данных. Если вкратце, то данные, которые нам необходимо передать по сети, делятся на несколько частей. Далее к этим данным добавляется специальный заголовок (необходимый для передачи пакетов по сети) и этот пакет с данными передается по сети в виде электрических или световых сигналов.
Итак, про L1 уровень.
За преобразование битов данных на первом уровне отвечают сетевые карточки в компьютерах и серверах, за передачу пакетов по сети используются SFP модули в таких сетевыех устройствах, как коммутаторы, маршрутизаторы и т.д.
❯ Основные функции физического уровня
Передача битов: Физический уровень определяет способ передачи битов данных по физическому носителю, будь то медные кабели, оптоволоконные кабели или беспроводные каналы.
Медные кабели передают информацию с помощью электрических сигналов, бывают 1G и 10G медные кабели, типа витая пара. Я был удивлен о наличии 10G меди.
Оптоволоконные кабели передают информацию с помощью световых сигналов.
Беспроводные соответственно передают информацию без проводов, по средством радиоволн.
Модуляция и демодуляция: Преобразование цифровых данных в аналоговые сигналы и обратно.
Модуляция и демодуляция — это процессы, используемые для передачи цифровых данных через аналоговые среды, такие как радиоволны, телефонные линии или оптоволоконные кабели. Эти процессы играют ключевую роль в современных коммуникационных системах, включая интернет, мобильные сети и телевидение.
❯ Модуляция (Modulation)
Модуляция — это процесс преобразования цифровых данных (битов) в аналоговые сигналы, которые могут быть переданы через аналоговую среду.
❯ Демодуляция (Demodulation)
Демодуляция — это процесс обратного преобразования аналоговых сигналов в цифровые данные. Демодулятор принимает модулированный аналоговый сигнал и извлекает из него оригинальные цифровые данные.
❯ Важность модуляции и демодуляции
Эффективная передача данных: модуляция позволяет передавать цифровые данные через аналоговые среды, такие как телефонные линии и радиоволны, которые имеют ограниченную пропускную способность и подвержены шуму.
Совместимость: благодаря модуляции цифровые системы могут быть совместимы с существующей аналоговой инфраструктурой.
Устойчивость к помехам: различные методы модуляции могут быть более устойчивы к различным типам помех и шумов, что улучшает качество передачи данных.
Повышение пропускной способности: использование сложных методов модуляции, таких как QAM, позволяет передавать больше данных за один цикл, что увеличивает общую пропускную способность канала связи.
Модуляция и демодуляция — это ключевые процессы, которые позволяют передавать цифровые данные через аналоговые среды, обеспечивая эффективную, надежную и высокоскоростную связь.
Электрические характеристики: определение напряжений, токов и частот, используемых для передачи данных.
Напряжение определяет разницу потенциалов между двумя точками сети. В сетях передачи данных, например, в Ethernet, используются различные уровни напряжения для кодирования цифровых данных. Низкое напряжение может быть интерпретировано как бит «0», а высокое — как бит «1».
Ток — это поток заряженных частиц через проводник. В сетях передачи данных, таких как Ethernet, ток используется для переноса информации. Изменения в токе могут интерпретироваться как изменения битовых значений данных. Потребляемый ток также определяется сопротивлением проводников и устройств, через которые проходят данные.
Частота определяет скорость, с которой данные передаются через сеть. В сетях Ethernet и других сетях передачи данных частота определяет скорость передачи данных, измеряемую в битах в секунду (бит/с). Например, Ethernet может иметь частоту 100 МГц или 1 ГГц, что определяет максимальную скорость передачи данных по сети.
Механические характеристики: определение физического соединения, разъемов и кабелей.
Физическое соединение (Physical Connection): — это способ, которым устройства в сети физически соединяются друг с другом. Физическое соединение может включать в себя различные типы кабелей, разъемов и портов. Например, в локальных сетях (LAN) устройства часто соединяются с помощью кабелей Ethernet.
Разъемы (Connectors): — это физические интерфейсы, которые позволяют подключать кабели к сетевым устройствам. Существует множество типов разъемов, каждый из которых предназначен для определенных типов кабелей и протоколов. Например:
RJ45: используется для подключения витой пары Ethernet.
LC/SC: используются в оптоволоконных сетях.
Разъемы обеспечивают надежное и стандартизированное подключение, которое гарантирует совместимость устройств.
Кабели (Cables): — это физические носители, по которым передаются данные. Тип кабеля определяет скорость передачи данных, расстояние, на которое данные могут быть переданы, и среду, в которой кабель может использоваться. Основные типы кабелей включают:
Витая пара (Twisted Pair): наиболее распространенный тип кабеля для локальных сетей. Включает неэкранированную витую пару (UTP) и экранированную витую пару (STP).
Оптоволоконный кабель (Fiber Optic Cable): используется для высокоскоростных соединений на большие расстояния. Передает данные с помощью световых импульсов.
Каждый тип кабеля имеет свои характеристики, такие как пропускная способность, устойчивость к помехам и максимальное расстояние передачи.
❯ Примеры механических характеристик в сети Ethernet
Разъем RJ45: используется для подключения кабелей Ethernet к сетевым устройствам, таким как маршрутизаторы, коммутаторы и сетевые карты.
Оптоволокно с разъемами LC/SC: используется как для высокоскоростных магистральных соединений и соединений на большие расстояния, так и на небольшие расстояния (как разъемы RJ).
❯ Почему это важно
Механические характеристики важны для обеспечения надежного и эффективного соединения между устройствами в сети. Они влияют на:
Совместимость: использование стандартизированных разъемов и кабелей гарантирует, что устройства могут быть подключены и будут работать вместе.
Производительность: тип и качество кабелей и разъемов могут влиять на скорость передачи данных и стабильность соединения.
Устойчивость к помехам: экранированные кабели и правильные разъемы могут снижать воздействие электромагнитных помех и улучшать качество связи.
Физическая защита и долговечность: надежные разъемы и кабели обеспечивают долговечность и надежность физического соединения, что особенно важно в промышленных и коммерческих сетях.
Физическая топология: определение расположения и соединения сетевых устройств.
Физическая топология сети определяет физическое расположение и соединение сетевых устройств, таких как компьютеры, маршрутизаторы, коммутаторы и кабели. Это важный аспект проектирования и управления сетью, поскольку он влияет на производительность, масштабируемость, надежность и управляемость сети.
Давайте рассмотрим основные типы физической топологии и их характеристики.
❯ Основные типы физической топологии
1. Шинная топология (Bus Topology)
В этой топологии все устройства подключены к одному общему кабелю (шине). Передача данных осуществляется по этому кабелю, и все устройства могут получать эти данные.
Преимущества:
Простота установки и низкая стоимость.
Легкость добавления новых устройств.
Недостатки:
Ограниченная длина кабеля и количество подключаемых устройств.
Поломка кабеля приводит к выходу всей сети из строя.
Низкая производительность при большом количестве устройств.
2. Звездообразная топология (Star Topology)
Все устройства подключены к центральному узлу (коммутатору или концентратору). Центральный узел управляет передачей данных между устройствами.
Преимущества:
Высокая производительность, так как данные передаются через центральный узел.
Простота управления и обнаружения неисправностей.
Поломка одного устройства или кабеля не влияет на работу всей сети.
Недостатки:
Зависимость от центрального узла: если он выходит из строя, вся сеть перестает работать.
Более высокая стоимость из-за необходимости в центральном узле и большем количестве кабелей.
3. Кольцевая топология (Ring Topology)
Устройства соединены в кольцо, и каждый узел связан с двумя соседними узлами. Данные передаются по кольцу от одного устройства к другому.
Преимущества:
Равномерное распределение нагрузки между узлами.
Отсутствие коллизий при передаче данных.
Недостатки:
Поломка одного устройства или кабеля нарушает работу всей сети.
Сложность добавления новых устройств.
4. Ячеистая топология или сетчатая (Mesh Topology)
В этой топологии каждое устройство подключено ко всем другим устройствам. Существует полносвязная ячеистая топология, где все устройства напрямую соединены друг с другом, и частичная ячеистая топология, где некоторые устройства соединены не напрямую.
Преимущества:
Высокая надежность: сбой одного устройства или кабеля не влияет на работу всей сети.
Высокая производительность и минимальная задержка.
Недостатки:
Высокая стоимость и сложность установки.
Сложность управления и обслуживания.
5. Древовидная топология (Tree Topology)
Комбинация звездной и шинной топологий. Устройства соединены в группы, которые, в свою очередь, соединены центральными узлами.
Преимущества:
Иерархическая структура упрощает управление.
Легкость масштабирования сети.
Недостатки:
Зависимость от центральных узлов.
Более сложная установка по сравнению с простой звездной топологией.
❯ Почему физическая топология важна?
Производительность: различные топологии предлагают разные уровни производительности и могут справляться с разными объемами трафика.
Надежность: топология влияет на устойчивость сети к сбоям. Некоторые топологии более устойчивы к поломкам отдельных устройств или кабелей.
Масштабируемость: разные топологии по-разному справляются с добавлением новых устройств и расширением сети.
Управляемость: некоторые топологии проще в управлении и диагностике неисправностей.
Стоимость: стоимость установки и обслуживания сети зависит от выбранной топологии, так как разные топологии требуют разного количества кабелей и оборудования.
Физическая топология сети играет ключевую роль в проектировании, управлении и обслуживании сетевых систем, обеспечивая оптимальную производительность и надежность.
Основные технологии
Кабели и разъемы: RJ45, оптоволоконные кабели, коаксиальные кабели.
RS-232: стандарт для последовательного обмена данными. (это не разъем как обычно считают, DE-9 это разъем, а RS-232 это стандарт)
V.34: стандарт для модемов, который определяет методы модуляции для передачи данных по телефонным линиям со скоростью до 33.6 Кбит/с.
100BASE-TX: стандарт для передачи данных по витой паре на скорости 100 Мбит/с.
802.11: набор стандартов для беспроводных сетей.
Применение физического уровня на практике
На практике физический уровень используется для создания и поддержания физических соединений между сетевыми устройствами. Например, когда вы подключаете компьютер к маршрутизатору с помощью Ethernet-кабеля, вы взаимодействуете с физическим уровнем. Важно понимать, что любые проблемы с кабелями или разъемами на этом уровне могут приводить к сбоям в передаче данных.
❯ А что будет с данными если отключить кабель?
Отключение сетевого кабеля и его влияние на уровни сетевой модели
Когда сетевой кабель выдергивается, это затрагивает только физический уровень сетевой модели OSI, но как это влияет на работу протоколов TCP/IP?
Физический уровень (Physical Layer)
Физический уровень отвечает за передачу данных по физической среде, такой как медный кабель или оптоволокно. Когда сетевой кабель отключается, устройства на этом уровне теряют способность передавать сигналы. Этот уровень может распознать, что кабель выдернут, так как электрический или оптический сигнал больше не поступает.
Канальный уровень (Data Link Layer) (подробнее о данном уровне в следующей статье)
Канальный уровень взаимодействует непосредственно с физическим и управляет доступом к среде передачи данных, обнаружением ошибок и управлением потоком. При отключении кабеля сетевой интерфейс, например, Ethernet, сигнализирует об ошибке, такой как «link down». Это событие фиксируется на этом уровне, но не обязательно передается выше.
TCP/IP и вышележащие протоколы
Протоколы стека TCP/IP (такие как TCP, UDP, IP) работают на более высоких уровнях и не имеют прямого доступа к информации о физическом состоянии соединения. Они оперируют виртуальными представлениями сети, предоставляемыми нижележащими уровнями. Поэтому, когда кабель отключается, TCP/IP не узнает об этом напрямую, если информация о разрыве соединения не передается с более низких уровней.
Механизмы обнаружения обрыва соединения
Для того чтобы протоколы верхнего уровня, такие как TCP, могли узнать о разрыве соединения, используются специальные механизмы:
KeepAlive: после установления соединения и при включенной опции KeepAlive, TCP начинает отправлять небольшие контрольные пакеты по истечении определенного времени бездействия. Если определенное количество пакетов KeepAlive не получает ответа, TCP считает соединение недействительным и инициирует его разрыв.
Тайм-ауты: TCP пакеты имеет встроенные механизмы тайм-аутов, которые позволяют определить, что данные не были доставлены в течение определенного времени. В случае тайм-аута TCP предпринимает попытку повторной передачи данных или разрыва соединения.
Когда сетевой кабель отключается, это сначала обнаруживается на физическом и канальном уровнях сети. Однако, если информация об отключении не передается выше, протоколы TCP/IP не узнают об этом напрямую. Для решения этой проблемы в TCP предусмотрены механизмы, такие как KeepAlive и тайм-ауты, которые помогают обнаружить потерю соединения и принять соответствующие меры. Эти механизмы обеспечивают надежность и устойчивость работы сетевых приложений, даже при физических сбоях в сети.
❯ Заключение
Физический уровень модели OSI является основой для всех остальных уровней. Без надежного физического соединения остальные уровни не смогут выполнять свои функции. Понимание работы физического уровня поможет вам эффективно устранять неисправности и оптимизировать работу сетевых устройств.
В следующей статье мы рассмотрим канальный уровень (L2) и его роль в сетевом взаимодействии.
Спасибо за внимание, и до встречи в следующей статье!
Написано специально для Timeweb Cloudи читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашемблоге на Хабре и телеграм-канале.
Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.
