Электронно-графическая схема

Электронно-графическая схема — это графическое конструкторское изображение, на котором с помощью условных графических обозначений (УГО) и линий связи показаны составные части электронного устройства, их взаимное расположение и электрические соединения. Электронно-графические схемы являются основным техническим документом при проектировании, изготовлении, наладке и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры, цифровых устройств, систем автоматики и вычислительной техники.

История развития

Первые электрические схемы появились в XIX веке вместе с развитием телеграфии и электротехники. Они представляли собой упрощённые рисунки реальных устройств. С изобретением радиосвязи и электронных ламп возникла необходимость в стандартизации обозначений. В 1920-х годах Международная электротехническая комиссия (МЭК) начала разработку единой системы УГО. В СССР первые государственные стандарты на электрические схемы были введены в 1930-х годах, а в 1960-х годах принят единый комплекс стандартов ЕСКД (Единая система конструкторской документации), который регламентирует правила выполнения схем, в том числе электронно-графических.

С развитием микроэлектроники и появлением интегральных схем в 1970-х годах усложнились и сами схемы. В 1980-х годах началось внедрение систем автоматизированного проектирования (САПР), которые позволили создавать электронные версии схем. Современные стандарты, такие как ГОСТ 2.702-2011 в России, гармонизированы с международными стандартами МЭК.

Классификация электронно-графических схем

По ГОСТ 2.701-2008 (ЕСКД. Схемы. Виды и типы) электрические схемы делятся на несколько типов в зависимости от назначения и полноты отображения информации.

По типу

1. Структурные схемы — определяют основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи. Выполняются в виде прямоугольников с надписями, соединённых линиями.
2. Функциональные схемы — разъясняют процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях устройства. Содержат УГО элементов и поясняющие надписи.
3. Принципиальные схемы — наиболее полный тип, показывающий полный состав элементов и все электрические связи между ними. На основе принципиальной схемы разрабатываются печатные платы и производится сборка.
4. Схемы соединений (монтажные) — показывают соединения составных частей изделия, номера проводов, жгутов и кабелей.
5. Схемы подключения — показывают внешние подключения изделия к другим устройствам или источникам питания.
6. Общие схемы — определяют составные части комплекса и соединения их между собой на месте эксплуатации.
7. Схемы расположения — определяют относительное расположение составных частей изделия.

По способу выполнения

• Ручные — выполненные на бумаге с помощью чертёжных инструментов.
• Автоматизированные — созданные в САПР (например, Altium Designer, KiCad, Eagle, Компас-3D).
• Комбинированные — сочетающие ручную и машинную графику.

Условные графические обозначения (УГО)

УГО — это стандартизированные символы, используемые для изображения элементов электронных схем. В России они регламентируются ГОСТ 2.721-74, ГОСТ 2.722-68, ГОСТ 2.728-74 и другими стандартами. Основные категории УГО:

• Пассивные компоненты: резисторы (прямоугольник или зигзаг), конденсаторы (две параллельные линии), катушки индуктивности (полуокружности).
• Полупроводниковые приборы: диоды (треугольник с линией), транзисторы (три вывода с обозначением типа), тиристоры.
• Интегральные схемы: прямоугольники с выводами, внутри которых указывается тип микросхемы.
• Логические элементы: прямоугольники с символами (&, 1, ≥1) для И, ИЛИ, НЕ и других.
• Источники питания: батареи (чередующиеся длинные и короткие линии), генераторы (окружность с волной).
• Соединения: точки (электрическое соединение), линии (провода), перемычки.

Правила выполнения электронно-графических схем

Согласно ГОСТ 2.702-2011, при выполнении схем необходимо соблюдать следующие требования:

• Размеры УГО должны соответствовать стандарту, допускается пропорциональное масштабирование.
• Линии связи выполняются толщиной от 0,2 до 1,0 мм, изломы — под прямым углом.
• Пересечения линий не допускаются без электрического соединения; при пересечении линия, идущая сверху, не прерывается.
• Электрические соединения обозначаются точкой диаметром 1–2 мм в месте пересечения или соединения.
• Обозначения выводов (нумерация, буквенные коды) наносятся рядом с УГО.
• Позиционные обозначения элементов (например, R1, C2, VT3) проставляются сверху или слева от УГО.
• Допускается разрывать линии связи для вставки поясняющих надписей или обозначений цепей.

Применение

Электронно-графические схемы используются во всех этапах жизненного цикла электронного изделия:

• Проектирование: разработка принципиальной схемы, моделирование, симуляция работы.
• Изготовление: создание печатных плат (трассировка), сборка макетов.
• Документирование: составление технической документации, паспортов, инструкций по эксплуатации.
• Обслуживание и ремонт: поиск неисправностей, замена элементов, модернизация.
• Обучение: изучение основ электроники, схемотехники, цифровой техники.

Примеры

• Схема усилителя звуковой частоты на транзисторах: содержит входной конденсатор, резисторы смещения, транзистор, нагрузочный резистор, выходной конденсатор.
• Схема блока питания на стабилизаторе LM7805: включает трансформатор, диодный мост, сглаживающий конденсатор, стабилизатор, выходной конденсатор.
• Схема цифрового счётчика на микросхеме К155ИЕ2: содержит делитель частоты, логические элементы, индикаторы.

Интересные факты

• Первая в мире электрическая схема была опубликована в 1831 году Майклом Фарадеем для описания его опытов с электромагнитной индукцией.
• В СССР стандарт на УГО для электронных схем был введён в 1968 году и действовал до 2010-х годов, когда был заменён на гармонизированный с МЭК.
• Современные САПР позволяют автоматически генерировать перечень элементов (спецификацию) и проверять схему на ошибки (например, короткие замыкания).
• В некоторых странах (например, в США) используется альтернативная система УГО (ANSI), отличающаяся от европейской (МЭК) формой резисторов, конденсаторов и логических элементов.

Источники

• ГОСТ 2.701-2008. ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.
• ГОСТ 2.702-2011. ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.
• ГОСТ 2.721-74. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.
• Б. И. Горошков, А. Б. Горошков. Электронная техника. — М.: Академия, 2012.
• В. А. Прянишников. Электроника: курс лекций. — СПб.: Корона принт, 2008.