По равнению с серьёзными промышленными машинами и установками домашняя электротехника — это просто пустяк, как говорится, шутка гения. Ну что такое, скажем, электропылесос или холодильник в сравнении с многотонными сталеплавильными печами или в сравнении с ускорителем, где особые электромагниты гоняют тонкий, как нитка, пучок ядерных частиц по двадцатикилометровому кольцу вакуумной камеры. Однако из всей огромной армии электрических работников рядового человека наверняка интересуют те приборы и аппараты, которые работают у него в доме. И это вполне понятно — домашняя техника всегда рядом, интерес к её устройству подогревается элементарным любопытством, её, наконец, хочется не испортить своей неграмотностью и, кто знает, может быть, починить своими силами в трудную минуту.
Можно рассказать о всей домашней электротехнике сразу и буквально в двух словах, её электрическая часть не удивляет разнообразием — это в основном электрические нагреватели, моторы и моторчики. И всё же мы посвятили домашней электротехнике отдельную главу, может быть, именно интерес к несложной домашней аппаратуре поможет читателю поднять уровень своей технической культуры, которую мы чаще всего недополучаем в школе и которая в наше время не повредит человеку любой профессии.
Т-191. Электричество входит в ваш дом. В жилой дом электричество приходит с расположенной недалеко подстанции, причём в большой дом приходят все три фазы и общий провод — выходная обмотка последнего трансформатора, как правило, соединена звездой. В небольшой дом на садовом участке, скорее всего, прямо со столба или даже с расположенного на столбе трансформатора приходит одна из трёх фаз с напряжением 220 вольт и общий, как его обычно называют, нулевой провод.
С подстанции обычно напряжение поступает на распределительный щит, единый для всего дома или группы домиков. С этого щита напряжение расходится к разным квартирам. На щите есть общий и групповые выключатели, аварийные автоматы, а иногда и измерительные приборы. К мощным потребителям, например, к двигателям лифтов, насосов, центрального кондиционера, со щита обычно подводится трёхфазное напряжение.
Основные потребители — жилые квартиры, они делятся на три группы с примерно равным потреблением. Каждая группа с домового щита получает одно из трёх фазовых напряжений, то есть 220 В. Обычно в трёхподъездном доме каждое фазовое напряжение питает один подъезд, в шестиподъездном — два. К квартирам подводятся два провода — фазовый и общий, они входят в квартиру через её небольшой персональный щит (его чаще называют щиток), на котором стоит электросчётчик и несколько плавких предохранителей или автоматов максимального тока. При неприятности в квартире, например при случайном коротком замыкании, она будет мгновенно отключена собственной защитой, и соседи, скорее всего, этого даже и не почувствуют.
В большом жилом массиве есть своя мощная подстанция и, более того, в большом доме тоже может быть своего рода подстанция, разумеется, не очень большая. Она получает по кабелю довольно высокое трёхфазное напряжение, снижает его до необходимых потребителю 220 Вив виде трёх отдельных фаз направляет по квартирам.
В небольшие деревенские или дачные дома однофазное напряжение поступает с местного трёхфазного понижающего трансформатора, который в случае воздушных линий обычно находится на одном из столбов. На трансформатор с подстанции поступает сравнительно высокое напряжение, а с трансформатора парами проводов — фазовый и общий — расходятся три двухпроводные линии по 220 В для трёх групп домиков.
ВК-240. На сантиметровых волнах работают небольшие радиолокаторы, которыми пользуется дорожный патруль. Такой локатор измеряет скорость приближающегося, а в более поздних моделях и удаляющегося автомобиля. На рисунке условная схема такого прибора, поясняющая принцип его работы. Скорость можно оценить по частоте отражённого сигала: при приближении машины отражённая частота больше посланной, при удалении — меньше (эффект Доплера).
Все операции с преобразованием напряжения связаны, как всегда, с желанием уменьшить потери и не допустить, чтобы в квартирах заметно снижалось напряжение с ростом нагрузки. Предположим, что большой жилой дом, скажем, стоквартирный, в вечерние часы потребляет мощность порядка 200–300 кВт. По общему кабелю, питающему дом, на участке от подстанции с напряжением 220 В будет протекать ток 1000–1500 А. Если от подстанции к дому передавать электричество с напряжением всего в три раза большим, то есть 660 В, то ток в этой линии снизится до 300–500 А и, соответственно, в девять раз уменьшатся потери в ней.
В современных больших домах личный квартирный щиток стоит уже не в самой квартире, а вместе со щитками других квартир в специальной нише на лестничной площадке. Там же находятся основные предохранители каждой квартиры и её счетчик. Он, как всегда, измеряет потребляемую мощность, но делает это не одноразово, а непрерывно. Как известно, чтобы узнать потребляемую мощность Р, достаточно измерить напряжение U и ток I, а затем перемножить их, поскольку Р = U∙I. Сделал два измерения, перемножил две цифры и забыл об этом до следующего раза. Счётчик же производит измерение мощности непрерывно и вращает тонкий алюминиевый диск: чем больше потребляемая мощность, тем быстрее он вращается. Диск связан с простеньким цифровым индикатором, который показывает суммарную электрическую энергию, которая прошла через счётчик. В какое-то время потребляемая мощность была побольше, в какое-то время поменьше, но счётчику это безразлично (Т-8), он показывает конечный результат, общую работу, выполненную домашним электричеством, общую энергию, полученную из сети.
Для порядка надо бы сказать несколько слов о внутренней квартирной проводке. Когда-то она была наружной, провода с многослойной изоляцией (снаружи — декоративный матерчатый чулок) шли по стенам, закреплялись на фарфоровых роликах. По правилам пожарной безопасности в деревянных домах и сейчас делают наружную проводку, её легче загасить, если она загорится при коротком замыкании. В кирпичных и панельных домах проводка внутренняя, она проходит в стенах и потолке в специальных пустотах, они имеют технологические входы для прокладки или замены проводов. Провод медный или алюминиевый, диаметр 1,5–2 мм, обычно пара проводов конструктивно объединяется единой полихлорвиниловой изоляцией.
ВК-241. А этот прибор принёс радиолокационные методы в медицину, осуществляя ультразвуковые исследования — УЗИ. Ультразвук (неслышимый высокочастотный звук) может многое рассказать о живой ткани, потому что она очень по-разному его пропускает и отражает. Электрические импульсы с помощью пьезокристаллов создают потоки ультразвука. Эти же кристаллы принимают его отражение, и оно создаёт электрический сигнал, который показывает на экране детали, недоступные другим приборам.
Т-192. Парад домашних электрических работников. Электрические приборы для дома поражают своим разнообразием — производители конкурируют, борются за покупателя, ищут наиболее привлекательный дизайн, пытаются ввести какие-то дополнительные удобства для пользователя. Осмотрите мысленным взором бригаду своих электрических помощников и убедитесь, что их, во-первых, немало и что, во-вторых, в последние годы заметно повысились возможности этих приборов и, главное, их надёжность — они годами работают, не требуя никакого ремонта.
Для начала обратите внимание на патрон, в который ввинчивается осветительная лампочка, и на подключение приборов к электрической сети с помощью системы «вилка-розетка». Всё это почти в точности такое же, как было более ста лет назад во времена Эдисона. Не изменились и пылесосы с переходом на электрический двигатель — первые аппараты для уборки и чистки ковров появились 150 лет назад, и их насосы вначале приводились в движение небольшим бензиновым мотором. Большое разнообразие современных электропылесосов связано с тем, что в них, как и прежде, по-разному решается главная задача — сбор пыли воздушным потоком и затем её отделение перед неизбежным возвращением воздуха в помещение. Только в дорогих пылесосах с хорошими фильтрами удаётся выбрасывать воздух с частицами размером не более трёх микрон. У многих пылесосов фильтром служит сам сменный мешок, в котором остаётся собранный мусор. Чаще всего мешок бумажный и многослойный, мельчайшие поры в бумаге рассчитаны на то, что они будут легко пропускать воздух, собирающий пыль, и не будут выпускать из мешка сами пылинки. Но, к сожалению, так бывает не всегда, и некоторые пылесосы вместе с воздушным потоком возвращают в помещение мелкую пыль.
ВК-242. Математическая десятичная система была принята потому, что она удобна. Все пальцы наших рук — это десятка. Точно так же для электрических машин удобна двоичная система, многие их элементы, такие, например, как выключатель или диод, знают только два состояния: включено — выключено. К тому же приспособить для машин нашу привычную десятку было бы очень сложно — пришлось бы, видимо, для десяти чисел употреблять десять напряжений, попав в зависимость от режима схем.
Этот раздел введён в книгу только для того, чтобы напомнить о множестве помогающих вам домашних электрических приборов и аппаратов. О двух из них — электрическом холодильнике и электрическом кондиционере — мы, к сожалению, даже в самых общих чертах говорить не сможем. В них с использованием электрической энергии происходят слишком сложные для этой книги тепловые процессы. При этом охлаждают специальное жидкое вещество (обычно фреон), и именно оно с помощью теплообменников снижает температуру в холодильном шкафе и в морозильном (до -18 °C). Примерно так же снижается температура и влажность воздуха, через кондиционер поступающего в квартиру. Практически все остальные ваши электрические помощники содержат уже знакомые нам узлы, в частности, электрические нагреватели, светильники и небольшие асинхронные двигатели. Внимательно посмотрев на эти приборы во время парада, можно отметить обилие разных моделей, вы наверняка без особого труда поймёте, как они устроены и как работают.
Согласно сделанному в самом начале книги предупреждению (Т-9), в список не включена техника, представляющая электронную ветвь домашнего работающего электричества. Но всякому ясно, что такие классические представители электроники, как телевизор, музыкальный центр, видеомагнитофон, электронные часы, телефон с памятью, приор для измерения артериального давления, персональный компьютер уже давно стали желанными, а часто и непременными электрическими обитателями нашего дома. Всё это, конечно же, электрические приборы (электрические!), и кое-что о них ещё будет рассказано в следующей главе.
ВК-243. Один их самых простых и просто налаживаемых генераторов — мультивибратор. Такое название он получил потому, что генерирует прямоугольные импульсы, а их спектр имеет много синусоидальных составляющих разных частот. Латинское слово «мультиум» как раз и означает «много». Коллекторная цепь каждого транзистора в мультивибраторе связана с базовой цепью соседа, и в итоге получается, что транзисторы (или усилительные электронные лампы) сами поочерёдно открывают и закрывают друг друга.
Т-193. Закон строг, но справедлив. В книгах об электричестве, в том числе и в отечественных, нередко встречаются выражения типа «мощность двигателя уменьшается не очень сильно», или «ток может весьма заметно превысить допустимую величину», или «в линии передачи теряется значительная часть общего напряжения». Все эти неопределённое™ «не очень сильно», «весьма заметно», «значительная часть» вполне применимы в рассказе о существе дела. Но вместе с тем существуют правила, инструкции, нормы, которые точно говорят, какими должны быть электрические машины, приборы или сети, как они должны сооружаться и проверяться, как они должны устанавливаться в машинном зале, как должен с ними взаимодействовать наладчик или дежурный механик, с какой точностью должны поддерживаться те или иные параметры в электрических сетях.
Точные инструкции существуют и в части электропроводки в зданиях разного типа с использованием различных установочных и крепёжных изделий, а также в части сооружения высоковольтных линий разного уровня. Правила эти готовятся очень тщательно и утверждаются довольно долго, их должны внимательно посмотреть профессионалы разных специальностей, причастные к делу. После согласования правило с десятками подписей и виз, подписанное высшими руководителями той области, к которой оно относится, становится законом, который нужно безоговорочно соблюдать, взаимодействуя с электричеством.
Профессионалы хорошо знают все эти законы и правила или во всяком случае должны знать, но рядовому пользователю, владельцу электросамовара и электробритвы они не очень нужны. За одним, правда, исключением — это Правила техники безопасности.
ВК-244. Триггер чем-то похож на мультивибратор — те же два транзистора и коллектор каждого связан с базой соседа. Но схема связи иная, и этим определяется иное поведение триггера. Он остаётся в одном двух устойчивых состояний (один транзистор пропускает ток, другой закрыт) до тех пор, пока на вход не придёт внешний импульс — он и поменяет состояние триггера. Поэтому триггер делит на два число входных импульсов — частота на выходе одного из транзисторов в два раза меньше, чем на входе триггера.
Т-194. Электричество опасное и электричество безопасное. С древнейших времён опасности подстерегают человека на каждом шагу, и только доведённая до автоматизма осторожность оберегает нас. Иначе можно пораниться даже маникюрными ножницами или нанести серьёзный вред здоровью неправильным приёмом прекрасного лекарства. Электричество тоже может принести немалые неприятности, если пользоваться им безграмотно и беспечно: на долю электричества приходится 40 % производственных травм, а в энергетике 60 %. Кроме того, 80 % смертельных поражений током происходит в сетях с напряжением 1000 В и больше. В электроприборах для, так сказать, личного пользования сделано, казалось бы, всё возможное, чтобы нам не попасть в беду. Но всё же случается, что безобидный, казалось бы, домашний прибор становится причиной малых или даже больших электрических неприятностей.
Представьте себе, что какая-нибудь внутренняя деталь, к которой подведено фазовое напряжение, из-за каких-то невидимых снаружи неполадок коснулась металлического корпуса или выходящих наружу металлических частей какого-нибудь кухонного электроаппарата. И, возможно, стояли вы при этом в тряпичных тапочках на деревянном полу, который впитал какую-то влагу при уборках и через немного влажные стеньг электрически связан с землёй. С ней же связан общий провод обмотки трансформатора, с которого ваша квартира получает напряжение. Таким образом, оказалось, что к вам приложено фазовое напряжение или часть его, и через ваше тело пойдёт ток. Какой? Большой или маленький? Это, конечно, определяется по основной формуле закона Ома, если известно сопротивление цепи. А оно определяется сопротивлением нашего тела, сопротивлением его контактов с токонесущими предметами и многими другими факторами. Иными словами, электрический ток через человеческое тело, попавшее под напряжение, может заметно различаться. А вот что можно назвать достаточно точно, так это результаты воздействия токов разной величины, проходящих по нашему телу. При силе тока 0,5–1,5 мА (миллиампер) — лёгкое дрожание пальцев руки; 2–3 мА — сильное дрожание; 5–7 мА — лёгкие судороги и болевые ощущения в руках; 8-10 мА — сильные боли в пальцах, кистях рук и предплечьях, руки трудно оторвать от металла под напряжением; 20–25 мА — паралич рук, очень сильные боли, дыхание затруднено; 50–80 мА — остановка дыхания, начало фибрилляции сердца (потеря ритма); 90-100 мА — остановка дыхания, через 3 секунды остановка сердца. Все эти данные относятся к переменному току с частотой 50 Гц, постоянный ток начинает ощущаться позже (5–7 мА), но дальше результаты его воздействия, как и при переменном токе.
ВК-245. Самая распространённая профессия триггера — элемент памяти, запоминающий один бит информации (единицу «1» или ноль «0»). При этом 1 соответствует одному устойчивому состоянию триггера, а 0 другому. Часто формируют группы триггеров, с которыми можно одновременно производить определённые операции, например выставить 0, то есть подготовить все триггеры к запоминанию новой информации. А можно сразу прочитать большое число или слово, записанные в большой группе триггеров.
Можно, конечно, надеяться, что твоё попадание под напряжение завершится малым проходящим по телу током и быстрым освобождением от него. Но так, к сожалению, бывает не всегда, особенно в дождливую погоду, в домике на садовом участке, при только что вымытых полах и (или) мокрых руках. Какие-то правила можно сразу же придумать для себя и применять без отлагательств. Старайтесь не трогать металлические части и корпус включённого электроприбора. Старайтесь как-то изолировать себя от сырого пола, например сухой обувью. Все детальные осмотры электроприборов и тем более ремонтные работы с ними проводите, обязательно выключив прибор из сети. Работать желательно тогда, когда в квартире ещё кто-то есть, чтобы было кого позвать на помощь, — иногда при поражении током человек не может своими силами освободиться от токонесущих проводов. И главное — найдите тонкую и понятную книжечку о технике безопасности и внимательно просмотрите её.