Курс клуба электроники и программирования НБ6 построен по методике «Схемотехническая лестница». Ученик последовательно осваивает компоненты и способы построения схем: начинает с резисторов и простых электрических цепей, затем переходит к конденсаторам, индуктивностям, диодам, транзисторам, цифровой логике, операционным усилителям и микроконтроллерам.

Каждая новая ступень опирается на знания и практические навыки, полученные ранее. Ученик не просто повторяет готовые конструкции, а учится понимать физические процессы, выводить расчетные зависимости, моделировать схемы, собирать их, выполнять измерения и объяснять полученный результат. Курс рассчитан на подростков от 15 лет и взрослых. Предварительная подготовка не обязательна. Темп прохождения программы определяется индивидуально: переход к следующему уровню происходит после того, как ученик может самостоятельно выполнить основные задания текущей ступени.

Как проходит обучение

При изучении каждой темы используется единый инженерный цикл:

1. постановка и разбор задачи;
2. объяснение физического принципа работы схемы;
3. выбор расчетной модели и допустимых упрощений;
4. вывод необходимых формул;
5. расчет токов, напряжений, мощности и других параметров;
6. проверка схемы в программе моделирования;
7. сборка физического макета;
8. измерение реальных параметров;
9. сравнение расчета, модели и эксперимента;
10. поиск причин расхождений и доработка решения.

Задания постепенно усложняются. После решения типовой задачи изменяются исходные условия, номиналы, нагрузка или требования к работе устройства. Благодаря этому ученик осваивает не один готовый пример, а общий способ решения инженерных задач.

Учебный план и распределение часов

Ниже приведено ориентировочное распределение полной программы в астрономических часах по 60 минут. Продолжительность одного занятия составляет 120 минут, или 2 астрономических часа. Расчет и компьютерное моделирование выделены отдельно от теории, поскольку ученик должен не только познакомиться с принципом работы схемы, но и самостоятельно получить прогноз до ее физической сборки.

№	Раздел программы	Теория, ч	Расчеты и моделирование, ч	Лабораторная и проектная работа, ч	Всего часов	Занятий по 2 часа
0	Основы электрических цепей и измерений	1	1	2	4	2
1	Резисторы и резистивные цепи	10	18	26	54	27
2	Конденсаторы и RC-цепи	4	6	12	22	11
3	Индуктивности, RLC-цепи и трансформаторы	4	4	8	16	8
4	Диоды и силовые полупроводниковые приборы	4	6	12	22	11
5	Транзисторы, усилители и управление нагрузкой	6	10	20	36	18
6	Цифровая схемотехника и микросхемы жесткой логики	4	8	14	26	13
7	Операционные усилители и аналоговая обработка сигналов	4	8	12	24	12
—	Прикладной модуль «Источники питания»	2	2	4	8	4
8	Микроконтроллеры и программное управление	4	8	20	32	16
9	Проектирование микроконтроллерных устройств и печатных плат	3	5	12	20	10
	Итого по учебным уровням	46	76	142	264	132
10	Итоговый самостоятельный проект	2	4	18	24	12
	Итого по полной программе	48	80	160	288	144

Таким образом, полная программа рассчитана на 288 астрономических часов, или 144 занятия продолжительностью по 2 часа. При четырех занятиях в месяц расчетная продолжительность составляет три года. Из них 160 часов, то есть более половины всего времени, отводится на лабораторную и проектную работу. Еще 80 часов предусмотрено для расчетов и компьютерного моделирования. Теоретическая часть занимает 48 часов. Часы работы в Multisim, Proteus, EAGLE и Altium Designer уже включены в соответствующие разделы и отдельно к общей продолжительности не прибавляются. Распределение может корректироваться с учетом исходной подготовки ученика, скорости освоения материала и сложности выбранного проекта. Переход к следующей ступени определяется не только количеством проведенных занятий, но и способностью ученика самостоятельно выполнить расчет, собрать схему, провести измерения и объяснить результат.

Подготовительный уровень. Основы электрических цепей

На начальном уровне формируется базовый язык электротехники и осваивается безопасная работа с лабораторным оборудованием.

Изучаемые темы

• электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность;
• закон Ома для участка и полной цепи;
• источники напряжения и источники тока;
• идеальные и реальные источники;
• внутреннее сопротивление источника;
• постоянное и переменное напряжение;
• мгновенное, амплитудное и действующее значения переменного напряжения;
• правила чтения принципиальных схем;
• использование лабораторного источника питания;
• измерение напряжения, тока и сопротивления мультиметром;
• назначение осциллографа и генератора сигналов;
• электрическая безопасность и проверка схемы перед включением.

Результат уровня

Ученик понимает основные электрические величины, умеет подключать источник питания и измерительные приборы, читать простую принципиальную схему и проверять правильность соединений.

Ступень 1. Резисторы и резистивные цепи

Резистивные схемы используются для освоения базовых методов расчета, измерения и анализа цепей. Ограниченный набор компонентов позволяет сосредоточиться на логике схемы и взаимосвязи токов и напряжений.

Изучаемые темы

• назначение, параметры, маркировка и допуски резисторов;
• последовательное и параллельное соединение;
• смешанные соединения;
• расчет эквивалентного сопротивления;
• преобразование сложных резистивных цепей;
• делители напряжения и тока;
• нагруженный и многокаскадный делитель напряжения;
• выбор токоограничивающего резистора;
• электрическая мощность и выбор резистора по допустимому рассеянию;
• резистивные мосты и условие равновесия моста;
• терморезисторы NTC и PTC;
• резистивные датчики и измерительные схемы;
• пассивный сумматор на резисторах;
• входное и выходное сопротивление схемы;
• влияние внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки;
• измерение сопротивления методом амперметра и вольтметра;
• влияние измерительного прибора на исследуемую цепь;
• оценка погрешности измерений;
• резистивные цифро-аналоговые преобразователи, включая матрицу R–2R;
• законы Кирхгофа;
• методы узловых потенциалов, контурных токов и наложения;
• эквивалентные источники напряжения и тока.

Практические работы

• сборка последовательных, параллельных и смешанных цепей;
• расчет и проверка делителей напряжения;
• исследование изменения выходного напряжения при подключении нагрузки;
• построение и балансировка резистивного моста;
• измерение температуры с помощью терморезистора;
• сборка простого резистивного ЦАП;
• определение неизвестного сопротивления по результатам измерений.

Результат ступени

Ученик умеет рассчитывать резистивные цепи, выбирать номиналы компонентов, учитывать нагрузку и внутренние сопротивления, оценивать мощность и объяснять отличие расчетных значений от результатов измерения.

Ступень 2. Конденсаторы и RC-цепи

Конденсатор вводит в схемотехнику время, накопление энергии и переходные процессы. На этой ступени статические расчеты дополняются временными диаграммами и частотными характеристиками.

Изучаемые темы

• физический принцип работы конденсатора;
• основные типы конденсаторов;
• емкость, рабочее напряжение, допуск, полярность и паразитные параметры;
• расчет емкости плоского конденсатора;
• последовательное и параллельное соединение конденсаторов;
• накопление заряда и энергии;
• заряд и разряд конденсатора;
• постоянная времени RC-цепи;
• переходные процессы;
• емкостные делители напряжения;
• мостовые схемы с конденсаторами;
• разделительные, фильтрующие и развязывающие конденсаторы;
• дифференцирующие и интегрирующие RC-цепи;
• пассивные фильтры нижних и верхних частот;
• амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики;
• частота среза и полоса пропускания.

Практические работы

• наблюдение заряда и разряда конденсатора;
• измерение постоянной времени;
• исследование RC-фильтров;
• формирование импульсов дифференцирующей и интегрирующей цепями;
• сравнение расчетной, смоделированной и измеренной переходных характеристик.

Результат ступени

Ученик умеет рассчитывать и исследовать RC-цепи, читать временные диаграммы, выбирать конденсаторы по основным параметрам и применять их для фильтрации, развязки и формирования сигналов.

Ступень 3. Индуктивности, RLC-цепи и трансформаторы

На этой ступени изучаются магнитное поле, электромагнитная индукция и процессы, возникающие при изменении тока.

Изучаемые темы

• физический принцип работы катушки индуктивности;
• индуктивность, магнитный поток и накопленная энергия;
• расчет индуктивности соленоида;
• последовательное и параллельное соединение катушек;
• переходные процессы в RL-цепях;
• выбросы напряжения при коммутации индуктивной нагрузки;
• защитные цепи;
• последовательные и параллельные RLC-цепи;
• резонанс, добротность и полоса пропускания;
• устройство и принцип действия трансформатора;
• коэффициент трансформации;
• согласование напряжений и токов;
• потери, насыщение и реальные ограничения магнитных компонентов.

Практические работы

• исследование переходного процесса в RL-цепи;
• наблюдение выброса напряжения при отключении катушки;
• исследование резонанса в RLC-цепи;
• измерение параметров трансформатора;
• построение и проверка защитной цепи для индуктивной нагрузки.

Результат ступени

Ученик понимает поведение индуктивных компонентов, умеет рассчитывать простые RL- и RLC-цепи, объяснять резонансные процессы и безопасно управлять индуктивной нагрузкой.

Ступень 4. Диоды и силовые полупроводниковые приборы

Диод знакомит ученика с нелинейными компонентами. Далее рассматриваются приборы, применяемые для выпрямления, ограничения, стабилизации и коммутации электрической энергии.

Изучаемые темы

• основы физики полупроводников;
• p-n-переход;
• основные виды диодов и их параметры;
• вольт-амперная характеристика диода;
• прямое и обратное включение;
• исследование характеристик выпрямительных, импульсных и светодиодов;
• стабилитроны и параметрическая стабилизация напряжения;
• однополупериодные и двухполупериодные выпрямители;
• диодные мосты;
• ограничители и фиксаторы уровня;
• диодные коммутаторы;
• защитные диоды;
• тиристоры и симисторы;
• способы управления тиристорами и симисторами;
• коммутация переменной нагрузки;
• гальваническая развязка;
• транзисторные, фоторезисторные и симисторные оптопары.

Практические работы

• снятие вольт-амперной характеристики диода и стабилитрона;
• сборка выпрямителя с фильтрующим конденсатором;
• исследование ограничителей сигнала;
• управление переменной нагрузкой через симисторную оптопару;
• сравнение различных способов гальванической развязки.

Результат ступени

Ученик умеет выбирать диоды и силовые полупроводниковые приборы по режиму работы, строить схемы выпрямления, стабилизации, защиты и коммутации, а также понимает назначение гальванической развязки.

Практические работы с сетевым напряжением выполняются только на специально подготовленном оборудовании и под непосредственным контролем преподавателя.

Ступень 5. Транзисторы, усилители и управление нагрузкой

Транзисторы позволяют усиливать сигналы и управлять нагрузкой. На этой ступени ученик переходит от отдельных компонентов к функциональным каскадам.

Биполярные транзисторы

• устройство и принцип работы биполярного транзистора;
• входные и выходные характеристики;
• режимы отсечки, активный режим и насыщение;
• выбор рабочей точки;
• схемы с общей базой, общим коллектором и общим эмиттером;
• транзисторный ключ;
• источники и зеркала тока;
• усилительные каскады;
• генераторы сигналов на транзисторах.

Полевые транзисторы

• устройство и характеристики полевых транзисторов;
• основные типы полевых транзисторов;
• управление каналом;
• полевой транзистор как электронный ключ;
• полевой транзистор как управляемое сопротивление;
• управление затвором силового MOSFET;
• потери мощности и тепловой режим.

Усилительные и выходные каскады

• двухтактные усилительные каскады;
• режимы работы усилителей;
• устранение переходных искажений;
• многокаскадные усилители;
• межкаскадное согласование;
• выходные каскады;
• усиление по напряжению, току и мощности;
• устойчивость и обратная связь;
• управление мощной активной и индуктивной нагрузкой;
• защита силовых ключей.

Измерение тока

• резистивные датчики тока и измерительные шунты;
• датчики Холла;
• трансформаторы тока;
• усиление и фильтрация измерительного сигнала;
• гальванически развязанное измерение.

Практические работы

• снятие характеристик биполярного и полевого транзисторов;
• расчет и сборка транзисторного ключа;
• построение усилительного каскада;
• исследование двухтактного выходного каскада;
• управление двигателем, реле или другой нагрузкой;
• измерение тока различными способами.

Результат ступени

Ученик умеет применять транзисторы в ключевом и усилительном режимах, рассчитывать каскады, управлять нагрузкой, проверять предельные параметры компонентов и оценивать тепловой режим.

Ступень 6. Цифровая схемотехника и микросхемы жесткой логики

На этой ступени изучаются устройства, алгоритм работы которых задается соединением логических элементов без программного кода.

Изучаемые темы

• двоичная система счисления;
• логический ноль и логическая единица;
• диапазоны цифровых уровней;
• булева алгебра;
• таблицы истинности;
• базовые логические элементы;
• минимизация логических функций;
• комбинационные схемы;
• асинхронные схемы переключения;
• RS-, D-, T- и JK-триггеры;
• синхронные цифровые схемы;
• тактовые сигналы и временные диаграммы;
• счетчики и регистры;
• дешифраторы и шифраторы;
• мультиплексоры и демультиплексоры;
• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• цифровые запоминающие устройства;
• согласование логических уровней;
• задержки распространения и помехоустойчивость;
• построение учебного микрокомпьютера на микросхемах жесткой логики и отдельных компонентах.

Практические работы

• реализация логической функции по таблице истинности;
• сборка триггеров, счетчиков и регистров;
• построение схемы выбора и коммутации цифровых сигналов;
• исследование временных диаграмм;
• объединение арифметических, управляющих и запоминающих узлов в учебный микрокомпьютер.

Результат ступени

Ученик понимает аппаратную основу цифровых устройств, умеет создавать комбинационные и последовательностные схемы, анализировать временные диаграммы и учитывать реальные электрические параметры логических микросхем.

Ступень 7. Операционные усилители и аналоговая обработка сигналов

Операционный усилитель объединяет ранее изученные принципы усиления, обратной связи, фильтрации и формирования сигналов.

Изучаемые темы

• внутреннее устройство операционного усилителя;
• идеальная модель и параметры реального ОУ;
• отрицательная и положительная обратная связь;
• инвертирующие и неинвертирующие усилители;
• повторитель напряжения;
• суммирование сигналов;
• вычитание и дифференциальное усиление;
• компараторы;
• триггер Шмитта;
• мультивибраторы и генераторы;
• формирование ШИМ-сигнала;
• инструментальные усилители;
• интегрирующие и дифференцирующие схемы;
• частотные характеристики операционного усилителя;
• полоса пропускания, скорость нарастания и устойчивость;
• комплексные числа и расчеты цепей в частотной области;
• активные фильтры;
• шумы, помехи и способы повышения помехоустойчивости;
• источники тока на операционных усилителях;
• источники опорного напряжения и тока;
• LC-генераторы с операционным усилителем;
• схемы формирования отрицательного сопротивления;
• гираторы;
• согласование аналоговых сигналов с АЦП микроконтроллера.

Практические работы

• сборка инвертирующего и неинвертирующего усилителя;
• исследование компаратора и триггера Шмитта;
• построение сумматора и дифференциального усилителя;
• расчет и проверка активного фильтра;
• создание генератора и формирователя ШИМ;
• усиление и подготовка сигнала датчика для цифрового измерения.

Результат ступени

Ученик умеет рассчитывать и строить основные схемы на операционных усилителях, учитывать ограничения реальных компонентов и подготавливать аналоговые сигналы для измерения и цифровой обработки.

Прикладной модуль. Источники питания

Модуль объединяет знания о диодах, транзисторах, индуктивностях, обратной связи и управлении силовыми ключами.

Изучаемые темы

• линейные и импульсные источники питания;
• выпрямление, фильтрация и стабилизация;
• основные топологии DC/DC-преобразователей;
• принципы построения AC/DC-преобразователей;
• обратная связь и стабилизация выходного напряжения;
• расчет дросселей, конденсаторов и силовых ключей;
• управление ключами;
• токовая и температурная защита;
• помехи, пульсации и фильтрация;
• электрическая безопасность и гальваническая развязка;
• проверка КПД и теплового режима.

Результат модуля

Ученик понимает структуру источников питания, умеет рассчитывать и исследовать отдельные узлы преобразователей и выбирать компоненты с учетом электрических и тепловых ограничений.

Ступень 8. Микроконтроллеры и программное управление

На восьмой ступени ученик осваивает микроконтроллер как программируемый элемент электронной системы и учится связывать программный алгоритм с физическими сигналами.

Изучаемые темы

• архитектура микроконтроллера;
• центральное вычислительное ядро, память и тактирование;
• цифровые входы и выходы;
• таймеры и счетчики;
• прерывания;
• широтно-импульсная модуляция;
• аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование;
• основная и дополнительная периферия микроконтроллера;
• интерфейсы UART, I²C и SPI;
• знакосинтезирующие и графические LCD-дисплеи;
• опрос датчиков;
• управление реле, транзисторными ключами и другими исполнительными устройствами;
• отладка аппаратной и программной частей;
• анализ сигналов осциллографом и логическим анализатором.

Учебные разработки

• простой осциллограф на платформе Arduino;
• цифро-аналоговый преобразователь с программным управлением;
• система измерения емкости конденсатора;
• работа с емкостными датчиками, включая измерение влажности;
• управление бесколлекторными и шаговыми двигателями;
• ШИМ-регулирование мощности и скорости;
• системы автоматического регулирования с PID-алгоритмом;
• управление термоэлектрическими модулями;
• прием и передача радиосигналов;
• основы обмена данными по силовой сети PLC;
• подключение устройства к Ethernet.

Результат ступени

Ученик понимает связь между программой и электрическими процессами на выводах микроконтроллера, умеет использовать встроенную периферию, подключать датчики и исполнительные устройства, проводить измерения и локализовать аппаратные и программные ошибки.

Работы с силовой сетью проводятся только через учебные развязывающие устройства и под непосредственным контролем преподавателя.

Ступень 9. Проектирование микроконтроллерных устройств

На этой ступени ученик переходит от использования готовой отладочной платы к разработке собственной электронной системы под техническое задание.

Изучаемые темы

• формулирование требований к устройству;
• разделение системы на функциональные узлы;
• выбор микроконтроллера;
• расчет количества и типов входов и выходов;
• разработка цепей питания, сброса и тактирования;
• подключение разъема программирования и отладки;
• развязывающие и фильтрующие конденсаторы;
• защита цифровых и аналоговых входов;
• согласование логических уровней;
• подключение датчиков и измерительных цепей;
• разработка драйверов исполнительных устройств;
• интерфейсы связи;
• основы цифро-аналоговой схемотехники;
• совместное проектирование аппаратной части и программы;
• разработка IoT-устройств с Ethernet-подключением;
• расчет энергопотребления;
• обеспечение помехоустойчивости;
• подготовка контрольных точек;
• комплексная отладка и испытания.

Проектирование печатных плат

• создание принципиальной схемы в САПР;
• назначение посадочных мест;
• проверка электрических правил;
• размещение компонентов;
• трассировка печатной платы;
• цепи питания и земли;
• аналоговые и цифровые участки платы;
• силовые цепи и расчет ширины проводников;
• электромагнитная совместимость;
• подготовка производственных файлов;
• сборочная документация и перечень элементов;
• проверка платы после изготовления;
• поиск ошибок и выпуск новой ревизии.

В процессе обучения применяются EAGLE, Altium Designer и другие доступные средства автоматизированного проектирования.

Итоговая разработка уровня

Ученик проектирует собственное микроконтроллерное устройство или промышленный контроллер: готовит структурную и принципиальную схемы, печатную плату, программу, перечень компонентов, прототип и программу испытаний.

Результат ступени

Ученик способен самостоятельно пройти путь от технического задания до работающего прототипа и аргументировать выбор основных схемотехнических и программных решений.

Программные средства, используемые в курсе

Программы моделирования и проектирования вводятся по мере усложнения задач и используются как часть общего инженерного цикла.

Multisim

• создание и чтение принципиальных схем;
• моделирование аналоговых и цифровых цепей;
• использование виртуальных измерительных приборов;
• анализ переходных и частотных характеристик;
• изменение параметров и сравнение вариантов схемы;
• сопоставление модели с ручным расчетом и физическим экспериментом.

Proteus

• исследование электронных схем;
• моделирование микроконтроллеров и периферии;
• совместная проверка схемы и программы;
• исследование цифровых интерфейсов;
• предварительная проверка алгоритма до сборки прототипа.

EAGLE и Altium Designer

• разработка принципиальных схем;
• проектирование печатных плат;
• создание и проверка библиотечных компонентов;
• подготовка файлов для изготовления и сборки;
• переход от учебной платы к документации для реального устройства.

Компьютерная модель используется не вместо физической сборки, а вместе с ней. Ученик сравнивает три результата: расчет, моделирование и реальные измерения.

Проектный уровень

После освоения основных ступеней ученик может выбрать разработку любого интересующего его электронного или микроконтроллерного устройства. Перед началом оцениваются безопасность, техническая реализуемость, доступность компонентов и возможность объективно проверить результат. Проект включает:

1. постановку задачи и подготовку технических требований;
2. разработку структуры устройства;
3. выбор компонентов и интерфейсов;
4. расчет схемы;
5. компьютерное моделирование отдельных узлов;
6. создание принципиальной схемы и печатной платы;
7. изготовление и сборку прототипа;
8. разработку программы;
9. измерения и испытания;
10. поиск недостатков и доработку конструкции;
11. подготовку технической документации;
12. представление готового проекта.

Работающий прототип может остаться итоговой учебной разработкой или получить дальнейшее развитие. Если устройство решает практическую задачу и на него существует подтвержденный спрос, участник может продолжить работу в рамках проекта «Инженерный лифт»: подготовить устройство к повторному изготовлению, рассчитать себестоимость, провести дополнительные испытания и самостоятельно организовать выпуск первой партии продукции.

Что получает ученик по итогам курса

В зависимости от пройденного уровня и выбранного проекта ученик приобретает следующие навыки:

• чтение и разработка принципиальных схем;
• понимание физических процессов в электронной цепи;
• самостоятельный вывод и применение расчетных зависимостей;
• выбор компонентов по электрическим, мощностным и тепловым параметрам;
• моделирование аналоговых и цифровых схем;
• сборка и проверка прототипов;
• работа с мультиметром, осциллографом, генератором и лабораторным источником питания;
• анализ расхождений между расчетом, моделью и экспериментом;
• системный поиск неисправностей;
• разработка цифровых и аналоговых узлов;
• программирование и применение микроконтроллеров;
• проектирование собственных микроконтроллерных устройств;
• разработка печатных плат;
• подготовка проекта к изготовлению и испытаниям;
• самостоятельное развитие идеи до законченного устройства.

Главная цель курса — не запоминание набора готовых схем, а формирование способности самостоятельно рассчитать, разработать, собрать, проверить и объяснить работу электронного устройства.

Формат прохождения программы

• занятия проходят очно в лаборатории клуба;
• продолжительность одного занятия — 120 минут, или 2 астрономических часа;
• программа подходит подросткам от 15 лет и взрослым;
• обязательная предварительная подготовка не требуется;
• последовательность ступеней едина, но темп продвижения индивидуален;
• количество занятий зависит от исходной подготовки, глубины изучения тем и выбранного проекта;
• переход между ступенями определяется практической готовностью ученика;
• расчет, моделирование, физическая сборка и измерения являются обязательными частями обучения;
• проектная тема выбирается с учетом интересов ученика, безопасности и технической реализуемости.