Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Этот файл был взят с сайта
http://all-ebooks.com
Данный файл представлен исключительно в ознакомительных целях. После ознакомления с содержанием данного файла Вам следует его незамедлительно удалить. Сохраняя данный файл вы несете ответственность в соответствии с законодательством.
Любое коммерческое и иное использование кроме предварительного ознакомления запрещено. Публикация данного документа не преследует за собой никакой коммерческой выгоды.
Эта книга способствует профессиональному росту читателей и является рекламой бумажных изданий. Все авторские права принадлежат их уважаемым владельцам. Если Вы являетесь автором данной книги и её распространение ущемляет Ваши авторские права или если Вы хотите внести изменения в данный документ или опубликовать новую книгу свяжитесь с нами по email.
РОБОТ - СВОИМИ РУКАМИ
СОЗДАНИЕРОБОТОВ
В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
Создаем:
гоночный автомобиль
боевой робот
ионный двигатель
механотронную говорящую голову
дистанционное управление при помощи светового луча
Ньютон С. Брага
NT
PRESS
Ньютон БрагаНьютон БрагаMechatronics25 build-it-yourselff projectsMechatronics25 build-it-yourselff projectsСоздание роботовв домашних условияхСоздание роботовв домашних условиях
Ньютон Брага
Ньютон Брага
Mechatronics
25 build-it-yourselff projects
Mechatronics
25 build-it-yourselff projects
Создание роботовв домашних условиях
Создание роботовв домашних условиях
Newton C. Braga
Робот - своими руками
McGraw-Hill
NT PressМоскваNT PressМоскваNew York Chicago San Francisco Lisbon London Madrid Mexico City Milan New Delhi Sanjuan Seoul Singapore Sydney Toronto
NT PressМосква
NT PressМосква
УДК 621.31
ББК 32.816
Б87
Подписано в печать 26.09.2006. Формат 70x100 V^- Гарнитура «Баскервиль». Печать офсетная. Усл. печ. л. 16,38. Тираж 3000 экз. Зак. № 3457.
Брага Н.
Б87 Создание роботов в домашних условиях / Брага Ньютон ; пер. с англ. Е. А. Добролежина. - М. : НТ Пресс, 2007. - 368 с. : ил. - (Робот - своими руками)
ISBN 5-477-00749-4
Предлагаемая вашему вниманию книга в занимательной форме знакомит с основами робототехники, радиоэлектроники и программирования микроконтроллеров для роботов шаг за шагом, практически с нуля. При этом автор, избегая сложных математических фор мул, на практике поясняет физику процессов, происходящих в роботах, включая электронные схемы, двигатели, датчики, источники питания и микроконтроллеры. Описаны способы механической сборки и монтажа электронных схем. К книге прилагается чертеж печатной платы, на которой удобно смонтировать схемы приведенных экспериментов, каждый эксперимент сопровождается перечнем необходимых деталей, которые легко найти в магазинах радиоэлектроники, а также перечнем нужных инструментов. Приведены листинги программ управления роботами с подробными комментариями. Материал книги дает возможность самостоятельно построить робот, находящий выход из лабиринта, робот, ориентирующийся на источник света и звука, ультразвуковой дальномер и компас и многое другое.
Предназначена для радиолюбителей всех возрастов и любой квалификации.
УДК 621.31
ББК 32.816
Original Edition copyright © 2006 by the McGraw-Hill Companies, Inc. All Rights Reserved. Russian edition copyright © 2007 by NT Press. All rights reserved.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельца авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно остается, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможный ущерб любого вида, связанный с применением содержащихся здесь сведений.
Все торговые знаки, упомянутые в настоящем издании, зарегистрированы. Случайное неправильное использование или пропуск торгового знака или названия его законного владельца не должно рассматриваться как нарушение прав собственности.
ISBN 0-07-145759-3 (англ.)ISBN 5-477-00749-4 (рус.)ISBN 0-07-145759-3 (англ.)ISBN 5-477-00749-4 (рус.)Copyright © McGraw Hill Companies, 2004, 2006
ISBN 0-07-145759-3 (англ.)
ISBN 5-477-00749-4 (рус.)
ISBN 0-07-145759-3 (англ.)
ISBN 5-477-00749-4 (рус.)
© Издание на русском языке, перевод на русский язык, оформление. «НТ Пресс», 2007
Оглавление
Предисловие
Часть 1. Подготовка читателя
Что такое механотроника История Средства и принципы механотроники
Барьеры, которые нужно преодолеть
Электроника, робототехника и механотроника в образовательном процессе Кросс-темы Научный метод
Выбор проекта
Часть 2. Технология, применяемая при сборке и монтаже проектов
Как производить монтаж Инструмент
Как монтировать компоненты и элементы
Часть 3. ПроектыЧасть 3. Проекты181819202123181819202123Печатная плата (РСВ) Другие инструменты Принципиальные схемы и символы Дополнительная информация
Часть 3. Проекты
Часть 3. Проекты
18
18
19
20
21
23
18
18
19
20
21
23
Проект 1. Механотронный гоночный автомобиль Назначение Задачи Проект Принцип работы электронной схемы Принцип работы механической части
54555556545555565757575760626363646465656666676768695757575760626363646465656666676768697071 7173 7476 7777 .7879 .79 .80 .80 .81 .82 .82 .83 .83 .85 .8687 .. 88 .. 88 ..897071 7173 7476 7777 .7879 .79 .80 .80 .81 .82 .82 .83 .83 .85 .8687 .. 88 .. 88 ..89
54
55
55
56
54
55
55
56
57
57
57
57
60
62
63
63
64
64
65
65
66
66
67
67
68
69
57
57
57
57
60
62
63
63
64
64
65
65
66
66
67
67
68
69
70
71 71
73 74
76 77
77 .78
79 .79 .80 .80 .81 .82 .82 .83 .83 .85 .86
87 .. 88 .. 88 ..89
70
71 71
73 74
76 77
77 .78
79 .79 .80 .80 .81 .82 .82 .83 .83 .85 .86
87 .. 88 .. 88 ..89
Создание гоночного автомобиля23
Электронная схема23
Перечень элементов и компонентов электронной схемы механотронного гоночного автомобиля25
Вентиляторно-пропеллерный вариант механотронного автомобиля25
Вариант механотронного автомобиля с зубчатой передачей27
Испытания автомобиля30
Соревнования31
Исследование проекта.32
Закон Ньютона32
Материалы32
Эксперимент32
Как работает зубчатая передача32
Эксперимент32
Кросс-темы33
Дополнительные схемы и идеи34
Прямой привод34
Использование силового МОП-транзистора34
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей силовой МОП-транзистор35
Хронирующая схема35
Перечень элементов и компонентов схемы с использованием хронирующей схемы36
Гонка по рельсом36
Современные технологии37
Идеи для экспериментов37
Проект 2. Robcom: Боевой робот38
Что представляет собой Robcom38
Задачи. Битва40
Проект;41
Создание Robcom41
Электрическая схема:.41
Перечень элементов и компонентов электрической схемы42
Механическая часть43
Сборка частей робота43
Проверка боевого робота 46
Бой47
Правила и спецификации боя для роботов47
Правило боя48
Модификации проекта.48
Кросс-темы48
Дополнительные схемы и идеи49
Использование джойстика49
Перечень компонентов джойстика50
Включение в схему управления с широтно-импульсной модуляцией (PWM)50
Дополнительное оружие51
Добавление обесточенной схемы51
Добавление звука52
Использование мостовой схемы Н 53
Перечень элементов и компонентов мостовой схемы Н Использование коробки передач Дистанционное управление Современные технологии
Проект 3. Использование широтно-импульсной модуляции управления электродвигателем (PWM)
Введение Задачи Кок работает проект Основной проект Кок собрать схему управления PWM
Проверка и использование Перечень элементов и компонентов для схемы управления PWM Проекты Простой подъемник Автоматическое окно Вентилятор Увеличение мощности Реальное управление PWM Перечень элементов и компонентов реальной схемы PWM Управляемый светом Управление при помощи компьютера Современные технологии
Проект 4. Ионный двигатель Задачи Ионные двигатели Как работает наш проект Как производить монтаж электронной схемы Проверка высоковольтной схемы Перечень элементов и компонентов для высоковольтной схемы Космический корабль Проверка
Гонка в космосе Углубленное изучение темы Беспроводная флуоресцентная лампа Лестница Якоба
Домашний удар молнии Электростатические эксперименты Кросс-темы Дополнительные схемы и идеи Мощные схемы Перечень элементов для мощной электронной схемы Релаксационная схема, использующая кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) Перечень элементов и компонентов релаксационной схемы с SCR Схема с кремниевыми диодами для переменного тока (SIDAC) Перечень элементов и компонентов схемы с применением SIDAC Современные технологии
124124125125124124125125141142142144145146141142142144145146
124
124
125
125
124
124
125
125
141
142
142
144
145
146
141
142
142
144
145
146
Проект 5. Экспериментальный гальванометр90
Задачи90
Как он работает91
Постройка гальванометра93
Перечень элементов и компонентов основного гальванометра94
Проверка гальванометра94
Перечень элементов и компонентов проверочной схемы гальванометра96
Идеи для экспериментов96
Кросс-темы96
Увеличение чувствительности97
Перечень элементов и компонентов усилителя99
Дополнительные схемы и идеи99
Использование компаса99
Мощный усилитель 100
Перечень элемента* и компонентов мощного усилителя100
Чувствительный элемент для обнаружения света/темноты для биоэнергии101
Перечень элементов и компонентов фотодетектора102
Машина «перпетуум-мобиле», или «вечный двигатель»102
Перечень элементов и компонентов машины «перпетуум-мобиле»;103
Современные технологии104
Идеи для экспериментов'.104
Проект 6. Поэкспериментируем с электромагнитом105
Задачи105
Проект:105
Монтаж схемы с электромагнитом106
Проверка и использование107
Перечень компонентов схемы электромагнита107
Другие варианты проекта108
Питание электромагнита от другого источника108
Постройка крана108
Извлечение из бутылки109
Кросс-темы109
Дополнительные схемы и идеи110
Управление мощностью110
Перечень элементов и компонентов источника постоянного тока112
Изменение полюсов112
Другой источник питания112
Современные технологии113
Идеи для углубленного изучения темы113
Проект 7. Электронный потенциометр.....114
Задачи114
Как он работает114
Кок построить электронный потенциометр116
Использование потенциометра116
Перечень элементов и компонентов электронного потенциометра118
Идеи для экспериментов118
Источник света для микроскопа 118
Управление небольшим нагревателем119
Простой подъемник Кросс-темы Расчет рассеивания Дополнительные схемы и идеи Использование транзистора PNP-типа Перечень элементов и компонентов электронного потенциометра, использующего транзистор PNP-типа...
Использование транзистора Дарлингтона Перечень элементов и компонентов электронного потенциометра, использующего пару Дарлингтона Управление мощностью с использованием интегральной микросхемы LM350TIC
Перечень элементов и компонентов схемы управления мощностью, использующей интегральную микросхему LM350T Источник постоянного тока
Перечень элементов и компонентов с потенциометром постоянного тока
Современные технологии
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генераторами
Задачи■
Проект
Кокон работает
Электродвигатель постоянного тока в качестве генератора постоянного тока Как построить эоловый генератор Перечень элементов и компонентов эолового генератора Проверка и использование Питание схем Светоизлучающие диоды и лампы
Перечень элементов и компонентов снабжения энергией ламп и светоизлучающих диодов 132
Батарейное зарядное устройство132
Экспериментальный радиоприемник133
Перечень элементов и компонентов экспериментального радиоприемника135
Автоматическое освещение135
Перечень элементов и компонентов схемы автоматического освещения136
Анемометр136
Перечень элементов и компонентов анемометра138
Кросс-темы,.138
Дополнительные схемы и идеи138
Стабилизатор напряжения138
Высоковольтный инвертор139
Перечень элементов и компонентов инвертора140
Современные технологии140
Проект 9. Электронная пушка Задачи Кок работает проект Расчет мощности•
Сдерживание больших токов Как строить пушку
179 180181182184185187189189 190190 190.190 .191 .191 .191 .193 .193 .194 .194179 180181182184185187189189 190190 190.190 .191 .191 .191 .193 .193 .194 .194195195196196197195195196196197198198198200202198198198200202202 203 203 203204 204 .204 .205 .205 .206 .206 .206 .207 .208202 203 203 203204 204 .204 .205 .205 .206 .206 .206 .207 .208
179 180
181
182
184
185
187
189
189 190
190 190
.190 .191 .191 .191 .193 .193 .194 .194
179 180
181
182
184
185
187
189
189 190
190 190
.190 .191 .191 .191 .193 .193 .194 .194
195
195
196
196
197
195
195
196
196
197
198
198
198
200
202
198
198
198
200
202
202 203 203 203
204 204 .204 .205 .205 .206 .206 .206 .207 .208
202 203 203 203
204 204 .204 .205 .205 .206 .206 .206 .207 .208
Механическая часть148
Перечень элементов и компонентов электронной пушки149
Проверка и использование150
Изучение темы проекта150
Изучение баллистики150
Измерение заряда, накопленного в конденсаторе, и постоянной времени цепи дистанционного управления151
Перечень элементов и компонентов схемы измерения заряда152
Бой с применением электронных пушек152
Дополнительные схемы и идеи153
Дистанционное управление153
Перечень элементов и компонентов схемы дистанционного управления154
Маломощный вариант154
Перечень элементов и компонентов схемы маломощного варианта155
Постройка катапульты155
Разработка суперпушки155
Современные технологии156
Идеи для углубленного изучения темы157
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными лазером158
Задачи159
Что представляют собой фигуры Лиссажу159
Проект,162
Монтаж электронной схемы164
Перечень элементов и компонентов электронной схемы165
Сборка механической части166
Проверка и использование168
Модификации проекта169
Вращающееся зеркало169
Соленоиды170
Шаговые электродвигатели170
Вибрирующие лезвия171
Компьютерное управление171
Использование функциональных генераторов и генераторов низкой частоты172
Кросс-темы172
Дополнительные схемы173
Генератор, использующий интегральную микросхему 4093IC173
Перечень элементов и компонентов генератора, использующего интегральную микросхему 4093IC173
Генератор синусоидальных колебаний174
Перечень элементов и компонентов генератора синусоидальных колебаний175
Транзисторный усилитель низкой частоты175
Перечень элементов и компонентов транзисторного усилителя176
Мощный усилитель176
Перечень элементов и компонентов мощного усилителя177
Современные технологии178
Идеи для экспериментов178
Проект 11. Аналоговый компьютер Цель Проект
Кок он работает Критические компоненты Кок построить аналоговый компьютер.■
Шкалы:
Другие школы Перечень элементов и компонентов аналоговых компьютеров Проверка и использование Другие операции Модификации проекта Суммирующая схема Кросс-темы Дополнительные схемы и идеи Использование звукового индикатора I Перечень элементов и компонентов схемы, использующей звуковой индикатор I. Использование звукового индикатора II.' Перечень элементов и компонентов схемы, использующей звуковой индикатор II Добавление операционного усилителя со светоизлучающими диодами (LED) Перечень элементов и компонентов схемы с операционным усилителем со светоизлучающими диодами Улучшенная схема с четырьмя потенциометрами Автоматический мехонотронный аналоговый компьютер Современные технологии Идеи для углубленного изучения темы
Проект 12. Электродвигатели с сенсорным управлением Задачи
Кок работает схема Кок монтировать схему Проверка и испытание Перечень элементов и компонентов схемы электродвигателя с сенсорным управлением Исследование темы Автоматическое окно Робот или автомобиль с сенсорным управлением Вентилятор с выдержкой времени Автоматическая машина для сушки рук Кросс-темы Ловушки Миксер.
Цветное колесо Ньютона
Мехонотронный гоночный автомобиль Дополнительные схемы.. Использование кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) Перечень элементов и компонентов схемы с выпрямителем SCR
Кросс-темыДополнительные схемы и идеи Использование транзистора Дарлингтона Перечень элементов и компонентов силового каскада Дарлингтона .. Использование интегральной микросхемы Другая схема с последовательным генератором Перечень элементов и компонентов другой последовотельной схемы Современные технологииИдеи для углубленного изучения темыКросс-темыДополнительные схемы и идеи Использование транзистора Дарлингтона Перечень элементов и компонентов силового каскада Дарлингтона .. Использование интегральной микросхемы Другая схема с последовательным генератором Перечень элементов и компонентов другой последовотельной схемы Современные технологииИдеи для углубленного изучения темы239240240241241242243243243239240240241241242243243243Проект 15. Машина с магическим движением Задачи Проект Кок он работает Как строитьЭлектронная схема Механическая часть ..... Испытания и использование Перечень элементов и компонентов основного проекта машины магического движения Кросс-темы". Модификации проекта Дополнительные схемы и идеи Другой импульсный генератор Перечень элементов и компонентов схемы импульсного генератора, использующего интегральную микросхему 4093IC Генератор хаотических импульсов Перечень элементов и компонентов генератора хаотических импульсов Современные технологииИдеи для углубленного изучения темыПроект 15. Машина с магическим движением Задачи Проект Кок он работает Как строитьЭлектронная схема Механическая часть ..... Испытания и использование Перечень элементов и компонентов основного проекта машины магического движения Кросс-темы". Модификации проекта Дополнительные схемы и идеи Другой импульсный генератор Перечень элементов и компонентов схемы импульсного генератора, использующего интегральную микросхему 4093IC Генератор хаотических импульсов Перечень элементов и компонентов генератора хаотических импульсов Современные технологииИдеи для углубленного изучения темы244244244245247247247248244244244245247247247248248249249250250248249249250250250251252252253250251252252253254254254254255256256256256257257257258258259259260260261254254254254255256256256256257257257258258259259260260261
Кросс-темы
Дополнительные схемы и идеи Использование транзистора Дарлингтона Перечень элементов и компонентов силового каскада Дарлингтона .. Использование интегральной микросхемы Другая схема с последовательным генератором Перечень элементов и компонентов другой последовотельной схемы Современные технологии
Идеи для углубленного изучения темы
Кросс-темы
Дополнительные схемы и идеи Использование транзистора Дарлингтона Перечень элементов и компонентов силового каскада Дарлингтона .. Использование интегральной микросхемы Другая схема с последовательным генератором Перечень элементов и компонентов другой последовотельной схемы Современные технологии
Идеи для углубленного изучения темы
239
240
240
241
241
242
243
243
243
239
240
240
241
241
242
243
243
243
Проект 15. Машина с магическим движением Задачи Проект Кок он работает Как строить
Электронная схема Механическая часть ..... Испытания и использование Перечень элементов и компонентов основного проекта машины магического движения Кросс-темы". Модификации проекта Дополнительные схемы и идеи Другой импульсный генератор Перечень элементов и компонентов схемы импульсного генератора, использующего интегральную микросхему 4093IC Генератор хаотических импульсов Перечень элементов и компонентов генератора хаотических импульсов Современные технологии
Идеи для углубленного изучения темы
Проект 15. Машина с магическим движением Задачи Проект Кок он работает Как строить
Электронная схема Механическая часть ..... Испытания и использование Перечень элементов и компонентов основного проекта машины магического движения Кросс-темы". Модификации проекта Дополнительные схемы и идеи Другой импульсный генератор Перечень элементов и компонентов схемы импульсного генератора, использующего интегральную микросхему 4093IC Генератор хаотических импульсов Перечень элементов и компонентов генератора хаотических импульсов Современные технологии
Идеи для углубленного изучения темы
244
244
244
245
247
247
247
248
244
244
244
245
247
247
247
248
248
249
249
250
250
248
249
249
250
250
250
251
252
252
253
250
251
252
252
253
254
254
254
254
255
256
256
256
256
257
257
257
258
258
259
259
260
260
261
254
254
254
254
255
256
256
256
256
257
257
257
258
258
259
259
260
260
261
Использование интегральной микросхемы 4093209
Перечень элементов и компонентов схемы с применением интегральной микросхемы 4093IC210
Использование интегральной микросхемы 4013210
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей интегральную микросхему 4013211
Современные технологии211
Углубленное исследование темы211
Проект 13. Механотройный подъемник213
Задачи213
Кок он работает214
Электронная схема,214
Механическая часть216
Кок строить217
Перечень элементов и компонентов схемы подъемника с источником питания включительно218
Проверка и использование218
Идеи для экспериментов219
Использование коробки передач219
Добавление других автоматических устройств219
Управление подъемником при помощи компьютера220
Использование шагового электродвигателя220
Кросс-темы221
Расчет блоков и коробок передач221
Расчет дифференциальных блоков221
Соревнование среди подъемников222
Дополнительные схемы и идеи222
Использование линейного управления222
Добавление таймера223
Перечень элементов и компонентов схемы с добавлением таймера223
Реверсирование при помощи мостика Н224
Перечень элементов и компонентов схемы реверсирования при помощи мостика Н224
Использование триггерной микросхемы225
Перечень элементов и компонентов триггерной схемы226
Современные технологии226
Идеи для углубленного изучения темыv226
Проект 14. Управление шаговым электродвигателем228
Задачи228
Как работает шаговый электродвигатель228
Проект231
Как он работает232
Как собирать и монтировать схему233
Перечень элементов и компонентов силовой схемы234
Перечень элементов и компонентов схемы управления шаговым электродвигателем235
Перечень элементов и компонентов схемы управления шаговым электродвигателем236
Проверка и использование237
Идеи для экспериментов238
Проект 16. Проверьте ваши нервыВведениеЗадачи ПроектКак он работает Предмонтажные эксперименты Укол или удар! Перечень компонентов для контура удара Эксперимент Свечение флуоресцентной лампыПеречень компонентов для схемы со свечением флуоресцентной лампы Эксперимент Как собирать и монтировать Проверьте ваши нервы - вариант 1 Испытание и использование Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы - вариант 1» Проверьте ваши нервы — вариант 2 Испытание и использование Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы — вариант 2»Проект 16. Проверьте ваши нервыВведениеЗадачи ПроектКак он работает Предмонтажные эксперименты Укол или удар! Перечень компонентов для контура удара Эксперимент Свечение флуоресцентной лампыПеречень компонентов для схемы со свечением флуоресцентной лампы Эксперимент Как собирать и монтировать Проверьте ваши нервы - вариант 1 Испытание и использование Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы - вариант 1» Проверьте ваши нервы — вариант 2 Испытание и использование Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы — вариант 2»Управление лазерным лучом239
Проект 16. Проверьте ваши нервы
Введение
Задачи
Проект
Как он работает Предмонтажные эксперименты Укол или удар! Перечень компонентов для контура удара Эксперимент Свечение флуоресцентной лампы
Перечень компонентов для схемы со свечением флуоресцентной лампы Эксперимент Как собирать и монтировать Проверьте ваши нервы - вариант 1 Испытание и использование Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы - вариант 1» Проверьте ваши нервы — вариант 2 Испытание и использование Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы — вариант 2»
Проект 16. Проверьте ваши нервы
Введение
Задачи
Проект
Как он работает Предмонтажные эксперименты Укол или удар! Перечень компонентов для контура удара Эксперимент Свечение флуоресцентной лампы
Перечень компонентов для схемы со свечением флуоресцентной лампы Эксперимент Как собирать и монтировать Проверьте ваши нервы - вариант 1 Испытание и использование Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы - вариант 1» Проверьте ваши нервы — вариант 2 Испытание и использование Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы — вариант 2»
.265 .265 .265 .267 .267 .268 .269 .269.270 270 270 271 271 272 272 273273 273.265 .265 .265 .267 .267 .268 .269 .269.270 270 270 271 271 272 272 273273 273285285285285285285287287287289290 290.291 .291 .292 .292 .293287287287289290 290.291 .291 .292 .292 .293293293294295295293293294295295296296296297297298296296296297297298299 299299 300300 301 .302 .302 .303 .303 .303299 299299 300300 301 .302 .302 .303 .303 .303304304304305306306307 .308 .308304304304305306306307 .308 .308
.265 .265 .265 .267 .267 .268 .269 .269
.270 270 270 271 271 272 272 273
273 273
.265 .265 .265 .267 .267 .268 .269 .269
.270 270 270 271 271 272 272 273
273 273
285
285
285
285
285
285
287
287
287
289
290 290
.291 .291 .292 .292 .293
287
287
287
289
290 290
.291 .291 .292 .292 .293
293
293
294
295
295
293
293
294
295
295
296
296
296
297
297
298
296
296
296
297
297
298
299 299
299 300
300 301 .302 .302 .303 .303 .303
299 299
299 300
300 301 .302 .302 .303 .303 .303
304
304
304
305
306
306
307 .308 .308
304
304
304
305
306
306
307 .308 .308
Кросс-темы261
Дополнительные схемы и идеи261
Использование язычкового переключателя 261
Использовоние реле в качестве инвертора262
Перечень компонентов схемы, использующей реле в качестве вибратора262
Высоковольтный генератор263
Перечень элементов и компонентов схемы высоковольтного генератора263
Современные технологии263
Углубленное изучение темы 264
Проект 17. Робот с датчиками
Задачи
Проект
Как строить
Электронная схема
Механическая часть
Испытание и использование
Перечень элементов и компонентов схемы робота с датчиками
Кросс-темы.'.
Дополнительные схемы и идеи
Управление при помощи широтно-импульсной модуляции PWM
Световые датчики:
Таймер
Перечень элементов и компонентов схемы с добавлением таймера
Звуковые эффекты
Перечень элементов и компонентов схемы с добавлением звуковых эффектов ....
Современные технологии
Идеи для экспериментов
Проект 18. Экспериментальная роботизированная рука с «эффектом памяти»274
Задачи274
Как сплавы SMA работают274
Гистерезис275
Источник постоянного тока277
Проект-.278
Кок строить279
Электронная схема 279
Перечень элементов и компонентов электронной схемы с роботизированной рукой280
Механическая рука::280
Испытание и использовоние281
Кросс-темы282
Дополнительные схемы и идеи282
Источник постоянного тока, использующий транзистор282
Перечень элементов и компонентов схемы с постоянным источником питания283
Простой источник напряжения283
Перечень элементов и компонентов схемы с простым источником напряжения283
Источник импульсов284
Перечень элементов и компонентов схемы источнике импульсов284
Современные технологии284
Модификации проекта
Обнаружение характеристик сплавов SMA Методика
Проект 19. Позиционный датчик Задачи Как он работает
Кок монтировать Механическая часть
Испытания и использовоние Перечень элементов и компонентов механической части позиционного индикатора Кросс-темы Дополнительные схемы и идеи Использовоние аналогового или цифрового мультиметра в качестве индикатора Запуск реле в запрограммированное положение Перечень элементов и компонентов схемы запуска реле в запрограммированное положение Использование компараторе с окнам Перечень элементов и компонентов схемы с компароторным окном Современные технологии Идеи для экспериментов
Проект 20. Дистанционное управление при помощи светового луча. Задачи Датчик Проект Как монтировать Испытание и использование".
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей светоизлучающий диод для регулировки чувствительности Кросс-темы Дополнительные схемы и идеи Вариант с выдержкой времени Перечень элементов и компонентов схемы с выдержкой времени Вариант с двумя устойчивыми состояниями Перечень элементов и компонентов схемы с двумя устойчивыми состояниями Вариант с высокой чувствительностью Перечень элементов и компонентов высокочувствительной схемы Современные технологии Идеи для углубленного изучения темы
Проект 21. Механотронная лодка с воздушным винтом Задачи Проект Кок строить Перечень компонентов электрической схемы Испытания и использовоние;.
Усовершенствование проекта Кросс-темы Дополнительные схемы и идеи
Перечень элементов и компонентов схемы со звуковым эффектом310
Современные технологии311
Идеи для экспериментов311
Проект 22. Подбрасыватель монеты
Задачи
Кокон работает
Как строить
Испытания и использование
Перечень компонентов подбрасывателя монет
Кросс-темы
Дополнительные схемы и идеи Схема с разрядом конденсатора Перечень элементов и компонентов схемы с разрядом конденсатора Катапульта Современные технологии Модификации проекта
.312 .312 .312 .313 .314 .314 .314 .314 .314 .315 .316 .316
.316
Проект 23. Вызов механотронного таймера Задачи
Кок он работает Механика Электроника Как строить Проверка и использование Перечень элементов и компонентов схемы электрического таймера Кросс-темы
Дополнительные схемы и идеи Тональный генератор Перечень элементов и компонентов тонального генератора
Запуск лампы переменного тока Перечень элементов и компонентов схемы с запуском лампы переменного тока Современные технологии Идеи для экспериментов
..317 ..317 ..317 .317 .319 .319 .320 .320 .320 .321 .321 .321 .322 .322 .323
.323
Проект 25. Механотронная говорящая голова Задачи Как он работает Как строить Электроника Механика Проверка и использование Перечень элементов и компонентов схемы механотронной говорящей головы Кросс-темы Новые схемы и идеи Использование низкочастотного усилителя Использование роторного соленоида или небольшого электродвигателя постоянного тока с зубчатой передачей Использование электродвигателя постоянного тока на 117 В Использование компьютера Небольшой ЧМ-передстчик Перечень элементов и компонентов схемы с небольшим ЧМ-передатчиком .... Современные технологии
Идеи для экспериментов
Предметный указатель
..333 ..333 ...333 ...335 ...335 ...337 ...337 ...337 ...338 ...338 ...338
339
340
340
340
342
342 .342
343
Проект 24. Экспериментальный контроллер с программируемой логикой Задачи'.
Кок он работает Кок монтировать Проверка и использование Перечень элементов и компонентов экспериментального контроллера с программируемой логикой PLC Кросс-темы Дополнительные схемы и идеи Добавление переключателя с активированным датчиком
Расширение логики
Расширение объема памяти Современные технологии
Идеи для экспериментов
324
324
324
327
329
.329 .330 .330 330 331 331 331 332
06 овторе
Ньютон Брага (Newton С. Braga) родился в г. Сан-Паулу, Бразилия, в 1946 г. Он заинтересовался электроникой в раннем возрасте и, когда ему было только 13 лет, начал писать статьи для бразильских журналов. В 18 лет он уже вел колонку в бразильском журнале «Popular Electronics», в котором ввел такое понятие, как «электроника для юношества».
В 1976 г. Ньютон Брага становится техническим директором ведущего южноамериканского электронного журнала «Revista Saber Electronica», который в настоящее время издается в Бразилии, Аргентине, Колумбии и Мексике. Он становится техническим директором и другого журнала, издаваемого в Editora Saber, такого как «Electronica Total», а также техническим консультантом журналов «Mecatronica Facil», «Mecatronica Atual» и «РС&С1А».
Ньютон Брага издал более 90 книг по электронике, электротехнике и вычислительной технике, а также опубликовал тысячи статей по электронно- механотронным изделиям в журналах, выходящих во многих странах мира (США, Франции, Испании, Японии, Португалии, Мексике, Аргентине и др.). Многие из его книг рекомендованы для изучения в школах и университетах по всему миру, переведены на разные языки и изданы тиражами более 3 миллионов экземпляров.
Автор постоянно преподает в Colegio Mater Amabilis в г. Гуарулхос, Бразилия, ведет учебные телепрограммы и разрабатывает учебные проекты в своей родной Бразилии. Эти проекты разрабатываются для внедрения электроники и механотроники в учебный процесс в средних школах, а также для профессионального обучения рабочих и преподавателей, которые желают повысить уровень своей квалификации в области электроники, механотроники и технологии.
В настоящее время автор живет в г. Гуарулхос вблизи Сан-Паулу, Бразилия, со своей женой и 15-летним сыном.
Предисловие
Эта книга не претендует на то, чтобы стать всеобъемлющим руководством для начинающего гения механотороники, но содержит большой объем информации и много самых разнообразных технических идей по созданию оригинальных проектов.
Целью книги является не только обучить вас методам техники и технологии сборки механотронных и электронных изделий, но и показать способы легкого и быстрого тиражирования этих изделий с использованием дешевых и доступных частей и деталей.
Настоящая книга будет полезна не только для начинающих или имеющих небольшой опыт конструкторов, но и для мастеров своего дела, которым, тем не менее, необходимы новые идеи для проектов. Книга будет небесполезна также для преподавателей, желающих внедрить новые технологии в своих школах. Но прежде всего книга адресована начинающим гениям, обладающим неуемным воображением и умением при помощи деталей и частей, снятых со старого оборудования, или механических игрушек и компонентов, купленных в местном магазине по продаже электронной техники, создавать полезные вещи.
Если вы думаете, что интересное изделие невозможно построить из простых материалов и по простой технологии, то вы ошибаетесь. Три вида технологии применяется для создания электронных и механотронных изделий:
наиболее простая, или «традиционная», технология, использующая детали и части электродвигателей, электроэлементов и пассивных электронных элементов. Эта технология может быть освоена даже учениками обычной средней школы. Можно при помощи этой технологии и личной сообразительности собрать несколько простых изделий, представленных в книге;
промежуточная технология, использующая уже не пассивные, а активные электронные элементы, такие как полупроводники (диоды, транзисторы, кремниевые управляемые выпрямители [SCR], светоизлучающие диоды [LED]) и некоторые интегральные микросхемы [IC], но не такие суперсовременные, как микропроцессоры, чипы со сверхвысокой степенью интеграции (VLSi), процессоры цифровых сигналов
(DSP) и многое другое.
Большим преимуществом промежуточной технологии является ее доступность. Дискретные электронные элементы, например транзисторы, резисторы и диоды, можно легко собирать во всевозможные схемы, а это очень важно для раскрытия творческих способностей. Вам не понадобится специальный инструмент для монтажа элементов, да он и неподвластен начинающему гению, не умеющему с ним обращаться;
передовая технология, применяемая при производстве всех современных электронных изделий, таких как сотовые телефоны, цифровые диски DVD, компьютеры, пейджеры, видеоигры и системы глобального позиционирования (GPS). Хотя эти изделия содержат очень сложные чипы, все они основываются на одних и тех же принципах работы. Отличаются они только количеством функций и элементов.
Можно собрать простой радиоприемник из 3-4 элементов, тогда как высокотехнологичный радиоприемник требует использования микропроцессора, содержащего миллионы элементов. Самое заманчивое для начинающего гения - собрать необычное изделие, которое можно увидеть только в кинофильмах, на экране ТВ или в научно-популярных журналах. Используя дешевые детали и нехитрую технологию, читатель сможет построить простые роботы, машины для нанесения электрических ударов, гоночные автомобили, пульты дистанционного управления и массу других изделий.
Вы это можете. Мы, в свою очередь, можем снабдить вас информацией о необходимом инструменте, идеях и технологиях.
Добавьте к этому свое богатое воображение, поскольку супервоображение присуще только настоящему гению. Эта книга состоит из трех частей:
в первой части мы только готовим читателя к тому, чтобы стать настоящим гением механотроники.
Мы объясним, что необходимо делать и как управляться с электронными и механотронными приборами, приводимыми в наших проектах. Мы дадим советы тем преподавателям, которые хотят открыть начинающего гения или парочку оных среди своих учеников, собирая модели и выполняя с их помощью всяческие эксперименты. Преподаватели узнают, как увязать наши проекты с темами из школьных дисциплин. Для читателей, желающих подробнее ознакомиться с теоретическими знаниями, лежащими в основе того или иного проекта, мы будем обсуждать научные методы.
Разработка новых и более продвинутых конструкций, чем приведенные в книге, поможет читателю внимательнее вникнуть в суть проекта. Это подход, который заставит заработать воображение продвинутого начинающего гения;
во второй части книги мы расскажем, как собирать и монтировать элек- тронные схемы, работать с электронными элементами и приборами, как использовать материалы и инструмент, работать с припоем и пайкой. К сожалению, начинающий гений бывает иногда нетерпелив и нарушает технологию сборки изделий, поэтому в книге подробно описываются
меры предосторожности во избежание опасных ситуаций и меры по технике безопасности в процессе работы;
в третьей части мы приводим 25 проектов различных конструкций, отобранных специально для этой книги из обширной авторской коллекции, но вместе с тем многие проекты созданы специально для читателей книги - начинающих гениев.
Проекты имеют законченную форму, то есть по каждому приводится необходимая информация для постройки и сборки основного варианта.
Краткая характеристика проекта объясняет, как будет выглядеть изделие и какую будет выполнять функцию после сборки. В этой же части читатель ознакомится с принципами и последовательностью технологии сборки изделий. Полный перечень деталей облегчит подбор необходимых деталей и элементов.
И наконец, мы приводим инструкции по настройке и регулировке, а также подключению к уже готовому изделию дополнительных схем, усовершенствованию проекта, сборке различных вариантов или разработке новых проектов, основанных на аналогичных принципах. Каждый проект может стать наглядным пособием по какой-либо учебной дисциплине, а также даст дополнительную информацию для расширения кругозора учеников. Такой подход дает возможность использовать эту книгу в качестве справочного издания в области механотронных изделий.
Ньютон С. Брага.Ньютон С. Брага.Надеемся, что вы, наш читатель и потенциальный гений, заинтересуетесь идеями механотронных и электронных моделей и конструкций, приводимых в книге, а также неплохо проведете время, осуществляя их на практике. Наслаждайтесь!
Ньютон С. Брага.
Ньютон С. Брага.
Признательность
Я хотел бы выразить свою благодарность всем, кто помогал мне в издании этой книги:
Джеффу Эккерту (Jeff Eckert) - моему антрепренеру, который помог преодолеть всю бюрократическую рутину, связанную с изданием книги.
Карлосу Эдуардо Портело Годою (Carlos Eduardo Portelo Godoy) и Mapce- ло Портела Годою (Marcelo Portela Godoy) - чья поддержка в моей работе с учениками в Colegio Mater Amabilis, г. Гуарулхос, Бразилия, помогла выявить среди них много потенциальных гениев.
Хелио Фиттипальди (Helio Fittipaldi) - который позволил использовать много иллюстраций и фотографий из статей, опубликованных мной в журналах «Mecatronica Facil» и «Electronica Total».
Эдсону де Сантису (Edson de Santis) - моему большому другу, который снабжал меня многими деталями и элементами для создания описанных в книге проектов.
Алехандро Коста Бербелю (Alexandre Costa Berbel) - который помогал мне в процессе мониторинга использования проектов, приведенных в книге, в различных школах города, где я живу, а также во многих других школах, где он поддерживал мою идею преподавания технологии в рамках школьной программы.
Моей супруге Ньюзе (Neuza) и моему сыну Марсело (Marcelo) - которые также оказывали мне большую поддержку.
Ньютон С. Брага.
^ataHausl^.
Часть 1
Подготовка читателя
Что такое мехонотронико
Итак, хотите ли вы стать гением в механотронике? Прежде чем изучить фантастические проекты, о которых рассказывается в этой книге, можете ли вы ответить на простой вопрос: знаете ли вы вообще, что такое механотрони- ка? Если вы не уверены в правильном ответе, то советуем вначале узнать, что представляет собой эта фантастическая наука.
При виде слова «механотроника» на обложке книги первая ассоциация, которая может прийти на ум, - это создание роботов. В этом вы будете совершенно правы, потому что основным изделием механотроники является именно робот. Насколько популярны в настоящее время роботы, особенно в Японии, мы хорошо знаем. Часто мы видим роботов и на экране, и в клипах, й в виде игрушек. Такие персонажи, как R2-D2, Асимо, Айбо и робот из мультипликационного фильма Айзека Азимова «Я, робот* всем хорошо известны.
Эти становящиеся все более популярными механические существа являются частью отрасли науки, именуемой «робототехника», а она в свою очередь является частью механотроники. Итак, чтобы лучше изучить механот- ронику, мы должны вернуться к истории происхождения робототехники и даже автоматических станков и машин, использующих принципы общей механики.
История
Идея того, что машины могут выполнять различные рутинные операции, подменяя собой слуг, чтобы освободить человека от этих операций, зародились еще в Древней Греции. Остатки движущихся статуй, изготовленных еще в I в. до н. э., найдены археологами. Еще в древней Александрии некто по имени Герой производил опыты и эксперименты с постройкой механических птиц. Существуют записи о древнегреческом инженере Кресибусе, который
создал органы и водяные часы с движущимися фигурами. В 730 г. н. э. швейцарский часовой мастер Пьер Жак-Дроз построил три механических устройства, которые играли на органе, приводили в действие простые фигуры и писали.
Немного позднее, но не очень давно, в XX в., гениальный электротехник Никола Тесла построил подводную лодку, управляемую на расстоянии.
Но именно чешский романист Карел Чапек в своей книге «Универсальные роботы Рассума» (R.U.R.) впервые применил этот термин - «робот». В этой книге он пишет о механических слугах, выполняющих работу, которую должен был делать человек. По-чешски слово «робот» означает «работник» или «рабочий».
Впоследствии эта идея создания механизмов, выполняющих работу за человека, но не обязательно ему подобных, не исчезла. С развитием новых технологий, таких как электроника, кибернетика и искусственный интеллект, появилась новая наука, именуемая механотроникой. Механотронику как научную дисциплину можно определить следующим образом: «синергическая интеграция (соединение) механики, электроники и компьютерных технологий».
Она может быть классифицирована и как предмет кибернетики. На рис. 1.1 показана схема, на которой механотроника выделена как независимая наука.
Механотроника и робототехника имеют много точек соприкосновения. Обе дисциплины основаны на применении электронных элементов и механических деталей и узлов. Кроме того, изделия той и другой науки работают по одинаковым принципам.
Рис. 1.1. Кок механотроника взаимодействует с другими науками
Рассматривая учебные программы многих механотронных курсов (именуемых промышленной автоматикой), можно удостовериться, что главной дисциплиной является робототехническая технология, направленная на создание промышленных роботов или автоматических машин и станков.
Эта книга не претендует на то, чтобы быть учебным курсом по механот- ронике, но дает практический подход к ней. Мы хотели показать читателю путь к изучению таких наук, как физика, биология и другие, через забавные поделки с использованием механики и электроники или, если угодно, меха- нотроники.
Средства и принципы мсханотроники
Если вы хотите создать изделия и конструкции, описанные в этой книге, вы должны владеть инструментом и знать основы двух наук, включающих в себя механотронику.
Конечно, зайдя в магазин игрушек, читатель может найти готовые меха- нотронные изделия. Купленные вами изделия могут быть даже технически более сложными или менее дорогими, чем изделия, описанные в этой книге.
Однако, как известно, настоящий гений идет к открытию, накапливая собственный опыт и вгрызаясь в теорию, необходимую для конструирования изделия. Настоящий начинающий гений не покупает действующего робота или комплект роботов, он строит своего робота. Начинающий гений не ищет ионный двигатель в научных магазинах - он создает собственный вариант. Вот в чем главная разница, которая делает эту книгу идеально подходящей для начинающего гения.
Барьеры, которые нужно преодолеть
Постройка механотронных изделий - дело затруднительное. При осмотре этих изделий легко заметить, что они отличаются по степени сложности. Один экспериментатор может попытаться собрать простое изделие, используя дешевые и доступные детали и элементы, другой же попытается создать нечто очень сложное, что потребует специальных деталей, элементов и инструмента, а также хорошего знания применяемой технологии.
Многие читатели знакомы с использованием миниатюрных компонентов, применяемых в электронных схемах, или небольших механических узлов. Те, кто не знаком с технологиями, используемыми в наших проектах, должны заполнить некоторые пробелы в знаниях. Начав с простых проектов и конструкций, неопытный читатель может приобрести необходимые навыки за сравнительно короткий срок, плавно переходя к более сложным проектам. Мы предоставляем широкий диапазон проектов: от самых простых для тех, кто обладает минимумом знаний по технологии сборки и инструменту, до проектов, требующих значительного опыта. Информация о степени трудности сборки того или иного проекта будет даваться в книге.
Читатель должен иметь в своем распоряжении необходимый инструмент для работы с миниатюрными элементами и деталями. Кроме того, нужен специальный инструмент для работы с электронными компонентами и механическими деталями, а также минимум знаний о том, как с этим инструментом управляться. В следующей части книги дается необходимая информация по этой теме.
Итак, задайте себе вопрос: могу ли я использовать собственноручно изготовленную модель не только для развлечения, а как-то иначе? Ведь описанные в этой книге проекты - не просто игрушки. Их назначение весьма мно
гопланово.
Исследователь может почерпнуть новые идеи, заложенные в какой-либо конструкции изделия. Схемы или другие составляющие каждой модели можно включить в конструкцию другого устройства для проведения экспериментов в области химии, физики или даже гуманитарных наук.
Электронике, робототехника и мехонотронико в образовательном процессе
Одним из наиболее интересных результатов применения проектов, описанных в этой книге, является развитие мышления ученика.
Многие верят, что технология означает «использование компьютера*, но они глубоко ошибаются, поскольку технологией пронизана вся наша жизнь. Технология начинается с простой лампы и включает в себя такие широко известные электронные и механотронные бытовые приборы, как видеомагнитофоны, телевизионные приемники, телефоны, не говоря уж о высокотехнологичных изделиях: роботах, радиолокаторах, сотовых телефонах и радиокомпьютерных средствах связи. Технология в настоящее время присутствует везде, куда бы вы ни кинули взгляд. Достаточно посетить аэропорт, торговый центр или банк, чтобы понять это.
Основная идея использования электроники, робототехники и механотро- ники в образовательном процессе была внедрена в моей родной Бразилии (и во многих других странах).
Используя технологию во многих проектах, о которых идет речь в этой книге, я не только развлекаю читателя, но и предоставляю преподавателю возможность связать основные науки (физику, химию и биологию) с новейшими высокими технологиями.
На страницах этой книги вам встретятся фотографии учеников, создающих механотронные изделия, например боевой робот или гоночный автомобиль. Студенты занимаются физическими исследованиями, ищут пути снижения трения, создают модели и объясняют принципы их работы. Делают они это не просто так, ради развлечения, а чтобы развить свое мастерство на практике.
Проекты в книге построены таким образом, что можно собрать основную часть, действующую как самостоятельное изделие, а в дальнейшем пристраивать к ней новые детали и узлы, создавая совершенно другое изделие. Опытный преподаватель может творчески применить все это в работе, чтобы дополнить учебную программу.
Кросс-темы
Учителя и преподаватели хорошо знакомы с кросс-темами. При работе с дисциплинами и предметами, предусмотренными обычной учебной программой.
всегда полезно заняться деятельностью, которая не указана напрямую в программе, но во многом углубляет знания учащихся по основному предмету.
Кросс-темы очень важны для современного образования. Они намного облегчают процесс познания многих научных принципов, которые зачастую туманны и непонятны, если для обучения используется только черная классная доска или другие традиционные средства.
Научный метод
Технология - практическое применение науки. В древности технология развивалась из прямого опыта работы с материалами и предметами, изучения их свойств и создания техники для манипулирования ими. Современная технология также зависит от громадного количества формул и теорий.
Техника и конструирование (подобно механотронике) - систематическое применение научных знаний для развития технологии. Техника выросла от ремесла до науки. Поэтому, создавая механотронное изделие, необходимо следовать законам науки и исследованиям в области технологии. Эти правила описываются научным методом. Научный метод - способ достижения какой-либо цели, решения конкретной задачи, совокупность приемов или операций практического или теоретического познания действительности. Научный метод опирается на четыре этапа:
Наблюдение и описание явления.
Формулировка гипотезы для объяснения явления.
Использование гипотезы для предсказания существования другого явления.
Проверка предсказаний через независимые средства.
При осуществлении экспериментального научного проекта эти этапы можно продолжить:
Начальное наблюдение.
Сбор информации.
Определение и совершенствование цели проекта.
Формулирование гипотезы (предположения).
Составление экспериментального метода для проверки гипотезы.
Сбор материала и оборудования.
Произведение эксперимента и запись данных.
Вычисления и суммирование результатов.
Попытка ответить на первоначальные вопросы.
Важно заметить, что научный метод имеет различные формы. Так, ученые, представляющие естественные науки, на основе экспериментальных данных выявляют закономерности. По результатам делаются заключения. Ученые, занимающиеся описательной антропологией, используют информацию, собранную посредством наблюдений и опросов.
6ЧАСТЬ 1. Подготовка читателя
В механотронике вы должны следовать методам, которые использовались для всех экспериментальных научных проектов. Нужно собирать данные, составлять гипотезу, накапливать материал и создавать проект, который можно было бы использовать для подтверждения чьей-то гипотезы и/или использовать практически.
Выбор проекте
Приведенные в этой книге проекты различны по степени трудности. Читателю необходимо все проанализировать, чтобы решить, какой вариант - исходный или усовершенствованный - он будет создавать. При выборе проекта примите во внимание следующие моменты:
Соответствует ли проект вашему уровню знания механотроники?
Достаточно ли чистые детали для монтажа вы применяете?
Располагаете ли вы всеми необходимыми инструментами для монтажа и сборки?
Знаете ли вы, как применять необходимые инструменты?
Уверены ли вы, что сможете купить все детали и элементы?
Сможете ли вы прибегнуть к помощи более опытного человека?
Приняв все вышеизложенное во внимание, вы избежите неожиданностей
при сборке и монтаже своей модели.
Специально ела— »
Часть 2
Технология,
применяемая присборне и монтажепроектов
Большинство проектов из этой книги может использоваться отдельно. По возможности схемы должны быть сконструированы таким образом, чтобы можно было использовать их как в одном, так и в нескольких проектах. Заменив в схеме какие-то компоненты, можно изменить ее функции для выполнения других целей.
Как производить монтаж
При производстве бытовой электронной аппаратуры монтаж печатных плат выполняется при помощи специального оборудования, использующего технологию поверхностного монтажа (SMT), когда на печатную плату в автоматическом режиме устанавливаются миниатюрные электронные элементы. Без использования специального инструмента мы бы не смогли устанавливать такие элементы на изделия наших проектов. Современные промышленные технологии отличаются от старой базовой технологии, использующей старые части, например трубки, ламповые переключатели, плавкие предохранители и другие.
Для среднестатистического читателя было бы идеальным начать с использования промежуточной технологии. Элементы и компоненты здесь имеют несколько больший размер, чем элементы поверхностного монтажа, и управляться с ними можно при помощи инструмента общего назначения. Можно подумать, что эти элементы и компоненты не обладают таким быстродействием, но в нашем случае это не столь важно. Более крупные компоненты выполняют те же функции и задачи, что и элементы поверхностного монтажа (SMD). Им просто нужно несколько больше пространства на печатной плате при установке и монтаже. В работе они идеальны, тем более, если вы не знакомы с инструментом и не обладаете умением обращаться с миниатюрными деталями. Они именно такого размера, при котором их удобно использовать в проектах, описанных в книге.
Итак, еще до выбора проекта первым делом вы должны изучить все, что касается инструмента, который вы будете применять, и элементов, которые вы будете монтировать. Прежде всего вы должны овладеть методами пайки.
Инструмент
Перед началом сборки и монтажа любого предмета, особенно если вы собираетесь делать это впервые, определитесь с инструментом, который будете применять при работе с электронными схемами.
Кок монтировать компоненты
и элементы
Электронные компоненты включают в себя миниатюрные элементы, которые требуют опоры для своей установки на рабочее место и подключения в схему. Для монтажа компонентов и элементов применяются различные технические приемы. Простейший способ соединить компоненты в схему при помощи оконечной полоски показан на рис. 2.1.
Компоненты и провода соединения припаяны к соответствующим лепесткам оконечной полоски.
Способ установки компонентов и их подключения к схеме определяет функцию схемы.
Это не самый лучший способ монтажа проекта, но имеющий преимущество благодаря простоте. Метод не требует специального инструмента и средств. Мы будем использовать этот метод для сборки проектов начинающими учениками или студентами, которые не знакомы с более продвинутой техникой, например такой, в которой уже применяются печатные платы или, точнее, платы с печатной схемой (РСВ).
Ш1аМаи$Ж знание без границ X *
Кок монтировать компоненты и элементы 9
Рис. 2.1. Оконечная полоска может быть использована в качестве шасси для простого проекта
Рис. 2.2. Оконечная полоска, выполненная в виде печатной платы
Оконечная полоска может представлять собой пластмассовую или деревянную планку, к которой приделаны миниатюрные лепестки или какие-то другие металлические детали, как показано на рис. 2.2.
Рйс. 2.3. Использование оконечной полоски с винтами для сборки простой схемыРйс. 2.3. Использование оконечной полоски с винтами для сборки простой схемыДругой способ связать компоненты в схему, используя оконечную полоску с винтами, показан на рис. 2.3.
Рйс. 2.3. Использование оконечной полоски с винтами для сборки простой схемы
Рйс. 2.3. Использование оконечной полоски с винтами для сборки простой схемы
Преимуществом использования такой полоски является то, что компоненты и элементы схемы не припаиваются. Недостатком такого соединения является то, что винты нужно очень надежно и тщательно крепить, чтобы создать хороший электрический контакт. Любой плохой контакт влияет отрицательно на работу схемы или вообще не дает схеме работать нормально.
И наконец, много экспериментальных проектов выполняется при помощи монтажа элементов на плату без применения пайки, как показа-
Рис. 2.4. Плата с монтажомРис. 2.4. Плата с монтажомно на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Плата с монтажом
Рис. 2.4. Плата с монтажом
В этом случае выводы элементов и компонентов устанавливаются в отверстия, имеющиеся в плате, и соединяются между собой при помощи металлических оконечных полосок согласно схеме.
Преимуществом этой технологии является то, что отпадает надобность в пай-
элементов без применения пайкике выводов элементов, поэтому их легко
менять, если нужно приспособить плату к другому проекту. И даже в первоначальном проекте, допустим, легко можно поменять элемент с дефектом, добиваясь хорошего функционирования
изделия.
В наших проектах мы будем использовать все уровни трудности для упомянутых нами методов. Выбор уровня зависит от проекта и степени его сложности.
Прежде чем познакомить читателей с методами пайки, рассмотрим печатную плату и расскажем, как она используется.
Печатная мата (РСВ)
Миниатюрные компоненты и элементы, применяемые в электронном оборудовании, в рабочем состоянии должны иметь физическую опору. Им необходима не только поверхность, на которую йх можно устанавливать, но и электрическая связь с другими компонентами схемы. Открыв крышку любого электронного бытового или промышленного изделия, читатель обнаружит, что все электронные элементы и компоненты смонтированы на специальной пластине, изготовленной из стекловолокна или другого изолирующего мате- риала. Эта опорная пластина или шасси для элементов и называется печатной платой (РСВ).
специально оля—
Печатная плата (РСВ) 11
Рис. 2.5. Печатные платы общего назначенияРис. 2.5. Печатные платы общего назначения
Рис. 2.5. Печатные платы общего назначения
Рис. 2.5. Печатные платы общего назначения
Плата (рис. 2.5) изготовлена из изолирующего материала, а на поверхности платы мы видим медные полоски, впечатанные в нее с одной или двух сторон - если плата является двухсторонней.
Медные полоски выполняют роль проводов, проводящих электрический ток от одного компонента к другому, и называются токоведущими дорожками. Узор или рисунок полосок или дорожек определяется функцией схемы. Все дорожки заранее разрабатываются в конструктор
ских бюро до изготовления печатной платы, дабы обеспечить необходимое соединение между определенными компонентами и выполнение требуемых
функций.
Это означает, что платы, предназначенные для радиоприемника, не могут нести на себе элементы, предназначенные для телевизора или другого электронного изделия. Как показано на рис. 2.6, миниатюрные элементы припаиваются к печатной плате таким образом, чтобы их выводы создавали электрический контакт с токоведущей дорожкой платы.
Рис. 2.6. .Островки припоя соединяют выводы элементов с печатной платой
2 Создание роботов в дом. ус л.
В некоторых случаях, когда элементы очень миниатюрны и монтируются на плату с помощью автоматической пайки - как в случае с элементами поверхностного монтажа (SMD), они могут быть установлены на плату со стороны токоведущих дорожек (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Элементы поверхностного монтажа припаиваются прямо к меднымРис. 2.7. Элементы поверхностного монтажа припаиваются прямо к меднымтокоэедущим дорожкамтокоэедущим дорожкам
Рис. 2.7. Элементы поверхностного монтажа припаиваются прямо к медным
Рис. 2.7. Элементы поверхностного монтажа припаиваются прямо к медным
токоэедущим дорожкам
токоэедущим дорожкам
Рис. 2.8. Припой общего назначенияРис. 2.8. Припой общего назначения
Рис. 2.8. Припой общего назначения
Рис. 2.8. Припой общего назначения
Как мы уже упоминали, элементы поверхностного монтажа не рекомендуется применять тем читателям, кто хочет заниматься простыми и доступными проектами.
Установка и монтаж элементов и компонентов на печатную плату - тонкая и деликатная работа, с которой читатель, имеющий дело с электронными монтажными схемами, должен быть знаком. В силу того, что элементы миниатюрны и чрезвычайно хрупки, необходимо применять специальную технику.
Припой, применяющийся при пайке электронных элементов, является сплавом, состоящим на 60% из олова и на 40% из свинца, с добавлением небольшого количества канифоли - смолы. Этот вид припоя отно
сится к транзисторным припоям, радио/ТВ-припоям, или припоям 60-40.
При нагревании примерно до 273е С припой плавится и, так как наносится на вывод элемента, установленного в монтажное отверстие платы, фиксирует элемент, когда остывает. Во время плавления припоя и создается электрический контакт между токоведущей дорожкой платы и выводом элемента. Для монтажа элемента на плату или, наоборот, демонтажа элемента с платы вам необходимы припой и электрический паяльник. Припой может быть куплен в небольших количествах, как показано на рис. 2.8. А электрический паяльник показан на рис. 2.9.
Для работы с небольшими электронными элементами рекомендуется паяльник мощностью 25-40 Вт с миниатюрным жалом. Разумеется, читатель может использовать и более мощный паяльник для демонтажа или монтажа
Печатная плато (РСВ) 1 3
Рис. 2.9. Электрический паяльник общего назначения - рекомендуется применять тем, кто собирается строить приведенные в книге проекты
более крупных элементов и компонентов в некоторых электрических и электронных проектах. Компания Radio Shack предлагает несколько типов паяльников, подходящих для выполнения этой задачи:
паяльник карандашного типа с двойной мощностью на 15 и 30 Вт (Radio Shack Part Number 64-2055);
паяльник карандашного типа на 15 Вт (Radio Shack Part Number 64-2051);
паяльник карандашного типа на 25 Вт (Radio Shack Part Number 64-2070).
Пайка, по сути, простая операция, и все имеющие отношение к технике должны уметь это делать. Однако начинающие могут быть с ней незнакомы.
Электронные элементы очень хрупки, и с ними необходимо обращаться с большой осторожностью, дабы не повредить. Много электронных приборов легко вывести из строя, если паяльник нагрет сверх нормы или применяется несоответствующая паяльная техника. Основной метод пайки электронных компонентов (при демонтаже или монтаже на печатную плату) следующий:
Включите шнур питания паяльника в розетку и подождите, пока он нагреется, - приблизительно 5 минут. Это гарантирует, что жало паяльника наберет нужную температуру для эффективной пайки.
Приложите паяльник к месту пайки на короткое время, чтобы разогреть его. Затем, как показано на рис. 2.10, прикоснитесь к этому месту припоем, но не паяльником.
Вы увидите, как припой в расплавленном состоянии проникает в стык вывода элемента и платы и формирует паяльный шов.
Удалите паяльник от шва и не трогайте, пока он не остынет. Можно визуально легко определить, остыл шов или нет. На поверхности металла появится специфичная дымка, указывающая, что шов остыл и не разойдется.
На рйс. 2.11 показаны совершенный паяльный шов и плохо выполненный паяльный шов. Одной из самых острых проблем электронного оборудования является так называемая «холодная пайка». Это означает, что припой только внешне охватил место стыка между выводом элемента и печатной платой.
но электрического контакта между ними нет.
Рис. 2.10. Припаивание элемента к оконечной полоске
Рис. 2.11. Правильно выполненный паяльный шов
Зачастую стык между выводом элемента недостаточно прогрет, припой не схватывает металл, и это позволяет проникнуть между выводом и платой слою влаги или окисла, что опять приведет к потере электрического контакта.
Хотя использование паяльной пушки (рис. 2.12) не запрещается, но в электронике есть много моментов, когда ее применение не рекомендуется.
ТрансформаторТрансформаторРис. 2.12. Паяльная пушкаРис. 2.12. Паяльная пушка
Трансформатор
Трансформатор
Рис. 2.12. Паяльная пушка
Рис. 2.12. Паяльная пушка
Принципиальные схемы и символы1 5
Этот тип паяльного инструмента имеет резистивное (имеющее сопротивление) жало, нагреваемое сильным током, подходящим от вторичной обмотки (низковольтной) трансформатора. Этот сильный ток может сжечь много чувствительных элементов, таких как интегральные микросхемы (IC) и транзисторы.
Другие инструменты
Паяльник не является единственным инструментом для работы с электронными схемами. Много инструментов общего назначения, применяемых в работе с электротехническим и машинным оборудованием, может быть полезно для работы с электронными частями. Скорее всего, многие из вас имеют нечто подобное дома для мелкого ремонта. Вместе с тем многие из электронных элементов хрупки и миниатюрны, а потому требуют специального инструмента и осторожного обращения. Использование ненадлежащего инструмента при работе с такими элементами может привести к их порче.
Предлагаю вам приобрести необходимый минимум:
режущие кусачки (часто называемые диагональными или бокорезами) длиной 4-6 дюймов;
кусачки с удлиненными узкими наконечниками длиной 4-5 дюймов;
две или более отвертки длиной 2-8 дюймов;
машинка для обдирки и зачистки концов изолированного провода и резак для проводов сортамента от 10 до 22 (Radio Shack Part Number 278-238);
набор точного инструмента (10-16 шт.) с миниатюрными отвертками - как шлицевыми, так и крестообразными;
паяльные принадлежности с отсосом припоя при выпаивании элементов, держатель электрического паяльника, метелка для удаления остатков припоя;
лишние руки в качестве помощника;
мини-дрель.
Принципиальные схемы и символы
Принципиальные схемы (или просто схемы) предназначены для того, чтобы показать, как соединяются между собой многие компоненты и элементы, чтобы по ним мог пробегать электрический ток. Рассматривая принципиальную схему, сборщик электронного изделия должен точно определить каждый элемент, а также понять, с каким элементом или компонентом в схеме он соединен. На схемах компоненты представляются не в реальном формате, а в виде символов. А следовательно, читатель должен быть знаком со специальной символикой.
Знание символов, использующихся для представления компонентов, и их роли в схеме очень важно. Давайте сначала разберем, как следует читать принципиальные схемы.
Рис. 2.13 представляет собой принципиальную схему одного простого электронного изделия, а именно электронного управления электродвигателем постоянного тока (DC), используемого в нашем первом проекте с механот- ронным гоночным автомобилем.
Рис. 2.13. Представление схемы через символы
Эта принципиальная схема представляет все компоненты и элементы через их символы и указывает наименование и номинал элемента, а также другую важную информацию. На боковой стороне каждого элемента стоит его идентификационный номер, который поможет сборщику найти данный элемент на печатной плате или оконечной полоске внутри корпуса изделия.
Например, все резисторы обозначаются буквой R, за которой следует номер резистора в проекте; Это означает, что резисторы идентифицируются в изделии при помощи таких обозначений, как RI, R2, R3 и так далее. Конденсаторы обычно обозначаются буквой С. Они нумеруются в схеме последовательно: Cl, С2, СЗ и т.д. Транзисторы обозначаются буквами Q, Т или TR. Так, например, один и тот же транзистор может быть представлен как QI, Т1 или TR1.
Во многих случаях вторая цифра может обозначать блок или каскад, в котором этот элемент установлен. Например, резистор в первом каскаде может обозначаться как R101, а во втором каскаде как R201. Рядом с идентификационным номером мы можем также найти номинал или тип компонента.
Номинал резистора проставлен на его боковой стороне (так, R1 может иметь подпись 1000 Ом или 1 кОм). Если это транзистор, на его поверхности написано 2N3906 и его нужно заменить, то его меняют на такой же транзистор с тем же номером 2N3906, и при монтаже на это место должен быть поставлен транзистор 2N3906. Обычно идентификационный номер транзистора начинается с 2N, но некоторые производители имеют свои обозначения, то есть индивидуальный бренд фирмы. Так, например, компания Texas Instruments обозначает транзистор через TIP, а компания Motorola - через MPS или ММ. Европейские производители электронного оборудования используют для своего кода буквы ВС или BD. Японские же производители транзисторов обозначают их комбинациями 2SB, 2SC или 2SD.
На схеме может размещаться и другая важная информация - в зависимости от устройства. Так, например, напряжение в различных точках и интервалах схемы может быть рассчитано.
В примере, представленном на рис. 2.14, тестером замеряется напряжение в 6 В между точкой А и землей (она обычно используется как эталон или указывается как О В).
_—-«—- *Земля = 0V
Рис. 2.14. Напряжение в различных точках
Другой важной характеристикой состояния электрической цепи или схемы является осциллограмма сигнала, проходящего через данную точку цепи.
Для того чтобы облегчить читателю сборку и монтаж наших проектов, в книге имеются иллюстрации с детальным изображением изделий, а также дается список частей, необходимых для сборки и монтажа дополнений к принципиальным схемам. Из списка видно, что главной характеристикой всех частей является цветовое кодирование*, представляющее резисторы, напряжение, частоту тока, конденсаторы, трансформаторы и диоды.
Дополнительная информация
Проекты, о которых мы рассказываем в книге, достаточно просты и не требуют применения специальной техники и инструмента. Обо всех необходимых приспособлениях мы уже упомянули. Вам не потребуется специальных познаний в области электроники или опыта в сборке изделий.
Хотя большинство проектов не представляет опасности для окружающих, те изделия, которые получают питание от сети переменного тока, имеют заостренные и режущие части, о которые при неосторожном обращении вы можете порезаться или поцарапаться. Поэтому будьте особенно осторожны и внимательны при использовании этих изделий.
Всегда зачехляйте опасные части изделий во время хранения и транспортировки.
* Цветовое кодирование - способ маркировки электронных компонентов, содержащий информацию о номинальной величине и допуске маркируемых объектов, а также другие сведения, представляющие интерес для потребителя. - Прим. науч. ред.
Часть 3
Проекты
В этом разделе вашему вниманию будет представлена коллекция из 25 проектов механотронных изделий. Советуем Вначале как следует изучить две предыдущие части, так как они очень важны для понимания сути проектов и их практического осуществления - сборки и монтажа. Если вы почувствовали, что уже хорошо подкованы, - самое время начинать.
Проект 1.
Мехонотронный гоночный автомобиль
Назначение
Я включил этот проект в программу своего механотронного курса, который . стал вторым в ежегодном рейтинге популярных проектов. От студентов 11- 14 лет требуется построить гоночный автомобиль в двух вариантах (с пропеллером или зубчатой передачей), а затем задействовать обе модели в автомобильных гонках. Автомобили, собранные из разных подсобных материалов, таких как картон и части от игрушек, в основном управляются светом. Электрический фонарь используется для управления миниатюрным электродвигателем постоянного тока, который и является мотором изделия. В гонке участвуют 6-8 автомобилей, которые вначале выстраиваются на стартовой линии. Они должны проехать 10-20 м по прямой трассе и пересечь финишную черту.
На рис. 3.1.1 и 3.1.2 показаны ученики со сделанными собственными руками автомобилями в Colegio Mater Amabilis. После опубликования этой фотографии в бразильских журналах проект был внедрен во многих школах по всему миру.
Соревнование подталкивает студентов изготовить лучший автомобиль (самый быстрый и легкий). Однако в проекте заключена большая образовательная
^Уа1аНам$Ж знание без драниц ' *
Рис. 3.1.1. Студенты Colegio Mater Amabllis, г. 1уарулхос. Бразилия, получающие призы за победу в гонке (Courtesy Revista Mecatronlca Fadi)
Рис. 3.1.2. Пример гоночного автомобиля, построенного студентом Colegio Mater Amobilis ценность. Ученики могут узнать больше, чем из школьной программы, о физике, технологии и других науках, если будут работать все вместе во время постройки автомобиля.
Водами
Существует много задач, которые нужно будет решить в процессе постройки гоночного автомобиля:
изучить технологию сборки простых проектов с использованием оконечной полоски;
изучить, как работают фотоэлементы или фотодатчики (фоторезисторы [LDRs]);
спроектировать двигательную систему, использующую зубчатую передачу или вентилятор;
изучить трение и способы его уменьшения;
изучить, как транзистор работает в качестве переключателя.
Проект
Как показано на рис. 3.1.3 и 3.1.4, мы можем построить гоночный автомобиль в двух вариантах: с применением вентилятора в качестве пропеллера или используя зубчатую передачу, которая передает крутящий момент от мотора к колесам. Выбор зависит от материалов, которые есть под рукой.
Рис. 3.1.3. Автомобиль с вентилятором (Courtesy Revisto Mecotronico Focil)
Рис. 3.1.4. Автомобиль с зубчатой передачей (Courtesy Revisto Mecotronico Focil)
В случае выбора вентилятора в качестве движителя, лопасти вентилятора- пропеллера вырезаются и сгибаются из обыкновенного компакт-диска (CD) при помощи незначительного нагревания.
Хотя это простейший способ сделать пропеллер, материал компакт-диска очень тонкий, поэтому много пропеллеров ломается во время гонок или даже в процессе вырезания и сгибания. Рекомендуется иметь много запасных пропеллеров для оперативной замены во время гонок.
Другой метод - использование пластмассовых или деревянных вентиляторов, подобно тем, которые применяются в авиационных моделях. Решайте сами, какой выбрать материал для наилучшего результата. Естественно, что начинающий гений сможет безошибочно выбрать тот тип вентилятора, который обеспечит победу в гонке. Изучая характеристики, такие как отношение поверхности вентилятора к скорости вращения мотора, диаметр и вес, начинающий гений в конечном итоге придет к заключению, какой вентилятор необходим его автомобилю для победы в соревновании.
Вариант зубчатой передачи обычно более эффективен. Однако, поскольку гоночный автомобиль должен двигаться быстрее других автомобилей, основная проблема - найти подходящую передачу. Мы предлагаем использовать части игрушек или электрических й электронных устройств. Эти компоненты должны быть доступны для большинства из вас.
Проект может быть поделен на две части:
электронная схема;
механическая часть (транспортное средство).
Как правило, неопытный конструктор должен уделять, по крайней мере, 4 часа в день для работы с каждой частью проекта. Чтобы облегчить эту задачу для своих студентов, я готовлю комплекты, включающие в себя электронные компоненты, электродвигатели, датчики и транзисторы. Это особенно важно, если на соревнованиях вы не блещете. И это дает гарантию, что результат соревнований будет зависеть не от использованного материала, а от умения конструктора.
Правила соревнований определяются размерами автомобилей, потребляемой мощностью и другими факторами, которые могут внести какие-то изменения в гонку. Начинающий гений может предложить посоревноваться своему однокашнику.
Принцип роботы электронной схемы
Основная электронная схема - одинакова для обоих вариантов, так что и описание принципа работы одно и то же.
Чувствительным элементом является LDR (кадмиево-сернистый элемент [Cds] или фоторезистор), управляющий базовым током транзистора. Транзистор Дарлингтона, или транзистор с большим коэффициентом усиления, используется в качестве переключателя, регулирующего прохождение тока
через электродвигатель. Когда в LDR поступает свет, электрическое сопротивление элемента падает -ив результате включается транзистор. А после того как положение транзистора изменится на включенное, ток питания подводится к миниатюрному электродвигателю постоянного тока. Обратите внимание, что транзистор действует только как переключатель, не усиливая света. Это очень важно при выборе источника света в качестве дистанционного управления. Надо иметь в виду, что активированный надлежащим уровнем света транзистор насыщается, и на электродвигатель уже не может быть подано дополнительной энергии. Кривая насыщения показана на рис. 3.1.5.
Важно понять, что не энергия электрического фонаря, который возбуждает фоторезистор LDR, определяет конечную скорость автомобиля, а другие механические факторы.
Рис. 3.1.5. После прохождения предварительно определенной точки любое увеличение количества света в чувствительном элементе не повлияет на работу электрической схемы
Свет фонаря используется только в качестве дистанционного управления, а не источника питания. С целью получения света только от фонаря фоторезистор LDR устанавливается внутрь небольшой картонной трубки. Это делается для того, чтобы избежать попадания окружающего света на LDR до старта гонок. Свет должен попасть на светочувствительный элемент во время гонок, поэтому после их начала участник соревнований удаляет трубку с элемента, позволяя окружающему свету включить электродвигатель.
Источником питания автомобиля является комплект из четырех батареек размера АА, другие размеры не рекомендуются. Большие батарейки размеров С или D не позволяют развить дополнительных мощностей в той же пропорции к своему весу, как и батарейки размера АА, поэтому скорость стремится упасть.
Помимо этого избыток тока может перегреть транзистор и даже сжечь его. Мы рекомендуем ставить новые щелочные батарейки в день гонок. А в некоторых случаях целесообразно прикрепить небольшой теплоотвод к транзистору.
Принцип работы механической части
Шасси автомобиля в обоих вариантах одно и то же, с небольшой разницей в движущей системе. Для постройки шасси годится любой материал: картон, пластмасса или легкая древесина. На шасси устанавливается и электронная схема, и электродвигатель, и вентилятор-пропеллер. Конструктор волен изменять первоначальный проект, как показано на предыдущих иллюстрациях.
Допускается и трехколесная конструкция. Поскольку автомобиль должен двигаться строго по прямой линии, конструктору необходимо тщательно выровнять и отцентрировать колеса и оси. Помните, что единственная функция управления, которая вам доступна, это включение и выключение двигателя.
Если у вас автомобиль с вентиляторно-пропеллерной установкой, мотор устанавливается на специальную платформу, построенную из любых имеющихся под рукой материалов. Например, пустой картридж струйного принтера может послужить опорой для мотора автомобиля, показанного на рис. 3.1.1.
Создание гоночного автомобияп
Теперь мы можем приступать к созданию гоночного автомобиля, которое разбивается на.2 этапа. На первом этапе мы расскажем, как смонтировать электронную схему. На втором - рассмотрим, как установить механическую часть на автомобиль.
Электроннап схема
На рис. 3.1.6 показана полная схема дистанционного светового управления автомобилем, подходящего для обоих вариантов.
Рис. 3.1.6. Полная принципиальная схема электронного устройства. используемого для управления электродвигателем постоянного тока гоночного автомобиля
Эту схему можно смонтировать, используя небольшую оконечную полоску в качестве шасси, как показано на рис. 3.1.7.
При монтаже схемы необходимо учитывать следующее:
положение транзистора;
полярность батарей источника питания (кожух батарей) и электродвигателя. Если вращение электродвигателя приводит к заднему ходу автомобиля, необходимо провода поменять местами;
избегать соприкосновения выводов любых элементов и компонентов. Это может вызвать короткое замыкание, которое приведет к расплавлению.
Рис. 3.1.7. Оконечноя попоено может быть использовано в качестве шасси для миниатюрных компонентов и элементов схемыРис. 3.1.7. Оконечноя попоено может быть использовано в качестве шасси для миниатюрных компонентов и элементов схемы
Рис. 3.1.7. Оконечноя попоено может быть использовано в качестве шасси для миниатюрных компонентов и элементов схемы
Рис. 3.1.7. Оконечноя попоено может быть использовано в качестве шасси для миниатюрных компонентов и элементов схемы
Q1 - любой транзистор Дарлингтона номиналом от 2 А или выше. Если транзистор имеет тенденцию к нагреву, прикрепите его к так называемому теплоотводному радиатору. Он будет забирать часть тепла, появляющегося на транзисторе, и не даст транзистору перегреться (рис. 3.1.8). Само собой разумеется, что теплоотводный радиатор должен быть металлическим.
Помните: теплоотводный радиатор увеличит вес вашего автомобиля, а это приведет к уменьшению скорости.
ВинтВинтРис. 3.1.8. "Ьллоотвод»*1й радиатор, прикрепленный к силовому транзистору для отводаРис. 3.1.8. "Ьллоотвод»*1й радиатор, прикрепленный к силовому транзистору для отводаРадиатор теплоотводаРадиатор теплоотводалишнего теплалишнего тепла
Винт
Винт
Рис. 3.1.8. "Ьллоотвод»*1й радиатор, прикрепленный к силовому транзистору для отвода
Рис. 3.1.8. "Ьллоотвод»*1й радиатор, прикрепленный к силовому транзистору для отвода
Радиатор теплоотвода
Радиатор теплоотвода
лишнего тепла
лишнего тепла
^ataHaus,^.
В схеме можно использовать любой фоторезистор LDR общего назначения. Лучше всего подходят для этой цели миниатюрные круглые фоторезисторы, поскольку их очень удобно устанавливать в картонные трубки.
Перечень элементов и компонентов электронной схемы мехонотронного гоночного овтомобилп
Q1 - транзистор Дарлингтона TIP122 или эквивалентный, NPN-типа.
LDR - фоторезистор или LDR (кадмиево-сернистый элемент).
R1 - резистор на 1 мОм xl/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Ml - миниатюрный электродвигатель постоянного тока на 6 В.
В1 - 4 батарейки размера АА на 6 В и кожух к ним.
Оконечная полоска, провода, расходные материалы.
Вентилпторно-пропсллерный ворионт мехонотронного овтомобилп
Для постройки шасси автомобиля подойдет любой подсобный материал, который окажется под рукой, а именно: картон, пластмассовые файлы, легкое дерево или металл (алюминий, цинк и т.п.). На рис. 3.1.9 показаны основные размеры шасси в случае использования вентилятора в качестве пропеллера.
Рис. 3.1.9. Основная конструкция шасси с использованием картона (Courtesy Revista Mecatronica Fadi)
На рис. 3.1.13 представлено шасси среднего размера. Конструктор может изменять размеры шасси в зависимости от размера колес и других конструкционных факторов. Очень важно, чтобы организатор ограничивал размеры автомобилей, допускаемых к гонкам.
Колеса для гоночных автомобилей могут быть позаимствованы у игрушек (рис. 3.1.10). В качестве осей чаще всего используются пластмассовые соломинки для коктейля. Важно, чтобы для надежного фиксирования колес соломинки было достаточно длинными, т.к. автомобиль движется строго по прямой линии. Электродвигатель с пропеллерным движителем может быть установлен на верхнюю часть пустого Картриджа струйного принтера. Для крепления двигателя можно использовать клей.
Картонное шасси
Рис. 3.1.10. Отрезки соломинок для коктейля служат опорными осями для колес
На рис. 3.1.11 показано, как изготовляется вентилятор из компакт-диска CD. Разметьте диск, нарежьте и согните его, нагрев с помощью свечи или другого источника тепла. Будьте осторожны, не пережгите и не поломайте лопасти.
Рис. 3.1.11. Компакт-диск может быть нарезан и согнут, если нагреть его свечкой
Рис 3.1.12. Автомобиль готов к испытаниям (Courtesy Revisto Mecotronica Fodl)
Вентилятор, изготовленный из компакт-диска, очень хрупок и легко ломается при любом толчке. Имейте в запасе несколько вентиляторов для оперативной замены во время соревнований, т.к. их может быть сломано достаточно много.
Вентилятор приклеивается к маленькому пластмассовому колесику, позаимствованному от игрушки. Убедитесь, что колесико отцентрировано. Иначе вентилятор будет вибрировать во время гонки и либо оторвется, либо приведет к тому, что автомобиль сойдет с. прямой линии трассы.
Батарейки и электронная схема устанавливаются на автомобильное шасси, как показано на рис. 3.1.12.
Испытайте автомобиль и убедитесь, что он едет вперед при активации электродвигателя. В противном случае перебросьте провода от оконечной полоски к электродвигателю.
вариант механотронного автомобили с зубчатой передачей
Шасси то же самое, что и в вентиляторно-пропеллерном варианте. Основным отличием является крепление колес, а зубчатая передача передает крутящий момент от электродвигателя к колесам. Рис. 3.1.13 показывает раскрой шасси и остальные размеры. Обратите внимание на вырез в виде окна для установки зубчатого колеса.
Прежде всего подготовьте шасси и подберите две пары колес и две оси (рис. 3.1.14). На одну из осей установите пластмассовое зубчатое колесо диаметром 2-4 см.
Рис 3.1.13. Электродвигатель соединяется с колесами через зубчатую передачу
Электродвигатель
Рис. 3.1.14. Диаметр зубчатого колеса должен быть меньше диаметра колес автомобиля
Зубчатое колесо должно быть в диаметре меньше, чем колесо ходовое, дабы не касаться поверхности, по которой автомобиль двигается.
На шпиндель электродвигателя установите маленькую шестерню (рис. 3.1.14). И шестерню, и зубчатое колесо можно позаимствовать из игрушек или других электронных устройств. Очень важно проверить правильность зацепления шестерни и зубчатого колеса, отрегулировав его для наилучшего функционирования автомобиля. На движение автомобиля также оказывает влияние диаметр колес и вес автомобиля.
Ходовые колеса с осями устанавливаются на шасси (рис. 3.1.15). Обратите внимание, что окно в шасси позволяет регулировать зубчатую пару без какого-либо соприкосновения со смежными частями.
Удостоверьтесь, что колеса и оси хорошо отцентрированы относительно друг друга, чтобы автомобиль мог ехать по прямой и достичь максимально возможной скорости.
Следующий этап - установка электродвигателя с помощью резиновых жгутов (рис. 3.1.16).
Рис. 3.1.15. Шестерня, установленная но шпиндель электродвигателя, должно находиться в надежном сцеплении с зубчатым колесом
Рис. 3.1.16. Резиновые жгуты используются для закрепления электродвигателя в рабочем положении
Электродвигатель может быть установлен в зацеплении с зубчатым колесом другими способами, но преимущество описываемого метода в том, что резиновые жгуты действуют как амортизаторы, поглощая толчки от препятствий или неровностей на трассе, и обеспечивают сцепление шестерни и зубчатого колеса.
Проверьте схему трансмиссии, насколько хорошо передается крутящий момент на ходовые колеса. Если колеса вращаются назад, а не вперед, то перебросьте провода с оконечной полоски на электродвигатель.
Теперь можно установить электронную схему и батарейный кожух (рис. 3.1.17).
При установке защитите светочувствительный элемент, используя отрезки картона, пластика или колпачок ручки. После подключения всех элементов проверьте, что автомобиль движется в нужном направлении. Если он движется в противоположном направлении, перебросьте провода с оконечной полоски на электродвигатель.
F
Электродвигатель Окно М1
Рис 3.1.17. Гоночный автомобиль готов к испытаниям
Испытания автомобиля
Накройте фоторезистор и установите батареи в батарейный кожух. Не перепутайте полярность установленных батарей.
Установите автомобиль на стартовую линию и удалите покрытие с фоторезистора. Если окружающий свет достаточно ярок, электродвигатель начнет работать и двигать автомобиль вперед. Если этого не произойдет, осветите фоторезистор электрическим фонарем.
Если шпиндель электродвигателя не вращается, проверьте контакты батареек в кожухе.
Если шпиндель электродвигателя вращается в обратную сторону, перебросьте провода с оконечной полоски на электродвигатель.
Теперь ваш автомобиль готов к соревнованиям.
Заводите ваши моторы - и вперед!
Соревнования
Читатель, конечно, волен создавать свои правила для соревнований. Однако я имею опыт в проведении этого вида гонок, т.к. организую их уже в течение 4 лет в колледже, где преподаю механотронику. Фотографию с этих соревнований вы можете видеть на рис. 3.1.18.
Рис. 3.1.18. Стартовая линия за несколько секунд до начало гонок в Colegio Mater Amabills
Я разработал следующие правила:
участники создают команду из двух или четырех членов, строящих один или два автомобиля. Если автомобилей два, то, как и в настоящих гонках, один из них главный, а другой задействован в качестве резервного;
автомобили должны иметь одинаковые электродвигатели и габариты в следующем диапазоне: длина 15-25 см, ширина 4-6 см;
если участвует школьный проект, то выставляются две оценки: одна за конструкцию, а другая за эксплуатационные качества во время гонки;
если участвует более 8 автомобилей, то для участия в финальной гонке они делятся на две или три группы;
участник гонки не может трогать автомобиль. За нарушение он может быть наказан лишением очков;
очки, присуждаемые автомобилям, могут быть следующими:
победитель: 4 очка;
второе место: 3 очка;
третье место: 2 очка;
автомобиль, пересекший финальную линию: 1 очко;
автомобиль, прошедший половину дистанции: 0,5 очка;
другие условия определяются организатором;
при использовании электрического фонаря в качестве дистанционного управления он должен быть размещен на расстоянии не менее 30 см от фоторезистора;
автомобили, которые сталкиваются или выкидывают другие автомобили с трассы гонок, наказываются или дисквалифицируются.
Исследование проекта
Несколько экспериментов можно было бы провести для иллюстрации научных принципов, использованных в автомобильных гонках. Начинающий гений может использовать эти эксперименты для более углубленного изучения физики.
Закон Ньютона
Бытовой вентилятор может быть использован для демонстрации принципа приложения силы и реакции противосилы. Так, сила, развиваемая вентилятором, толкает воздух, вызывая противосилу, которая одновременно начинает вращать лопасти вентилятора. Вы можете доказать это на следующем эксперименте.
Материалы
1 бытовой вентилятор;
1 роликовая доска.
Эксперимент
Продемонстрируйте, что когда вентилятор гонит воздух в одну сторону, вентилятор на доске вращается в противоположную (рис. 3.1.19).
Как работает зубчатая передача
Вы можете понять принцип работы зубчатой передачи, вычисляя передаточное отношение (ТМА) пары зубчатых колес как функцию количества зубьев или диаметров колес (рис. 3.1.20).
Эксперимент
Покажем, что с каждым оборотом большого колеса малое колесо делает некоторое количество определенных оборотов. Это отношение вычисляется отношением количества зубьев в каждом из этих колес. Мощность (крутящий момент) увеличивается в соответствии с тем же отношением.
автомобиля, использующего
Рис. 3.1.19. Эксперимент, демонстрирующий передвижение гоночного вентиляторно-пропеллерный движительРис. 3.1.19. Эксперимент, демонстрирующий передвижение гоночного вентиляторно-пропеллерный движительп1 - количество зубьев первого зубчатого колеса п2 - количество зубьев второго зубчатого колеса ТМА - передаточное отношение (число)п1 - количество зубьев первого зубчатого колеса п2 - количество зубьев второго зубчатого колеса ТМА - передаточное отношение (число)Рис 3.1.20. Зацепление зубчап» колес показывает. кок изменяются крутящий момент и скоростьвращения
Рис. 3.1.19. Эксперимент, демонстрирующий передвижение гоночного вентиляторно-пропеллерный движитель
Рис. 3.1.19. Эксперимент, демонстрирующий передвижение гоночного вентиляторно-пропеллерный движитель
п1 - количество зубьев первого зубчатого колеса п2 - количество зубьев второго зубчатого колеса ТМА - передаточное отношение (число)
п1 - количество зубьев первого зубчатого колеса п2 - количество зубьев второго зубчатого колеса ТМА - передаточное отношение (число)
Кросс-темы
Автомобиль, двигатели, вентиляторы и движение - все эти слова часто ассоциируются со школьным курсом физики. Вопросы, которые могут быть использованы преподавателями в процессе обучения:
анализ движения. Проанализируйте движение гоночного автомобиля. Это равномерное или ускоренное движение? Объясните разницу. Почему гоночный автомобиль перестает ускоряться, когда достигает определенной скорости?
трение. Что такое трение и как оно действует на движение гоночного автомобиля? Что вы можете сделать для уменьшения трения и увеличения финальной скорости автомобиля?
расчет передачи. Что случится, если изменить зубчатую передачу с целью модификации передаточного отношения? Как вы можете это рассчитать?
вентилято^ъи Как количество лопастей вентилятора определяет мощность автомобиля? Что случится, если изменить угол наклона лопастей? Что представляет собой идеальный угол?
Дополнительные схемы и идеи
Основной идеей проекта является управление работой электродвигателя постоянного тока с помощью света. Чувствительный элемент - это фоторезистор LDR, а дистанционное управление - электрический фонарь. Однако начинающий гений может усовершенствовать проект, использовав для новых схем следующие идеи.
Прямой привод
Очень простой вариант гоночного автомобиля может быть создан без электронной схемы дистанционного управления. Конструктор напрямую соединяет проводки от батарейного кожуха к электродвигателю (рис. 3.1.21).
Достаточно установить батарейки в кожух, и автомобиль поедет. В связи с этим правила соревнований меняются. На стартовой линии держите автомобиль в руках, отпустив его только при отмашке.
кожух
Рис. 3.1.21. Прямой привод. Электронной схемы не требуется
Использование силового МОП-транзистора
Транзистор Дарлингтона может быть заменен на силовой полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП-транзистор или MOSFET) (рис. 3.1.22). Только придется понизить сопротивление резистора до 100 кОм.
Любой силовой МОП-транзистор общего назначения номиналом от 2 А и выше (JRF720, JRF640 и т.п.) подходит для этой задачи.
Рис. 3.1.22. Электронная схема, использующая МОП-транзистор
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей силовой МОП-транзистор
Q1 - IRF640, IRF720 или эквивалентный МОП-транзистор.
LDR - фоторезистор общего назначения.
М - электродвигатель постоянного тока на 6 В или выше и с потреблением тока до 500 мА.
R1 - резистор на 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
В1 - 4 батарейки размера АА напряжением 6 В (кожух).
Хронирующая схеме
Другой альтернативой для гоночных автомобилей является электронная схема (рис. 3.1.23).
Эта схема включает в свой состав интегральную микросхему 555IC, являющуюся таймером (реле времени).
Когда датчик - чувствительный элемент (язычковый переключатель ) запускается магнитом, схема включается, и электродвигатель получает питание в интервале времени, определяемом конденсатором С1 и регулируемым потенциометром Р1.
При запуске гоночный автомобиль движется в определенном интервале времени. Р1 может быть настроен на то, чтобы этот интервал был достаточно большим, согласованным с гоночной дистанцией. В гонке каждый участник использует маленький магнит для запуска автомобиля.
Рис. 3.1.23. Электронная схема с хронирующим управлением электродвигателя,
Перечень элементов и компонентов схемы
с использованием хронирующей схемы
IC-1 - интегральная микросхема-таймер 555IC.
Q1 - транзистор Дарлингтона TIP122 или эквивалентный, NPN-типа.
XI - язычковый переключатель.
RI, R2 - резисторы на 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R3 - потенциометр точной подстройки на 1 мОм.
R4 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
С1 - электролитический конденсатор наЮО мкФ, напряжением 12 или 16 В.
В1 - 4 батарейки размера АА, напряжением 6 В (кожух).
1Ънко по рельсам
Проблема, с которой приходится сталкиваться на гонках, это направление движения автомобиля, зависящее от точности центровки колес. В гонках автомобили, двигающиеся не по прямой, сталкиваются с другими автомобилями и начинают двигаться по дуге.
Альтернативой движению с помощью зубчатой передачи является движение автомобиля по рельсу (рис. 3.1.24). Небольшое свободное поворачивающееся колесико двигается по шнуру, играющему роль рельса.
^alaHaus^!.
Рис. 3.1.24. Рельсы можно использовать для удержания автомобиля на прямолинейной (криволинейной) траектории
Современные технологии
В настоящее время вентиляторно-пропеллерные транспортные средства используются в болотистой местности, эти же принципы применяются в самолетах и вертолетах. Передача мощности зубчатыми колесами применяется во многих транспортных средствах и бытовой технике.
Крутящий момент двигателя вашего автомобиля передается зубчатой передачей к колесам, вращающимся с разной скоростью. Скорость вращения определяется отношением количества зубьев шестеренок и зубчатых колес в коробке передач. Электродвигатели, встроенные в различную бытовую технику, используют металлические и пластмассовые зубчатые передачи, приводящие в движение подвижные части. Ярким примером служит электрический миксер.
Идеи для экспериментов
Для улучшения рабочих характеристик автомобиля и для лучшей проработки проекта сделайте следующее:
попытайтесь использовать передачу, которая понижает скорость вращения вентилятора, но увеличивает мощность;
используйте трубу, чтобы воздух от вентилятора проходил в нее, как в турбину;
измените зубчатую передачу, увеличив или уменьшив диаметр колес, и отметьте себе, какая комбинация приводит к увеличению мощности, а какая к увеличению скорости.
Проект 2.
Robcom: боевой робот
Если вы мечтаете создать боевой робот, который может уничтожить или одолеть врагов, соперников, захватчиков или других сверхъестественных существ, то предлагаемый проект должен вас заинтересовать. Robcom - это воплощение вашей мечты, которая сбудется наяву.
Используя недорогие и общеупотребительные части игрушек и бытовых приборов, даже неопытные читатели, не готовые еще строить проекты с микропроцессорами, могут построить Robcom.
Начинающий гений сможет построить Robcom и бросить вызов своему товарищу, устроив бой между роботами. Сагитируйте своих друзей тоже создать роботов. Попросите их вложить в проект все свое воображение, чтобы создать такую машину, которая не будет побеждена в первой же схватке.
Robcom был одним из первых проектов, предложенных автором слушателям курса по механоторонике в Colegio Mater Amabilis. На рис. 3.2.1 показан один из проектов, созданных студентами. Вы сможете увидеть, как эти потенциальные гении строили свои машины разрушения.
Рис. 3.2.1. Два робота в бою - крупным планом
Что представляет собой Robcom
Robcom - дистанционно управляемый робот, построенный из общеупотребительных деталей и частей общего назначения. В своем основном варианте он несет на себе резиновый баллон как защиту и три иголки в качестве оружия. Читатель может добавить и другое оружие - конечно, в зависимости от
правил соревнований, согласованных с другими участниками. Чтобы не усложнять проект, сделано так, что дистанционное управление получает питание от электрического шнура. Есть несколько преимуществ шнура перед инфракрасным и радиочастотным дистанционными управлениями. Помимо простоты, преимущество в том, что на шнуровой метод не действуют помехи и шум.
компакт-дисков CD.компакт-дисков CD.Robcom имеет два небольших электродвигателя постоянного тока, напря-
компакт-дисков CD.
компакт-дисков CD.
Рис. 3.2.2. Переднее колесо, испольюесмное в RobcomРис. 3.2.2. Переднее колесо, испольюесмное в Robcomмую вращающие два задних колеса, изготовленных из Переднее колесо способно свободно вращаться во всех направлениях. Рекомендованное переднее колесо может быть позаимствовано со старых офисных кресел или другой мебели. На рис. 3.2.2 показано колесо, используемое в работе.
Рис. 3.2.2. Переднее колесо, испольюесмное в Robcom
Рис. 3.2.2. Переднее колесо, испольюесмное в Robcom
Блок управления, подключенный к окончанию шнура, представляет собой небольшую коробочку с двумя специальными переключателями и джойстиком. Переключатели могут управлять двумя схемами (двумя полюсами) одновременно, и каждый переключатель имеет
три позиции. Когда джойстик находится в центральном
положении, то контролируемая схема не работает и на электродвигатель питание не поступает. Определенные позиции переключателей управляют определенными функциями электродвигателя, как можно видеть из табл. 1.
Таблица 1
Позиция
Электродвигатель
Вперед
Электродвигатель вращается вперед
Нейтральная
Электродвигатель отключен
Назад
Электродвигатель вращается назад
Сочетая три позиции переключателей, робот может передвигаться в любом направлении, как показано в табл. 2: стрелки указывают направление движения.
Таблица 2
Переключатель А
Переключатель В
Символ
Движение робота
Нейтральный
Нейтральный
Стоит
Нажат передний ход
Нажат передний ход
т
Двигается вперед по прямой линии
Нажат задний ход
Нажат задний ход
Двигается назад по прямой линии
Нажат передний ход
Нейтральный
г*
Поворачивается направо вперед
Нажат задний ход
Нейтральный
Поворачивается направо назад
Нейтральный
Нажат передний ход
Поворачивается налево вперед
Нейтральный
Нажат задний ход
1
Поворачивается напеве назад
Robcom управляется четырьмя батарейками размером АА, размещенными в блоке управления. Такое размещение понижает вес мобильного блока, усиливая мобильность, что очень важно во время схватки.
Водами. Битва
Основная идея схватки роботов - поставить их на некое подобие арены, сформированное четырьмя брусками дерева (рис. 3.2.3), и дать им возможность попытаться исколоть иголками баллон защиты соперника.
Рис. 3.2.3. Арена для схватки: квадрат, сформированный четырьмя деревянными брусками
Управляя движением робота вперед и назад, игрок может найти наилучшую позицию для атаки, не подставляя свой баллон атаке неприятеля.
Стратегию робота должен выработать начинающий гений для достижения победы.
Победителем объявляется робот, первым проткнувший баллон неприятеля. Для реализма баллон должен быть присыпан сверху небольшим количеством муки или талька, чтобы создать видимость взрыва. Облачко дыма, которое образуется в результате победы, свидетельствует о том, что баллон проткнули и битва закончена.
Обычно продолжительность боя длится 1-5 мин, что считается нормальным (рис. 3.2.3). В организованных соревнованиях может быть введен процесс исключения проигравшего.
ПобедительПобедительРис. 3.2.4. Сцена боя, в которой два робота проверяют свою боевую мощьРис. 3.2.4. Сцена боя, в которой два робота проверяют свою боевую мощь
Победитель
Победитель
Рис. 3.2.4. Сцена боя, в которой два робота проверяют свою боевую мощь
Рис. 3.2.4. Сцена боя, в которой два робота проверяют свою боевую мощь
Правила нужны для ликвидации очень больших различий между участниками и поддержания игрового поля в норме. Правила включают в себя спецификации по максимальным размерам роботов, размерам резиновых баллонов, использованию защитных щитов (экранов), типов применяемых электродвигателей, напряжению источника питания и т.п.
Правила по ведению боя также необходимы. В конце этого раздела приводится перечень рекомендованных правил.
Проект
Robcom является трехколесным роботом, два его передних колеса используются для поворота робота в нужном направлении, а третье является свободным.
Два небольших электродвигателя постоянного тока подсоединены прямо к колесам, которые могут быть изготовлены из компакт-дисков CD или любого другого материала по вашему выбору.
Электродвигатели управляются пультом дистанционного управления, соединенного с роботом 3-метровым шнуром. Как мы уже отмечали, этот способ управления очень удобен, прост, недорог и не требует применения специальных материалов. В пульте дистанционного управления размещаются также батарейки, питающие электродвигатели. Два переключателя позволяют роботу двигаться вперед-назад и изменять направление движения.
Шасси может быть изготовлено из любых общеупотребительных материалов, таких как картон, коробки от компакт-дисков, пластмасса, дерево и т.д. Вам решать, какой тип и материал шасси выбрать, лишь бы он отвечал правилам соревнований. При создании робота важно минимизировать его вес, в то же время делая его максимально быстрым и устойчивым.
Создоние Robcom
Основной тип Robcom описан во введении. Конечно же, начинающий гений может изменять конструкцию робота Robcom путем добавления новых видов оружия и защиты, отвечающих правилам боя.
Электрическая схема
Работу над проектом начните с монтажа электрической схемы. Простая принципиальная схема показана на рис. 3.2.5.
Как мы видим, источник питания состоит из четырех батареек размера АА. Они питают два небольших 6-вольтовых электродвигателя постоянного тока через переключатели S1 и S2. Переключатели имеют по три положения, среднее положение переключателя означает отключение питания.
Переключатели S1 и S2 изменяют направление вращения электродвигателей. Переключатели подают питание электродвигателям при помощи специального четырехпроводного кабеля. Рекомендуемая длина кабеля Американского кабельного сортамента (AWG) 4х 26 равна 3 метрам.
Переключатели размещены вместе с джойстиком в небольшой коробочке (она может быть пластмассовой). Провода кабеля имеют разный цвет, чтобы
Рис. 3.2.5. Принципиальная электрическая схема робота Robcom
легче было найти выводы, к которым припаиваются провода того или иного цвета. Рис. 3.2.6 показывает собранную электрическую схему.
Рис. 3.2.6. Смонтированная электрическая схема, готовая к установке на роботы RobcomРис. 3.2.6. Смонтированная электрическая схема, готовая к установке на роботы Robcom
Рис. 3.2.6. Смонтированная электрическая схема, готовая к установке на роботы Robcom
Рис. 3.2.6. Смонтированная электрическая схема, готовая к установке на роботы Robcom
Перечень элементов и компонентов электрической схемы
SI, S2 - двухполюсные, трехпозиционные переключатели (см. текст).
В1 - 4 батарейки напряжением 6 В (с кожухом).
Ml, М2 — 6-вольтовые электродвигатели постоянного тока.
3 метра четырехпроводного кабеля (4x26 AWG).
Пластмассовая коробка, припой.
специально оля
^1о1аИаи$Ж знание без границX ^
Проект 2. Robcom: Боевой робот4 3
Механическая часть
На рис. 3.2.7 изображена основная схема сборки, показывающая,, как электродвигатели подсоединяются к колесам. На рис. 3.2.8 представлен вид робота сзади.
Рис. 3.2.7. Вид робота сбоку. Мы видим, как электродвигатель подсоединен к колесу
Торцы защиты осей
Рис. 3.2.8. Электродвигатели клеятся к коробке от компакт-диска. Шпиндели электродвигателей прижимаются к колесам, изготовленным из компакт-диска при помощи резиновых жгутов. Тем самым на колеса передается крутящий момент
Сборка частей робота
Следующие рисунки демонстрируют последовательность сборки робота. На рис. 3.2.9 показано, как крепится свободное колесо к шасси робота, выполненного из коробки от компакт-диска, и как прокладывается металлический лист для придания жесткости конструкции.
3 Создание роботов в дом. усл.
Рис. 3.2.9. Проклодывоние металлического листа между коробками от компакт-дисков до их склеивают
На рис. 3.2.10 показано, как наматывать изоляционную ленту на компакт- диски, дабы увеличить сцепление. Резиновая лента, приклеенная к компакт- диску, также может улучшить сцепление. Читатель волен выбирать способ улучшения сцепления, чтобы робот стал более быстрым и подвижным.
Рис. 3.2.10. Наматывание изоляционной ленты на компакт-диск для улучшения сцепленияРис. 3.2.10. Наматывание изоляционной ленты на компакт-диск для улучшения сцепленияИзоляционная лентаИзоляционная лента
Рис. 3.2.10. Наматывание изоляционной ленты на компакт-диск для улучшения сцепления
Рис. 3.2.10. Наматывание изоляционной ленты на компакт-диск для улучшения сцепления
Изоляционная лента
Изоляционная лента
Пластмассовое колесо от игрушки приклеивается к компакт-диску. Небольшие пластмассовые автомобили и другие игрушки - хороший источник этих колес. Я предпочитаю вид колеса с металлическими осями. На рис. 3.2.11 показано, как приклеивать колесо.
Куски картона можно использовать в качестве опоры для колес. Шпиндели колес вставляются в соломинки для коктейля. На кончик шпинделя надевается маленький пластмассовый колпачок, соединяющий шпиндель с картонной опорой (рис. 2.2.12). Этот колпачок может быть небольшой частью трубки шариковой ручки или даже оболочки электрического провода.
Электродвигатели клеятся к ^. эобке от компакт-диска. Убедитесь, что валы (шпиндели) электродвигателей были отцентрированы с колесами (компакт-дисками). Из рис. 3.2.13 видно, как электродвигатели клеятся и входят в зацепление с компакт-дисками. Валы электродвигателей прижимаются к компакт-дискам
^ataUaus,^.
Рис. 3.2.11. Приклеиеоние колеса к компакт-диску
Картон
Рис. 3.2.12. Колесо крепится к картонной опоре, которой клеится к шасси
Рис. 3.2.13. Электродвигатель на рабочем месте
при помощи резиновых жгутов, удерживающих их в этом положении. Для улучшения сцепления компакт-дисков и валов электродвигателей на шпиндели надеваются маленькие колпачки. Как упоминалось раньше, эти колпачки
могут быть частью шариковой ручки или оболочки электрического провода. Оружием робота являются иголки, воткнутые в кусок картона (рис. 3.2.14). На рис. 3.2.15 показан Robcom, готовый к бою.
Рис. 3.2.14. Оружие робота установлено в передней части. Этот кусок картона может служить еще и как щит, защищающий робот от атак неприятеля
Рис. 3.2.15. Robcom готов к аватме
Проверке боевого роботе
Установите батарейки в батарейный кожух. Активируйте электродвигатель, нажав на переключатели в пульте дистанционного управления. Если робот не заработал, проверьте пайку и кабель. Если один или оба электродвигателя вращаются в противоположном направлении (например, вперед при нажатом заднем ходе), перебросьте провода электродвигателя.
Установив робот на пол или другую поверхность, проверьте, свободно ли он движется во всех направлениях, когда вы нажимаете на кнопки управления.
Если электродвигатели плохо передают крутящий момент на колеса, проверьте надежность зацепления их между собой при помощи жгута, еще больше натянув его. Если все движения выполняются удовлетворительно, то Robcom готов к бою.
Бой
Вам, конечно, никто не запрещает создать свои правила для соревнований. Однако, основываясь на многолетнем опыте проведения боев, автор хотел бы предложить свои правила. На рис. 3.2.16 показано несколько роботов, ждущих начала соревнования.
Рис. 3.2.16. Схватке роботов в Colegio Mater Rmabllis
Превиле и спецификации боя для роботов
Для того чтобы избежать существенной разницы в конструкции, требуется установить правила отбора роботов для соревнований. Характеристики роботов должны быть следующими:
длина робота должна быть 15-25 см;
максимальное количество иголок, используемых в качестве оружия, не должно превышать трех;
максимальная длина иголок не должна превышать 20 см (включая и опору);
щит в передней части робота должен быть ограничен габаритами 10x15 см;
все роботы должны использовать один и тот же тип электродвигателя;
питание должно обеспечиваться 4 батарейками размера АА для всех роботов;
резиновые баллоны должны быть одинаковыми по размеру;
не разрешается применение другого оружия (или другой комбинации оружия);
арена ограничивается четырьмя брусками дерева с габаритами 33 м или 4x4 м.
Провило боя
участникам не разрешается заходить на арену боя;
участники не могут оттягивать робот за кабель дистанционного управления;
участники начинают схватку в противоположных углах арены;
схватка начинается по сигналу судьи;
схватка заканчивается, когда баллон одного участника получает прокол;
если оба баллона неприятелей взрываются одновременно, то роботы имеют право сойтись в повторной схватке во втором раунде для определения победителя.
Модификации проекта
В первоначальную конструкцию проекта можно внести много изменений. Приводимые ниже модификации - самые простые из возможных:
вместо пластмассового шасси использовать деревянные бруски;
использовать в качестве шасси коробки разного формата;
эту модель можно использовать в другом проекте.
Вы сами можете смонтировать простой мобильный робот, применив дистанционное управление от боевого робота. Подобный робот изображен на рис. 3.2.17.
Коробка передач
Рис. 3.2.17. Обыкновенный мобильный робот, использующий дистанционное управление из нашего проекта
Кросс-темы
Управление движением - тема, которую легко понять из учебной программы по физике. Преподаватели могут предложить ученикам исследовать следующие моменты:
Проект 2. Robcom: Боевой робот 4 9
анализ движения. Опишите тип движения робота во время боя. Проанализируйте, насколько сильно быстрое изменение направления или скорости движения может повлиять на устойчивость;
трение. Проанализируйте влияние трения на мобильность робота;
передача. Найдите наилучший способ передачи крутящего момента от электродвигателя к колесам. Подумайте об использовании зубчатой передачи.
Дополнительные схемы и идеи
Основная электрическая схема проекта очень проста. В ней нет электронных компонентов и сложных элементов. Читатель, имеющий опыт работы в электронике, может усовершенствовать схему и создать несколько интересных моделей.
Использовоние джойстике
На рис. 3.2.18 изображено, как джойстик применяемый в видеоиграх и персональных компьютерах, может быть использован для управления двумя электродвигателями в Robcom.
Схема использует четыре реле для управления двумя электродвигателями. Четыре переключателя джойстика используются для включения и выключения электродвигателей или для реверсирования тока через них. Положение джойстика управляет работой электродвигателей.
Рис. 3.2.18. Управление боевым роботом при помощи игрового джойстика
Таблица 3
Положение джойстика
Левый мотор
Правый мотор
Среднее
Остановлен
Остановлен
Верхнее
Движется вперед
Движется вперед
Нижнее
Движется назад
Движется назад
Правое
Движется вперед
Движется назад
Левое
Движется назад
Движется вперед
Верхнее правое
Движется вперед
Остановлен
Верхнее левое
Остановлен
Движется вперед
Нижнее правое
Остановлен
Движется назад
Нижнее левое
Движется назад
Остановлен
Перечень компонентов джойстика
DI - D8 - кремниевые диоды 1N914 или их эквиваленты;
KI - К4 - реверсивные реле - 6-вольтовые на 12x50 А (выбирайте напряжение в соответствии с рабочим напряжением электродвигателя).
Включение в схему управления с широтно-импульсной модуляцией (РШМ)
Управление с широтно-импульсной модуляцией позволяет изменять скорость движения робота. Об управлении PWM подробно рассказано в следующем проекте.
На рис. 3.2.19 показано, как можно подключить блок PWM к Robcom. Примите к сведению, что применение только одного блока PWM достаточно для изменения скорости вращения обоих электродвигателей. Однако, если читатель хочет, он может применить блок PWM для каждого электродвигателя.
Рис. 3.2.19. Блоки управления РШМ, встроенные в схему для изменения скорости движения
Дополнительное оружие
Читатель может пофантазировать, чтобы создать для Robcom новое оружие. Само собой разумеется, что оно должно соответствовать правилам боя.
На рис. 3.2.20 мы видим, как небольшой электродвигатель постоянного тока может быть использован для наращивания движения иглы, делая ее еще опасней для противника.
Рис. 3.2.20. Электродвигатель, подсоединенный к игле, может быть активирован диодами во время движения робота вперед
Другая идея - использование двух вращающихся, утыканных иголками шаров (рис. 3.2.21).
Но будьте осторожны: смотрите, чтобы шары не проткнули собственный баллон.
Рис. 3.2.21. вращающееся оружие для боевого робота
Добавление обесточенной схемы
Интересным усовершенствованием для проекта является обесточенная схема. Она состоит из двух язычковых переключателей и магнита (рис. 3.2.22).
Как видим, ток течет через электродвигатели и проходит через язычковые переключатели. Магнит прикрепляется резиновым жгутом внутри баллона. Если баллон целый и полный, магнит касается язычковых переключателей
и электродвигатели получают питание. Если баллон продырявлен, магнит падает и переключатели размыкаются. Электродвигатели не получают питания, и робот останавливается.
Добавление звука
Простая звуковая схема для робота изображена на рис. 3.2.23. Если использовать конденсатор на 47 нФ (нанофарад), то во время активизации электродвигателей раздастся звук сирены. Если использовать конденсатор на 10 мкФ, то звук будет подобен стрельбе из пулемета.
Рис. 3.2.23. Звуковая схема для Robcom
Использование мостовой схемы И
Цифровое управление роботом можно осуществлять, используя мостик Н. Идея заключается в том, что четыре транзистора могут управлять прохождением тока через электродвигатель так же, как и перекидной переключатель двойного направления (DPDT).
Использование мостовой схемы Н для управления электродвигателями имеет два преимущества. Схема на рис. 3.2.24 является двухполупериодным выпрямителем по мостовой схеме или мостовой схемой Н, использующей четыре транзистора Дарлингтона.
Во-первых, ток, проходящий по кабелю, понижается. Во-вторых, логические сигналы могут быть использованы для управления. В этом случае для управления можно применить даже компьютер.
Схема работает следующим образом. При высоком уровне входного сигнала двухполупериодного выпрямителя (FWR) транзисторы Q1 и Q4 включаются, и ток в электродвигателе идет в направлении, показанном стрелкой 1. Когда высок уровень входного сигнала перемотки, Q2 и Q3 включаются, и ток течет в направлении, показанном стрелкой 2.
Обратите внимание, что транзисторы Q1 и Q3, в отличие от Q2 и Q4, не могут быть включены одновременно, потому что может возникнуть короткое замыкание тока между источником напряжения +12 В и землей. Это запрещенное состояние, которое может сжечь транзистор. Схема может быть управляема следующим образом.
Таблица 4
ВходА
Вход В
Правый мотор
Низкий
Низкий
Остановлен
Высокий
Низкий
Вращается вперед
Таблица 4 (окончание)
ВходА
Вход В
Правый мотор
Низкий
Высокий
Вращается назад
Высокий
Высокий
Запрещенное состояние•
Перечень элементов и компонентов мостовой схемы И
IC1 - интегральная микросхема с вентилем 4011-4 «И - НЕ» (CMOS [КМОП-структура]).
Q1-Q5 - транзисторы Дарлингтона TIP 122 NPN-типа.
R1-R5 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
М - электродвигатель постоянного тока (до 500 мА).
Из рис. 3.2.25 ясно, что с добавлением в схему пятого транзистора и логической системы можно избежать этого запрещенного состояния.
В этом случае мостовая схема будет действовать так.
Тоблицо 5
ВходС
входе
Электродвигатель
Низкий
Высокий
Вращается вперед
Высокий
Высокий
Вращается назад
X (не имеет значения)
Низкий
Остановлен
Такую же мостовую схему можно собрать, использовав одинаковые биполярные транзисторы BD135 (500 мА) или TIP31 (2 А) (рис. 3.2.26).
Рис. 3.2.26. Мостовая схема Н с биполярными транзисторами общего назначения
Использование коробки передач
Механическую часть Robcom можно было бы улучшить, применив коробки передач (рис. 3.2.27). Коробки передач повышают КПД и позволяют достичь более компактной конструкции. Коробки также могут передавать крутящий момент колесам (как сделанным из компакт-дисков, так и взятым из игрушек).
Обыкновенные
Рис. 3.2.27. Коробки передач могут быть использованы для передачи крутящего момента
Дистанционное управление
Начав с изучения идей этого раздела, вы можете легко встроить беспроводной пульт дистанционного управления в конструкцию боевого робота. Небольшие модели передатчика/приемника, аналогичные показанным на рис. 3.2.28,
вполне подходят для этой задачи. При беспроводном дистанционном управ* лении необходимо пользоваться различными частотами, особенно применяемыми соперниками. Если два робота будут работать на одной и той же частоте, из-за взаимных помех планируемая схватка может не состояться.
^ЗМ8О6*”«^п^^
Современные технологии
Наличие настоящих боевых роботов - реальность наших дней. Военные роботы могут заменять человека в бою, использоваться для перевозки грузов, в спасательных операциях или любых опасных для человека местах.
Проект 3.
Использование широтно-импульсной модуляций управления электродвигателем (РШМ)
Введение
Широтно-импульсная модуляция управления электродвигателем (PWM) очень эффективна для управления скоростью вращения и крутящего момента небольших электродвигателей постоянного тока. Приделав к электродвигателю постоянного тока управление PWM, начинающий гений сможет разработать много интересных проектов с дистанционно управляемым движением.
Приведенный в книге основной вариант проекта может быть использован для управления небольшими электродвигателями постоянного тока 3-12 В и потребляющими ток до 500 мА.
Некоторые усовершенствования в основном проекте могут расширить диапазон как тока, так и напряжения.
Зедами
Главная задача этого проекта - дать начинающему гению источники для управления небольшими электродвигателями в механотронных изделиях. Предлагаем краткий перечень проектов с использованием PWM:
автоматический подъемник;
автоматическое окно;
говорящая голова;
вентилятор;
модель автомобиля.
Само собой разумеется, что, задействовав творческие способности, начинающий гений сможет применить управление PWM и в других проектах.
Как работает проект
Существуют два способа управлять небольшими электродвигателями постоянного тока. Самый простой - управление посредством питания, приложенного к нагрузке при помощи реостата, соединенного проводами последовательно с электродвигателем (рис. 3.3.1). Такая схема управления называется линейной.
ЭлектродвигательЭлектродвигательРис. 3.3.1. Самый простой способ управления посредством питания, приложенного к нагрузке, - подключить последовательно в цепь регулируемый резистор (варистор)Рис. 3.3.1. Самый простой способ управления посредством питания, приложенного к нагрузке, - подключить последовательно в цепь регулируемый резистор (варистор)
Электродвигатель
Электродвигатель
Рис. 3.3.1. Самый простой способ управления посредством питания, приложенного к нагрузке, - подключить последовательно в цепь регулируемый резистор (варистор)
Рис. 3.3.1. Самый простой способ управления посредством питания, приложенного к нагрузке, - подключить последовательно в цепь регулируемый резистор (варистор)
Вместе реостат и нагрузка составляют так называемый делитель напряжения. Если изменяется сопротивление реостата, то напряжение, приложенное к электродвигателю, также изменяет последовательно его скорость вращения и крутящий момент.
Главный недостаток этого вида управления заключается в том, что ток, потребляемый электродвигателем, проходит и через реостат. Поэтому чем большее количество тока потребляется электродвигателем, тем большее количество тепла генерируется в реостате. Другая проблема заключатся в том, что электродвигатель представляет собой непостоянную нагрузку, поэтому схема, задействованная в управлении электродвигателем, может работать нестабильно, особенно на низких скоростях. Очень трудно сделать запуск электродвигателя плавным и при этом обеспечивать постоянный крутящий момент во время работы.
Электродвигатели являются непостоянной нагрузкой в силу того, что меняют свои электрические характеристики при изменении скорости вращения и крутящего момента. На практике при осуществлении линейного управления реостат применяется не для прямого управления током, проходящим через электродвигатель, а для управления током, проходящим через базу транзистора (рис. 3.3.2).
Рис. 3.3.2. Основной поток токо, проходящий через электродвигатель, управляется транзистором
Следовательно, реостат рассеивает меньше тепла, а большую часть тепла рассеивает транзистор, управляющий основным потоком тока в электрической схеме. В этой книге мы объясним подробно, как строить прибор линейного управления, известный также под названием «электронный реостат».
Вторым этапом создания прибора линейного управления будет прибор, использующий принцип управления при помощи PWM. Поскольку это намного более эффективный способ управления количеством энергии, прикладываемой к нагрузке, то он широко применяется в такой распространенной бытовой радиоэлектронной аппаратуре, как компьютеры, телевизоры, видеомагнитофоны и т.п. Управление PWM также часто называют управлением импульсного источника питания (SMPS). В основе управления PWM лежит использование прямоугольного импульса напряжения, питающего электродвигатель (рис. 3.3.3). Количество энергии, прикладываемой к электродвигателю, зависит от продолжительности каждого импульса или рабочего цикла, управляющего напряжением. Если продолжительность импульса равна интервалу между импульсами, мы говорим, "что рабочий цикл составляет 50% и средняя мощность, приложенная к нагрузке, тоже 50% (рис. 3.3.3а).
Если же продолжительность импульсов растянута, то средняя мощность, приложенная к электродвигателю, возрастает в такой же пропорции. На рис. 3.3.36 мы видим, что происходит, когда действие идет по этому сценарию.
Средняя мощностьСредняя мощностьРис. 3.3.3. Принцип действия управления РШМРис. 3.3.3. Принцип действия управления РШМ
Средняя мощность
Средняя мощность
Рис. 3.3.3. Принцип действия управления РШМ
Рис. 3.3.3. Принцип действия управления РШМ
Легко увидеть, что управление шириной импульсов может изменить среднюю мощность, приложенную к электродвигателю или любой другой нагрузке. Процесс, используемый для управления шириной импульсов, приложенных к нагрузке, называется широтно-импульсной модуляцией (PWM) управления мощностью.
Учитывая все сказанное, мы можем обратиться к практическим примерам применения управления PWM. Основная схема для осуществления PWM на практике дается на рис. 3.3.4.
Биполярный (или другой) транзистор подключается к генератору с переменным рабочим циклом. Во время работы генератора транзистор включается
Рис. 3.3.4. В качестве переключателя, включающего и выключающего ток, проходящий через электродвигатель, используется транзистор
и выключается на частоте генерирования, прикладывая мощность в виде прямоугольной волны к электродвигателю. Обратите внимание, что когда транзистор включен, то сопротивление между эмиттером и коллектором может считаться равным нулю и мощность на нем не генерируется. (Мощность - продукт падения напряжения и тока, а поскольку напряжение практически равно нулю, то и мощность, естественно, также равна нулю.) Когда же транзистор выключен, то поток тока через него не проходит и рассеянная мощность тоже равна нулю.
В действительности транзистор не может переходить из состояния «включено» к состоянию «выключено» или наоборот достаточно быстро, чтобы избежать генерирования тепла.
Транзистору необходимо ограниченное время для изменения своего состояния. Кроме того, важно отметить, что в схеме данного вида при переключении генерируется тепло. Однако по сравнению с теплом, генерируемым в схемах линейного уравнения, оно достаточно небольшое.
Другое преимущество управления PWM выявляется при управлении электродвигателями постоянного тока: электродвигатели с управлением PWM обеспечивают более постоянный крутящий момент в течение скоростного режима работы.
Основной просит
Управление PWM для небольших электродвигателей постоянного тока может быть использовано в различных проектах с применением деталей и частей общего назначения. Наш основной проект использует интегральную микросхему 555 общего назначения с устойчивой схемой, запускающей транзистор средней мощности PNP-типа (рис. 3.3.5).
Модулятор PWM
Рис. 3.3.5. Основная схема управлений РШМ
Эта схема не является реальной схемой PWM, а только квази (ложной) PWM. Используя всего лишь несколько элементов и компонентов, мы можем собрать простую схему, которая будет работать, исходя из основного принципа, и будет вполне достаточна для осуществления наших целей. В конце проекта мы дадим другие варианты для желающих создать более сложные проекты с применением данного вида схемы.
Схема состоит из интегральной микросхемы 555-таймера, работающей в устойчивом режиме. Схема генерирует мощность в виде прямоугольной волны с частотой, изменяемой в соответствии с переменной продолжительностью импульсов (рис. 3.3.6).
t - постоянная величина
Рис. 3.3.6. В нашей схеме и ширина импульса, и частота изменяются
Результат состоит в том, что хоть средняя частота и изменяется (что не происходит при реальном управлении PWM), ширина импульса также изменяется. Вот почему мы называем эту схему управления квазисхемой
управления PWM. Поэтому мы получаем возможность управлять скоростью вращения и крутящим моментом электродвигателя в диапазоне 0-90%.
Средняя частота определяется конденсатором С1. Конструктор может выбрать конденсатор, который согласуется с характеристиками электродвигателя. Конденсаторы с низкой емкостью могут выдавать очень высокие частоты, и электродвигатель не отреагирует на сигналы. Эффективность (КПД) в этом случае упадет, и электродвигатель даже не запустится.
Вместе с тем конденсаторы с очень низкой емкостью могут вызвать вибрацию электродвигателя или работу с толчками на низких скоростях вращения. Читатель должен поэкспериментировать, чтобы выбрать наилучший конденсатор в диапазоне емкостей, предложенных в тексте, и к тому же хорошо согласующийся с характеристиками используемого электродвигателя.
Схема может работать от источника питания в диапазоне 5-12 В, а электродвигатель способен запускаться с током до 500 мА. В разделе усовершенствований этой главы мы предложим схемы, которые могут запускать более мощные электродвигатели.
Как собрать схему управления РШМ
На рис. 3.3.7 показана принципиальная схема управления PWM, использующая интегральную микросхему 555IC.
Рис. 3.3.7. Базовая принципиальная схема управления РШМ
Читатель может смонтировать схему на небольшой печатной плате (РСВ) (рис. 3.3.8).
Несомненно, начинающий гений может создать свой прототип платы, используя протоплаты или универсальные печатные платы (РСВ).
Транзистор нужно разместить на теплоотводящем радиаторе, а потенциометр должен быть соединен со схемой длинными проводами. Если электродвигатель предполагается разместить далеко от блока управления, то схему лучше смонтировать вблизи от электродвигателя, а не от потенциометра.
^ataHausI^!.
Рис. 3.3.8. Небольшая печатная плата со смонтированный но ней электронными элементами и компонентами управления РШМ
Проверка и использование
Подсоедините управление к электродвигателю постоянного тока и источнику питания. Источник питания можно собрать из четырех батареек размером АА или D (с суммарным напряжением 6 В). Скорость вращения электродвигателя изменится, если мы покрутим потенциометр. Обратите внимание, что на низких скоростях вращения электродвигатель будет вращаться медленно, но с хорошим крутящим моментом.
Если электродвигатель пытается вибрировать на низких скоростях или не может достигнуть скорости вращения, найдите конденсатор С1 с другой емкостью, который лучше будет согласован с характеристиками электродвигателя.
Перечень элементов и компонентов для схемы управления РШМ
IC-1 - интегральная микросхема 555IC.
Q1 - транзистор средней мощности, PNP-типа BD136 или эквивалентный (BD138, TIP32, TIP42 и т.п.).
D1 - кремниевый диод 1N4002.
RI, R2, R3 - резисторы на 1 кОм (коричневый, черный, красный).
Р1 - линейный потенциометр на 100 кОм (вращающийся или скользящий).
С1 - конденсатор 220 нФ - 0,47 мкФ, полиэфирный или электролитический.
С2 - электролитический конденсатор от 470 мкФ х 16 В, рабочее значение напряжения постоянного тока в вольтах (WVDC).
В1 - источник питания 5-12 В.
Ml - электродвигатель постоянного тока (5-12 В, до 500 мА).
Печатная плата, теплоотводящий радиатор для Q1, провода, припой и т.п.
Проекты
Используя управление PWM, можно собрать много интересных проектов. Вы можете применить этот способ для управления электродвигателем и в других проектах из этой книги, таких как Robcom.
На рис. 3.3.9 показано, как на основе предложенной схемы построить экспериментальный подъемник. S1 - переключатель, изменяющий направление вращения электродвигателя.
Рис 3.3.9. Простой подъемник, использующий уравнение РШМ
Коробку передач можно найти в игрушках, электронных устройствах или других механотронных изделиях и приборах. Вы можете снизить скорость вращения и увеличить крутящий момент системы при помощи резиновых жгутов (рис. 3.3.10).
Рис. 3.3.10. Уменьшение скорости вращения и увеличение крутящего момента электродвигателяРис. 3.3.10. Уменьшение скорости вращения и увеличение крутящего момента электродвигателяпри помощи резиновых жгутовпри помощи резиновых жгутов
Рис. 3.3.10. Уменьшение скорости вращения и увеличение крутящего момента электродвигателя
Рис. 3.3.10. Уменьшение скорости вращения и увеличение крутящего момента электродвигателя
при помощи резиновых жгутов
при помощи резиновых жгутов
Автоматическое окно
На рис. 3.3.11 показано, как использовать небольшой электродвигатель постоянного тока с коробкой передач и управлением PWM и построить автоматическую систему для управления оконной занавеской.
Очень важно на пути движения занавески не допустить выпуклостей и бугров (когда окно полностью открыто или закрыто), дабы исключить рывки и толчки при использовании переключателей для размыкания цепи.
Рис. 3.3.11. Автоматическое окно, использующее управление РШМ
Вентилятор
На рис. 3.3.12 мы видим, как можно преобразить небольшой настольный электрический вентилятор, используя управление PWM. Диапазон управления скоростью вращения вентилятором щирок и зависит от того, насколько сильный поток воздуха вам требуется.
Рис. 3.3.12. Управление небольшим вентилятором при помощи схемы РШМ
Увеличение мощности
На рис. 3.3.13 проиллюстрировано применение транзистора Дарлингтона для управления мощными электродвигателями. Транзистор TIP 122 может быть использован для управления электродвигателями до 2 А. Другие транзисторы, такие как TIP 140, могут быть использованы для управления электродвигателями до 4 А.
Силовой МОП-транзистор можно применить в схеме, не вызывая каких- либо видимых изменений. Помните, что для нормального управления нагрузкой силовой МОП-транзистор требует питания 9 В и более.
Рис. 3.3.13. Использование транзистора Дарлингтона для увеличения мощности
Реальное управление РШМ
Схема (рис. 3.3.14) использует два диода, расположенные таким образом, что происходящие в них изменения одновременно вызывают изменения ширины импульса и изменения в интервале между импульсами. Используя эту схему, можно обеспечить почти постоянную частоту, несмотря на изменения, происходящие в рабочем цикле.
Эта конфигурация лучше, чем та, которую мы предложили в качестве основного проекта. Выходной транзистор может быть транзистором средней мощности PNP-типа, таким как BD136 или транзистором Дарлингтона, если нужно управлять мощными электродвигателями.
Рис. 3.3.14. Принципиальная схема для управления РШМ
Перечень элементов и компонентов реальной схемы РШМ
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
Q1 - кремниевый силовой транзистор BD136 или TIP32 PNP-типа.
DI, D2, D3 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148 или 1N914.
RI, R2 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R3 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Р1 - потенциометр на 100 кОм.
С1 - конденсатор 0,047-0,47 мкФ.
С2 - конденсатор 0,1 мкФ.
Управляемый светом
Другой интересной идеей является идея постройки робота, который может следовать за источником света или, наоборот, избегать его. В этом случае из схемы убирают потенциометр и на его место ставят фоторезистор (LDR) (рис. 3.3.15).
В зависимости от местонахождения чувствительного элемента робот следует за светом или избегает его (рис. 3.3.16).
Для создания большей направленности и чувствительности для чувствительного элемента нужно поместить фоторезистор в трубку из непрозрачного картона, на входе которой находятся конвергентные - сходящиеся в одной точке - линзы (рис. 3.3.17).
Рис. 3.3.15. При замене потенциометра но фоторезистор LDR скорость вращения электродвигателя управляется потоком света, падающего но чувствительный элемент
Рис. 3.3.18. ЦАП может использоваться для управления скоростью вращения электродвигателя при помощи компьютера
ЭлектродвигательЭлектродвигательЭлектргухвигательЭлектргухвигательРис. 3.3.16. Движение робота, следующего за источником светаРис. 3.3.16. Движение робота, следующего за источником светаИсточник светаИсточник светаРис. 3.3.17. Установка фоторезистора внутрь картонной трубки с конвергентными линзами увеличивает чувствительность и направленностьРис. 3.3.17. Установка фоторезистора внутрь картонной трубки с конвергентными линзами увеличивает чувствительность и направленность
Электродвигатель
Электродвигатель
Электргухвигатель
Электргухвигатель
Рис. 3.3.16. Движение робота, следующего за источником света
Рис. 3.3.16. Движение робота, следующего за источником света
Источник света
Источник света
Рис. 3.3.17. Установка фоторезистора внутрь картонной трубки с конвергентными линзами увеличивает чувствительность и направленность
Рис. 3.3.17. Установка фоторезистора внутрь картонной трубки с конвергентными линзами увеличивает чувствительность и направленность
Современные технологии ,
Управление PWM применяется в промышленном оборудовании для обеспечения скорости вращения электродвигателей в рамках заранее заданных величин. Точность управления и применение чувствительных элементов с обратной связью для мониторинга скорости позволяет схемам PWM быть лидерами в этой области.
У правление при помощи компьютера
Схема на рис. 3.3.18 может быть использована для преобразования логического уровня порта ввода/вывода компьютера в напряжение. Этот цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (DAC) может использоваться для управления скоростью электродвигателя в соединении с управлением PWM.
Проект 4.
Ионный двигатель
Эксперименты и проекты, использующие высокое напряжение, всегда впечатляют. Главной задачей проекта, предлагаемого вашему вниманию, является создание фантастического двигателя, называемого ионным. Такие двигатели уже существуют и применяются во второстепенных операциях, не требующих большой мощности, в космосе. Возможно, они станут двигателями ракетных кораблей в будущем. Много других проектов и экспериментов может быть выполнено с использованием этой схемы, взятой за основу.
Ионные двигатели используются за пределами земной атмосферы, в космическом пространстве, поскольку создаваемой ими энергии достаточно для работы в вакууме. Это самые быстроходные двигатели, которые может построить человек. Поток ионов, высвобождаемых двигателем, теоретически может разогнать космический корабль до 80000 км/сек.
К сожалению, в действительности ионные двигатели слабы, и потребуется много недель или даже лет, чтобы разогнать космический корабль до высоких скоростей. Тяга большого ионного двигателя составляет не более нескольких грамм.
NASA (Американское космическое агентство) упорно работает над созданием мощных двигателей, но период экспериментов, к сожалению, затягивается надолго. Потребуется много лет, пока появится двигатель с мощностью, достаточной для запуска большого космического корабля.
В настоящее время ионные двигатели используются только для изменения положения спутников на орбитах и проведения коррекции в траектории их полета.
Все, что мы предлагаем, это экспериментальный ионный двигатель, который вы можете построить для миниатюрного космического корабля. На рис. 3.4.1 показан космический корабль со встроенной неоновой лампой, который движется по круговой траектории при помощи тяги потока ионов.
В этом проекте начинающий гений научится тому, как монтировать схему высокого напряжения для создания потока ионов в двигателе и как построить механическую систему для космического корабля.
^ataHaus,^.
Рис 3.4.1. Построенный автором космический корабль с небольшой неоновой лампой. Помпа светится, когда поток ионов тянет космический корабль
Задачи
Определенно, работающая миниатюрная модель космического корабля с ионными двигателями является очень привлекательным проектом для демонстрации искусства начинающего гения в механотронике.
Главные задачи проекта:
продемонстрировать работу ионного двигателя;
показать практическое применение точечного эффекта;
проделать эксперименты при помощи очень высокого напряжения (VHV);
показать справедливость закона Ньютона в космическом пространстве.
Внимание! Схема работает и находится под очень высоким напряжением. Необходимо предпринять все возможные меры предосторожности во избежание случайного соприкосновения частей тело с защищенными фрагментами схемы. Следует обращаться со схемой очень осторожно. Запрещается трогать любую часть схемы, находящуюся под напряжением!
Ионные двигатели
Ионные двигатели работают в соответствии с таким известным на протяжении многих столетий явлением, как точечный эффект. Электрические заряды на проводящем теле, например твердом проводнике, в силу длительного действия электрических сил имеют склонность собираться на его границах. Это явление известно под названием оболочкового эффекта. Если тело имеет сферическую шарообразную форму (рис. 3.4.2), то электрические заряды равномерно распределяются по поверхности.
Рис. 3.4.2. Заряды равномерно распределены по поверхности сферы
Электрическое напряжение - причина накопления зарядов на границах тела - зависит от плотности заряда и электрического поля. Мы можем только констатировать, что электрическое напряжение пропорционально квадрату плотности заряда. Это означает, что электрическое напряжение нелинейно (если вы удвоите поле, то напряжение будет умножено на 4).
Сочетая оболочковый эффект с нелинейностью напряжения, мы сможем понять, почему электрическое поле сильнее в крутых переходах твердого проводника, получая в результате точечный эффект. Заряды стремятся накапливаться в крутых переходах проводника (рис. 3.4.3).
. Рис. 3.4.3. Точечный эффект
Связанное с этим важное явление под названием «пробой» - часть этого процесса, которое следует учитывать наших схемах. Когда напряжение зарядов, находящихся в крутых переходах тела, достигает достаточно высокой величины, происходит пробой. Воздух становится токопроводящим, и заряды могут быть вытеснены в жидкий движущийся поток. Наука, изучающая такую жидкость в движении, называется электрогидродинамикой (EHD).
Но если движение зарядов достаточно сильно, чтобы вызвать столкновение частиц, несущих заряды (то есть в воздухе), это приведет к повышению температуры, исчезновению электронов и появлению света. Тогда воздух вокруг крутых переходов тела станет плазмой.
В соответствии с природой газа уровни энергии электронов различны, что приводит к эмиссии (выделению) цветного света. Так, неон даст оранжевый
цвет, воздух - желтый, красный или голубой в соответствии с уровнем энергии, задействованным в процессе. Заряды переносятся в частицы окружающего воздуха, а затем отбрасываются, производя силу, которая может быть использована для движения космического корабля.
В соответствии с законом Ньютона сила, используемая для отбрасывания зарядов, превращается в равную силу, действующую в обратном направлении. С помощью этой силы движется космический корабль (рис. 3.4.4).
Поток ионов
Рис. 3.4.4. Закон Ньютона объясняет; как действует ионный двигатель
Несмотря на то что энергия, высвобождаемая в процессе, очень мала, скорость, генерируемая таким видом движения (при помощи заряженных частиц), колоссальна - 80000 км/сек!
Конечно, если мы сочетаем очень низкую мощность с очень высокой скоростью, мы должны построить космический корабль, движущийся в космосе в течение многих лет с фантастической скоростью. Космическому кораблю с ионным двигателем потребуются многие годы для достижения скорости около 10000 км/сек (36000000 км/час) - утверждают специалисты, разрабатывающие двигатель, который будет применен для исследований других солнечных систем.
Кок роботост нош проект
Наша основная схема состоит из мощного силового генератора Хартлея и одного транзистора. Эта схема обеспечивает напряжение до 30 кВ, достаточное, чтобы питать космический корабль. В генераторе Хартлея катушка служит и как нагрузка, и как контур с обратной связью, обеспечивая процесс генерирования схемы (рис. 3.4.5).
Нагрузка, запараллеленная с конденсатором СЗ, образует настраиваемый контур, который вместе с разветвленной схемой определяет частоту генерирования. Схему можно настроить на узкую полосу частот при помощи потенциометра. Этот прибор позволяет пользователю найти оптимальную частоту. Фактически потенциометр служит в проекте в качестве ускорителя.
Катушка, играющая роль нагрузки для генератора, также является первичной обмоткой высоковольтного трансформатора.
В нашем первом проекте мы использовали формирующий трансформатор из старого телевизора. Тщательно осмотрите его и найдите непокрытую часть сердечника. В этой части мы должны сделать первичную обмотку. Различные формирующие трансформаторы могут быть найдены в системе Information Unlimited (http://wwiyamazing! .com /transformers.htm).
Высокое напряжение
Рис. 3.4.5. Часть высвобождаемой энергии превращается в высокое напряжение, питающее космический корабль. Другая часть используется как обратная связь для обеспечения генерирования схемы
В качестве транзистора можно применить мощный силовой транзистор MJE15004, PNP-типа. При помощи этого транзистора можно манипулировать высоким напряжением и токами, обеспечиваемыми схемой.
Источник питания состоит из трансформатора, двух диодов и фильтрующего конденсатора. Трансформатор понижает напряжение линии питания до 12 В. Это напряжение затем выпрямляется диодами D1 и D2 и фильтруется конденсатором С1. Другое назначение трансформатора - питать, по крайней мере, три усилителя для обеспечения стабильной мощности, подаваемой схемой.
Как производить монтаж электронной схемы
На рис. 3.4.6 показана принципиальная диаграмма основного варианта электронной схемы.
(*) См. текст
Рис. 3.4.6. Электронная схема для ионного двигателя
Собранная схема достаточно проста и состоит из компонентов, которые можно легко достать (рис. 3.4.7). Данная схема полностью смонтирована, и ее можно устанавливать в деревянную коробку.
Рис. 3.4.7. (отовоя к проверке схема на рабочем столеРис. 3.4.7. (отовоя к проверке схема на рабочем столе
Рис. 3.4.7. (отовоя к проверке схема на рабочем столе
Рис. 3.4.7. (отовоя к проверке схема на рабочем столе
Рис 3.4.9. Электронная схема размещена в деревянной коробкеРис 3.4.9. Электронная схема размещена в деревянной коробке
Рис 3.4.9. Электронная схема размещена в деревянной коробке
Рис 3.4.9. Электронная схема размещена в деревянной коробке
Транзистор должен быть установлен на теплоотводящий радиатор. Формирующий трансформатор Т2 должен быть такого типа, который изготавливается без схемы-утроителя, использующей диоды и конденсаторы. Этот тип трансформатора защищен пластиковым покрытием для избежания любого контакта с сердечником. Поэтому невозможно подключить первичную обмотку, нужную для проекта.
Первичная обмотка изготавливается из 8+8 или 12+12 витков обычного провода сортамента от 20 до 26 с пластиковым покрытием (рис. 3.4.8).
Потенциометр Р1 должен быть с проволочной обмоткой, потому что через базу транзистора про
ходит сильный ток.Рис. 3.4.8. Детали первичной
обмотки тронсформатороТ2обмотки тронсформатороТ2Требуемое количество витков провода зависит
обмотки тронсформатороТ2
обмотки тронсформатороТ2
от формирующего трансформатора. Вам придется поэкспериментировать, чтобы найти их оптимальное количество. Резистор R1 имеет проволочную обмотку.
Проверяя работу схемы, можно изменить значения емкостей конденсаторов С2 и СЗ для нахождения наилучшего режима работы. Конденсатор С2 может иметь емкость 0,01-0,1 мкФ, а СЗ может быть конденсатором емкостью 0,1-0,56 мкФ.
Все компоненты, укладываются в деревянную коробку (рис. 3.4.9). Силовой транзистор установлен на теплоотводящий радиатор, а трансформатор надежно крепится к коробке при помощи винтов. Коробка, используемая в проекте, имеет габариты 22х22х 15 см. Подобные коробки обычно используются для хранений дискет.
4 Создание роботов в дом. усл.
Формирующий трансформатор также размещается в коробке и надежно крепится винтами. Высоковольтное оконечное устройство пропускается neJ рез отверстие в крышке коробки таким образом, чтобы оно могло обеспечивать питание космическому кораблю.
Плавкий предохранитель на 2 А обеспечивает защиту цепи от короткого замыкания или других обстоятельств.
При монтаже обратите внимание на правильное размещение таких поляризованных элементов, как транзистор, диоды и электролитические конденсаторы. Любое случайное смещение положения компонентов и частей может привести к тому, что схема сгорит. Длина проводов должна быть точно отмерена, чтобы не допустить каких-либо провисаний. На рис. 3.4.10 показано, как размещаются части и компоненты.
Рис. 3.4.10. Соединение частей и компонентов схемы. Кои видим, печатной плата в донном случае не нужна
Не забудьте и провод заземления - отрезок обычного провода длиной 3 м, подсоединенного к одной из боковых горизонтальных высоковольтных клемм формирующего трансформатора. Для поиска наиболее подходящей для этого клеммы читателю придется поэкспериментировать.
Проверке высоковольтной схемы
После того как вы тщательно проверите все соединения и убедитесь, что все в норме, можете включать питание схемы. Мягкий гул даст знать, что схема работает и генерируется высокое напряжение.
Поместите флуоресцентную лампу мощностью 5-40 Вт вблизи высоковольтной клеммы, и она начнет светиться благодаря присутствию высоковольтного поля. Это самый надежный способ проверить схему.
Перечень элементов и компонентов для высоковольтной схемы
Q1 - мощный кремниевый транзистор MJE15004, NPN-типа.
DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды 1N5404.
R1 - проволочный резистор 100 кОм х 5 Вт.
Р1 - проволочный потенциометр на 1 кОм.
С1 - электролитический конденсатор на 4,7 мкФ х 25 В.
С2 - конденсатор с полиэфирной пленкой или керамический на 0,022 мкФ.
СЗ - конденсатор с полиэфирной пленкой или керамический на 0,47 мкФ.
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласующейся с сетью переменного напряжения, и вторичной обмоткой, согласующейся с центральным отводом на 12+12 В х 3 А (СТ).
Т2 - формирующий трансформатор (см. текст).
S1 - переключатель однополюсный на одно направление SPST (прилагаемый на выбор к Р1).
F1 - двухамперный плавкий предохранитель с держателем.
Печатная плата, теплоотводящий радиатор, винты, ручка для потенциометра Р1, припой, силовой кабель, провода, деревянная коробка и т.п.
Космический корабль
Более простой и более легкий космический корабль может быть изготовлен с использованием неоновой лампы (рис. 3.4.11).
Преимуществом неоновой или ксеноновой лампы от карманного фонаря является то, что они светятся во время работы схемы, когда космический корабль движется по круговой траектории.
Рис. 3.4.11. Космический корабль с неоновой лампойРис. 3.4.11. Космический корабль с неоновой лампойОдин вывод лампы припаян к опоре, а другой - к контактному штырьку (рис. 3.4.11). Очень важно, чтобы каждое место пайки было закруглено и не имело каких-либо точек. Наличие точки на какой-либо части космического корабля может вызвать утечку ионов, о которой говорилось в предыдущем разделе. Утечка снизит эффективность работы двигателя или вообще его остановит, если поток устремлен в направлении, противоположном движению.
Рис. 3.4.11. Космический корабль с неоновой лампой
Рис. 3.4.11. Космический корабль с неоновой лампой
Вы можете придумать разные типы космических кораблей. Мы предлагаем приспособить систему к миниатюрному желобковому
Рис. 3.4.12. Ионный двигатель может быть приспособлен к миниатюрному желобковому гоночному автомобилю из «Звездных войн»Рис. 3.4.12. Ионный двигатель может быть приспособлен к миниатюрному желобковому гоночному автомобилю из «Звездных войн»гоночному автомобилю из сериала «Звездные войны» (рис. 3.4.12) или Star Trek’s Enterprise.
Рис. 3.4.12. Ионный двигатель может быть приспособлен к миниатюрному желобковому гоночному автомобилю из «Звездных войн»
Рис. 3.4.12. Ионный двигатель может быть приспособлен к миниатюрному желобковому гоночному автомобилю из «Звездных войн»
Но помните, что ионный двигатель слаб, и если миниатюрный желобковый гоночный автомобиль недостаточно легок, то он или будет двигаться очень медленно, или же не будет двигаться совсем. Поэтому делайте свой корабль максимально легким.
Опора космического корабля состоит из куска жесткого провода (американского кабельного сортамента 16 или 14) длиной 15-20 см. Провод кре
пится на прочной основе. Я использую небольшую шайбу или прокладку в месте закрепления (рис. 3.4.13).
Рис. 3.4.13. Коновна или желобок, по которой движется космический корабльРис. 3.4.13. Коновна или желобок, по которой движется космический корабльКанавка в космическом корабле должна быть подогнана к опорному проводу. Очень важно точно определить точку на космическом корабле, где будет сделана канавка. Когда космический корабль отделяется от провода, они оба должны быть идеально выпрямлены.
Рис. 3.4.13. Коновна или желобок, по которой движется космический корабль
Рис. 3.4.13. Коновна или желобок, по которой движется космический корабль
Вы можете использовать небольшой шарик на противоположном конце провода в качестве балансировочного грузика.
Необходимо принимать во внимание и то, чтобы на проводе не было никаких металлических и заостренных элементов. Единственным заостренным элементом должна быть игла на ионном двигателе действующего космического корабля. На рис. 3.4.14 показана завершающая опора для космического корабля.
Проверка
Установите космический корабль с опорой в рабочее положение. Корабль должен свободно перемещаться по круговой траектории. Включите питание. Мягкий гул укажет на то, что схема работает и генерирует высокое напряжение. Неоновая лампа в корабле (если она используется) должна светиться.
Если вы, находясь в затемненном месте, начнете подстраивать потенциометр Р1, то увидите светло-голубую или красную флуоресценцию на кончике штырька. Если космический корабль достаточно легок, он начнет двигаться.
Если движения не произойдет, подстройте потенциометр в такое положение, когда кончик штырька будет светиться сильнее, и космический корабль начнет двигаться. Скорость движения зависит от веса корабля и энергии, высвобождаемой высоковольтной схемой. Но если ваш космический корабль все еще не способен стартовать, уменьшите его вес и/или трение между кораблем или проводной опорой. Если потребуется, возьмите для опоры более легкий или более короткий провод.
Гонко в космосе
Вы можете устроить соревнование, чтобы посмотреть, кто из ваших товарищей построил самый быстрый космический корабль с ионным двигателем. Попытайтесь для всех участников ограничить длину опорного провода до 20 см. Тот, чей корабль пройдет по круговой траектории в течение 1 мин большее количество раз, выиграет гонку.
Углубленное изучение темы
Электронная схема, генерирующая высокое напряжение, может пригодиться и в других устройствах. Эксперименты с высоким напряжением очень интересны при изучении физики на уровне высшей школы. Ниже предлагают
ся следующие проекты.
Беспроводная флуоресцентная лампа
В этом проекте вы можете уподобиться электронному магу, заставляя светиться флуоресцентную лампу благодаря высоковольтному электрическому полю. Рекомендуется проводить эксперимент в затемненном месте, потому что свет лампы недостаточно силен. Возьмите лампу в руки (рис. 3.4.15) и близко поднесите к высоковольтному оконечному устройству. Лампа начнет светиться.
Рис. 3.4.15. Флуоресцентной ломтю светится вблизи генерируемого зпектричеоюго поля
Внимание! Не трогайте высоковольтное оконечное устройство во время эксперимента. Вы получите электрический удар. Помните, что хотя вы и работаете с высоким напряжением порядка 1 000 В. электрический разряд не смертелен. Однако, если вы прикоснетесь к любой части схемы во время роботы, можете получить сильный удор. который причинит рану или ожог.
Делая пассы вверх и вниз около лампы, вы увидите, что лампа светится только в тех местах, где вы проводили руками. Продемонстрируйте окружающим, что способны «управлять» электричеством в лампе, как настоящий маг.
Лестница Якоба
Классический эксперимент, показывающий действие высоковольтной искры, называется лестницей Якоба. Электрическая дуга начинается в небольшом зазоре между электродами высоковольтного источника. Она появляется вдоль двух отрезков жесткой проволоки при плавном увеличении разведения, то есть когда между удаленными концами создается большее расстояние, чем между начальными. Электрическое поле между отрезками будет уменьшаться по мере разведения концов.
Электрическая дуга будет затухать вблизи удаленных концов проволоки там, где поле, будучи недостаточно сильным, не сможет поддерживать разряд, и процесс начнется вновь. На рис. 3.4.16 показано, как разместить отрезки проволоки для демонстрации эксперимента.
Рис. 3.4.16. Эксперимент по разведению отрезков проволоки для получения наиболее выгодной петицииРис. 3.4.16. Эксперимент по разведению отрезков проволоки для получения наиболее выгодной петицииСтепень разведения зависит от генерируемого напряжения. Обратите внимание, что в нормальных условиях электрическая дуга может достигать 1 см на каждые 10 кВ.
Рис. 3.4.16. Эксперимент по разведению отрезков проволоки для получения наиболее выгодной петиции
Рис. 3.4.16. Эксперимент по разведению отрезков проволоки для получения наиболее выгодной петиции
Домашний удар молнии
Вопреки распространенному убеждению, внутри обычной лампы накаливания нет вакуума. Они заполнены благородными газами, такими как азот, аргон и неон. Это не дает лампе взорваться в условиях чрезвычайно низкого внутреннего давления, если лампочка сломается или упадет. Сжатый под низким давлением газ становится проводимым, если подключается относительно низкое напряжение. В результате газ ионизируется, и поток ионов уносит заряды от
лампы. Искры, покидающие нить накала, видны на рис. 3.4.17. Прикоснитесь к лампе пальцем, и искры сконцентрируются на том месте, где находится палец. Поскольку стекло - хороший изолятор, поток искр останется внутри лампочки и вы не почувствуете болевого воздействия.
Рис. 3.4.17. Искры, стремящиеся к пальцу автора, находятся внутри обычной лампы. Но боли не чувствуется, поскольку искры не могут вырваться за пределы стеклаРис. 3.4.17. Искры, стремящиеся к пальцу автора, находятся внутри обычной лампы. Но боли не чувствуется, поскольку искры не могут вырваться за пределы стеклаУчтите: чтобы нить накала создавала свет и тепло, необходимо, чтобы через нее проходил очень небольшой по величине ток. Нить накала действует только как излучающий ионы электрод. Для лучшего эффекта лампа должна иметь мощность не менее 150 Вт.
Рис. 3.4.17. Искры, стремящиеся к пальцу автора, находятся внутри обычной лампы. Но боли не чувствуется, поскольку искры не могут вырваться за пределы стекла
Рис. 3.4.17. Искры, стремящиеся к пальцу автора, находятся внутри обычной лампы. Но боли не чувствуется, поскольку искры не могут вырваться за пределы стекла
Электростатические эксперименты
Физические эксперименты с высоким напряжением можно было бы выполнять, применяя высоковольтный генератор ионного двигателя. Но в силу того, что многие эксперименты требуют постоянного напряжения, а электронная схема ионного двигателя генерирует переменное напряжение, необходимо к схеме подключать выпрямитель. На рис. 3.4.18 показан способ подсоединения высоковольтного выпрямителя.
Рис. 3.4.18. Подключение высоковольтного выпрямителя
Для схемы подходит любой высоковольтный кремниевый выпрямитель, рассчитанный на напряжение до 15 кВ. Подобный диод можно найти в старых телевизорах или видеомониторах. Как только вы подключите выпрямитель к ионному двигателю, сможете заряжать металлическую сферу или экспериментировать с электроскопом или другими приборами. (Простой электроскоп с металлическими пластинами может быть использован для обнаружения заряда объекта.)
Кросс-темы
Высоковольтные эксперименты хорошо согласуются с учебной программой по физике на уровне высшей школы. Начинающий гений-студент (и его учитель) может взять любой проект этого раздела со следующими кросстемами:
демонстрация точечного эффекта;
экспериментирование с ионизацией газа;
выполнение экспериментов с использованием искровых разрядов;
генерирование постоянного тока высокого напряжения для заряда объектов и выполнение электростатических экспериментов;
экспериментирование с расчетами, основанными на законе Кулона.
Дополнительные схемы и идеи
Высокое напряжение может быть сгенерировано из сети переменного тока разными способами. Ниже мы познакомим вас со схемами, которые могут быть использованы в экспериментах с ионными двигателями.
Мощные схемы
Я построил эту схему, чтобы продемонстрировать студентам и основной ионный двигатель, и искровой разряд в лампе (рис. 3.4.19).
Рис. 3.4.19. Проект с применением высоковольтного генератора, размещенного в деревянной коробке
Основной частью схемы является высоковольтный генератор, использующий интегральную микросхему (IC4093), комплементарный металлоксидный проводник (CMOS), а также биполярный транзистор NPN-типа. Нагрузкой для генератора является обмотка в ферритовом сердечнике обычного высоковольтного трансформатора (или формирующего трансформатора), аналогичного трансформаторам, использующимся в старых телевизорах и компьютерных мониторах. В данном варианте может быть использован трансформатор, применяемый в основном вариантов.
Низковольтные импульсы, создаваемые генератором, индуцируют (наводят) во вторичной обмотке очень высокое напряжение. Напряжение 10000- 30000 В индуцируется в обычных трансформаторах. Этого, при приложении к соответствующим электродам, достаточно для создания потока ионов.
Напряжение во вторичной обмотке зависит в большей степени от рабочей частоты генератора. Поэтому, вероятно, потребуется подстройка схемы. Эта Подстройка может послужить ускорителем для космического корабля. При изменении частоты и, следовательно, скорости производимый потоком ионов шум хорошо слышен и изменяется в диапазоне от баса до дисканта (то есть от низкой до высокой частоты).
Источник питания представляет собой трансформатор, который понижает напряжение переменного тока примерно до 15 В х 3 А. В то же самое время трансформатор ведет себя как изолирующий элемент между схемой и сетью питания, повышая безопасность, поэтому при прикосновении к любой точке схемы электрического удара вы не получите.
Низкое напряжение переменного тока во вторичной обмотке трансформатора выпрямляется диодами и фильтруется большим электролитическим конденсатором. Поскольку схема не опасна, то и для каскада питания не потребуется регулировки напряжения. Единственное, что потребуется, - это небольшой стабилизатор напряжения (7812) для питания интегральной микросхемы.
Интегральная микросхема IC4093 используется в качестве генератора (с четырьмя вентилями Шмитта по схеме «НЕ -И»). Один из вентилей сформирован как генератор с частотой, задаваемой конденсатором СЗ и контуром R, образованным из потенциометра Р1 и резистора R1. Потенциометр Р1 как раз и является элементом, управляющим ускорением ионного двигателя.
Генерируемая схемой прямоугольная волна, действующая в пределах диапазона 100-10000 П<, прикладывается к трем другим вентилям, сформированным в виде цифрового буферного усилителя. Питание на выходе этого каскада вполне достаточно для возбуждения транзисторов.
Выходной каскад сформирован двумя транзисторами: пусковым (TIP31) и высоковольтным силовым транзистором В11У69А. Вы можете поэкспериментировать с подбором замены для высоковольтного транзистора. Транзистор с коэффициентом усиления более 20 и максимальным напряжением более 200 В хорошо будет работать в схеме.
Возможно, вам захочется найти замену конденсаторам С2 и СЗ для получения оптимальных характеристик. Конденсатор С2" может иметь емкость
Рис. 3.4.20. Размещение компонентовРис. 3.4.20. Размещение компонентов0,01-0,1 мкФ, а СЗ 0,1-0,56 мкФ. Я использую обычно небольшую универсальную печатную плату, пригодную для монтажа интегральной микросхемы, а потом еще припаиваю с каждой стороны по оконечной полоске.
Рис. 3.4.20. Размещение компонентов
Рис. 3.4.20. Размещение компонентов
Другие электронные элементы, такие как диоды, силовой транзистор Q1 и некоторые резисторы, припаиваются к оконечной полоске. Все элементы и компоненты устанавливаются в деревянную коробку. На рис. 3.4.20 показана схема размещения компонентов.
Рис. 3.4.21. Первичной обмотка форммруощего трансформатораРис. 3.4.21. Первичной обмотка форммруощего трансформатораКаждый силовой транзистор устанавливается на теплоотводящий радиатор, а трансформатор надежно крепится к коробке винтами. Коробка имеет габариты 22x22x15 см и обычно используется для хранения дискет.
Рис. 3.4.21. Первичной обмотка форммруощего трансформатора
Рис. 3.4.21. Первичной обмотка форммруощего трансформатора
Формирующий трансформатор, взятый из старого телевизора или компьютерного дисплея, должен быть такого типа, в котором не используется схема утроителя с диодами и конденсаторами. Этот тип трансформатора защищен пластиковым покрытием во избежание контактов с сердечником. Поэтому невозможно подключить первичную обмотку, как это требуется в
проекте.
Первичная обмотка формируется из 10-12 витков обычного изолированного провода (рис. 3.4.21). Проверка на работоспособность проводится в
основном проекте.
Перецени элементов для мощной электронной схемы
IC1 - интегральная микросхема 4093 CMOS IC (КМОП).
IC-2 - интегральная микросхема, стабилизатор напряжения 7812 на 12 В.
Q1 - мощный кремниевый транзистор TIP31C, NPN-типа.
Q2 - мощный кремниевый транзистор ВЦУ69С, NPN-типа.
DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды 1N5404.
R1 - резистор 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, 1фасный).
R2 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
R2 - резистор 27 Ом х 1 Вт (красный, фиолетовый, черный).
Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 220 кОм.
С1 - электролитический конденсатор на 4,700 мкФ х 25 В.
С2 - конденсатор керамический или с полиэфирной пленкой на 4,700 пФ (пикофарад).
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласующейся с сетью переменного тока, и вторичной обмоткой на 12+12 В х 3 А с центральным отводом (СТ).
Т2 - формирующий трансформатор (такой же, как и в основном проекте).
S1 - переключатель однополюсный на одно направление SPST (прилагаемый на выбор к Р1).
F1 - двухамперный плавкий предохранитель на 2 А.с держателем.
Печатная плата, оконечная полоска, теплоотводящий радиатор, винты, ручка для потенциометра Р1, припой, силовой кабель, провода, деревянная коробка и т.п.
Релаксационная схеме, использующая кремниевый управляемый выпрямителе ($СЯ)
Другая схема, подходящая для ионного двигателя, показана на рис. 3.4.22.
На рис. 3.4.23 показаны основные компоненты, собранные и припаянные к оконечной полоске. Некоторые из вас, возможно, захотят смонтировать эту схему на печатной плате.
Высокое
Рис. 3.4.22. Релаксационный генератор создает высокое напряжение
Рис. 3.4.23. Небольшие компоненты могут быть припаяны к оконечной полоске
Схема проста, но имеет два существенных ограничения. Во-первых, схема получает питание от сети переменного тока, поэтому при работе надо
быть очень внимательным. Второе ограничение - частота, варьирующаяся в пределах нескольких килогерц в силу рабочих характеристик кремниевого управляемого выпрямителя (SCR).
Схема работает по следующему алгоритму. Конденсатор С1 заряжается через сеть переменного тока. В то же самое время конденсатор С2 заряжается через цепь Pl/R2, пока не будет достигнут уровень триггерного напряжения неоновой лампы. В этот момент триггер лампы включит выпрямитель SCR. Чередуя включенное и выключенное состояния, выпрямитель SCR позволит конденсатору С1 разряжаться через первичную обмотку формирующего трансформатора. А во вторичной обмотке наводится высоковольтный импульс.
После того как конденсатор разрядится до уровня, при котором ток, проходящий через SCR, станет устойчивым, выпрямитель отключится, и начнется новый процесс. Конденсаторы могут быть заряжены снова, чтобы генерировался новый высоковольтный импульс. Скорость повторного процесса определяется при помощи настройки потенциометра Р1.
L1 - первичная обмотка трансформатора, изготавливается из 8-15 витков провода сортамента от 18 до 22 с пластиковым покрытием на сердечнике формирующего трансформатора (как описано в основном проекте). Конденсатор С1 может иметь емкость 8-22 мкФ и напряжение свыше 200 В.
SCR не требует размещения на теплоотводящем радиаторе. Импульсы, генерируемые разряжающимся конденсатором, недостаточно длинные, чтобы производить большое количество тепла.
Вы можете заменить формирующий трансформатор автомобильной катушкой зажигания.
Перечень элементов и компонентов релаксационной схемы с $СЯ
SCR - кремниевый управляемый выпрямитель TIC106B(D) SCR.
DI - кремниевый выпрямительный диод 1N4OO4(7).
NE-1, NE-2H - малая неоновая лампа или эквивалент.
R1 - проволочный резистор 470 Ом X 10 Вт (1 кОм х 10 Вт).*
R2 - резистор 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R3 - резистор 15 кОм х 1/8 Вт (коричневый, зеленый, оранжевый).
С1 — электролитический конденсатор на 8-32 мкФ х 200 В.
С2 - конденсатор керамический или с полиэфирной пленкой на 0,18 мкФ х х 100 В.
9.10.9.10.11.11.Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 100 кОм.
9.
10.
9.
10.
11.
11.
S1 - переключатель однополюсный на одно направление SPST (прилагаемый на выбор к Р1).
Т1 - формирующий трансформатор.
Оконечная полоска, силовой кабель, провода, припой, ручка для Р1, деревянная коробка, держатель плавкого предохранителя и т.п.
Схема с кремниевыми диодами для переменного тока (ЯМС)
Кремниевые диоды для переменного тока (SIDAC) - элементы с отрицатель^ ным сопротивлением и с характеристиками, подобными характеристикам неоновой лампы. Главная их особенность состоит в том, что они являются твердотельными полупроводниковыми приборами и при триггерном запуске могут проводить ток.
Рис. 3.4.24. высомоеольтхый генератор, использующий в своей схеме SIDAC
Релаксационный генератор, подобно генератору из проекта SCR, можно легко сформировать (рис. 3.4.24).t
Схема может получать питание от сети переменного тока 117 В или 220/ 240 В в соответствии с используемым SIDAC. Принцип работы прост для понимания: конденсатор С1 заряжается через цепь R1/P1, пока не будет достигнут уровень триггерного напряжения SIDAC. При триггерном запуске конденсатор разряжается через первичную обмотку трансформатора, генерируя высоковольтный импульс во вторичной обмотке.
Первичная обмотка трансформатора изготовлена так же, как и в проекте с SCR: 8-12 витков обычного провода с пластиковой изоляцией. Вы можете заменить формирующий трансформатор на автомобильную катушку зажигания, как было сделано в проекте с SCR.
Перечень элементов и компонентов схемы с применением SIDAC
SIDAC - кремниевые диоды для переменного тока NTE7419 (ПО В), K1200G (НО В) или K2400G (220 В).
D1 -^кремниевый выпрямительный диод 1N4OO4(7).
R1 - проволочный резистор 1 кОм х 10 Вт (2,2 кОм х 10 Вт)*.
С1 - электролитический конденсатор на 8-32 мкФ х 200 В (400 В)*.
Т1 - формирующий трансформатор (см. текс/).
Силовой кабель, оконечная полоска, деревянная коробка, ручка для потенциометра Р1 и т.п.
Современные технологии
Ионные двигатели пока не находят практического применения на Земле, да и в космосе их применение очень ограничено. Созданные двигатели очень маломощны и используются только для изменения положения или коррекции траектории космического корабля на орбите. Единственным космическим кораблем с ионной двигательной установкой был корабль Deep Space 1, запущенный NASA в 1991 г. (рис. 3.4.25).
В настоящее время проводятся исследования по
Рис. 3.4.25. Ионный космический корабльРис. 3.4.25. Ионный космический корабльразработке мощныхразработке мощныхионных двигателей или двигателей, которые можно долго эксплуатировать. С таким двигателем можно будет за 1 год разогнать космический корабль до релятивистской скорости (скорости, близкой к скорости света в вакууме). Но это - дело далекого будущего.
Рис. 3.4.25. Ионный космический корабль
Рис. 3.4.25. Ионный космический корабль
разработке мощных
разработке мощных
Эти корабли могут быть использованы для исследования далеких солнечных систем, которых невозможно достичь на обычных космических кораблях. NASA уже разработало планы по строительству таких летательных аппаратов.
Проект 5.
Экспериментальный гальванометр
Гальванометры - чувствительные приборы, способные обнаруживать (детектировать) электрический ток. Когда начинающий гений создаст свой гальванометр, то сможет идентифицировать (опознать) несколько механотронных изделий и провести эксперименты с альтернативными источниками энергии и фотоэлектрическими элементами.
Предлагаемый основной вариант гальванометра может обнаружить токи величиной в несколько микроампер, а с помощью электронного усилителя обнаруживает даже более слабые токи. Высокая чувствительность, достигаемая с помощью дополнительной схемы, хорошо подходит для следующих проектов:
постройки детектора лжи;
идентификации энергии от экспериментальных источников;
постройки детектора для обнаружения света/темноты.
В проекте используется только несколько компонентов, добытых в основном из старых электронных устройств и бытовых приборов. В силу своей простоты проект идеален для начинающих гениев, а также учителей, которые хотят сделать уроки более интересными.
Кросс-темы проекта были использованы автором в школе, где он преподает.
На рис. 3.5.1 показано, как ученики младших классов собирают гальванометры для экспериментов по детектированию электрического тока. Эксперименты могут иметь различную степень трудности в зависимости от образовательного уровня учеников.
Задачи
Хотя детектирование тока гальванометром - очень забавная штука, при монтаже прибора необходимо учитывать некоторые важные моменты.
Предлагаем изучить следующие темы:
как обнаружить электрический ток;
что нового открыл Эрстед в области электричества;
как построить альтернативные источники энергии;
принцип действия настоящих гальванометров.
Рис. 3.5.1. Ученики монтируют гальванометр
Кок он роботост
Датский профессор Ганс Христиан Эрстед открыл, что электрический ток может создать магнитные поля.
. В своем эксперименте он разместил металлический провод вблизи компаса (рис. 3.5.2).
Рис. 3.5.2. Эксперимент Эрстеда
Когда переключатель замкнули, текущий по проводу электрический ток создал магнитное поле - достаточно сильное, чтобы отклонить стрелку компаса. Стрелка отклонилась и остановилась в положении, параллельном силовым линиям магнитного поля (то есть перпендикулярно полю) (рис. 3.5.3).
В результате этого эксперимента исследователи обнаружили, что если провод скрутить в катушку, то внутри него может сконцентрироваться магнитное поле (рис. 3.5.4).
Рис. 3.5.3. Стрелка отклонилась, заняв положение, перпендикулярное проводу
Рис. 3.5.4. Максимальная величина магнитного поля внутри катушки (соленоида)
Как вы уже поняли, электрический ток способен отклонять стрелку, со; здавая детектор электрического тока. Этот вид прибора называется гальванометром. Современные аналоговые гальванометры состоят из движущихся катушек, расположенных между полюсами магнита (рис. 3.5.5).
Когда электрический ток протекает по катушке, магнитное поле взаимодействует с полем постоянного магнита, создавая силу, которая стремится повернуть катушку. Сила и смещение катушки пропорциональны количеству тока и, следовательно, смещению стрелки вдоль шкалы.
Наш гальванометр в своем основном варианте очень прост, но может быть усовершенствован в соответствии с умением и воображением читателя. Хотя чувствительность нашего гальванометра высока, подключение электронной системы может значительно повысить уровень его чувствительности так, что он сможет обнаруживать токи силой всего несколько микроампер.
^alatiaus.^
МагнитМагнитРис. 3.5.5. Ьльеомометр с подвижной катушкойРис. 3.5.5. Ьльеомометр с подвижной катушкой
Магнит
Магнит
Рис. 3.5.5. Ьльеомометр с подвижной катушкой
Рис. 3.5.5. Ьльеомометр с подвижной катушкой
Постройка гальванометре
На рис. 3.5.6 показана последовательность постройки гальванометра. Катушку изготавливают, наматывая провод на любой цилиндрический предмет диаметром 7-10 см. Вы можете использовать любой имеющийся под рукой провод. Выбирайте провода с пластиковой оболочкой (сортамента от 22 до 26) или эмалированные (сортамента от 22 до 28). Не используйте очень тонких проводов, так как они не способны удержать стрелку.
Рис. 3.5.6. Основной вариант гальванометра
Рис. 3.5.7. (ольеонометр, готовый к использованиюРис. 3.5.7. (ольеонометр, готовый к использованиюКоличество витков провода в катушке определит чувствительность и электрические характеристики гальванометра. Я рекомендую делать 20- 50 витков в зависимости от марки провода. Для того чтобы витки платно примыкали друг к другу, перевяжите их тесьмой или клейкой лентой. Затем катушка помещается на лист картона или деревянную дощечку. Для фиксации можно использовать клей или клейкую ленту.
Рис. 3.5.7. (ольеонометр, готовый к использованию
Рис. 3.5.7. (ольеонометр, готовый к использованию
Винту используются для закрепления оконечного устройства, соединяющего катушку с внешней схемой или прибором. Снимите крышку с оконечного устройства и соедините концы катушки с клеммами оконечного устройства. С эмалированного провода необходимо соскоблить эмалевое покрытие, поскольку оно действует как изолятор. В этих целях используйте перочинный ножик" или резак для проводов.
Следующий этап - подготовка стрелки (иголки). Найдите иголку длиной 5-7 см. Чтобы намагнитить, потрите ее о магнит. Затем
привяжите к одному концу иголки хлопчатобумажную нить, другой конец нити привяжите к катушке, отрегулировав равновесие иголки.
Иголка должна находиться в центре катушки, не касаясь ее. На рис. 3.5.7 показан готовый гальванометр.
Перечень элементов и компонентов основного гальванометре
Провод длиной от 1 до 15 м (см. текст).
1 игла длиной 5-7 см.
1 оконечное устройство с винтами.
Лист картона размером 12x12 см.
Тесьма, клейкая лента, клей и т.п.
Проверка гальванометра
Простая схёма, которая позволяет определить чувствительность гальванометра (рис. 3.5.8).
Вначале подстройте потенциометр на максимальную величину сопротивления. Это означает, что нужно будет передвигать движок все время направо. Используйте потенциометр на 10 кОм, ток щупа должен быть около 0,3 мА, или 300 мкА.
Рис. 3.5.8. ИспьггательноА схема для гальванометра
Прикоснитесь к оконечному устройству гальванометра проводом со щупом от батарейного кожуха (рис. 3.5.8) и посмотрите, отклонилась ли стрелка. Если она движется, значит, ваш гальванометр достаточно чувствителен, чтобы детектировать ток ниже 300 мкА.
Если стрелка не движется, передвиньте движок потенциометра на несколько градусов левее - примерно 2/3 полного оборота. После этого сопротивление упадет примерно до 7000 Ом.
Ток щупа станет несколько меньше 0,5 мА, или 500 мкА. Повторите тест.
Если стрелка движется, это означает, что гальванометр имеет чувствительность около 0,5 мА. Если это не так, уменьшите еще немного сопротивление потенциометра, увеличивая тестовый ток.
Установите движок на 1 /3 полного сопротивления, это положение соответствует диапазону 3500 Ом. Учитывая допуска компонентов, вы будете иметь ток щупа примерно равным 1 мА. Повторите тест и посмотрите, отклоняется ли стрелка. Если она движется, то чувствительность вашего гальванометра равна 1 мА. Если нет, увеличьте ток снова.
Теперь сделайте сопротивление потенциометра равным 0, единственным сопротивлением в цепи останется только резистор R1. При напряжении питания в 3 В ток щупа будет равным 6 мА. Повторите тест. Стрелка должна двинуться снова. Если этого не произойдет, перестройте гальванометр, намотайте больше провода на катушку и проверьте нить, на которой подвешена иголка.
Для точности проверки параллельно подключите в схему универсальный тестер и удостоверьтесь точно, какой ток он обнаруживает. На рис. 3.5.9 показано, как это можно сделать.
Перечень элементов и компонентов проверочной схемы гальванометра
В1 - 2 батарейки размера АА напряжением 3 В (и кожух).
R1 - резистор 330 Ом х 1/8 Вт (оранжевый, оранжевый, коричневый).
Р1 - линейный потенциометр на 10 кОм.
Провода, припой, оконечная полоска и т.п.
Идеи для экспериментов
Эксперименты с гальванометром делятся на две группы: использование гальванометра для детектирования альтернативных источников питания и использование гальванометра как части других проектов.
Кросс-темы
Для представления кросс-тем использовали гальванометр в качестве детектора простых альтернативных источников энергии в некоторых экспериментах. На рис. 3.5.10 показаны два химических альтернативных источника энергии. На рис. 3.5.10а изображен элемент, сделанный из лимона или другого цитрусового. Электроды изготовлены из разных материалов, таких как медный (положительный электрод) и цинковый или алюминиевый (отрицательный электрод). Напряжение, получаемое от этого элемента, составляет 0,3- 1 В в зависимости от вида металла, из которого изготовлены электроды.
На рис. 3.5.106 изображен элемент, сделанный из двух монет. Они должны быть из разных металлов: медь, алюминий, серебро и т.п. Серебряная монета в паре с алюминиевой могут дать примерно 1 В. Бумага, проложенная между
Рис. 3.5.10. Элементы кок альтернативные источники энергии
монетами, смочена в соленом растворе. Прикасаясь выводами этого элемента к оконечному устройству гальванометра, мы увидим, что стрелка гальванометра движется, свидетельствуя, что элемент вырабатывает напряжение.
Другим источником энергии, при помощи которого можно проверить гальванометр, является фотоэлемент, применяющийся в калькуляторах. Прикасаясь к оконечному устройству гальванометра проводами, идущими от источника энергии (фотоэлемента), и выставив его на свет, можно увидеть, что стрелка движется.
Под конец вы можете использовать небольшой электродвигатель для генерирования электроэнергии от движения (см. раздел «Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генераторами»). На рис. 3.5.11 показан способ проведения эксперимента.
Рис. 3.5.11. Испольэоеонио небольшого электродвигателя постоянного тока в качестве динамо- машины (генератора постоянного тока)
Увеличение чувствительности
Хотя основной элемент гальванометра достаточно чувствителен для обнару- жения токов в несколько микроампер, вы можете увеличить его чувствительность, подключив к нему электронный усилитель.
Схема состоит из одного транзистора и может быть размещена на оконечном устройстве. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 3.5.12.
Этот транзистор позволяет гальванометру стать тестером чувствительной непрерывности и даже детектором лжи. Тока величиной всего несколько
Рис. 3.5.12. Использование усилителя для увеличения чувствительности гальванометра
микроампер (1-10 мкА, в зависимости от чувствительности гальванометра) вполне достаточно, чтобы привести в движение стрелку. На рис. 3.5.13 показано, как монтировать схему, используя оконечную полоску.
Рис. 3.5.13. Компоненты припаяны к оконечной полоске
Вы можете проверить чувствительность схемы, подсоединив ко входу потенциометр на 1 мОм. Проверьте схему, помещая движок потенциометра в разные положения, и определите минимальное сопротивление, вызывающее движение стрелки.
Использование гальванометра в качестве детектора лжи основано на явлении изменения электрического сопротивления кожи человека, когда он находится в состоянии стресса и нервничает - скажем, во время допроса. Движение стрелки обнаружит небольшие изменения в электрическом сопротивлении кожи.
Чтобы на основе гальванометра создать детектор лжи, сделайте следующее. Изготовьте два электрода из двух металлических стержней, которые, плотно обхватив, будет держать в руках испытуемый. Человек должен быть уверен в работе схемы. Он будет оказывать постоянное давление на электроды, чтобы
не дать стрелке отклониться и не быть изобличенным во лжи. На рис. 3.5.14 проиллюстрировано использование гальванометра в качестве детектора лжи.
Рис. 3.5.14. Использование гальванометра в качестве детектора лжи
Следующий раздел посвящен созданию мощного усилителя для увеличения чувствительности вашего детектора.
Используя схему в качестве компонентного тестера (тестера непрерывности), вы должны подсоединить щупы тестера ко входу компонента. Если проверяемый компонент имеет сопротивление ниже 100 кОм, стрелка отклонится. В противном случае (например, если в схеме есть обрыв), стрелка будет находиться в состоянии покоя.
Перечень элементов и компонентов усилителя
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 или 2N2222, NPN-типа.'
R1 - резистор 100 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, коричневый).
R2 - резистор 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
В1 - 2 батарейки размера ДА напряжением 3 В (держатель).
G1 - гальванометр.
Оконечная полоска, провода, щупы и т.п.
Дополнительные схемы и идеи
Основной проект гальванометра может быть усовершенствован или использован в других целях. Предлагаем несколько вариантов проекта на ваш выбор.
Использование компасе
На рис. 3.5.15 показано, как разнообразить конструкцию, используя компас. Для катушек применили эмалированный провод сортаментом AWG 30 или 32, намотанный на картонные формы с размерами, показанными на рис. 3.5.15.
Обратите внимание на то, что провод второй катушки должен тянуться в том же направлении, что и провод первой. Иначе магнитные поля, созданные обеими катушками, уничтожат друг друга, и гальванометр не будет работать.
Направление намотки проводаНаправление намотки проводаРис. 3.5.15. Использование компаса в качестве гальванометраРис. 3.5.15. Использование компаса в качестве гальванометра
Направление намотки провода
Направление намотки провода
Рис. 3.5.15. Использование компаса в качестве гальванометра
Рис. 3.5.15. Использование компаса в качестве гальванометра
Мощный усилители
Мощный усилитель из двух транзисторов увеличивает чувствительность гальванометра в 10000 раз.
Транзисторы формируют пару Дарлингтона. Входное сопротивление очень высокое, что усиливает чувствительность схемы.
Перечень элементов и компонентов мощного усилители
QI, Q2 - кремниевые транзисторы общего назначения ВС548 или 2N2222, NPN-типа.
R1 - резистор 100 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, коричневый).
R2 - резистор 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
В1 - 2 батарейки размера АА напряжением на 3 В (держатель).
PPI, РР2 - щупы.
G1 - гальванометр.
Оконечная полоска или печатная плата, провода, припой и т.п.
На рис. 3.5.17 показаны схемы, которые могут быть применены для увеличения чувствительности гальванометра. На схеме рис. 3.5.17а использованы два взаимно дополняющих друг друга транзистора NPN- и PNP-типа. На рис. 3.5.176 в схеме использован транзистор Дарлингтона.
Рис. 3.5.17. Схемы усилителей для гальванометра
Чувствительный элемент для обнаружения света/ темноты для биоэнергии
Фоторезисторы (LDR) являются чувствительными элементами для обнаружения света. Они могут быть использованы для обнаружения света и темноты в экспериментах, использующих гальванометр как индикатор. Простая схема для обнаружения света показана на рис. 3.5.18.
ДетекторДетектор
обнаруженияобнаружения
темноты • света (фотодетектор)
Рис. 3.5.18. Обнаружение света при помощи экспериментального гальванометра
Установите батарейки в держатель и направьте иглу гальванометра в положение, перпендикулярное плоскости катушки. Осветите электрическим фонариком фоторезистор. В результате этого стрелка отклонится, указывая на обнаружение света чувствительным элементом.
Перечень элементов и компонентов фотодетектора
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 или 2N2222, NPN-типа.
LCR - фоторезистор общего назначения LDR (Light dependent resistor).
RI - резистор 100 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, коричневый).
R2 - резистор 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
В1 - 2 батарейки размера ДА напряжением на 3 В (и держатель).
G1 - гальванометр.
Оконечная полоска, провода, припой и т.п.
Машино «перпетуум-мобиле», или «вечный двигатель»
Схема (рис. 3.5.19) обеспечивает движение стрелки гальванометра в равных промежутках времени. Время между импульсами может быть подстроено потенциометром Р1. Поскольку потребление тока очень мало, схема может запускать гальванометр и обеспечивать движение в течение месяцев. Это, конечно же, квази (ложная) машина «перпетуум-мобиле».
Рис. 3.5.19. Сеема машины «перпетуум-мобиле*
Вы можете приделать к иголке какую-нибуць забавную фигурку, вырезанную из цветного материала, чтобы превратить ее в движущуюся (рис. 3.5.20). Машина «перпетуум-мобиле» по идее должна работать без использования какой- либо энергии. В прошлом многие люди верили, что такую машину можно построить. Но, конечно, закон сохранения энергии не позволяет этого сделать.
Рис. 3.5.20. Движущаяся фигура
Для проверки схема может быть установлена на печатную плату. Лучшее выполнение движения может быть найдено путем коррекции относительно магнитного поля земли. Если игла стремится двигаться очень быстро, увеличьте значение сопротивления резистора R4.
Перечень элементов и компонентов машины «перпетуум-мобиле»
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558, PNP-типа.
RI, R2 - резистор 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
R3 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
R4 - резистор 220 Ом х 1/8 Вт (красный, красный, коричневый).
С1 - электролитический конденсатор на 1-10 мкФ х 12 В.
Р1 - потенциометр точной подстройки.
В1 - 4 батарейки размера АА напряжением на 6 В (и держатель).
G1 - гальванометр.
S1 - переключатель однополюсный на одно направление SPST.
Печатная плата, припой и т.п.
Современные технологии
Аналоговые, или механические, гальванометры больше не используются в современных устройствах. В настоящее время устаревшая технология с подвижными катушками со стрелками встречается только в древних машинах. Подавляющее большинство современных детекторов и индикаторов - цифровые. Механические части в них уже не используются. Поэтому они гораздо реже выходят из строя и могут работать в любом положении.
Идеи для экспериментов
найдите старые гальванометры в старом оборудовании и используйте их в экспериментах, описанных в нашей книге;
сконструируйте механическую систему, приводящую в движение стрелку относительно шкалы, и установите ее внутрь катушки.
Проект 6.
Поэкспериментируем с электромагнитом
Эксперименты с электромагнетизмом легко выполнимы при использовании простых самодельных электромагнитов.
Небольшие металлические предметы вроде лезвий, гвоздей, канцелярских скрепок, винтов и т.п. будут притягиваться магнитной силой, создаваемой электромагнитами.
Основной вариант электромагнита, описанный ниже, может быть применен во многих экспериментах и технических устройствах. Только два компонента используются в этом недорогом проекте. Это проект, рекомендуемый начинающим гениям, которые захотят поэкспериментировать с электромагнетизмом и создать что-нибудь несложное. Другие варианты, включая подковообразный электромагнит, будут описаны ниже.
Задачи
Смонтируйте экспериментальный электромагнит.
Изучите, как он работает.
Разберитесь в принципе работы некоторых устройств с электромагнитами.
Постройте несколько механотронных проектов с использованием электромагнитов.
Просит
Принцип работы схемы основан на открытии, сделанном датским профессором Эрстедом в 19 в. Эрстед обнаружил, что во время прохождения электрического тока через проводник вокруг него появляется магнитное поле. Более подробно об открытии Эрстеда можно прочитать в предыдущем разделе, где описываются эксперименты с гальванометрами.
Коротко можно сказать, что если через проводник протекает ток большой силы, то и поле будет достаточно сильным, чтобы отклонить стрелку компаса, располагая ее в плоскости, перпендикулярной к проводнику (рис. 3.6.1).
Магнитное поле может быть сконцентрировано, если провод (проводник) выполнить в виде катушки. Протекая через катушку, электрический ток может создать сильное магнитное поле внутри нее. На рис. 3.6.2 показано, что поле сильнее внутри катушки.
Рис. 3.6.2. Магнитное поле внутри соленоида (катушки), пересеиоемое электрическим током
Металлические предметы, помещенные в центр катушки, останутся намагниченными, притягивая к себе металлические части. Самое интересное, что магнитное поле существует только во время подачи электрического тока. Как только ток отключится, магнитное поле исчезнет и металл притягиваться не будет.
Наша простая модель включает в себя небольшой электромагнит с питанием от батарейки D. Поле достаточно сильно, чтобы притягивать мелкие металлические части.
Монтаж схемы с электромагнитом
Схема очень проста, необходимы только два компонента.
Принципиальная схема электромагнита показана на рис. 3.6.3.
На рис. 3.6.4 показаны компоненты, входящие в состав схемы, и принцип их соединения.
Электромагнит изготовлен при помощи навивки 100-500 витков эмалированного провода сортамента от 28 до 32 AWG вокруг небольшого гвоздя или винта. Может быть использован любой железный гвоздь или винт длиной 2-3 дюймов.
Покрытие с провода необходимо соскоблить резаком, перочинным ножом или другим острым инструментом. Эмаль является изолятором, который не позволит току течь от провода к полюсам батарейки.
В качестве источника питания выбрана батарейка размера D, так как схема электромагнита потребляет большое количество тока и батарейки размера АА быстро разрядятся.
Рис. 3.6.4. Электромагнит, эолитыеовмый от батарейки D, поднимает гвоздьРис. 3.6.4. Электромагнит, эолитыеовмый от батарейки D, поднимает гвоздьПроверка и использование
Рис. 3.6.4. Электромагнит, эолитыеовмый от батарейки D, поднимает гвоздь
Рис. 3.6.4. Электромагнит, эолитыеовмый от батарейки D, поднимает гвоздь
Использовать электромагнит очень просто. Подключите провода, идущие от электромагнита, к полюсам батарейки. Проверьте, чтобы на концах проводов не было изоляции и имелся нормальный контакт с полюсами батарейки. Помните, что если расположить электромагнит вблизи небольших металлических частей, то он будет притягивать их.
Не используйте электромагнит в течение длительного периода времени.
Если ток течет через катушку долее нескольких секунд, то катушка сильно нагреется и может сгореть. Поэтому включайте электромагнит только во время демонстрации на очень короткое время и тут же выключайте.
Перечень компонентов схемы электромагнита
В1 - батарейка D (см. текст).
L1 - электромагнит (см. текст).
5 Создание роботов в дом. усл.
Другие ворианты проекте
На рис. 3.6.5 показано, как улучшить или изменить работу электромагнита, применив другие материалы.
Рис. 3.6.5. Другие варианты электромагнитаРис. 3.6.5. Другие варианты электромагнитаЖелезо/стальЖелезо/стальНаправление намоткиНаправление намотки
Рис. 3.6.5. Другие варианты электромагнита
Рис. 3.6.5. Другие варианты электромагнита
Железо/сталь
Железо/сталь
Направление намотки
Направление намотки
Питание электромагнита от другого источника
Если ваш электромагнит запитывается от источника с напряжением 3-6 В, подключите к схеме резистор на 22 Ом х 1 Вт последовательно с электромагнитом. Этот резистор ограничит поток тока через катушку и не даст ей перегреться.
Постройка крана
Механотронная модель крана с использованием электромагнита показана на рис. 3.6.6. В этой модели можно использовать управление PWM для контроля подъема и опускания электромагнита. Для захвата и освобождения предметов применяется однополюсный переключатель S1.
Рис. 3.6.6. Мехонотронный крон, использующий электромагнит для перемещения мелких металлических частейРис. 3.6.6. Мехонотронный крон, использующий электромагнит для перемещения мелких металлических частей
Рис. 3.6.6. Мехонотронный крон, использующий электромагнит для перемещения мелких металлических частей
Рис. 3.6.6. Мехонотронный крон, использующий электромагнит для перемещения мелких металлических частей
Извлечение из бутылки
Задайте своим друзьям или родителям следующий остроумный тест. Поставьте пустую бутылку с металлической скрепкой на дне (сюда также подойдут и гайка и винт) на стол. Разбросайте вокруг небольшие предметы, например карандаш, лист бумаги, ложку, соломинки для коктейля, небольшие гвозди, 3 метра эмалированного провода (сортаментом от 28 до 32 AWG), монеты, скрепки, хлопчатобумажные тряпки, спички, батарейку размера D и т.п.
Задача заключается в том, что с помощью этих предметов нужно вытащить скрепку из бутылки, не передвигая бутылку, не дотрагиваясь до нее. Кроме того, ее нельзя переворачивать и сбрасывать со стола.
Конечно же, первым делом возникает мысль сделать из металлических скрепок или гвоздей какое-то подобие крючка, привязать к нему провод, опустить все это в бутылку и попытаться вытащить лежащую на дне скрепку.
После многих неудачных попыток все удивятся, когда вы возьмете гвоздь, намотаете на него провод, создав хороший электрический контакт, а другой конец подключите к батарейке, создав по сути электромагнит. Когда вы опустите магнит в бутылку, он легко притянет к себе скрепку, после чего вы спокойно и непринужденно извлечете скрепку из бутылки, и задача будет реше-
Кросс-темы
Продемонстрируйте окружающим, что магниты притягивают только определенные виды металлов. Они не могут притягивать детали из таких материалов,
как медь или алюминий. Объясните, почему бумага, стекло, пластмасса и другие материалы не притягиваются магнитами. На рис. 3.6.8 показан простой эксперимент по намагничиванию с помощью индукции. Вы можете притянуть скрепку отверткой во время подачи питания к электромагниту.
СкрепкаСкрепкаРис. 3.6.8. Отвертка, используемая для демонстрации намагничивания путем индукцииРис. 3.6.8. Отвертка, используемая для демонстрации намагничивания путем индукции
Скрепка
Скрепка
Рис. 3.6.8. Отвертка, используемая для демонстрации намагничивания путем индукции
Рис. 3.6.8. Отвертка, используемая для демонстрации намагничивания путем индукции
Дополнительные схемы и идеи
В дополнение к основному проекту можно сконструировать несколько других схем. В следующем разделе предлагаются идеи на выбор.
Управление мощностью
Вы можете управлять силой тока в электромагните с помощью двух схем. Первая схема использует электронный потенциометр (см. проект 7), подключенный последовательно с электромагнитом. Подайте на схему питание напряжением 3-6 В, а затем подключите к ней резистор на 10 Ом х 1 Вт для ограничения тока (рис. 3.6.9).
Здо 6VЗдо 6VЭлектронный потенциометрЭлектронный потенциометр10П 1 W10П 1 WЭлектромагнитЭлектромагнит
Здо 6V
Здо 6V
Электронный потенциометр
Электронный потенциометр
10П 1 W
10П 1 W
Электромагнит
Электромагнит
Рис. 3.6.9. Использование линейного управления
Вторым вариантом является управление при помощи широтно-импульсной модуляции (PWM) (см. проект 3). И в этом случае вы имеете возможность ограничивать ток, применяя резистор на 10 Ом х 1 Вт. На рис. 3.6.10 показана схема с управляемым источником питания. Она имеет источник постоянного тока, использующий интегральную микросхему LM350T IC.
Как правило, сопротивление резистора R можно рассчитать для источника тока силой 50-500 мА в соответствии с размером магнита и требуемой мощностью. Для определения сопротивления тока надо поделить 1,25 (внутренняя ссылка интегральной микросхемы) на требуемую силу тока.
Специально для
Ш1айаи$Ж знание без границ' *
Подстройка Выход ВходПодстройка Выход ВходРис. 3.6.10. Источник постоянного токо для экспериментов с применением магнитовРис. 3.6.10. Источник постоянного токо для экспериментов с применением магнитовLM350JLM350J
Подстройка Выход Вход
Подстройка Выход Вход
Рис. 3.6.10. Источник постоянного токо для экспериментов с применением магнитов
Рис. 3.6.10. Источник постоянного токо для экспериментов с применением магнитов
LM350J
LM350J
Например, если вы пожелаете подать питание на магнит с силой тока 100 мА (величина, рекомендуемая для проекта), то сопротивление резистора R должно быть следующим:
R = 1,25 / 0,1 (100 мА = 0,1 А)
R = 12,5 Ом
Используйте резистор с сопротивлением 12,5 Ом х 2 Вт.
Вы можете взять микросхему LM350T для источников тока менее 3 А, но если ток превышает 200 мА, то микросхему необходимо установить на теплоотводящий радиатор.
На рис. 3.6.11 показано, как монтировать источник постоянного тока, используя в качестве шасси оконечную полоску.
Рис. 3.6.11. Использоеоние оконечной полоски для фиксирования небольших компонентов проекта
Перечень элементов и компонентов источнике постоянного токе
IC1 - интегральная микросхема LM350T.
DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды 1N4002.
Т1 - трансформатор; первичная обмотка, согласованная с напряжением 117 В сети переменного тока; вторичная обмотка, согласованная с 7,5+7,5 В или 9+9 В х 1 А.
С1 - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 16 В.
R - резистор в соответствии с током нагрузки (см. текст).
Силовой кабель, оконечная полоска, припой, провода и т.п.
Изменение полюсов
Попробуйте сделать интересный эксперимент для демонстрации изменения полюсов электромагнита посредством инвертирования (преобразования в обратную сторону) направления тока в его катушке (рис. 3.6.12).
Рис. 3.6.12. Изменение полюсов поксзывовт; что одноименные полюса отталкиваются, о разноименные притягиваются друг к другу
Если полюса противоположны, то электромагниты притянутся друг к другу. Если в одном из полюсов изменить направление тока, то полюса станут одноименными и электромагниты будут отталкиваться.
Однополюсные переключатели S1 и S2 используются для изменения направления тока, а резисторы для ограничения тока. Без переключателя и резисторов батарейки быстро разрядятся, и магнит перегреется.
Другой источник питания
На рис. 3.6.13 показан способ создания небольшого источника питания для экспериментальных магнитов. Для ограничения тока, проходящего через экспериментальные магниты, применяется резистор, имеющий низкое сопротивление и пропускающий ток большой силы. Благодаря предлагаемой схеме эксперимент будет безопасным, а батарейки защищены. Питание в этой схеме не регулируется, и напряжение будет изменяться в соответствии с нагрузкой. Поэтому для электронных устройств схема не подходит. Однако вы
^alaMausiflit знание без границ * *^alaMausiflit знание без границ * *
^alaMausiflit знание без границ * *
^alaMausiflit знание без границ * *
Т1 6V50-300 mAТ1 6V50-300 mAR 47-100 П 2WR 47-100 П 2WЭлектромагнитЭлектромагнитРис. 3.6.13. Простой источник питания для экспериментальных магнитовРис. 3.6.13. Простой источник питания для экспериментальных магнитовможете использовать ее для питания небольших электродвигателей, катушек-соленоидов и других устройств, которые выдерживают куда более широкий диапазон напряжений.
Т1 6V50-300 mA
Т1 6V50-300 mA
R 47-100 П 2W
R 47-100 П 2W
Электромагнит
Электромагнит
Рис. 3.6.13. Простой источник питания для экспериментальных магнитов
Рис. 3.6.13. Простой источник питания для экспериментальных магнитов
117V переменного тока
Современные технологии
Электромагниты являются важными элементами многих современных приборов и устройств. Наиболее типичные примеры - электродвигатели, реле и соленоиды.
В промышленном секторе применяются мощные электромагниты, перемещающие большие массы металла весом до нескольких тонн. Они очень эффективны для выполнения подобных задач, так как не нуждаются в крюках и другой такелажной оснастке для перемещения груза. Им нужно только место контакта с грузом для включения тока. Груз будет надежно прикреплен к электромагниту и перемещен в нужное место.
Идеи для углубленного изучения темы
придумайте конструкцию простого телеграфа с использованием электромагнитов;
поищите информацию об экспериментах Ампера с электромагнетизмом;
организуйте конкурс по постройке наиболее мощного электромагнита.
Проект 7.
Электронный потенциометр
Как уже было сказано в проекте 3, посвященном управлению электродвига-' телями при помощи широтно-импульсной модуляции (PWM), существует два типа управления электродвигателями: аналоговый и цифровой. Аналоговое управление распространяется на величину напряжения, прикладываемого к электродвигателю, тогда как цифровое управление занимается характеристиками импульсов, прикладываемых к электродвигателю.
PWM - вид цифрового управления, имеющий много преимуществ по сравнению с другими видами управления.
Но если вам нужен менее продвинутый способ, чтобы управлять скоростями небольших электродвигателей постоянного тока, светом ламп накаливания, намагничивающей силой соленоида или температурой нагревающего элемента, вы можете применить аналоговое управление.
Ниже мы расскажем об управлении аналоговой мощностью или просто электронном потенциометре, использующем всего три компонента. Вы можете поэкспериментировать и построить несколько механотронных устройств, основанных на проекте с этим видом управления мощностью. Это очень просто. Необходимо только подсоединить управление между постоянным источником питания, например батареей, и нагрузкой, которой надо будет управлять для осуществления контроля за током, протекающим через схему.
Задачи
Установить полное управление нагрузками постоянного тока, такими как электродвигатели, лампы, светоизлучающие диоды (LED) и т.п.
Провести эксперименты с нагрузками, которые требуют управления мощностью.
Построить механотронные проекты, использующие нагрузки постоянного тока, которые требуют управления мощностью (подъемники, гоночные автомобили и вентиляторы).
Как он работает
Для управления током, протекающим через нагрузку, в этом проекте используется обычный транзистор средней мощности NPN-типа. Управляющим элементом является угольный потенциометр.
Прежде чем вдаваться в подробности, выясним, в чем разница между потенциометром и реостатом. Реостат - это регулируемый резистор, подключенный к схеме, чтобы управлять силой тока в ней. Некоторые виды потенциометров специально сконструированы для использования в качестве реостатов. Этот вид прибора имеет.только два вывода (клеммы). Чтобы лучше понять принцип работы схемы, обратитесь к проекту 3 по использованию электродвигателей постоянного тока системой PWM.
Некоторые устройства требуют регулируемого резистора, который имеет три вывода. Когда мы подключаем компоненты, используя все три клеммы, мы говорим, что они работают как потенциометры. Потенциометр измеряет и делит напряжение. Но вместе с тем мы можем использовать и трехклеммный регулируемый реостат, задействуя только две клеммы (рис. 3.7.1).
AW
L
Нагрузка
OR
Рис. 3.7.1. Использование потенциометра в качестве реостата
Этот проект обычно управляет силой тока в схеме и требует только двух клемм, поэтому мы можем назвать его реостатом. Однако, поскольку мы берем электронный компонент, называемый потенциометром, за основу конструкции, мы имеем право назвать проект и электронным потенциометром. Читатель не ошибется, если будет использовать оба эти названия.
Сила текущего через потенциометр тока очень низка. Это означает, что рассеивание мощности тоже очень мало, поэтому нет нужды в специальном виде потенциометра, коим является проволочный потенциометр. В этой конструкции управляемое количество тока зависит главным образом от используемого транзистора. В данном проекте применяется транзистор BD135, который способен управлять током силой до 500 мА. Вы можете выбрать другой транзистор из табл. 6. Источник питания для схемы должен быть напряжением не выше 12 В.
Тоблицо6
Транзистор
Максимальный ток нагрузки
R1/R2
2N222, ВС548
100 мА
220 Ом / 1/2 Вт / 4,7 кОм
BD135, BD137, BD139
500 мА
100 Ом / 1 Вт / 1 кОм
TIP 31/А/В/С
2 А
100 Ом / 2 Вт / 1 кОм
2N3055
5 А
100 Ом / 5 Вт / 1 кОм
Кок построить электронный потенциометр
На рис. 3.7.2 показана принципиальная схема основного варианта электронного потенциометра, использующего кремниевый транзистор BD135 NPN-типа.
Вход О-Вход О--О Выход-О Выход
Вход О-
Вход О-
-О Выход
-О Выход
1WW1R1Р1
10001кО
Рис. 3.7.2. Принципиальной схема электронного потенциометра, использующеготранзистор NPN-типа
Поскольку в схему входит мало компонентов, они могут быть смонтированы на оконечной полоске (рис. 3.7.3).
Для лучшего отвода тепла транзистор необходимо монтировать на теплоотводящий радиатор, для этого подойдет любая небольшая металлическая пластина, прикрепленная винтом к транзистору. Однако если вы намерены управлять очень большой нагрузкой - свыше 1 А, используя мощные транзисторы, то лучше всего установить транзистор на большой теплоотводящий радиатор промышленного образца.
Если вы будете применять транзистор иной, чем рекомендован в основном проекте, то обязательно проверьте расположение выводов. В каждом транзисторе оно может быть разным (рис. 3.7.4).
Электронный потенциометр может быть размещен в небольшой пластмассовой коробке или в той же коробке, в которой находится сама схема. Для подключения электронного потенциометра к источнику питания и к управляемой схеме прилагаются оконечная полоска или пружинный схватывающий зажим типа «крокодил».
Использование потенциометра
Схема будет работать с входным напряжением 3-12 В и нагрузочным током величиной до 1 А. Подсоедините проводами входные выводы + и - к источнику
Рис. 3.7.3. Простейший способ монтажа компонентов — припаивание их к оконечной полоске
BD135/137/139BD135/137/139TIP31/A/B/CTIP31/A/B/CРис. 3.7.4. Расположение выводов эквивалентных транзисторовРис. 3.7.4. Расположение выводов эквивалентных транзисторов
BD135/137/139
BD135/137/139
TIP31/A/B/C
TIP31/A/B/C
Рис. 3.7.4. Расположение выводов эквивалентных транзисторов
Рис. 3.7.4. Расположение выводов эквивалентных транзисторов
питания. Тщательно проверьте правильность подключения, так как эти провода поляризованы. Выходные выводы + и - подсоедините проводами к нагрузке, которой нужно управлять.
Промониторьте потенциометр Р1, чтобы посмотреть, как изменяется количество энергии, приложенной к нагрузке.
Для тестирования потенциометра вы можете использовать небольшую лампу (12x200 мА). Изменение количества энергии вызовет изменение яркости свечения лампы.
Если при управлении нагрузкой транзистор перегревается, однако нагрузка не достигает максимальной мощности, то потенциометр использовать не следует. Потому что потребляемый нагрузкой ток больше максимального тока, обеспечиваемого потенциометром.
Перечень элементов и компонентов электронного потенциометра
Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD135 NPN-типа (см. текст).
R1 - 5-процентный резистор 100 Ом х 1 Вт (коричневый, черный, коричневый).
Р1 - угольный потенциометр на 1000 Ом.
Оконечная полоска, теплоотводящий радиатор для транзистора, ручка для потенциометра, пластмассовая коробка, провода, припой и т.п.
Идеи для экспериментов
Этот проект разработан не для автономного использования. Он сконструирован для подключения между источником питания и нагрузкой, которой необходимо управлять. На рис. 3.7.5 показан типичный случай использования электронного потенциометра.
Рис. 3.7.5. Использование электронного потенциометра
С помощью воображения и конструкторских навыков вы можете сами создать проект, управляемый этим потенциометром, а также придумать интересные эксперименты для освоения темы.
А вот то, что предлагаем мы.
Источник света для микроскопа
Большинство недорогих микроскопов используют отражающий свет» сфокусированный небольшим зеркалом или лампой. Часто они питаются от одной или двух батареек. Свет от этих источников неуправляем, что может быть неудобно для исследователя у микроскопа.
Хороший проект для гения, имеющего микроскоп, - построить к нему управляемый источник света, используя электронный потенциометр в качестве диммера (переключателя для уменьшения силы света). Полная схема для лампы 6 В х 200 мА показана на рис. 3.7.6.
Источником питания схемы могут послужить четыре батарейки размера АА или D. Другим источником питания может быть трансформатор, подключенный
Рис. 3.7.6. Использование электронного потенциометра кок светового диммера для микроскопа
в сеть переменного тока. Эта схема пригодна для выполнения экспериментов в области оптики, если вы - ученый-любитель или учитель, ищущий дешевое оборудование для лаборатории.
Управление небольшим нагревателем
Ваш электронный потенциометр может найти применение даже в биологии, где его можно использовать для создания определенного температурного режима для животных или для управления освещением, необходимым для роста растений.
В качестве нагревателя может быть использован проволочный резистор на 22 Ом х 10 Вт (рис. 3.7.7). Разместите его в ящике, где необходимо повысить температуру. Тепло может регулироваться потенциометром. Вы можете заменить резистор лампой и проводить эксперименты с ростом растений.
Рис. Ъ.1.1. Управление теплом
Простой подъемник
На рис. 3.7.8 показано, как использовать электронный потенциометр для управления скоростью механотронного подъемника. Переключатели применяются для изменения направления вращения электродвигателя.
Используйте коробку передач или другую механическую систему, чтобы снизить скорость вращения и увеличить крутящий момент электродвигателя.
Рис. 3.7.8. Использование потенциометра в работе подъемника
Красс-темы
Расчет рассеивания
С помощью электронного потенциометра вы можете показать ученикам, как закон Джоуля приложим к делителю напряжения. Каждый начинающий гений должен уметь рассчитать количество мощности, рассеиваемое транзистором, и количество мощности, подводимое к нагрузке под определенным напряжением. Для этой сугубо научной цели можно использовать простой тестер (рис. 3.7.9).
Рис. 3.7.9. Тестер, используемый для измерения напряжения, приложенного к нагрузке
Электронный потенциометр может использоваться для экспериментов в следующих областях:
закон Джоуля;
делитель напряжения;
соединение резисторов в последовательной цепи;
измерение крутящего момента электродвигателя.
Дополнительные схемы и идеи
Основные характеристики электронного потенциометра могут быть изменены и усовершенствованы несколькими способами.
Например, можно использовать более мощный транзистор Дарлингтона или интегральную микросхему. О других изменениях пойдет речь ниже.
Использование транзистора PNP-типа
Единственной разницей между схемой, использующей транзистор типа NPN, и схемой, использующей PNP-транзистор, является направление течения тока. На рис. 3.7.10 показан вариант монтажа схемы, в которой электронный потенциометр использует транзистор PNP-типа.
Для токов силой до 500 мА вы можете использовать транзисторы BD136/138 или BD140. Для токов силой до 2 А используйте транзистор TIP32 A/В или С. В любом случае транзистор должен быть установлен на теплоотводящий радиатор.
BD136 TIP32
^ R1 >470 0
V/VР11кО
Рис 3.7.10. Использование биполярного транзистора PNP-типа
Перечень элементов и компонентов электронного потенциометра, использующего транзистор PNP-типа
Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD136.
R1 - резистор 470 Ом х 1/2 Вт (желтый, фиолетовый, коричневый).
Р1 - линейный или логарифмический потенциометр.
Теплоотводящий радиатор для транзистора, провода, припой, печатная плата или оконечная полоска и т.п.
Использование транзистора Дарлингтона
Использование транзистора Дарлингтона позволяет потенциометру управлять более сильным током. Это означает, что создается меньшее количество
тепла, поэтому может быть использован транзистор (угольный) с низкими рассеивающими характеристиками. Для этой цели рекомендуется транзистор типа TIP115/116/117, который может управлять током силой до 1,25 А, и типа TIP120/121/122, который может управлять током до 3 А Помните, что при наличии более слабых токов нужно схемы опробовать (рис. 3.7.11).
Рис. 3.7.11. Электронный потенциометр, использующий транзистор Дарлингтона
Другая разновидность варианта - использование двух транзисторов Дарлингтона (рис. 3.7.12).
При использовании пары Дарлингтона потенциометр должен быть угольного типа, потому что сила протекающего через него тока очень мала.
Рис. 3.7.12. Два транзистора NPN-типа могут быть подогнаны друг к другу для формирования пары Дарлингтона
Перечень элементов и компонентов электронного потенциометре, использующего пору Дорлинггона
Q1 - транзистор Дарлингтона или пара Дарлингтона типа TIP115 или BC548/BD135.
R1 - резистор на 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
Р1 - линейный потенциометр.
. Печатная плата или оконечная полоска, провода, теплоотводящий радиатор для транзистора, припой и т.п.
Управление мощностью с использованием интегральной микросхемы 1М350ТIC
Управление напряжением может быть использовано как электронный потенциометр для управления количеством энергии (мощности), прикладываемой к нагрузке. Для этой цели мы будем использовать стабилизатор напряжения с тремя выводами в виде интегральной микросхемы LM350T IC.
Эта интегральная микросхема может подавать до 3 А на нагрузку, прикладывая напряжение 1,2-32 В.
На рис. 3.7.13 показано, как подключить эту микросхему к схеме для управления напряжением.
Рис 3.7.13. Интегральная микросхема 1М350Т в качестве электронного потенциометра
Главной особенностью схемы является то, что подстроечный вывод должен быть подключен к заземлению.
А значит, вместо двух выводов, применяемых в основном варианте, в данном случае мы будем иметь три вывода.
При применении схемы вы должны учитывать и возможное падение напряжения, равное примерно 2 В, на интегральной микросхеме. Это означает, что если вам необходимо 12 В для нагрузки, то напряжение на входе должно быть, по крайней мере, 14 В.
И наконец, мы должны заметить, что минимальное напряжение, приложенное к нагрузке, составляет не О В, а 1,2 В. Это объясняется внутренней ссылкой интегральной микросхемы, которая имеет в своем составе стабилитрон на 1,25 В.
Для случаев, когда требуется иметь минимальное напряжение О В, эта схема непригодна.
Перечень элементов и компонентов схемы управления мощностью* использующей интегральную микросхему 1М35ОТ
IC-1 - интегральная микросхема LM350T IC.
R1 - резисторы на 220 Ом х 1/2 Вт (красный, красный, коричневый).
Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 4,7 кОм.
Теплоотводящий радиатор для интегральной микросхемы, провода, припой и т.п.
Источник постоянного токе
Важным методом для управления токовой нагрузкой является применение источника постоянного тока.
Для электродвигателя постоянного тока возможно поддерживать постоянный поток тока, тем самым компенсируя изменения в нагрузке.
Поэтому при наличии источника постоянного тока мощность, приложенная к электродвигателю, не должна меняться с изменением нагрузки, когда электродвигатель вращается медленнее.
Схема для такого применения показана на рис. 3.7.14.
Подстройка
II
I Нагрузка |
II
Рис 3.7.14. Источник постоянного тока, используемый в кочестве потенциометра
Величина сопротивления R1 рассчитывается в соответствии с величиной максимального тока в нагрузке. Для этого расчета может быть использована следующая формула: R1 = 1,25 / I, где I - максимальный ток в нагрузке.
Важно заметить, что минимальный ток в нагрузке не равен 0, а определяется в зависимости от величины, на которое рассчитан потенциометр. Так, например, когда применяется потенциометр на 47 Ом, минимальный ток будет: I = 1,25 / 47 = 0,026 А = 26 мА.
В других схемах такой силы тока недостаточно, чтобы вращать или перегревать электродвигатель.
Напряжение на входе V. должно быть на 2 В больше номинального напряжения нагрузки. Так, например, для 6-вольтового электродвигателя постоянного тока V. должно равняться 8 В.
Интегральная микросхема LM350T IC должна быть установлена на радиатор теплоотвода, а максимальный ток нагрузки составлять 3 А.
Перечень элементов и компонентов с потенциометром постоянного токо
IC-1 - интегральная микросхема-стабилитрон LM350T IC.
R1 - проволочный резистор на 2,2 Ом х 1 В для электродвигателей, потребляющих 500 мА.
Р1 - проволочный потенциометр на 47 Ом.
Печатная плата или оконечная полоска, теплоотводящий радиатор для интегральной микросхемы, провода, припой, ручка для потенциометра и т.п.
Современные технологии
Линейное управление мощностью, подобное нашему электронному потенциометру, в настоящее время не распространено. Игрушки и лампы постоянного тока на приборных панелях автомобилей - вот примеры изделий, в которых используется этот вид управления. Управление при помощи PWM, описанное нами в проекте 3, и управление мощностью переменного тока, применяемое в лампах и электродвигателях, куда более эффективно.
Управление при помощи PWM и управление мощностью переменного тока основаны на применении генераторных схем или силовых полупроводников.
Проект 8.
Эксперименты с эоловыми (ветряными) генераторами
Альтернативные источники энергии являются темой многих международных исследований. По мере истощения природных источников энергии внимание ученых все более сосредотачивается на поиске новых источников, которые могут обеспечить нас недорогой энергией.
Одним из наиболее важных альтернативных источников энергии является ветер. Быстродвижущийся воздух (ветер) обладает достаточно большой силой, чтобы питать мощностью потребительские машины и приборы.
Энергия ветра по-другому еще называется эоловой энергией, по имени древнегреческого бога Эола, что означает ветер. Эоловы генераторы - преобразователи эоловой энергии, или энергии ветра, в электрическую.
Наш проект представляет собой простой эоловый генератор с выходной мощностью, достаточной для питания небольших электронных приборов. Мы познакомим вас с различными вариантами проекта, имеющими целью увеличение мощности генератора, а также с другими приборами, которые можно было бы использовать при больших нагрузках как альтернативные источники энергии.
Предлагаемый проект позволит вам снизить потребляемую энергию из локальной энергетической сети и воспользоваться одним из видов свободной энергии, предоставляемой природой.
Проект очень прост, ведь он производит только минимум энергии, необходимой для осознания возможности такого преобразования. Мы разберем создание нескольких экспериментальных схем, которые могут питаться от основного проекта. Вы узнаете поподробнее об эоловой энергии и даже построите свою схему освещения, простой радиоприемник, светоизлучающий диод (LED) и другие приборы, которые можно будет запитывать от вашего альтернативного источника питания.
Задачи
Покажите, как энергия ветра может быть преобразована в электрическую энергию.
Используйте небольшой электродвигатель постоянного тока в качестве генератора постоянного тока для снабжения энергией небольших электронных устройств.
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генеротороми 127
Изучите принцип работы генератора постоянного тока.
Получите представление о количестве ветровой энергии, которую возможно преобразовать в электрическую.
Узнайте, как сконструировать мощный эоловый генератор.
Проект
На рис. 3.8.1 показано, что небольшой эоловый генератор может быть построен с использованием любого электродвигателя постоянного тока.
Когда вентилятор приводится в движение сильным потоком ветра, происходит преобразование энергии ветра через вентилятор и превращение этой энергии в энергию электрическую. Количество энергии, обеспечиваемое системой, зависит от нескольких факторов:
размера вентилятора (или количества аккумулированного ветра);
размеров или мощности электродвигателя, используемого как генератор;
Рис. 3.8.1. Подсоединение вентилятора и шектродеиготелю постоянного тока превращает его в эоловый генераторРис. 3.8.1. Подсоединение вентилятора и шектродеиготелю постоянного тока превращает его в эоловый генераторколичества ветра или скорости ветра в месте работы ветряного генератора;
Рис. 3.8.1. Подсоединение вентилятора и шектродеиготелю постоянного тока превращает его в эоловый генератор
Рис. 3.8.1. Подсоединение вентилятора и шектродеиготелю постоянного тока превращает его в эоловый генератор
эффективности системы при передаче крутящего момента вентилятора электродвигателю.
Сочетание четырех факторов дает возможность предусмотреть оптимальный размер вентилятора для определенного электродвигателя постоянного тока (ге- и количество энергии, которое будет высвобождено.
Небольшие электродвигатели постоянного тока требуют для своей работы всего лишь доли милливатта электрической мощ
ности. Однако этого малого количества будет достаточно, чтобы питать небольшое экспериментальное радио, светоизлучающий диод или небольшую лампу или заряжать батарею.
Последнее может быть особенно важно: вы сможете зарядить батарейку фонаря, сотового телефона, радиоприемника или другого устройства, даже если окажетесь в месте, где недоступны никакие другие источники энергии.
А в завершение мы поделимся важной информацией с начинающим гением, который пожелает получить энергии больше, чем несколько милливатт, производимых основным проектом.
Кок он роботост
Как вы уже знаете из предыдущих разделов, когда ток протекает через проводник, создается магнитное поле. На основе этого закона работают электродвигатели, электромагниты, соленоиды и т.п.
Например, в электродвигателях постоянного тока магнитное поле, создаваемое током, может быть преобразовано в реальное движение при взаимодействии с полем магнитов (или полем, созданным другими электромагнитами).
И еще один важный момент. Надо отметить, что когда на проводник воздействует магнитное поле, то оно индуцирует (наводит) в нем электрический ток, то есть происходит их взаимодействие.
На рис. 3.8.2 показано, что если магнит движется вблизи проводника, то наводится ток, текущий через внешнюю цепь.
Линии поля.Линии поля.пересекающиепересекающиеПроводникПроводникРис. 3.8.2. Ток, индуцируемый переменным магнитным полемРис. 3.8.2. Ток, индуцируемый переменным магнитным полем
Линии поля.
Линии поля.
пересекающие
пересекающие
Проводник
Проводник
Рис. 3.8.2. Ток, индуцируемый переменным магнитным полем
Рис. 3.8.2. Ток, индуцируемый переменным магнитным полем
Заметим, что силовые линии магнитного поля должны пересечь проводник, чтобы вызвать индукцию. Если же магнит движется параллельно проводнику, индукции не происходит.
Однако самое замечательное в этом явлении то, что высвобождаемая энергия, двигающая магнит, превращается в электрическую энергию, высвобожденную током через внешнюю цепь.
Для увеличения количества энергии, индуцируемой в процессе, вместо простого проводника может быть применена катушка. Когда магнит проходит вблизи катушки, многие витки ее пересекаются одновременно, и поэтому процесс индукции увеличивается, создавая больше электроэнергии.
Упомянутый принцип лежит в основе работы генератора постоянного тока или генератора переменного тока. Вращение катушки внутри магнитного поля создается магнитами. При пересечении магнитных линий поля генерируется электрическая энергия. На рис. 3.8.3 показана конструкция генератора постоянного тока.
Важно помнить, что генератор не создает энергии, а только преобразует механическую энергию в электрическую. Это означает, что количество электрической энергии, создаваемой генератором, всегда меньше количества приложенной к нему механической энергии, потому что генератор не способен работать со 100-процентным КПД.
Рис. 3.8.3. Конструкция генератора постоянного тока
Электродвигатель постоянного токо в качестве генератора постоянного тока
В небольшом электродвигателе постоянного тока текущий через катушку электрический ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянного магнита и генерирует энергию, вращающую ротор.
Но эта же конструкция может работать и в обратном порядке. Если вращать механический ротор, катушки будут двигаться, пересекая линии магнитного .поля, создаваемого магнитами. Это означает, что электрическая энергия индуцируется в катушках. Эта энергия может быть передана во внешнюю цепь или схему (рис. 3.8.4).
Рис. 3.8.4. При вращении ротора электродвигатель постоянного токо может передать электрическую энергию во внешнюю схему
Небольшие электродвигатели постоянного тока на 3-12 В в зависимости от своих размеров могут потреблять ток силой до 200 мА.
Количество генерируемой энергии зависит от нескольких факторов:
скорости вращения электродвигателя;
его размеров;
количества механической энергии, прикладываемой к электродвигателю.
Сейчас мы говорим о проекте использования энергии ветра. Но обдумайте также идеи получения энергии из других источников, например водных
потоков (ручьев и водопадов) или механической (механотронной) системы, управляемой вашей собственной мускульной силой или силой некоторых тягловых животных (рис. 3.8.5).
Рис. 3.8.5. Првобраэоеснме мускульной энергии в электрическуюРис. 3.8.5. Првобраэоеснме мускульной энергии в электрическую
Рис. 3.8.5. Првобраэоеснме мускульной энергии в электрическую
Рис. 3.8.5. Првобраэоеснме мускульной энергии в электрическую
Как построить эоловый генератор
На рис. 3.8.6 показана полная принципиальная схема эолового генератора.
Конденсатор выступает в роли резервуара энергии, обеспечивая почти постоянное напряжение на выходе, даже тогда, когда скорость или энергия ветра изменяется.
D11N4002D11N40021,000 до4,700 pF1,000 до4,700 pFВыходная мощностьВыходная мощность
D11N4002
D11N4002
1,000 до
4,700 pF
1,000 до
4,700 pF
Выходная мощность
Выходная мощность
Рис. 3.8.6. Основная схема эолового генератора
Диод не позволяет току разряжать электродвигатель на катушках. Чем больше конденсатор, тем больше энергии он накапливает и тем меньше изменяется напряжение на выходе при изменении скорости ветра.
Вентилятор можно подсоединить к электродвигателю напрямую. Если применяется зубчатая передача или другая механическая система, убедитесь в том, что они не станут причиной потери энергии, понижая при этом выходную мощность генератора.
На рис. 3.8.7 показана система, использующая небольшой пластмассовый вентилятор, применяемый в наглядных эоловых экспериментах как маломощный источник питания (то есть замена ветру).
ВетерВетерD1D1Лампа наб В и 20-50 мАЛампа наб В и 20-50 мАРис. 3.8.7. Маломощный эоловый генераторРис. 3.8.7. Маломощный эоловый генератор
Ветер
Ветер
D1
D1
Лампа наб В и 20-50 мА
Лампа наб В и 20-50 мА
Рис. 3.8.7. Маломощный эоловый генератор
Рис. 3.8.7. Маломощный эоловый генератор
При монтаже схемы необходимо определить направление вращения относительно диода. Вращение в одну сторону приведет к тому, что полярность диода будет положительной. Если же направление вращения поменяется на противоположное, то полярность диода станет отрицательной, и в цепи не будет тока.
Перечень элементов и компонентов эолового генероторо
Ml - небольшой электродвигатель постоянного тока (3-12 В).
D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002 или эквивалент.
С1 - электролитический конденсатор от 1000 мкФ до 4700 мкФ х 6 В или более.
Вентилятор, провода, оконечная полоска, припой и т.п.
Проверке и использование
Важно знать, сколько энергии производит ваш эоловый генератор. Генератор легко проверить при наличии тестера или мультиметра. Настройте мультиметр на измерение напряжения на низковольтной шкале и подключите его к выходной клемме генератора (рис. 3.8.8).
ВетерВетерНапряжение постоянного тока в вольтахНапряжение постоянного тока в вольтахМультиметрМультиметрРис. 3.8.8. Проверка генератора мультиметромРис. 3.8.8. Проверка генератора мультиметром
Ветер
Ветер
Напряжение постоянного тока в вольтах
Напряжение постоянного тока в вольтах
Мультиметр
Мультиметр
Рис. 3.8.8. Проверка генератора мультиметром
Рис. 3.8.8. Проверка генератора мультиметром
На рисунке показан недорогой аналоговый мультиметр, но вы можете воспользоваться цифровым мультиметром. Вращая лопасти вентилятора с помощью любого источника ветра (пусть это будет даже небольшой бытовой электрический вентилятор), мы увидим, что мощность, сгенерированная в схеме, отклонит стрелку мультиметра, свидетельствуя о появлении напряжения на выходе. Если напряжения нет, поменяйте местами провода, подходящие к электродвигателю (диод смещен обратно).
Питоние схем
Количество энергии, производимой эоловыми генераторами, варьируется в широком диапазоне. Однако не пытайтесь запитывать энергией от вашего основного проекта мощные приборы и аппаратуру. Мы расскажем о нескольких маломощных проектах, которые можно снабжать энергией, получаемой с помощью основного проекта.
Светоизлучающие диоды и лампы
Небольшие светоизлучающие диоды и лампы в электрических фонариках не требуют много энергии для работы. Запитывание приборов посредством эолового генератора показано на рис. 3.8.9.
Рис. 3.8.9. Запитывание энергией светоизлучающих диодов (l€D) и ламп
Перечень элементов и компонентов снабжения энергией ламп и светоизлучающих диодов
L1 - небольшая лампа накаливания 6 Вт х 50 мА.
LED1 - любой светоизлучающий диод (красный, зеленый, желтый).
R1 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Провода, оконечная полоска, припой и т.п.
Боторейное зарядное устройство
Эоловый генератор может заряжать никель-кадмиевые батареи по схеме, изображенной на рис. 3.8.10.
Это самый простой вариант зарядного устройства. Максимальное количество батарей, находящихся под зарядкой, зависит от величины напряжения,
Рис. 3.8.10. Зарядное устройство для никель-нодмиавых батарей, использующее эоловый генератор
производимого генератором. Для определения количества батарей, одновре менно находящихся под зарядкой, необходимо замерить выходное напряже ние вашего генератора. Для этого можно использовать мультиметр или тестер, который будет описан ниже.
На каждый 1,5-2 В напряжения вы можете зарядить одну никель-кадмие вую батарею на 1,2 В (рис. 3.8.11).
R1
Рис. 3.8.11. вам необходим ток напряжением 1,5 В для зарядки каждой батарейки
Например, если ваш генератор производит на выходе 6 В, то вы можете зарядить четыре батарейки размеров АА, AAA, D или С одновременно. Продолжительность зарядки также зависит от тока, проходящего по схеме. Используйте мультиметр для замера величины тока.
Если ваш генератор достаточно мощный, чтобы производить напряжение более 9 В, а сила тока поднимается до 500 мА, то можно подключить к схеме источник постоянного тока, описанный в проекте 7. Источник постоянного тока поможет усовершенствовать батарейное зарядное устройство.
Экспериментальный радиоприемник
Другая простая схема, которая может быть запитана от эолового генератора или менее мощного альтернативного источника энергии, - это экспериментальный радиоприемник (рис. 3.8.12).
Даже химические и солнечные батарейки с напряжением 1-6 В могут быть
использованы для питания этой очень слаботочной схемы.
Рис. 3.8.12. Экспериментальный радиоприемник в диапазоне АМ. получающий питание от ветра
Потребление тока схемой, запитываемой от двухвольтного источника, составляет менее 100 мкА.
На рис. 3.8.13 показано, как можно смонтировать этот радиоприемник, используя в качестве шасси оконечную полоску. Конечно, радиоприемник может быть смонтирован и на печатной плате или плате, не требующей пайки.
Рис. 3.8.13. Экспериментальный радиоприемник, смонтированный на основе оконечной полоскиРис. 3.8.13. Экспериментальный радиоприемник, смонтированный на основе оконечной полоскиК эоловому генераторуК эоловому генератору
Рис. 3.8.13. Экспериментальный радиоприемник, смонтированный на основе оконечной полоски
Рис. 3.8.13. Экспериментальный радиоприемник, смонтированный на основе оконечной полоски
К эоловому генератору
К эоловому генератору
В качестве сигнального усилителя в этом радиоприемнике используется только один транзистор. Поэтому радиоприемник не обладает сверхчувствительностью и требует длинной антенны для приема местных станций. Антенну можно изготовить из провода длйной 5-20 м. Заземление приемника - очень важный момент и может быть сделано подсоединением провода. Даже если держать зажимы заземления типа «крокодил» между пальцами, это даст хорошие результаты. Ни в коем случае не используйте радиоприемник во время грозы!
Антенная катушка L1 изготавливается из эмалированного провода сортамента 28 AWG путем наматывания 40-60 витков на ферритовый сердечник длиной 15-20 см и диаметром 1-1,5 см. Регулируемый конденсатор переменной емкости можно заимствовать из старого радиоприемника диапазона АМ.
специально оля—
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генераторами 135
Преобразователь изготовлен из пьезоэлектрического наушника с высоким импедансом (полным сопротивлением), применяемым в телефонии, устройствах звуковой сигнализации и другой аппаратуре. Будьте внимательны и не используйте наушник с низким импедансом, так как он не сможет действовать в этом проекте.
Перечень элементов и компонентов экспериментального радиоприемника
Q1 - транзистор общего назначения ВС548 или любой другой NPN-типа.
D1 - германиевый диод 1N34 или 1N60 или любой другой.
R1 - резистор на 4,7 мОм х 1,8 Вт (желтый, фиолетовый, зеленый).
R2 - резистор на 4,7 кОм х 1,8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
С1 - керамический или полиэфирный конденсатор 0,047 мкФ (47 нФ).
С2 - керамический или полиэфирный конденсатор 0,1 мкФ (100 нФ).
XI - пьезоэлектрический преобразователь.
L1 - антенная катушка (см. текст).
CV - конденсатор переменной емкости (см. текст).
A, G - антенна и заземление.
Ферритовый сердечник, оконечная полоска, антенна, пружинный зажим типа «крокодил», провода, припой, ручка для конденсатора переменной емкости и т.п.
Автоматическое освещение
Схема (рис. 3.8.14) включает небольшую лампочку в сумерки и выключает ее, когда восходит солнце.
Ветер, вращающий эоловые генераторы, заряжает батареи.
Когда свет, падающий на светочувствительный элемент, прекращает поступать, батареи включают лампу. Лампа остается включенной до восхода солнца или пока батареи не разрядятся.
R1
D1ю п
Эоловый генератор
Рис. 3.8.14. Автоматическое освещение, использующее эоловый генератор
Если ветер продолжает дуть, то батарея остается в режиме зарядки. Светочувствительный элемент должен быть помещен в трубу таким образом, чтобы на него падал только окружающий свет. Потенциометр Р1 позволяет подстраивать схему на наилучший уровень освещенности, при котором свет будет включаться и выключаться.
Перечень элементов и компонентов схемы овтомотического освещений
L Q1 - транзистор средней мощности ВС135 NPN-типа или эквивалент.
D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002.
Р1 - потенциометр точной подстройки на 1 мОм.
R1 — резистор на 10 Ом х 1 Вт (коричневый, черный, черный).
R2 - резистор на 10 кОм х 1,8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
L1 - 6-вольтовая лампа на 50-100 мА.
LDR - фоторезистор (любой тип).
В1 - 4 батарейки размера АА или D, перезаряжаемые, никель-кадмиевые
XI - эоловый генератор.
Кожух для батарейки, пластмассовая коробка, оконечная полоска, провода, припой и т.п.г
Анемометр
Поскольку величина напряжения, генерируемого эоловым генератором, пропорциональна скорости ветра, то вы можете использовать этот проект в качестве простого анемометра - прибора, применяемого для измерения скорости ветра. На рис. 3.8.15 показано, как можно использовать эоловый генератор в качестве анемометра.
Рис. 3.8.15. Эоловый генератор в качестве анемометра
Вы можете модернизировать систему для измерения ветра, приводящего в движение электродвигатель, при помощи небольших бумажных колпачков (рис. 3.8.16).
Измерителем может быть один из гальванометров, предложенных в проекте 5.г
Бумажные колпачкиБумажные колпачкиРис. 3.8.16. Преоброзоеоние эолового генератора в онемометр при помощи бумажных колпачковРис. 3.8.16. Преоброзоеоние эолового генератора в онемометр при помощи бумажных колпачков
Бумажные колпачки
Бумажные колпачки
Рис. 3.8.16. Преоброзоеоние эолового генератора в онемометр при помощи бумажных колпачков
Рис. 3.8.16. Преоброзоеоние эолового генератора в онемометр при помощи бумажных колпачков
Потенциометр Р1 подстраивается к силе ветра в соответствии с метеорологическим прогнозом. Шкала Бофорта, представленная в табл. 7, позволит вам приблизительно определить скорость ветра по его силе.
Тоблицо 7
Сила
Название
Описание
Приблизительная скорость в милях в час
Сила 0
Полный штиль
Никакого движения. Дым поднимается строго вверх
Менее чем 1
Сила 1
Легкое дуновение воздуха
Дым сносит
От 1 до 3
Сила 2
Легкий бриз
Ветер чувствуется сильным. Листья шелестят. Погода обычно ясная
От 4 до 7
Сила 3
Слабый бриз
Листья и ветки двигаются. Легкие флаги развеваются
От 8 до 12
Сила 4
Умеренный бриз
Малые ветви двигаются
От 13 до 18
Сила 5
Свежий бриз
Кусты и небольшие деревья качаются. На море появляются гребни волн «барашки»
От 19 до 24
Сила 6
Сильный бриз
Ветер свистит в электрических и телефонных проводах. Тяжело удержать зонтик в руках
От 25 до 31
Сила 7
Сильный ветер, но не буря
Целые деревья раскачиваются и тяжело идти по ветру. Небо может быть темным и штормовым
От 32 до 38
Сила 8
Буря
Теперь трудно идти, и ветки деревьев начинают ломаться
От 39 до 46
Сила 9
Сильная буря
Черепица и дымовые трубы сдуваются с крыш, и ветви с треском ломаются. Небо может быть свинцовым с большими облаками
От 47 до 54
Сила 10
Шторм
Деревья вырывает с корнем и причиняются сильные повреждения зданиям
От 55 до 63
Сила 11
Сильный шторм
Зданиям причиняются тяжелые и обширные повреждения
От 64 до 72
Сила 12
Ураган
Тяжелейшие разрушения
Свыше 73
Перечень элементов и компонентов онемометро
D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002.
С1 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 16 В.
Ml - аналоговый измеритель 0-200 мкА или 0-1 мА.
R1 - резистор на 4,7 кОм х 1,8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
Р1 - потенциометр с точной подстройкой.
Пластмассовая коробка, провода, припой и т.п.
Кросс-темы
И основной, и наиболее усложненный вариант (подобный случаю со стабилизатором напряжения) эолового генератора могут быть использованы в экспериментах с различными альтернативными источниками энергии. Предлагаем следующие кросс-темы:
покажите способ преобразования энергии ветра в электрическую энергию;
определите количество энергии, которое может быть генерировано конкретным источником;
продемонстрируйте работу генератора постоянного тока;
сравните один источник энергии с другим источником по степени экологичности, эффективности и т.п.
Дополнительные схемы и идеи
Как уже объяснялось ранее, при постройке эоловых генераторов не стоит ограничиваться небольшими электродвигателями постоянного тока. И генераторы с более высокими характеристиками могут получать питание от энергии ветра.
В частности, мы предлагаем генератор постоянного, тока велосипедного типа, который представлен во многих вариантах. Диапазон широк: от нерегулируемых моделей, которые могут запитывать только лампы, до сложных конструкций с электронными схемами, предназначенными для зарядки батареек сотовых телефонов. Эти генераторы велосипедного типа требуют большого количества скорости и энергии и сами генерируют энергию с напряжением 6-15 В и величиной тока в некоторых случаях до 2 А. Это достаточно заманчиво для гения, желающего бросить вызов тем, кто занимается только проектами, описанными в нашей книге.
Стабилизатор напряжения
Чувствительные электронные устройства мдгут испортиться, если будут получать питание от приборов с колебаниями напряжения, и это прямо относится к нашему эоловому генератору. Радиоприемники, калькуляторы и часы - приборы, чувствительные к колебаниям напряжения. Для их питания очень важно добавить в схему стабилизатор напряжения. На рис. 3.8.17 показаны два стабилизатора напряжения.
Первая схема - маломощный вариант, рекомендуемый для приборов, потребляющих ток менее 5 мА. Вторая схема может работать с приборами, потребляющими ток до 1 А.
D11N4002D11N4002220 Q1W220 Q1Wо + 3/6Vо + 3/6VЭлектродвигатель постоянного токаЭлектродвигатель постоянного токаДО 4,700 pFДО 4,700 pF3V1 или 6V0x400mW + + стабилитрон3V1 или 6V0x400mW + + стабилитрон•О Заземление•О Заземление(а)(а)Электродвигатель постоянного токаЭлектродвигатель постоянного токаРис. 3.8.17. Стабилизаторы напряжения для эолового генератораРис. 3.8.17. Стабилизаторы напряжения для эолового генератора
D11N4002
D11N4002
220 Q
1W
220 Q
1W
о + 3/6V
о + 3/6V
Электродвигатель постоянного тока
Электродвигатель постоянного тока
ДО 4,700 pF
ДО 4,700 pF
3V1 или 6V0x400mW + + стабилитрон
3V1 или 6V0x400mW + + стабилитрон
•О Заземление
•О Заземление
(а)
(а)
Электродвигатель постоянного тока
Электродвигатель постоянного тока
Рис. 3.8.17. Стабилизаторы напряжения для эолового генератора
Рис. 3.8.17. Стабилизаторы напряжения для эолового генератора
Высоковольтный инвертор
Если ваш эоловый генератор достаточно мощный и производит напряжение 5-12 В с силой тока выше 100 мА, вы можете запитывать флуоресцентную лампу, используя инвертор.
Инвертор (рис. 3.8.18) преобразовывает низкое постоянное напряжение в высокое переменное напряжение. Высокое напряжение, приложенное к флуоресцентной лампе, ионизирует газ внутри лампы, вызывая ее свечение.
Простой инвертор флуоресцентной лампы (рис. 3.8.18) может быть использован с лампами 5-20 Вт и даже с лампами, которые запитываются от сети переменного тока.
Лампа не будет давать максимально возможной яркости свечения, она будет светиться с пониженной яркостью - в зависимости от количества энергии, подаваемой эоловым генератором.
Трансформатор может быть обычным силовым трансформатором с первичной обмоткой на 117 В, питающейся от сети переменного тока, и вторичной обмоткой с центральным отводом на 5-6 В, потребляющей ток 50-300 мА. Транзистор должен быть установлен на теплоотводящий радиатор, а с помощью потенциометра Р1 можно подстроить частоту для оптимальной работы, согласовывая характеристики трансформатора с генератором.
6 Создание роботов в дом. усл.
Сеть переменного тока
Эоловый(•) см. текст
генератор
Рис. 3.8.18. Флуоресцентная помпа. питаемая инвертором
внимание! Не пытайтесь запитывать любой электронный прибор при помощи этой схемы, т.н. выходное напряжение не имеет синусоидальной формы, о частота не ровно 60 (ц.
Перечень элементов и компонентов инверторе
Q1 - транзистор средней мощности BD135 NPN-типа или эквивалент.
Т1 - трансформатор.
R1 - резистор на 1,7 кОм х 1,8 Вт (коричневый, черный, красный).
Р1 - потенциометр с точной подстройкой на 10 кОм.
С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,1 мкФ.
L1 - флуоресцентная лампа на 5-20 Вт.
Печатная плата или оконечная полоска, теплоотводящий радиатор для транзистора, пластмассовая коробка, провода, припой и т.п.
Современные технологии
Во всем мире, там, где постоянно дуют сильные ветры, применяются боль
шие эоловые генераторы для питания многих видов электрических машин и приборов. Такие генераторы могут и качать воду из глубоких колодцев, и осве
Рис. 3.8.19. Энергия ветра (фотоРис. 3.8.19. Энергия ветра (фотопредстоблемо с любевххо разрешения NASA)предстоблемо с любевххо разрешения NASA)щать целые города на северо-востоке Бразилии.
Рис. 3.8.19. Энергия ветра (фото
Рис. 3.8.19. Энергия ветра (фото
предстоблемо с любевххо разрешения NASA)
предстоблемо с любевххо разрешения NASA)
Основной тип современного эолового генератора имеет вентилятор с тремя или более лопастями, который и приводит в движение генераторы постоянного или переменного тока (рис. 3.8.19).
«Батареи» таких генераторов могут произ-
водить десятки, сотни и даже тысячи киловатт электрической энергии.
Проект 9.
Электронная пушка
Цель этого проекта - выстрелить из пушки ядром на многометровое расстояние, используя энергию, накопленную в конденсаторе и преобразованную в магнитное поле.
Электронная пушка будет хорошим дополнением к вашему боевому роботу в качестве эффективного оружия в войне роботов или частью игрушечного войска из картонных или пластмассовых солдатиков.
В войне двух армий одной армией будете командовать вы, а неприятельской - ваш друг (рис. 3.9.1).
Армия 1Армия 1Армия 2Армия 2Картонные солдатикиКартонные солдатикиРис 3.9.1. Две электронные пушки. Но службе в армии состоят маленькие мартоммые солдатикиРис 3.9.1. Две электронные пушки. Но службе в армии состоят маленькие мартоммые солдатики
Армия 1
Армия 1
Армия 2
Армия 2
Картонные солдатики
Картонные солдатики
Рис 3.9.1. Две электронные пушки. Но службе в армии состоят маленькие мартоммые солдатики
Рис 3.9.1. Две электронные пушки. Но службе в армии состоят маленькие мартоммые солдатики
Само собой разумеется, что ядро не такое уж тяжелое, чтобы им можно было покалечить или причинить телесные повреждения. Это маленький кусок дерева, пластмассы или даже горох. Эффективность и расстояние, на которое стреляет пушка, всецело зависит от мастерства построившего ее начинающего гения.
В основном варианте (рис. 3.9.2) пушка обладает мощью и энергией, достаточной для того, чтобы запустить ядро на несколько метров. С ней можно играть или использовать на уроках для демонстрации законов баллистики, физики или механики.
Электронная схема может быть смонтирована несколькими способами в
зависимости от степени желаемой сложности.
Рис. 3.9.2. Основной вариант конструкции пушки, в котором используются нартенные детали и колеса, взятые из игрушки
Задачи
Покажите, как работает соленоид.
Изучите преобразование энергии и способы накопления ее в конденсаторе.
Выполните баллистические эксперименты.
Проведите битву между армиями, имеющими пушки (победителем считается тот, кто собьет большее количество неприятельских солдат).
Организуйте соревнование по постройке пушки, стреляющей на наибольшее расстояние.
Как работает проект
Когда электрический ток протекает через проводник, то создается магнитное поле. Мы изучили это явление на электромагнитах в проекте 6. Магнитное поле может быть усилено, если из проводника сделать катушку (рис. 3.9.3).
Если брусок любого черного металла поместить вблизи катушки, магнитная сила притянет его, когда по катушке пройдет ток. Это и есть принцип действия соленоида (рис. 3.9.4).
Соленоидные катушки обычно применяются для открывания дверей, для приведения в действие механических частей многих устройств, например проигрывателей CD и DVD, а также для открывания и закрывания водяных клапанов в стиральных и посудомоечных машинах.
Если соленоид обладает достаточной мощью, чтобы сердечником притянуть к себе кусочек металла, то он может и запустить какой-то предмет на достаточно большое расстояние (рис. 3.9.5).
. Это и есть принцип действия нашего магнитного соленоида. Небольшой соленоид получает ток, достаточный для резкого втягивания металлического сердечника внутрь катушки и придания начальной скорости пушечному ядру. В силу того, что мощность пушки зависит от силы тока, приложенного
Рис. 3.9.3. Наибольшую силу магнитное поле имеет внутри соленоида
Рис. 3.9.5. Запуск пушечного ядро при помощи соленоида
к катушке, то для этого нужно использовать специальную схему. Целью схемы является создание мощного электрического импульса, использующего энергию, накопленную в конденсаторе.
В эту схему входит небольшой трансформатор, который генерирует низкое напряжение переменного тока. Напряжение выпрямляется диодами и используется для зарядки большого конденсатора.
Чем больше конденсатор, тем больше энергии можно накопить в нем. При использовании конденсаторов емкостью 10000-30000 мкФ можно накопить намного больше энергии, чем может быть произведено небольшими батарейками или другими электрическими источниками.
Это особенно актуально, если учесть, что энергия должна быть подана очень быстро. Пхавным ограничением использования конденсаторов как источников энергии является то, что они могут генерировать большое количество энергии, но только на очень низких скоростях.
Когда конденсатор подсоединен к катушке, разряд конденсатора длится только в течение нескольких миллисекунд, но этого достаточно, чтобы ток пошел интенсивным потоком, создавая сильное магнитное поле. И силы поля вполне хватает, чтобы втянуть сердечник с силой, достаточной для выстрела ядром (рис. 3.9.6).
Выпрямитель
Рис. 3.9.6. Разряд конденсатора через пушку
Расчет мощности
Легко подсчитать, сколько энергии может подать конденсатор, подключенный к пушке. Количество энергии, накопленной в конденсаторе, задается по следующей формуле:
Е = С х V, где
^alaHaus^.
Е - накопленная энергия (мощность) в джоулях (Дж),
С - емкость в фарадах (Ф),
V - напряжение на конденсаторе в вольтах (В).
Помните, что мощность - энергия, высвобождаемая за единицу времени, поэтому и мощность в ваттах можно выразить в джоулях в секунду (Дж/сек).
Конечно, разряд происходит чрезвычайно быстро, но все равно за определенный промежуток времени, потому что провода обмотки катушки имеют некоторое сопротивление. Представьте себе, какой мощной может быть эта маленькая пушка!
Сдерживание больших токов
Одной из насущных проблем является проблема управления очень большими токами во время разряда конденсатора, с использованием обычных компонентов. Прежде всего, при таком быстром разряде конденсатора катушка должна иметь очень низкое сопротивление.
Рис. 3.9.7. Сопротиелен* катушки должно быть именно таким низкимРис. 3.9.7. Сопротиелен* катушки должно быть именно таким низкимВ нашей схеме конденсатор заряжается при напряжении около 36 В (пик амплитуды приходится на 24 В переменного тока), а катушка пушки обладает сопротивлением только в 0,8 Ом, которое измеряется цифровым мультиметром (рис. 3.9.7).
Рис. 3.9.7. Сопротиелен* катушки должно быть именно таким низким
Рис. 3.9.7. Сопротиелен* катушки должно быть именно таким низким
Если мы не будем учитывать индуктивность, а только сопротивление в омах, коща конденсатор подсоединен к катушке, то ток может достичь пика в 40 А или более. Обычные переключатели при продолжительном использовании не справятся с таким уровнем тока, они обязательно перегреются, и произойдет пережигание контактов.
Таким образом, решение очевидно: для управления разрядом конденсатора должен применяться кремниевый управляемый выпрямитель (SCR). Обычные SCR, например TIC106, работающие как электронные пере
ключатели и способные управлять постоянными токами силой до 4 А, могут поддерживать очень короткие пики величиной 100 А, подобные тем, которые создавались нашей схемой.
Следовательно, главной задачей проекта (рис. 3.9.8) является использование SCR в качестве переключателя для запуска пушки. Целесообразно использовать маломощные переключатели и светочувствительные элементы, такие как фоторезистор LDR.
Рис. 3.9.8. Кремниевый управляемый выпрямитель, подключенный последовательно к цепи разряда в качестве переключателяРис. 3.9.8. Кремниевый управляемый выпрямитель, подключенный последовательно к цепи разряда в качестве переключателяРис. 3.9.9. Основной вариант (механическая часть)Рис. 3.9.9. Основной вариант (механическая часть)
Рис. 3.9.8. Кремниевый управляемый выпрямитель, подключенный последовательно к цепи разряда в качестве переключателя
Рис. 3.9.8. Кремниевый управляемый выпрямитель, подключенный последовательно к цепи разряда в качестве переключателя
Рис. 3.9.9. Основной вариант (механическая часть)
Рис. 3.9.9. Основной вариант (механическая часть)
В качестве дистанционного управления для запуска пушки можно применить электрический фонарик.
Другой проблемой, которую надо учесть, является то, что SCR, однажды запущенный, остается все время во включенном положении даже после исчезновения импульса запуска. Для выключения SCR требуется, чтобы величина напряжения, приложенная к схеме, мгновенно упала. Для этого нужно отключить питание схемы. Даже после окончания разряда конденсатора величина напряжения не упадет до нуля сама по себе в силу присутствия в схеме цепи разряда. Следовательно, необходимо отключать эту схему каждый раз перед очередным выстрелом пушки. Для поддержания схемы, включенной во время зарядки конденсатора, добавляется переключатель.
Кок строить пушку
Основной вариант электронной пушки является мощным орудием, способным запустить ядро (снаряд) на многометровое расстояние, которое зачастую зависит от мастерства гения-изготовителя. Маломощный вариант, питаемый от батареек, также будет исследован. Этот вариант, как не требующий электронных компонентов, рекомендуется для изготовления тем, кто не зна-
ком с механотронными технологиями, которые применяются в основном варианте.
Пушку можно монтировать несколькими способами. В нашем основном варианте мы используем поливинилхлоридную или алюминиевую трубку длиной 12 см и диаметром 1 см, установленную на картонное основание (лафет), изображенное на рис. 3.9.9.
Колеса можно заимствовать из какой- либо игрушки. Однако в зависимости от.
применения пушка может быть и стационарной, то есть не имеющей колес и закрепленной на месте. Помните, что наклон ствола пушки, приблизительно равный 15°, необходим, чтобы сердечник соленоида возвратился (откатился) на ударную позицию.
Ядром (снарядом) для этого варианта могут быть маленькие деревянные пластмассовые шарики или сушеные семена бобовых (чечевицы или гороха). Электронная схема, управляющая пушкой, показана на рис. 3.9.10.
Рис. 3.9.10. Электронная схема для пушкиРис. 3.9.10. Электронная схема для пушки
Рис. 3.9.10. Электронная схема для пушки
Рис. 3.9.10. Электронная схема для пушки
Рис. 3.9.11. Небольшие компоненты припаяны к оконечной полоскеРис. 3.9.11. Небольшие компоненты припаяны к оконечной полоске
Рис. 3.9.11. Небольшие компоненты припаяны к оконечной полоске
Рис. 3.9.11. Небольшие компоненты припаяны к оконечной полоске
Для этой схемы подходит любой небольшой трансформатор с напряжением вторичной обмотки 9-12 В с центральным отводом (СТ), потребляющий ток силой 300-800 мА. Первичная обмотка должна работать от сети переменного тока, то есть от 117 В.
При монтаже обратите внимание на полярность диода и конденсатора. Величина емкости конденсатора определяет мощность вашей пушки. Мы рекомендуем большие конденсаторы, такие, которые используются в источ
никах питания компьютеров с емкостью 10000-22000 мкФ. Конденсатор должен быть рассчитан на напряжение 35-50 В.
Небольшие элементы и компоненты схемы, такие как резисторы, диоды, SCR, могут быть припаяны к оконечной полоске. Окончательная конструкция схемы показана на рис. 3.9.11.
Провода, подходящие к конденсатору, должны быть по возможности короткими, потому что сопротивление
длинных проводов обычно приводит к потере энергии. Подключение элементов и компонентов к оконечной полоске и соединение трансформаторов и пушки показано на рис. 3.9.12.
Рис. 3.9.12. Электронная схема размещается внутри гуюстмассовой или дерееянюй коробкиРис. 3.9.12. Электронная схема размещается внутри гуюстмассовой или дерееянюй коробки
Рис. 3.9.12. Электронная схема размещается внутри гуюстмассовой или дерееянюй коробки
Рис. 3.9.12. Электронная схема размещается внутри гуюстмассовой или дерееянюй коробки
Рис 3.9.13. Катушка изготаеливовтся наматыванием200 витков провода сортамента 28 AUJG на картонную или алюммтеюеуо трубкуРис 3.9.13. Катушка изготаеливовтся наматыванием200 витков провода сортамента 28 AUJG на картонную или алюммтеюеуо трубку
Рис 3.9.13. Катушка изготаеливовтся наматыванием200 витков провода сортамента 28 AUJG на картонную или алюммтеюеуо трубку
Рис 3.9.13. Катушка изготаеливовтся наматыванием200 витков провода сортамента 28 AUJG на картонную или алюммтеюеуо трубку
Соблюдайте особую осторожность в обращении со шнуром питания и первичной обмоткой трансформатора, поскольку он непосредственно подключается к сети переменного тока.
МвхАническм часть
Катушка рассчитана на сопротивление величиной 0,7-2 Ом. Это позволяет держать пик разрядного тока в пределах, допустимых SCR (TIC106 или TIC116). В нашем проекте мы использовали 200 витков эмалированного провода сортамента 28 AWG, намотанного на поливинилхлоридную трубку (рис. 3.9.13). Эта конструкция имеет сопротивление около 0,8 Ом.
Легко рассчитать, сколько витков провода вокруг трубки необходимо
сделать для обеспечения нужного сопротивления.
Конструктор волен выбирать характеристики проекта в соответствии с компонентами, которые находятся в него под рукой, но мы рекомендуем придерживаться наших инструкций.
Настоящий мастер должен сильно напрячь свои способности, чтобы создать проект с оптимальными характеристиками.
Делая катушку, загляните в следующую таблицу сопротивлений проводов сортамента AWG.
Таблица 8. Сортамент провода АШО
AWGWIre
Ohms per Kilometer
14
8,17
15
10,3
Таблица 8. Сортамент проеодо АШО (окончание)
AWQWIre
Ohms per Kilometer
16
12,9
17
16,34
18
20,73
19
26,15
20
32,69
21
41,46
22
51,5
23
56,4
24
85,0
25
106,2
26
130,7
27
170,0
28
212,5
Размеры пушки, длина и диаметр сердечника, количество витков и сам провод, используемый для катушки, зависят от многих факторов. Приведенные в книге размеры даны лишь для справки. Самостоятельное внесение изменений в конструкцию нами только приветствуется.
Пушка должна быть смонтирована на картонном или пластмассовом лафете с наклоном в 30°, чтобы позволить сердечнику откатиться назад в первоначальную позицию после каждого выстрела. Колеса прикрепляются, чтобы придать конструкции вид настоящей пушки. Решайте сами, какой вид должно иметь ваше детище. Начинающий гений может применить свои ментальные возможности для создания дополнительного механизма перезарядки ядра после каждого выстрела.
Перечень элементов и компонентов электронной пушки
SCR - выпрямитель TIC106 или TIC116 (В или D).
DI, D2 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002 или эквивалент.
LED - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласованный с сетью переменного тока, и вторичной обмоткой на 12 Вс центральным отводом и потреблением тока от 300 до 500 мА.
R1 - проволочный резистор на 47 Ом х 2 Вт.
R2, R3 - резисторы на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
R4 - резисторы на 1,2 кОм х 1/8 Вт (коричневый, красный, красный).
С1 - электролитический конденсатор на 10000-22000 мкФ х 35 В.
XI - соленоид пушки (см. текст).
S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
S2, S3 - кнопки.
F1 - плавкий предохранитель на 1 А (держатель).
Оконечная полоска, шнур питания, эмалированный провод, провода, при
пой и т.п.
Материалы для пушки: картонная или поливинилхлоридная трубка, картон, пластмассовые колеса, металлический сердечник (винт), эмалированный провод.
Проверке и использование
Подключите схему к сети переменного тока. Установите пушку в позицию стрельбы и вложите в ствол ядро, держа сердечник в исходном положении. Включите переключатель S1 на подачу питания в схему. Зарядите конденсатор, нажмите кнопку S2 и ждите, пока светоизлучающий диод не достигнет максимальной яркости. Отключите кнопку S2 и нажмите кнопку S3. Сердечник втянется прямо в катушку пушки, выстрелив ядром.
Подготовка для нового выстрела проста. Нажмите кнопку S2 снова, пока светоизлучающий диод не наберет яркость, и, когда будете готовы выстрелить, нажмите кнопку S3.
Изучение темы проекте
Пушка - не только забавный и веселый проект. Она может быть использована для изучения теории баллистики или экспериментирования на уроках физики. Ее можно демонстрировать даже на уроках истории. Мы предлагаем эксперименты, которые помогут читателю лучше изучить тему проекта.
Изучение баллистики
Этот эксперимент может быть использован в качестве кросс-темы на курсах физики в высшей школе. Наклоняйте ствол пушки под разными углами, стреляйте и измеряйте расстояние полета ядра (рис. 3.9.14).
Рис. 3.9.14. Покажите, как угол наклона ствола определяет дальность полета ядро
Если масса ядра известна, то место падения ядра и угол полета можно использовать для расчета начальной скорости ядра (VJ и кинетической энергии. Эксперимент может быть выполнен в рамках теоретического курса по баллистике.
Измерение заряда, накопленного в конденсаторе, и постоянной времени цепи дистанционного управления
Еще один эксперимент может быть выполнен с использованием схемы зарядки пушки (рис. 3.9.15).
Идея заключается в том, чтобы запускать конденсатор заданным напряжением, измеренным мультиметром, и затем проследить кривую разряда там, где конденсатор подключается к известному резистору.
Рис. 3.9.15. Зарядка и разрядка конденсатора определяет постоянную дистанционного управления схемы
Графики, полученные во время этого эксперимента, позволяют наглядно продемонстрировать расчет энергии, накопленной в конденсаторе, и постоянную времени цепи дистанционного управления.
Для получения точек на графике зарядите конденсатор, нажав кнопку S2. Затем замкните кнопку S3 и замерьте величину напряжения в интервалах постоянной времени, например, через каждые 20 секунд, занося результаты измерений в таблицу. Когда же вы соедините все точки в диаграмму, то получите кривую разряда конденсатора.
Резистор может быть заменен на лампу 24 В х 50 мА. Если вы намерены использовать 12-вольтовую лампу, то нужно подключить последовательно резистор для понижения приложенного напряжения. Помните, что в этой схеме конденсатор заряжается напряжением величиной в 35 В. Для расчета подключенного последовательно резистора необходимо использовать закон Ома.
Другая возможность - использовать светоизлучающий диод, подключенный последовательно к резистору на 22 кОм х 1/4 Вт в качестве схемы разряда.
Помните, что, когда величина напряжения падает до 2 В, светоизлучающий диод не является линейной нагрузкой.
Обратите внимание, что светоизлучающий диод, который сигнализирует о полной разрядке, в последовательной цепи размещен ранее кнопки S2. Это необходимая мера, потому что если светоизлучающий диод стоит после переключателя, как в пушке, то после того, как кнопка S2 разомкнется, конденсатор будет медленно разряжаться через светоизлучающий диод.
Перечень элементов и компонентов схемы измерений заряда
D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002 или эквивалент.
LED - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
R1 - резистор на 2,2 кОм х 1 Вт (красный,, красный, красный).
R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
R3 - резистор на 22 кОм х 1/2 Вт (красный, красный, оранжевый).
S1, S3 - однополюсные переключатели SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
S2 - кнопка SPST.
F1 - плавкий предохранитель (держатель).
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласованной с напряжением 117 В от сети переменного тока, и вторичной обмоткой, согласованной с 12 В, имеющий центральный отвод СТ и потребляющий ток от 300 мА и выше.
С1 - электролитический конденсатор на 10000-22000 мкФ х 35 В.
М - обычный аналоговый или цифровой мультиметр.
Шнур питания, оконечная полоска, провода, припой и тл.
Вой с применением электронных пушек
В бою двух армий выявится ваше мастерство конструктора и воинское умение. Армии из пластмассовых или картонных солдатиков показаны на рис. 3.9.16.
Рис. 3.9.16. Две армии используют в бою электронные пушкиРис. 3.9.16. Две армии используют в бою электронные пушкиCD -*- СолдатикиCD -*- Солдатики
Рис. 3.9.16. Две армии используют в бою электронные пушки
Рис. 3.9.16. Две армии используют в бою электронные пушки
CD -*- Солдатики
CD -*- Солдатики
На поле боя вы можете поставить дополнительные фортификационные сооружения, военные транспортные средства и т.п., чтобы придать реалистичности битве. Победитель боя может определяться по двум принципам: кто быстрее собьет всех неприятельских солдат и кто собьет больше солдат противника за определенный интервал времени - скажем, 30 мин.
Дополнительные схемы и идеи
Начинающий гений может создать много других схем на базе основного проекта, описанного выше. Ниже мы предлагаем некоторые из них.
Дистанционное управление
На рис. 3.9.17 показано дистанционное управление, используемое в качестве триггера (пускового устройства) для электронной пушки. Это позволяет использовать электрический фонарик в качестве передатчика дистанционного управления.
Рис. 3.9.17. Пушка управляется дистанционным управлением с помощью фонарика
Фоточувствительный элемент в виде фоторезистора помещен внутрь картонной трубки во избежание попадания световых лучей во время работы.
Р1 - потенциометр точной подстройки чувствительности. Трубка с фото- чувствительным элементом должна быть направлена в сторону света, используемого для дистанционного управления. Дистанционное управление используется только для запуска схемы. Как мы уже выяснили ранее, кнопку S2 следует нажимать после каждого выстрела, чтобы перезарядить конденсатор. Вы можете изготовить схему для запуска реле, используя луч света и заменив кнопку S2 контактами реле.
Следовательно, используя два фоточувствительных элемента, вы можете направить свет фонарика на один из них, чтобы зарядить конденсатор, и на другой, чтобы запустить пушку. Следующий этап - создание механизма пере
зарядки ядра.
Перечень элементов и компонентов схемы дистанционного управления
SCR - кремниевый управляемый выпрямитель TIC106 или TIC116 (В или D).
DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды.
LED - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласованной с напряжением 117 В сети переменного тока, и вторичной обмоткой, согласованной с 12 В, имеющий центральный отвод СТ и потребляющий ток от 300 мА и выше.
R1 - проволочный резистор на 47 Ом х 2 Вт.
R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
Р1 - потенциометр точной подстройки.
LDR - фоторезистор или любой другой тип, например кадмиево-сернистый элемент (Cds).
S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
S2 - кнопка SPST.
F1 - плавкий предохранитель на 1 А (держатель).
XI - электронная пушка (см. текст).
Оконечная полоска, шнур питания, провода, припой и т.п.
Маломощный вариант
Вариант маломощной электронной пушки без схемы специального запуска показан на рис. 3.9.18.
Эта схема может получать питание от двух или четырех батареек размера D. Ядро может запускаться на расстояние до нескольких метров, в зависимости от мастерства конструктора. Снижение влияния трения и' применение очень легких ядер обеспечивает наилучшее исполнение.
Рис. 3.9.18. Маломощная пушка использует в качестве питания батарейки размера D
Катушка изготавливается из 200-500 витков провода сортамента 28 до 32 AWG, навитого на картонную или пластмассовую трубку с диаметром приблизительно 0,5 см и длиной 5 см. Сердечник сделан из 2х 1 /8 дюймового винта.
Конструкция та же, что и в основном варианте. Ствол пушки устанавливается на наклонную поверхность таким образом, чтобы позволить сердечнику принимать исходное положение после каждого выстрела.
Не нажимайте кнопку S1 после запуска пушки. Это поможет поддерживать заряд ваших батареек, так как после нажатия на S1 ток потечет очень быстро.
Перечень элементов и компонентов схемы маломощного варианта
XI - электронная пушка (см. текст).
В1 - 2-4 батарейки размера D и держатель.
S1 - кнопка SPST.
Эмалированный провод, провода, припой и т.п.
Постройка катапульты
По тому же принципу, что и пушка, можно построить другое античное орудие - катапульту.
Сердечник соленоида при резком возврате в катушку может метнуть камень (рис. 3.9.19). Само собой разумеется, что размер камня, который в миниатюрном проекте можно заменить высушенным бобом, и расстояние, на которое метается камень, зависит от мощности соленоида.
Рис. 3.9.19. Катапульта приводится в действие соленоидом
Вы можете построить два варианта этого орудия: мощный, базирующийся на основном проекте пушки, или маломощный, со схемами, питающимися от батареек размера D. Необходимо помнить, что при разработке катапультного варианта следует обеспечить возврат катапульты в исходную позицию после каждого выстрела и запуск камня в правильном направлении.
Разработка суперпушки
Проект создания мощной суперпушки был исследован некими начинающими гениями, использовавшими для этого последовательный триггер и конденсаторы очень большой емкости. Этот проект мы бы советовали не строить. Мы просто рекомендуем использовать эту идею в качестве упражнения, чтобы осмыслить возможности.
Конструкция суперпушки предусматривает установку нескольких магнитных колец (электромагнитов) вдоль поливинилхлоридной прозрачной трубки (рис. 3.9.20).
Рис. 3.9.20. Основное идея конструкции электронной пушки
Ядро изготовлено из куска черного металла, который может быть быстро протянут через цилиндр кольцами, когда они возбуждаются током. При запуске первая группа конденсаторов разряжается через первое кольцо, толкая ядро и сообщая ему первый импульс. По мере того как ядро проходит первое кольцо, оно пересекает световой луч, запуская вторую импульсную схему.
Эта схема - уже другая группа конденсаторов, которые разряжаются через второе магнитное кольцо. Производится новый толчок, добавляющий новый импульс ядру и увеличивающий его скорость.
Целый ряд колец сообщают ядру фантастическую скорость. Ядро вылетает из ствола пушки с такой мощностью, что может насмерть поразить любого, кто встретится ему на пути. В одном эксперименте ядро пробило бетонную стену.
внимоние! Не пытайтесь строить этот варионт пушки без помощи взрослых, готовых окозоть вам необходимую поддержку.
Современные технологии
Соленоиды являются важной и неотъемлемой частью многих приборов, например автомобилей, видеомагнитофонов, проигрывателей DVD и компакт- дисков, стиральных и посудомоечных машин.
Соленоиды в этих приборах могут быть достаточно небольшими, весить несколько фунтов* и помещаться на ладони. Вместе с тем они высвобождают
1 торговый фунт США равен 450 граммам. — Прим. науч. ред.
большое количество механической энергии. И в вашем автомобиле соленоиды применяются для многих целей. Самое элементарное - снятие блокировки кузова, когда вы нажимаете кнопку на панели.
Идеи для углубленного изучения темы
Чтобы усовершенствовать вашу пушку, предлагаем предпринять следующее:
присоедините к основному проекту пушки средства механизации для возвращения сердечника катушки в исходное положение после каждого выстрела;
сконструируйте схему для включения звонка (см. боевой робот для схем и генераторов, которые могут быть использованы как звонки), когда конденсатор полностью зарядился;
придумайте способ запуска стрелы вместо ядра, как это делалось в старинных арбалетах;
покопайтесь в Интернете в целях нахождения информации по проектам, связанным с пушками Гаусса;
исследуйте, как применяется соленоид в бытовой технике у вас дома. Попробуйте сконструировать и построить соленоидный проект для дома. Многие соленоиды достаточно мощны и могут получать питание от источников питания напряжением 6-12 В. Посудомоечные и стиральные машины также используют мощные соленоиды, но они получают питание от сети переменного тока. Поэкспериментируйте с ними, но осторожно: не касайтесь никаких частей их электронных схем.
Проект 10.
Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными лазером
Целью этого проекта является воспроизведение некоторых фигур Лиссажу на экране, стене или других гладких поверхностях при помощи лазерного луча. Изящные формы фигур Лиссажу и изменение их форм, размеров и других характеристик позволяет найти им очень интересные сферы применения, такие как декоративное искусство, научные выставки, иллюстрации или даже изучение физики.
Проект основного варианта очень прост и включает в себя использование недорогого лазерного пера или лазерных модулей, которые получают питание от батареек.
Само собой разумеется, что читатель может выбирать, следовать ли ему нашим предложениям для усовершенствования проекта.
Проект состоит из электронной схемы для управления движением лазерного луча, генерирующей сигналы, которые превращаются в фигуры Лиссажу, и механической части для манипулирования зеркалами, поэтому может быть признан механотронным. На рис. 3.10.1 показаны некоторые фигуры, которые могут быть созданы с помощью простого лазерного пера.
Рис. 3.10.1. Фигуры Лиссажу, нарисованные лазерным пером
В основном варианте мы будем использовать электронные и обычные компоненты, взятые из бытовых приборов и устройств.
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссожу, нарисованными лазером 159
Это весьма приемлемо для тех, кто не имеет опыта в создании продвинутых проектов или располагает самым обычным набором механических и электронных частей для работы.
Водами
Изучить, что представляют собой фигуры Лиссажу и как их можно создать.
Построить генератор фигур Лиссажу, используя лазерное перо.
Провести демонстрацию этих фигур на уроке физики.
Создать декоративные приборы для демонстрации на выставках, в витринах магазинов, торжественных событиях, приемах и т.п.
Изучить, как фигуры Лиссажу используются для измерения частоты сигнала.
Что представляют собой фигуры Лиссожу
Любое периодически поворачивающееся движение, такое как, допустим, колебательные движения маятника или попросту его колебания, могут быть описаны тригонометрическим уравнением.
Проецируя это колебания, мы получим траекторию (рис. 3.10.2).
Как видим, движение происходит по прямой линии, поскольку оно одномерно. Это простейшее, но не единственное колебательное движение в природе.
ос = a sin(cut) ос - отклонение маятника от положения равновесия; а - амплитуда; cut-угловая частота отношенияос = a sin(cut) ос - отклонение маятника от положения равновесия; а - амплитуда; cut-угловая частота отношенияПроекцияПроекцияРис. 3.10.2. Траектория колебания маятникаРис. 3.10.2. Траектория колебания маятника
ос = a sin(cut) ос - отклонение маятника от положения равновесия; а - амплитуда; cut-угловая частота отношения
ос = a sin(cut) ос - отклонение маятника от положения равновесия; а - амплитуда; cut-угловая частота отношения
Проекция
Проекция
Рис. 3.10.2. Траектория колебания маятника
Рис. 3.10.2. Траектория колебания маятника
Что произойдет, если сочетать два колебательных движения? Представьте себе небольшой предмет, прикрепленный к четырем пружинам (рис. 3.10.3).
В том виде, в каком он показан на рис. 3.10.3, предмет может колебаться в любом направлении. Можно использовать перо для вычерчивания проекции движения на листе бумаги.
Если предмет вибрирует по направлению оси X, то и вычерчиваемая фигура будет прямой линией на оси X*. То же самое произойдет, если предмет вибрирует по направлению оси V. Но что произойдет, если колебания будут происходить и по оси X, и по оси ¥ одновременно?
Рис. 3.103. Вибрирующий предмет, прикрепленный к пружинам
Траектория проекции предмета на бумагу (рис. 3.10.4) зависит от нескольких факторов:
частоты колебаний по обеим осям;
амплитуды колебаний;
функции, создающей вибрации.
Рис. 3.10.4. Траектория предмета, находящегося в колебательном движении, вычерчиваемой на бумаге
Французский математик 19 в. Жюль Антуан Лиссажу изучал вибрирующие объекты, в частности звуковые (акустические) волны. Для выполнения своего эксперимента он прикрепил к камертону зеркало. Луч света был сфокусирован и отражен зеркалом. Затем отраженный луч был направлен на другое зеркало, прикрепленное к другому камертону, отстоящему от первого на некотором расстоянии. Два камертона были расположены таким образом, что могли вибрировать в плоскостях, перпендикулярных друг другу (рис. 3.10.5).
Результирующий луч после второго отражения был направлен на экран, на котором появились интересные рисунки. Лиссажу обнаружил, что когда частоты колебаний камертонов имеют заданное отношение значений величин, то рисунки получаются особой формы. Он также заметил, что рисунки появляются особенно интенсивно тогда, когда отношение частот вибраций представляется целыми числами.
Эти рисунки в настоящее время называются фигурами Лиссажу и помимо забавных свойств имеют чисто практическое применение. На рис. 3.10.6 показаны некоторые фигуры и соответствующие отношения частот вибраций.
Рис 3.10.6. Некоторые фигуры Лиссажу и соответствующие отношения
Помимо информации об отношении частот двух вибраций или колебаний, фигуры Лиссажу могут нести дополнительную информацию, касающуюся
фазового сдвига и отношения амплитуд вибраций. Как получить такую информацию с помощью фигур Лиссажу, показано на рис. 3.10.7.
Важно понять, что звуковые волны, проявляющиеся в фигурах Лиссажу, представляют собой естественные вибрации. Эти вибрации могут быть выражены через следующие уравнения:
х = А1 х sin (Qlxt); )=А2х sin (Q2xt), где
х - отклонение луча по оси абсцисс (х);
А1 - амплитуда отклонения по оси х;
Q1 - угловая частота по оси х;
у - отклонение луча по оси ординат (у);
А2 - амплитуда отклонения по оси у; .
522 - угловая частота по оси у;
t - время.
Рис 3.10.7. (Розове* сдвиг и отношение амплитуд, измеренное фигурой Лиссажу
Проект
Наш основной вариант представляет собой простой проектор фигур Лиссажу, использующий лазерное перо в качестве источника света и два громкоговорителя в механической колебательной системе, подсоединенных к небольшому зеркалу (рис. 3.10.8).
Громкоговорители устанавливаются таким образом, чтобы звуковые волны, когда достигнут зеркала, отражались в перпендикулярных друг к другу
Рис 3.10.8. Кок громкоговорители могут быть использованы для создания фигур Лиссажу
направлениях. В результате зеркало вибрирует композитным (сложным) движением, происходящим от колебания обоих громкоговорителей.
Затем луч света лазерного пера, который сфокусирован на том же самом зеркале, отражается под углом, зависящим от мгновенного положения зеркала.
Поскольку зеркало вибрирует, отраженный луч рисует фигуру, которая является прямым результатом движения. Если же виброчастоты громкоговорителей находятся в отношении, представленном целыми числами, то фигура, проецируемая на экране, будет фигурой Лиссажу.
В основном проекте один из громкоговорителей запитывается от сети переменного тока с частотой 60 Гц. Небольшой трансформатор с потенциометром управляет амплитудой.
Другой громкоговоритель подсоединен к выходу схемы, которая генерирует сигналы в большом диапазоне частот. Этот громкоговоритель используется для выполнения экспериментов и генерирует фигуры Лиссажу различных форм. Схема состоит из интегральной микросхемы серии 555 в устойчивой конфигурации и маломощного усилителя на интегральной микросхеме LM386IC.
Хотя серия 555 генерирует синусоидальные волны колебаний, резонансные характеристики громкоговорителя в режиме колебания создают квази- синусоидальные (ложносинусоидальные) вибрации. Поэтому фигуры несовершенны по форме. Они имеют некоторые искажения, но имеют рисунки, напоминающие оригинальные фигуры Лиссажу.
Однако этого достаточно, чтобы возбуждать усилитель НЧ (низкой частоты) и громкоговоритель, что в конечном счете приводит к созданию фигур Лиссажу. Альтернативой же для получения совершенных фигур будет замена генератора с прямоугольной формой волны на внешний генератор сигналов или функциональный генератор, который может генерировать синусоидальные волны без искажений.
Изменяя частоту генератора, вы можете найти частоты, на которых получаются наилучшие фигуры.Лиссажу. Блок-схема полной электронной схемы показана на рис. 3.10.9.
Замените лазерное перо на небольшой лазерный модуль и подайте к нему питание от другого источника напряжения - такого же, как главный источник,
Рис.3.10.9. Блок-схема проекта
который мы использовали нами для генераторов и усилителя. Лазерное перо можно приспособить для подпитки от внешнего источника (рис. 3.10.10).
Лазерное перо обычно запитывается от трех батареек на 4,5 В, однако номинальное напряжение для небольшого модуля может колебаться в пределах 4,5-6 В. В нашем проекте был использован пятивольтный положительный стабилизатор для запуска лазерного модуля.
Рис 3.10.10. Источник питания лазера, •оимстэоеашый от трансформатора
Монтаж электронной схемы
На рис. 3.10.11 показана электронная схема для лазера Лиссажу.
Электронная схема может быть смонтирована на печатной плате или в экспериментальных целях на плате, не использующей пайку (рис. 3.10.12).
Вы, конечно, можете выбрать технологию монтажа, наиболее подходящую для вашего проекта.
Трансформатор имеет первичную обмотку, согласованную с напряжением 117В сети переменного тока, и вторичную обмотку на 6 В с потреблением
ГромкоговорительГромкоговорительот D1 до D4 »1N4002 (*) см. текстот D1 до D4 »1N4002 (*) см. текст—► Опция для лазерного питания (рис. 3.10.10)—► Опция для лазерного питания (рис. 3.10.10)Рис. 3.10.11. Электронная схема для лазера ЛиссажуРис. 3.10.11. Электронная схема для лазера Лиссажутока 500-800 мА. Громкоговорители - обычные, с диаметром конуса 4-5 дюймов (10- 12,5 см) и импедансом в пределах 4-8 Ом. Можно попробовать взять более мощные громкоговорители, но их труднее приспособить к механической системе. Мощные громкоговорители имеют лучшие характеристики, потому что их конусы передают большие амплитуды вибраций на зеркало. Естественно, должно соблюдаться и
Громкоговоритель
Громкоговоритель
от D1 до D4 »1N4002 (*) см. текст
от D1 до D4 »1N4002 (*) см. текст
—► Опция для лазерного питания (рис. 3.10.10)
—► Опция для лазерного питания (рис. 3.10.10)
Рис. 3.10.11. Электронная схема для лазера Лиссажу
Рис. 3.10.11. Электронная схема для лазера Лиссажу
Рис. 3.10.12. Электронная плата, смонтированной на плате, не требующей пайкиРис. 3.10.12. Электронная плата, смонтированной на плате, не требующей пайкирасположение поляризованных компонентов, таких как электролитические конденсаторы, диоды и интегральные микросхемы. Потенциометр Р1 - проволочный.
Рис. 3.10.12. Электронная плата, смонтированной на плате, не требующей пайки
Рис. 3.10.12. Электронная плата, смонтированной на плате, не требующей пайки
поэтому действует, как реостат, и напрямую управляет сигналом, приложенным к громкоговорителю. Не используйте электронные потенциометры, описанные ранее в книге, потому что они пригодны только для управления дви
гателями и соленоидами.
Перечень элементов и компонентов электронной схемы
IC1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
LM386 - интегральная микросхема усиления НЧ.
DI, D2, D3, D4 - кремниевые выпрямительные диоды 1N4002.
SPKR1, SPKR2 - небольшие громкоговорители (12,5 см х 8 Ом).
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласованный со 117 В сети переменного тока, и вторичной обмоткой на 6 В х 800 мА (см. текст).
Cl - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
С2, СЗ, С4 - керамические или полиэфирные конденсаторы на 0,047 мкФ.
С5 - электролитический конденсатор на 220 мкФ х 12 В.
Р1 - проволочный потенциометр на 50 Ом.
Р2 - линейный или логарифмический потенциометр на 1 мОм.
РЗ - логарифмический потенциометр.
S1 - однополюсный переключатель SPST (вкл./выкл.).
R1 - резистор на 10 Ом х 2 Вт (коричневый, черный, черный).
R2, R3 - резисторы на 8,2 кОм х 1/8 Вт (серый, красный, красный).
R7 - резистор на 10 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, черный).
S1 - переключатель SPST (вкл./выкл.).
F1 - плавкий предохранитель на 500 мА (держатель).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, шнур питания, пластмассовая коробка, ручка для потенциометра, провода, припой и т.п.
Опция для лазерного питания:
IC1 - интегральная микросхема 7805IC.
D1 - кремниевый выпрямительный диод.
С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
XI - полупроводниковый лазерный модуль.
Сборка механической части
В основном варианте проекта мы использовали кусочки дерева, чтобы поставить громкоговорители и вибросистему в нужное положение. Громкоговорители приклеиваются к основанию в положении, определяемом двумя отрезками провода, исходящими из места, где устанавливается зеркало (рис. 3.10.13). Отрезки изготавливаются из голого провода сортамента 14 или 16 AWG. Три отрезка провода припаиваются друг к другу в виде буквы Y. Причем очень тщательно нужно соблюсти прямой угол между отрезками, подходящими к громкоговорителям (рис. 3.10.14).
Конструкция в виде Y крепится на своем месте при помощи оконечной полоски и винтов. Зеркало размером 4x4 см клеится к центральной части конструкции Y.
Для подключения системы к внешней цепи требуется оконечная полоска. Механическая часть проекта собирается и монтируется на деревянном основании (рис. 3.10.15).
В экспериментальных целях оператор может держать лазерное перо в руках, фокусируя его на зеркале для создания отраженного изображения на
Рис. 3.10.13. Механическая часть
Рис 3.10.14. Отрезки гроеодо, подключенные к громкоговорителям, должны находиться подпрямым углом друг к другу, образуя букву V
стене или другой поверхности. Но для получения более устойчивого изображения лазерное перо должно быть укреплено на опоре.
В окончательном варианте все электронные компоненты размещаются внутри коробки, а лазер закреплен и получает питание от той же схемы.
Рис 3.10.15. (хзмкосоеорители и зеркало установлены но деревянное основание
Проверка и использование
Установите ручку потенциометра РЗ на минимальное значение, исключив все вибрации в канале усилителя. Включите шнур питания в розетку сети переменного тока. Во время фокусирования лазерного пера на зеркале подстройте потенциометр Р1 для создания изображения на экране, подобного одному из изображений на рис. 3.10.16.
ФигурыФигурыЗеркалоЗеркалоПитание подключено только к громкоговорителю 1Питание подключено только к громкоговорителю 1
Фигуры
Фигуры
Зеркало
Зеркало
Питание подключено только к громкоговорителю 1
Питание подключено только к громкоговорителю 1
Рис 3.10.16. Моброжемие создается только во время вибрации громкоговорителя 1
Теперь медленно подстройте потенциометры Р2 и РЗ так, чтобы вибрации появились в другом канале. Потенциометр РЗ подстраивает амплитуду, а Р2 - частоту. Подстраивайте РЗ до тех пор, пока не найдете частоту, которая преобразится в фигуры Лиссажу.
Если произойдет серьезное искажение, измените положение громкоговорителей таким образом, чтобы они стояли под малозаметным уклоном. Искажение - вещь достаточно обычная, потому что вибросистема несовершенна и звуковые волны или вторичные вибрации создают резонанс, который может накладываться на систему.
Удлинение провода в месте, где стоит зеркало, может улучшить функцио
нирование системы.
Модификации проекта
Существует много способов управления лазерным лучом и создания фигур Лиссажу хорошего качества. Наш основной проект использует самые простые вибрирующие объекты и лазерное перо. Само собой разумеется, что начинающий гений может захотеть создать свой вариант.
Вращающееся зеркала
Один из самых простых способов создать вибрирующую отражающую поверхность - подсоединение зеркал к шпинделям небольших электродвигателей постоянного тока (рис. 3.10.17). Два небольших электродвигателя постоянного тока, установленных под углом 90° друг к другу, в конечном итоге приведут к созданию фигур Лиссажу. На рис. 3.10.18 показано, как подключить управление PWM к электродвигателям.
Рис. 3.10.17. Испо^вогмэею двух электродвигателей постоянного тока для вращемтя зеркалРис. 3.10.17. Испо^вогмэею двух электродвигателей постоянного тока для вращемтя зеркалИсточникпитанияИсточникпитанияУправление широтно-импульсной модуляцией 1 ЭлектродвигательУправление широтно-импульсной модуляцией 1 ЭлектродвигательРис 3.10.18. Упровленю скоростью врощения электродвигателейРис 3.10.18. Упровленю скоростью врощения электродвигателей
Рис. 3.10.17. Испо^вогмэею двух электродвигателей постоянного тока для вращемтя зеркал
Рис. 3.10.17. Испо^вогмэею двух электродвигателей постоянного тока для вращемтя зеркал
Источникпитания
Источникпитания
Управление широтно-импульсной модуляцией 1 Электродвигатель
Управление широтно-импульсной модуляцией 1 Электродвигатель
Рис 3.10.18. Упровленю скоростью врощения электродвигателей
Рис 3.10.18. Упровленю скоростью врощения электродвигателей
Тот же источник питания, который подает энергию электродвигателям, может быть применен для питания лазера с помощью каскада, понижающего напряжение, как показано в основном проекте.
Соленоиды
Небольшие соленоиды - хороший источник вибрации, если их подсоединить к зеркалам (рис. 3.10.19).
Этот вид схемы может быть соединен напрямую с выходом трансформатора при помощи реостата для ограничения величины тока или с выходом генераторов и усилителей НЧ.
Соленоид 1Соленоид 1Соленоид 2Соленоид 2Рис 3.10.19. Система модуляции, созданная при помощи соленоидовРис 3.10.19. Система модуляции, созданная при помощи соленоидов
Соленоид 1
Соленоид 1
Соленоид 2
Соленоид 2
Рис 3.10.19. Система модуляции, созданная при помощи соленоидов
Рис 3.10.19. Система модуляции, созданная при помощи соленоидов
Вы можете выполнить эксперименты с использованием соленоидов, изготовленных из 100-500 витков провода сортамента 28-32 AWG, намотанного на небольшие картонные или пластмассовые формы.
Шаговые шектродвигатсли
Шаговые электродвигатели весьма пригодны для лазерной модуляции и в этом случае могут быть управляемы достаточно точно. Шаговый электродвигатель на 400 шаг/вращ. обеспечивает точность в пределах одного градуса. Загляните в описание проекта 14 для получения более полной информации по шаговым электродвигателям.
Также при использовании шаговых двигателей необходимо учитывать, что они могут управляться непосредственно с компьютера. В проекте 14 вы найдете схему, управляющую шаговыми электродвигателями, которые можно использовать для создания фигур Лиссажу.
Вибрирующие лезвия
На рис. 3.10.20 показано интересное устройство из вибрирующих лезвий, приводимых в действие электромагнитами.
Лезвия изготавливаются из черных металлов, которые притягиваются магнитным полем, создаваемым электромагнитами. Упрощенный вариант электромагнитов может быть изготовлен из 100-200 витков провода сортамента 28-32 AWG, навитого на 1/2х 1/8-дюймовый винт.
ФигураЛиссажуФигураЛиссажу
Фигура
Лиссажу
Фигура
Лиссажу
Рис 3.10.20. Вибрирующие лезвия могут быть использованы для управления лазерным лучом
Электронная схема приводится в действие небольшим трансформатором (60 Гц) и любым усилителем, подсоединенным к генератору. Обратите внимание на то, что вибрирующие лезвия должны быть собраны под прямым углом друг к другу. Помните, что размер фигуры зависит от энергии, приложенной к системе.
Компьютерное управление
Мультимедийные усилители НЧ имеют два канала и используют два небольших громкоговорителя (рис. 3.10.21).
Рис. 3.10.21. Мультимедийные усилители НЧ
7 Создание роботов в дом. усл.
Вы можете создать недорогую систему, используя громкоговорители и монтируя их в порядке, указанном в основном проекте. В этом случае частоты, создаваемые громкоговорителями, которые модулируют лазерный луч, могут быть сгенерированы компьютерным обеспечением.
Читатель может дополнить систему управляющей программой для точной подстройки к тем точкам, где создаются фигуры Лиссажу. Поскольку программное обеспечение дает возможность генерировать точные частоты, с его помощью намного легче достичь отношения, при котором создаются фигуры.
Использованье функциональных генераторов и генераторов низкой частоты
Точные синусоидальные волны могут создаваться при помощи функциональных генераторов или генераторов низкой частоты, которые находят применение в электронных лабораториях. Эти приборы могут быть присоединены к усилителям низкой частоты для модулирования лазерного луча (рис. 3.10.22). Любое искажение фигур будет результатом механической системы модуляции.
Использование синусоидальных волн
ФункциональныеУсилители
генераторынизкой частоты
Рис. 3.10.22. Использование генератора низкой частоты или функционального генератора
Красс-темы
Фигуры Лиссажу изучаются в разделе физики, называемом механикой. Прибор можно применить для наглядной демонстрации процесса генерирования кривых.
Многие теоретические положения по исследуемой теме могут быть проверены вами самостоятельно, для этого:
определите отношения частот на основе фигур;
измерьте фазовый сдвиг двух сигналов;
проанализируйте искажения и их причины;
исследуйте, как одна частота (60 Гц) определяет другую, созданную генератором.
Дополнительные схемы
Генераторы, пригодные для этого и других проектов, будут обсуждаться ниже.
Пзнератор, использующий интегральную микросхему 4093IC
Схема (рис. 3.10.23) генерирует переменный частотный сигнал. Емкостнорезистивный фильтр на выходе сглаживает волну, придавая ей квазисинусои- дальную форму.
Эта схема получает питание от источника напряжения 5-12 В. Сигнал схемы может быть использован для прямого запуска входа усилителей низкой частоты, возбуждая тем самым громкоговорители, соленоиды и магниты, применяемые в эксперименте.
Рис. 3.10.23.(ёнеротор, использующий интегральную микросхему 4093
Перечень элементов и компонентов генератора, использующего интегральную микросхему 4093IC
IC-1 - интегральная микросхема 4093, комплементарный металлооксидный полупроводник (CMOS [КМОП]).
174 ЧАСТЬ3. Проекты
R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R2, R3, R4 - резисторы на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 1 мОм.
Cl, С2, СЗ - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
С4 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
Печатная плата или плата, не требующая пайки, провода и т.п.
Генератор синусоидальных колебаний
Генератор низкой частоты создает низкочастотную синусоидальную волну (рис. 3.10.24). В сдвоенном Т-генераторе частота определяется конденсаторами и резисторами в Т-контуре обратной связи. Значения величин компонентов в Т-контуре должны иметь указанные отношения.
СЗ 0.1 pFСЗ 0.1 pFВыходВыходВ16-9VВ16-9V
СЗ 0.1 pF
СЗ 0.1 pF
Выход
Выход
В1
6-9V
В1
6-9V
Рис 3.10.24. Сдвоенный генератор а<нусоидальных колебаний
Потенциометр изменяет частоту в небольшом диапазоне значений. При использовании этой схемы для модуляции лазерного луча можно было бы дополнить ее переключателем для внесения изменений в Т-контур в соответствии с создаваемыми фигурами Лиссажу.
Схема может получать питание от источника напряжением до 6 В, но сигнал будет ослабевать, поэтому потребуется его скорректировать с помощью внешнего усилителя низкой частоты.
Специально ела— »
$а1аН<ш$Ж
знание без границЧ*
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными лазером 175
Перечень элементов и компонентов генераторе синусоидальных колебаний
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа или эквивалент.
RI, R2 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
R3 - резистор на 5,6 кОм х 1/8 Вт (зеленый, голубой, красный).
Р1 - линейный потенциометр на 47 кОм.
Cl, С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
СЗ - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,1 мкФ.
С4 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,22 мкФ.
В1 - 6-9-вольтовая батарея или элементы.
Печатная плата или плата, не требующая пайки, держатель элементов или батарейное соединительное устройство, провода и т.п.
Транзисторный усилитель низкой частоты
Альтернативный усилитель низкой частоты обычно используется для возбуждения небольшого громкоговорителя от сигнала, поступающего от генератора низкой (звуковой) частоты (рис. 3.10.25).
Звуковой вход (низкочастотный)
3-6V
Рис. 3.10.25. Усилитель низкой частоты, использующий обычный биполярный транзистор
Схема должна получать питание от источника напряжением 3-6 В. Схему можно смонтировать на небольшой печатной плате или плате, не требующей пайки для эксперимента.
Альтернативные транзисторы и все другие компоненты нетрудно достать, они не являются дефицитом. Усилитель обеспечивает мощность в несколько десятков мВт, подводимых к громкоговорителям, вполне достаточных для того, чтобы они начали вибрировать, а затем продемонстрировать колебания в зеркале.
Перечень элементов и компонентов транзисторного усилители
Ql, Q2 - кремниевые транзисторы общего назначения ВС548 NPN- типа или эквивалент.
Q3 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа или эквивалент.
DI, D2 - кремниевые диоды общего назначения 1N914 или 1N4148.
R1 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
Р1 - линейный потенциометр на 10 кОм.
С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 12 В.
СЗ - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
6-вольтовый источник питания (4 батарейки размера АА), печатная плата или плата, не требующая пайки, провода, припой и т.п.
Мощный усилитель
Для тех, кто намерен работать с мощным лазером, таким, например, как ге- лиево-неоновый, также потребуется электронная схема, способная возбуждать большие зеркала (например, Юх 10 см), мощный усилитель и большие громкоговорители. Схема (рис. 3.10.26) способна обеспечивать мощность в 8 Вт при подключении к источнику питания напряжением 13,2 В.
Величина отношения сопротивлений резисторов R1 и R2 определяет коэффициент усиления напряжения схемы. Схема может быть смонтирована на печатной плате.
Интегральная микросхема устанавливается на теплоотводящий радиатор. Потребление тока должно составлять 3 А или более. Вполне приемлемый для этого усилителя источник питания изображен на рис. 3.10.27.
Для этой схемы может быть использован любой трансформатор с первичной обмоткой, согласованной с напряжением сети переменного тока, и вторичной обмоткой с напряжением 9-12 В.
2А
Рис. 3.10.27. Источник питания для усилителя
Перечень элементов и компонентов мощного усилителя
IC-1 - интегральная микросхема силового усилителя низкой частоты TDA2002.
R1 - резистор на 220 Ом х 1/8 Вт (красный, красный, коричневый).
R2 - резистор на 2,2 Ом х 1/8 Вт (красный, красный, золотой).
R3 - резистор на 1 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, золотой).
Р1 - логарифмический потенциометр на 10 кОм.
С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 16 В.
С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 12 В.
СЗ, С6 - керамические или полиэфирные конденсаторы на 0,1 мкФ.
С4, С5 - электролитические конденсаторы на 1000 мкФ х 16 В.
Печатная плата, теплоотводящий радиатор для интегральной микросхемы, провода, припой и т.п.
Современные технологии
Лазерные лучи широко применяются в современных устройствах. Наиболее известный прибор - лазерный принтер.
Лазерный луч модулируется и фокусируется на светочувствительной поверхности барабана. Зеркала используются для изменения направления лазерного луча, в то время как линзы — для поддержания небольшого отклонения во всех точках вдоль траектории движения луча.
Еще одна технология, в которой используются зеркала, управляемые электронными сигналами, применяется в больших телевизионных экранах. А для модуляции светового луча каждого пикселя на изображении применяются микрозеркала (пиксель — сокращенно от Picture Element — минимальный элемент изображения или картинки, фактически точка на экране). Зеркала монтируются прямо на кремниевых чипах (чип - микросхема, благодаря микроминиатюризации содержащая большое количество элементов и компонентов).
Идеи для экспериментов
Проект, с которым мы вас познакомили, — всего лишь основной вариант для экспериментов с лазерной модуляцией и управлением. Начинающий гений может вдохновиться на создание более сложных приборов или высокотехнологичных устройств, например:
подключить дополнительно схему включения/выключения лазерного луча, создающего моделированные фигуры;
создать фигуры Лиссажу, используя осциллограф;
сконструировать световую демонстрационную схему, действующую таким образом, чтобы можно было модулировать лазерный луч, используя выход звуковой системы, и создавать фигуры, изменяющиеся в соответствии с передаваемой музыкой.
^ataHausl^.^ataHausl^.
^ataHausl^.
^ataHausl^.
Проект 11.
Аналоговый компьютер
Современные компьютеры - цифровые машины. Они работают в так называемой двоичной системе, в которой задействованы только 0 и 1, что соответствует двум возможным положениям в их электронных схемах. Однако * это не единственный вид компьютеров, существующих в настоящее время.
На заре развития кибернетики компьютеры существовали в виде аналоговых машин, которые работают по иному принципу, чем цифровые. Аналоговые компьютеры преобразуют числа в напряжения и затем выполняют математические операции с этими напряжениями, используя потенциометры и операционные усилители.
Операционные усилители были настолько эффективны в таких вычислениях, как сложение, вычитание, умножение, деление, интегрирование и дифференцирование, что они все еще применяются в устройствах, использующих аналоговые сигналы.
Хотя операционные усилители были созданы для использования в вычислительной технике, их усовершенствованные формы выполняют разнообразные задачи в других областях. На рис. 3.11.1 показана схема, представляющая операционный усилитель (ОА) и одну из его разновидностей.
Суммирование Дифференцирование
®1 ©■^^^_—| R®1 ©■^^^_—| Rе0-^(е1 + е2+ез)е0-^(е1 + е2+ез)Рис. 3.11.1. Операционный усилитель и его разновидность для выполнения математических операцийРис. 3.11.1. Операционный усилитель и его разновидность для выполнения математических операций
®1 ©■^^^_—| R
®1 ©■^^^_—| R
е0-^(е1 + е2+ез)
е0-^(е1 + е2+ез)
Рис. 3.11.1. Операционный усилитель и его разновидность для выполнения математических операций
Рис. 3.11.1. Операционный усилитель и его разновидность для выполнения математических операций
Преобразуя числа и посылая их в виде напряжений через электронные схемы и каскады, компьютер выполняет математические операции, направляя результаты в некоторый вид приемника (рис. 3.11.2).
Аналоговые компьютеры имеют целый ряд недостатков, которые отсутствуют у цифровых компьютеров. При выполнении каждой операции есть вероятность ошибки. Чем болыЬе выполняется операций, тем больше накапливается ошибок, влияющих на результат.
E0-(Ei + E2-E3)x5E0-(Ei + E2-E3)x5Рис. 3.11.2. Простоя структурная схема оналогоеого компьютераРис. 3.11.2. Простоя структурная схема оналогоеого компьютера
E0-(Ei + E2-E3)x5
E0-(Ei + E2-E3)x5
Рис. 3.11.2. Простоя структурная схема оналогоеого компьютера
Рис. 3.11.2. Простоя структурная схема оналогоеого компьютера
Рис. 3.11.3. Логарифмическая линейкаРис. 3.11.3. Логарифмическая линейкаДругая проблема - быстродействие. Аналоговые компьютеры не способны выполнять большое количество операций одновременно, что замедляет их работу. Тем более невозможно применять аналоговые машины в комплексных вычислениях.
Рис. 3.11.3. Логарифмическая линейка
Рис. 3.11.3. Логарифмическая линейка
По принципу работы аналоговые компьютеры можно сравнить с логарифмической линейкой.
Логарифмические линейки (рис. 3.11.3) ши
роко использовались инженерами в середине 20 в. до изобретения калькуляторов и компьютеров.
Цель
Хотя в настоящее время аналоговые компьютеры встречаются редко, но их простые варианты, предлагаемые в этом проекте, могут быть собраны и смонтированы, чтобы показать принцип действия. Поскольку в их конструкции используются механические и электрические части и компоненты, то они считаются механотронными проектами с некоторыми вкраплениями кибернетики и математики.
Все, чем мы можем поделиться в этом проекте, это сведения о том, как построить небольшой аналоговый компьютер, подобный механотронной логарифмической линейке и способный выполнять некоторые математические операции, а именно:
сложение;
вычитание;
умножение;
деление;
логарифмические функции;
извлечение квадратного корня;
возведение в степень;
^lalaHauSt^l
тригонометрические функции, такие как синус, косинус, тангенс и котангенс;
пропорциональное исчисление.
Схема в основном проекте аналогового компьютера очень проста, но может быть усовершенствована при помощи операционных усилителей и других средств. Это может быть сделано для того, чтобы:
показать, как работает аналоговый компьютер;
выполнить простые математические вычисления;
помочь ученикам выполнять домашние задания по математике;
понять, как выполняется аналоговое преобразование;
продемонстрировать изделие на научных выставках и школьных уроках.
Проект
Основной вариант аналогового компьютера, который мы построим, показан на рис. 3.11.4.
Как видим, основной аналоговый компьютер имеет три индикатора, подсоединенных к трем потенциометрам, передвигающимся или скользящим по
Рис. 3.11.4. Основной вариант аналогового компьютераРис. 3.11.4. Основной вариант аналогового компьютераградуированной шкале и индикатору.
Рис. 3.11.4. Основной вариант аналогового компьютера
Рис. 3.11.4. Основной вариант аналогового компьютера
Потенциометры 1 и 2 обычно используются как вход для данных - чисел, участвующих в вычислениях. Потенциометр 3 подстраивается для определения результатов первых двух. Когда результат первых двух потенциометров определен, то индикатор на третьем потенциометре показывает нуль.
Так, например, если в действии умножения вы
выстраивайте потенциометр 1 на 3, а потенциометр 2 на 2, то индикатор потенциометра 3 покажет нуль (равновесие), когда потенциометр 3 достигнет положения 6 (3 х 2 = 6).
Точность результатов зависит от многих факторов:
точности потенциометров и индикатора. Обычные линейные потенциометры не являются точными приборами, поскольку они механические. Обычно 5% отклонения допуска точности является нормальным для их шкал. Если 5% разницы в результатах умножить на три потенциометра, то получим еще большую разницу от ожидаемых результатов. Однако, учитывая экспериментальный характер проекта, такая разница не имеет большого значения. Помимо этого индикатор недостаточно точный, чтобы четко показывать, когда достигается нулевая точка. Это также может добавить небольшую погрешность результатам;
точности шкал. Шкалы не точны. Подобно аналоговым мультиметрам размер стрелки, указывающей на число, может внести какую-то степень погрешности. Например, может произойти так, что будет непонятно, указывает стрелка на нуль или на единицу;
оператора. Небольшая разница при установке потенциометра на число может повлиять на результаты. Эта погрешность вносится оператором.
Кок он роботост
Принцип действия аналогового компьютера основывается на способности компьютера производить аналоговые умножения. Чтобы понять, как он работает, вначале рассмотрим простую схему (рис. 3.11.5).
ПотенциометрПотенциометрV 10VV 10VО 5VО 5V50% полного сопротивления50% полного сопротивления
Потенциометр
Потенциометр
V 10V
V 10V
О 5V
О 5V
50% полного сопротивления
50% полного сопротивления
Заземление (0V)
Рис. 3.11.5. выполнение онсуххоеого преобразования
Эта схема преобразует число, напротив которого остановился курсор потенциометра, в аналоговое напряжение. Потенциометр проградуирован от О до 10 с центральной позицией на цифре 5. Если курсор стоит в центре или на полпути (5), это означает, что он указывает на среднюю точку, или 50% того, что проградуировано на шкале. Эта позиция обозначает 50% напряжения батареи. Если, например, 100% напряжения батареи равно 10 В, то соответствующая центральная позиция, или полупуть, равен 5 В.
Само собой разумеется, что если мы намерены работать с большими числами, необходимо привыкнуть к масштабированию чисел. Например, если количество вольт, которое нужно преобразовать, равно 47, мы должны представить число как 4,7 и преобразовать в 4,7 В. Десятичная запятая, конечно, должна быть учтена позже, когда будет найден результат. На рис. 3.11.6 показано, как представлять величины. Теперь сделаем еще шаг, дополнив нашу схему другим потенциометром (рис. 3.11.7).
Рис. 3.11.6. Аналоговые преоброзовония с применением потенциометра
и-пециально оля-
9iatallausW знание без границX *
Проект 11. Аналоговый компьютер 183
v — 10Vv — 10V50% = 0.5x1050% = 0.5x10V2V250% = 0.5x0.5x1050% = 0.5x0.5x10O0VO0V——о 0.25x10 = 2.5V——о 0.25x10 = 2.5VРис. 3.11.7. Добавление второго потенциометреРис. 3.11.7. Добавление второго потенциометре
v — 10V
v — 10V
50% = 0.5x10
50% = 0.5x10
V2
V2
50% = 0.5x0.5x10
50% = 0.5x0.5x10
O0V
O0V
——о 0.25x10 = 2.5V
——о 0.25x10 = 2.5V
Рис. 3.11.7. Добавление второго потенциометре
Рис. 3.11.7. Добавление второго потенциометре
Просматривая цифры, мы можем заметить, что напряжение, приложенное к выводам второго потенциометра, - число, снятое с первого потенциометра и преобразованное в аналоговое напряжение.
Итак, если стрелка второго потенциометра стоит в центре шкалы, то напряжение, отмеченное стрелкой, должно составлять 50% от первоначальных 50% (0,5 х 0,5 = 0,25), или 25% напряжения батареи. Другими словами, без десятичной запятой схема умножает 5x5 = 25.
Это означает, что если потенциометры 1 или 2 имеют шкалы, проградуированные от 0 до 10, тогда напряжение на выходе схемы будет производным снятого числа, умноженного на 10. Другими словами, шкала, проградуированная от 0 до 10 В, будет представлять числа от 0 до 100.
Но как же читать результаты? Ответ дается на рис. 3.11.8, где к схеме добавлены третий потенциометр и индикатор.
Рис. 3.11.8. Завершение схемы основного проекта аналогового компьютера
Читатель может легко заметить, что если мы подстроим третий потенциометр (РЗ) на 0,25% его шкалы, то напряжение, отмеченное его курсором, будет равно напряжению, отмеченному курсором потенциометра 2 (Р2). А индикатор, установленный в положение между этими двумя точками, покажет нуль.
Если потенциометр 3 (РЗ) проградуирован от 0 до 100, то положение его курсора покажет результат, равный произведению значений напряжений,
снятых с потенциометров Р1 и Р2. Это действительно для всех чисел или всех точек на шкалах потенциометров Р1 и Р2 (рис. 3.11.9).
Деление числа может быть произведено в обратном порядке: делимое устанавливается потенциометром РЗ, делитель - потенциометром Р2, а результат появится на потенциометре Р1. Когда потенциометр Р1 приводится в движение, схема определяет момент, в который курсор укажет на результат. Шкалы или, вернее, измерение с помощью шкал может быть откалибровано при помощи тригонометрических функций, таких как синусы, косинусы, тангенсы и логарифмы. Подстраивая потенциометр Р1 к 10 (полная шкала), а потенциометр Р2 - на любой угол в угловой шкале, мы сможем прочитать синус или косинус данного угла в соответствующей шкале. Логарифмическая шкала очень важна: мы можем использовать ее для вычислений с применением логарифмов, потому что экспоненциальность (возведение в степень) - производная логарифма, а корень - деление логарифма.
Рис. 3.11.9. Любое умножение может быть произведено при помощи этой простой схемы
Критические компоненты
При создании прректа необходимо иметь в виду, что потенциометр имеет конечную величину сопротивления. Это означает, что схема может быть нагружена, влияя отрицательно на конечный результат. Когда один потенциометр сообщает другому, что не может принять посылку, то происходит то, что показано на рис. 3.11.10.
На рис. 3.11.10 потенциометр на 1000 Ом подсоединен к другому потенциометру, тоже на 1000 Ом. Однако если потенциометр Р2 подстроить на 50% шкалы (500 Ом), то величина напряжения в точке А будет меньше, чем 5 В.
Что произойдет, если будет сформирована эквивалентная схема при помощи резистора на 500 Ом, подключенного последовательно к другим резисторам? Резистор на 500 Ом формируется нижней частью потенциометра Р1,
10V10VРис. 3.11.10. Потенциометр Р2 загружает потенциометр Р1. влияя на результатРис. 3.11.10. Потенциометр Р2 загружает потенциометр Р1. влияя на результат
10V
10V
Рис. 3.11.10. Потенциометр Р2 загружает потенциометр Р1. влияя на результат
Рис. 3.11.10. Потенциометр Р2 загружает потенциометр Р1. влияя на результат
а резистор на 1000 Ом формируется потенциометром Р2. Эти два резистора представляют резистор на 333 Ом, и ожидаемая величина напряжения в 5 В будет понижена до 3,33 В (рис. 3.11.11).
Эквивалент потенциометрам Р1 и Р2Эквивалент потенциометрам Р1 и Р2Рис. 3.11.11. Но напряжение оказывает влияние сопротивление потенциометра Р2Рис. 3.11.11. Но напряжение оказывает влияние сопротивление потенциометра Р2
Эквивалент потенциометрам Р1 и Р2
Эквивалент потенциометрам Р1 и Р2
Рис. 3.11.11. Но напряжение оказывает влияние сопротивление потенциометра Р2
Рис. 3.11.11. Но напряжение оказывает влияние сопротивление потенциометра Р2
Самым простым способом избежать этого является максимальное увеличение сопротивления потенциометра Р2. Если потенциометр Р2 становится резистором на 100 кОм вместо 1 кОм, тогда его напряжение станет 4,95 В, то есть уже почти равно 5 В, как мы и хотели.
Другим важным моментом является то, что схема не зависит от напряжения источника питания. Это происходит потому, что величина напряжения одинакова во всех потенциометрах.
Следовательно, любое изменение в одной ветви схемы приведет к соответствующему изменению в других ветвях.
Как построить аналоговый компьютер
На рис. 3.11.12 показана электронная схема основного варианта аналогового компьютера.
Несколько элементов и компонентов проекта размещаются в деревянной коробке (рис. 3.11.13).
Автор построил прототип компьютера, помещающегося в коробке с раз
мерами 40х 18х 8 см.
Рис. 3.11.13. Компоненты, размещающиеся в коробкеРис. 3.11.13. Компоненты, размещающиеся в коробкеПотенциометры Р1 и РЗ являются прово л очными и линейными, а потенциометр Р2 - обычный угольный линейный. Необходимс проверить угол разворота курсора. Все кур соры должны быть установлены по деленик 270° на потенциометрах^для согласования сс шкалами, предложенными в тексте.
Рис. 3.11.13. Компоненты, размещающиеся в коробке
Рис. 3.11.13. Компоненты, размещающиеся в коробке
Индикатор на 50-0-50 мкА с нулем в цент ре шкалы. Такой же вид индикатора установлен в некоторых стереоусилителях низкой частоты для индикации баланса.
S2S2Диодный мостикДиодный мостикРис. 3.11.14. Диодный мостик позволяет использовать обычные индикаторыРис. 3.11.14. Диодный мостик позволяет использовать обычные индикаторыВместо такого индикатора можно использовать любой обычный микроамперметр 0-200 мкА и подключить к нему диодный мостик, который будет пропускать ток в обоих направлениях (рис. 3.11.14).
S2
S2
Диодный мостик
Диодный мостик
Рис. 3.11.14. Диодный мостик позволяет использовать обычные индикаторы
Рис. 3.11.14. Диодный мостик позволяет использовать обычные индикаторы
Школы
Аналоговый компьютер способен решать математические задачи, а именно вычитание, сложение, умножение, деление, извлечение корня, возведение в степень, логарифмические и тригонометрические уравнения и даже сложные функции. В основном проекте используется три градуированных круговых диска (X, Y и Z). Каждый диск имеет три шкалы, или кольца измерения:
линейные шкалы al, а2и аЗ - используются в операциях вычитания, сложения, умножения, деления и извлечения квадратного корня;
логарифмические шкалы Ы, Ь2 и ЬЗ- используются в операциях деления и умножения логарифмическими методами, вычисления степени числа и нахождения логарифмического числа;
синусные и косинусные шкалы cl, с2 и сЗ - используются для нахождения синусов и косинусов углов между 0е и 90°.
Способ изготовления шкал показан на рис. 3.11.15.
Шкалах
Рис. 3.11.15о. Школы для трех потенциометров
Вы можете сделать фотокопии этих шкал (рис. 3.11.16) и приклеить каждую к компакт-диску. А затем приклеить компакт-диски к ручкам, которые мы применяли для потенциометров. Индикаторы изготавливаются из тонкого провода или нитей пластмассового волокна (нити), применяемых для изготовления синтетической щетки. На рис. 3.11,16 изображен способ монтирования шкал.
Рис. 3.11.16. Прозрачные пластиковые шкалы используются для покрытия потенциометров.Они приклеиваются к пластмассовым ручкамРис. 3.11.16. Прозрачные пластиковые шкалы используются для покрытия потенциометров.Они приклеиваются к пластмассовым ручкам
Рис. 3.11.16. Прозрачные пластиковые шкалы используются для покрытия потенциометров.
Они приклеиваются к пластмассовым ручкам
Рис. 3.11.16. Прозрачные пластиковые шкалы используются для покрытия потенциометров.
Они приклеиваются к пластмассовым ручкам
Переключатель S1 используется для включения и выключения источника питания. Переключатель S2 используется для повышения чувствительности до уровня, при котором обеспечивается ожидаемый результат. Когда переключатель S2 замкнут, чувствительность схемы возрастает, облегчая нахождение правильного результата математической операции, выполняемой компьютером.
Другие школы
Начинающий гений может захотеть созвать более мощный аналоговый компьютер, дополнив его другими шкалами. Вот примерный перечень шкал, которые можно добавить:
шкалы для натуральных логарифмов;
шкалы для квадратных и кубических корней;
шкалы для преобразования чисел из десятичной системы в другие системы исчисления;
шкалы, представляющие гиперболические функции.
Перечень элементов и компонентов енологовых компьютеров
Р1, РЗ - линейный проволочный потенциометр (270°) на 50 Ом.
Р2 - линейный угольный потенциометр (270°) на 100 кОм.
Р4 - синхронизирующий потенциометр на 47 кОм.
RI, R2 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
S1 - однополюсный переключатель SPST (вкл./выкл.).
S2 - кнопка.
В1 - четыре батарейки на 6 В (с держателем).
Ml - микроамперметр 50-0-50 мкА с 0 В в центре шкалы (см. текст).
Коробка, оконечная полоска, ручки и линейки для потенциометров, шка
лы, провода, припой и т.п.
Проверка и использование
Установите батарейки в держатель и включите переключатель S1. Потенциометр Р2 должен быть в центре шкалы. Двигая потенциометр Р1 и РЗ, изменим положение индикатора.
Прежде всего подстроим потенциометр Р4 таким образом, чтобы не было индикации за пределами шкалы. Этот потенциометр точной подстройки ограничивает величину тока, протекающего через прибор.
Теперь можно попытаться выполнить простую операцию, например умно? жение. Настройте потенциометры Р1 и Р2 на числа, которые надо перемножить. Затем настройте потенциометр РЗ для нахождения результата. Индикатор потенциометра РЗ покажет нуль, когда будут найдены результаты на потенциометрах Р1 и Р2.
Другие операции
деление - отметьте делимое на шкале аЗ потенциометра РЗ, и делитель на шкале а2 потенциометра Р2. Подстройте потенциометр Р1 на нулевое значение. Прочтите результат на шкале al потенциометра Р1;
корень N - пусть корень n-й степени числа А = Ь. Вычислите корень п-й степени числа А, выставив число А на логарифмической шкале Ы потенциометра Р1. Зафиксируйте обратную величину числа на линейной шкале а2 потенциометра Р2. Результат читается на логарифмической шкале ЬЗ потенциометра РЗ, когда индикатор показывает нуль;
степень числа N - пусть А в степени Ь = с. Зафиксируйте основание числа на логарифмической шкале Ы потенциометра Р1, а степень Ь - на линейной шкале а2 потенциометра Р2. Подстройте потенциометр РЗ на нулевое значение. Результат найдется на логарифмической шкале ЬЗ потенциометра РЗ.
Другие операции выполняются согласно тем же основным правилам, большинство из которых можно найти в учебниках по математике.
Модификации проекта
Можно внести много изменений в конструкцию основного проекта аналогового компьютера. Начинающий гений может усовершенствовать схему, используя современные компоненты, такие как операционные усилители. Ниже мы поделимся с вами своими предложениями по изменению и усовершенствованию проекта.
Суммирующая схема
Можно добавить суммирующую схему с использованием двух или трех потенциометров, подключенных последовательно друг к другу (рис. 3.11.17). Величина напряжения в А - это сумма Аналоговых напряжений, установленных на потенциометрах Pl, Р2 и РЗ.
Рис. 3.11.17. Суммирующая схема, использующая потенциометры
Кросс-тамы
Аналоговый компьютер - прекрасный инструмент, помогающий преподавать и изучать математику. Начинающий гений может использовать его для арифметических вычислений. Школьный учитель с помощью такого компьютера сможет пояснить принцип обращения с логарифмической линейкой и счетами.
Предлагаются следующие кросс-темы:
обучение математике;
использование потенциометров для выполнения вычислений;
получение навыков работы с аналоговыми величинами для выполнения вычислений;
изучение применения логарифмов во многих видах вычислений.
Дополнительные схемы и идеи
Основной вариант проекта - наипростейший, поскольку в электронной схеме мы не применяем активные, а только пассивные элементы, такие как резисторы и потенциометры. Но можно задействовать электронику, и с применением чувствительных схем компьютер станет более точным и управляемым. Начинающий гений может захотеть попытаться создать следующие варианты.
Использование звдкового индикатора I
Вместо визуального индикатор^ (прибора) вы можете использовать слуховой индикатор (пьезоэлектрический преобразователь (датчик)). Основным отличием соответствующей электронной схемы является применение в качестве источника сигналов низкочастотного генератора и преобразователя в качестве индикатора. Основная электронная схема этого варианта показана на рис. 3.11.18.
Когда калькулятор заканчивает работу, звук в преобразователе исчезает. Схема может быть смонтирована на печатной плате (РСВ) (рис. 3.11.19).
Рис. 3.11.19. Электронная схема, смонтироес*»*» на печатной плоте (РСВ)
Будьте внимательны при установке интегральной микросхемы. Тональность звука регулируется потенциометром Р1.
Генератор состоит из одного из четырех вентилей интегральной микросхемы 4093IC и потребляет чрезвычайно малый ток, тем самым продлевая срок действия батарей. Три других вентиля микросхемы используются как цифровые усилители. Преобразователь должен быть пьезоэлектрическим с высоким импедансом. Преобразователи с низким импедансом не смогут работать в этой схеме.
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей звуковой индикатор I
IC-1 - интегральная микросхема 4093, комплементарный металлооксидный полупроводник (CMOS [КМОП]).
R1 - резистор 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
Р1, РЗ - линейный проволочный потенциометр (270°) на 50 Ом.
Р2 - линейный угольный потенциометр (270°) на 100 кОм.
Р4 - потенциометр точной подстройки.
Cl, С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
S1 - однополюсный переключатель SPST.
XI - пьезоэлектрический преобразователь.
В1 - четыре батарейки размера АА на 6 В (и держатель).
Печатная плата, коробка, ручки, провода, припой и т.п.
Использование звукового индикатора II
Другая электронная схема использует звук для обнаружения нулевой точки (рис. 3.11.20).
Рис. 3.11.20. Звуковая электронная схема но интегральной микросхеме 555IC
Эта схема монтируется на основе общеизвестной интегральной микросхемы 555IC и является устойчивым мультивибратором, генерирующим сигналы с прямоугольной формой волны (импульсов), и с частотой, регулируемой потенциометром Р4. Схема монтируется на небольшой печатной плате (рис. 3.11.21).
Рис. 3.11.21. Печатная плата для звуковой электронной схемы
Принцип действия схемы аналогичен принципу действия схемы в предыдущем проекте. Нулевой детектор является пьезоэлектрическим преобразователем или преобразователем с высоким импедансом.
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей звуковой индикатор II
IC-1 - синхронизирующая интегральная микросхема 555IC.
Р1, РЗ - линейный проволочный потенциометр (270°) на 50 Ом.
Р2 - линейный угольный потенциометр (270°) на 100 кОм.
Р4 - потенциометр с точной подстройкой на 100 кОм.
RI, R2 - резистор 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
Cl, С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
XI - пьезоэлектрический преобразователь.
В1 - четыре батарейки размера АА на 6 В (и держатель).
Печатная плата, коробка, ручки для потенциометров, провода, припой и т.п.
Добавление операционного усилителя со светоизлучающими диодами (Ш>)
Дополнительным подключением к сбалансированной электронной схеме операционного усилителя можно увеличить ее чувствительность. Усиление операционного усилителя может быть увеличено, когда положение подстройки потенциометра находится вблизи от точки баланса (равновесия), тем самым увеличивая большую точность для нахождения правильных результатов. Электронная схема, использующая обычный операционный усилитель, такой как 741, показана на рис. 3.11.22.
В той же схеме можно использовать и другие операционные усилители, многие из которых потребляют очень низкое напряжение.
При работе схемы положение переключателя S2 должно стоять на низком усилении. Когда положение, соответствующее математическому результату, почти найдено, то переключатель S2 ставят в положение высокого усиления.
Для детектирования баланса схема может применять и два светоизлучающих диода (LED). При нахождении баланса оба диода отключаются.
Рис. 3.11.22. Электронная схема с применением операционного усилителя
Перечень элементов и компонентов схемы с операционным усилителем со светоизлучающими диодами
IC-1 - интегральная микросхема операционного усилителя 74 ПС.
LED1, LED2 - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
R1 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
R2 - резистор 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
R3, R4 - резистор 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
SI, S2 - однополюсный переключатель SPST.
В1 - 6 батареек размера АА на 9 В.
Р1, РЗ - линейный проволочный потенциометр (270°) на 100 Ом.
Р2 - линейный угольный потенциометр (270°) на 100 кОм.
Печатная плата, держатель элементов или батарейный соединитель, провода, припой и т.п.
Улучшенная схема с четырьмя потенциометрами
Усовершенствованный вариант аналогового компьютера с 4 потенциометрами позволяет выполнять более сложные вычисления, включая решение уравнений. Схема может решать уравнения следующего типа (рис. 3.11.23): А/В = C/D.
При использовании этой схемы для решения уравнения любой из четырех потенциометров может быть взят за неизвестное - х. Например, в уравнении Зх = 2 х 4 потенциометры подстраиваются в следующем порядке: Р1 = 3, Р2 = 2, Р3 = 4.
Вам нужно будет передвинуть потенциометр Р2 (х) для балансирования схемы и, следовательно, решения уравнения.
Рис. 3.11.23. Электронная схема может выполнять вычисления типа А/в = C/D
Автоматический мехонотронный аналоговый компьютер
В усложненном проекте аналогового компьютера можно использовать коробки передач и компаратор (блок сравнения) - рис. 3.11.24.
Эта схема считывает конечное напряжение от операций потенциометров Р1 и Р2 и сравнивает их с напряжением, которое указывает стрелка потенциометра РЗ. Если величины напряжений не совпадают, схема продолжает работать и передвигает стрелку потенциометра РЗ при помощи сервосистемы.
Р1 (х)Р1 (х)Рис. 3.11.24. Использование сервосистемы (следящей системы) для постройки механотронного компьютераРис. 3.11.24. Использование сервосистемы (следящей системы) для постройки механотронного компьютера
Р1 (х)
Р1 (х)
Рис. 3.11.24. Использование сервосистемы (следящей системы) для постройки механотронного компьютера
Рис. 3.11.24. Использование сервосистемы (следящей системы) для постройки механотронного компьютера
Стрелка будет перемещаться, пока величины напряжений не совпадут.
Компаратор (LM339, например) предназначается для считывания напряжения и возбуждения электродвигателя переменного тока, подсоединенного к оси потенциометра. Это очень интересный подход к механотронному проекту.
Современные технологии
Аналоговые компьютеры не используются в настоящее время, поскольку цифровые намного точнее и мощнее. Однако аналоговые компьютеры все
еще изучаются в технических вузах в рамках курса по операционным усилителям. На примере аналоговых компьютеров легче понять принцип работы усилителей.
Идеи для углубленного изучения темы
начинающий гений может придумать много схем с использованием потенциометров, добавляя переключатели для внесения в схему соответствующих изменений. Мощный аналоговый компьютер может быть сконструирован именно таким способом;
сервосистема может быть применена для приведения в действие потенциометров, а они могут управляться датчиками. Компьютер выполняет вычисления в соответствии с физическими величинами, измеряемыми датчиками;
можно использовать цифровые потенциометры, чтобы значения величин, используемых в вычислениях, можно было представить в цифровом виде;
Интернет является хорошим источником информации по аналоговым компьютерам. В нем вы найдете для себя много Web-сайтов с практическими советами, которые сможете использовать в проектах.
Проект 12.
Электродвигатели с сенсорным управлением
Можно выполнить много интересных экспериментов с простым сенсорным управлением небольшими электродвигателями. Вы хотите включить робот или открыть окно легким прикосновением пальцев? Можно создать такие модели, в которых человек или животное могут запустить электродвигатель с помощью сенсорного управления. Можно также создать простые виды игр с таким управлением.
Для этой цели подходят электродвигатели, потребляющие ток до 3 А, напряжением 3-15 В, то есть почти все небольшие электродвигатели постоянного тока.
Задачи
Построить схему, посредством которой можно управлять электродвигателями прикосновением пальца.
Выяснить, достаточно ли велико сопротивление кожи, чтобы запустить схему.
Создать несколько простых бытовых проектов с использованием электродвигателей с сенсорным управлением.
Познакомиться с понятием замкнутой цепи для понимания принципа работы проекта.
Как работает схема
Основная схема использует моноустойчивый вариант интегральной микросхемы 555IC для запуска электродвигателя в течение программируемого промежутка времени. При прикосновении пальцами к датчику ток, протекающий через кожу, достаточен для того, чтобы запустить схему, активировать электродвигатель и поддерживать режим работы в течение некоторого промежутка времени, определяемого резистивно-емкостной схемой. Схема с задержкой времени может быть запрограммирована в интервале от нескольких миллисекунд до нескольких минут.
Для увеличения чувствительности к схеме подключается транзистор, обеспечивающий подвод триггерного напряжения к интегральной микросхеме от сенсорного датчика. Таким образом, ток всего лишь в несколько микроампер
может запускать схему, включающую электродвигатель (рис. 3.12.1). Ток для запуска схемы подводится от датчика, к которому должен прикоснуться запускающий.
Рис. 3.12.1. Токо величиной в несколько микроампер достаточно для запуска схемы, питающей электродвигатель
Сопротивление кожи человека зависит от многих факторов, включая влажность, толщину и количество соли, выделяемой через поры. Другой фактор, определяющий устойчивость тока, это путь тока (рис. 3.12.2).
Рис. 3.12.2. Чтобы запустить схему, путь тока должен иметь форму замкнутой петли
Току необходим замкнутый путь, чтобы воздействовать на схему. Это означает, что исключение утечки тока через обувь или через соедине .ие с заземлением очень важно для увеличения чувствительности схемы.
Если человек касается датчика, ток, протекающий через кож/, тело и землю, определяет работу схемы. Поскольку этот ток не превышает нескольких микроампер, то он не может нанести электрический удар или причинить другой вред человеку. Одного только кратковременного прикосновения к датчику достаточно, чтобы запустить схему, которая активирует и поддерживает рабочий режим в течение запрограммированного промежутка времени.
Хотя при прикосновении к датчику вероятность электрического удара ничтожно мала, не забывайте все-таки о возможности пораСжения током при работе с электроникой вообще. Чтобы гарантировать безопасность на все 100%, примите к сведению следующее предупреждение.
Внимоние! Не запитывайте схему от бестрансформаторных источников питания и не подключайте ее напрямую к сети переменного тока! Они не гарантируют полную безопасность.
Однажды запущенная схема остается включенной в силу типа интегральной микросхемы 555IC в моноустойчивом режиме работы. В этом режиме, когда вход (вывод 2) мгновенно заземляется, выход схемы (вывод 3) подсоединяется к высокому логическому уровню. Это означает, что напряжение вблизи источника напряжения подводится этим выводом.
Выход схемы остается во включенном положении в промежутке времени, определяемом конденсатором С2 и величиной сопротивления, подстраиваемой потенциометром Р1 и резистором R4. Учитывая R (величину отрегулированного сопротивления), можно рассчитать промежуток времени, в течение которого выход остается включенным, по формуле:
t = 1,1 х R х С, где
t - промежуток времени в секундах, R - сопротивление в омах (R4 + Р1), С - емкость в фарадах (С2).
Выход интегральной микросхемы 555IC может выдать ток величиной более 200 мА, однако из-за возможной неустойчивости не рекомендуется подсоединять его напрямую к мощной нагрузке, такой как электродвигатель.
Вследствие этого к схеме добавляется управляющий каскад, использующий транзистор Q2. При помощи этого каскада могут быть запущены небольшие электродвигатели, потребляющие ток до 500 мА. Если же желаете применить более сильный ток, используйте транзистор TIP31 или даже сильный транзистор Дарлингтона. Транзистор должен быть установлен на теплоотводящий радиатор.
Как монтировать схему
Полная электронная принципиальная схема основного варианта электродвигателя с сенсорным управлением показана на рис. 3.12.3.
Схема может быть смонтирована на печатной плате или, в экспериментальных целях, на плате, не требующей пайки. Запитываться схема может от батареек или блока питания, подключённого к сети переменного тока. Рекомендуем освежить в памяти предупреждение из предыдущего раздела о мерах безопасности.
Потенциометр Р1 может быть потенциометром точной подстройки с внешним управлением или же логическим или линейным потенциометром. Сенсорный датчик встраивается двумя способами, в зависимости от цели проекта.
^ataHaus,^.
+ 3-15V
Рис 3.12.3. Принципиальная схема электродвигателя с сенсорным ^раелемюм
Проще всего изготовить датчик из двух небольших металлических пластин, разделенных зазором в 1-2 мм (рис. 3.12.4).
К обеим пластинам необходимо прикоснуться одновременно, чтобы возник ток, который будет протекать через кожу человека.
Во втором варианте используется только один датчик, поскольку ток протекает через тело человека. В этом случае схема должна иметь заземление, чтобы обеспечивался путь для тока. Заземление выполняется посредством использования любого металлического предмета, имеющего контакт с землей, такого как металлическое окно или дверь.
Рис. 3.12.4. Сенсорные датчики
Простой источник приемлем для управления электродвигателями, рассчитанными на напряжение 6-12 В и током до 1 А (рис. 3.12.5).
Трансформатор имеет первичную обмотку, получающую питание напряжением 117 В от сети переменного тока, и вторичной обмоткой с напряжением до 7,5 В (6-12 В на выходе) и силой тока до 1 А, в зависимости от электродви
гателя.
( *) на радиаторе теплопровода
Рис. 3.12.5. Простои стобилизировонный источник питания для схемы
Проверке и испытание
Включите питание и подстройте потенциометр Р1 для управления по времени на минимальное сопротивление (чтобы обеспечить небольшой временной ин; тервал). Если электродвигатель включить во время подачи питания на схему, то через несколько секунд он остановится.
Затем коснитесь сенсорного датчика. Электродвигатель начнет работать и проработает несколько секунд, в зависимости от емкости конденсатора С2. Если вы используете конденсатор с большой емкостью, то электродвигатель проработает несколько секунд и остановится, затем придется немного подождать. Если схема работает так, как ожидалось, то можете смело устанавливать ее в задуманный проект.
Перечень элементов и компонентов схемы электродвигателе с сенсорным управлением
IC-1 - синхронизирующая интегральная микросхема 555IC.
Q1 - транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа или эквивалент.
Q2 - транзистор средней мощности BD135 PNP-типа.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148 или 1N914.
R1 - резистор 2,2 мОм х 1/8 Вт (красный, красный, зеленый).
R2 - резистор 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
R3, R5 - резистор 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R4 - резистор 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
R6 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Р1 - обычный потенциометр или потенциометр с точной подстройкой на 1 мОм.
С1 - электролитический или другой конденсатор на 1 мкФ.
С2 - электролитический или другой конденсатор на 0,1 до 1000 мкФ.
СЗ - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 16 В.
М - любой электродвигатель постоянного тока 3-15 В (с потреблением тока до 500 мА).
XI - сенсорные датчики (см. текст).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, теплоотводящий радиатор для транзистор a Q2, провода, источник питания и т.п.
Исследование темы
Вы можете включить электродвигатель с сенсорным управлением в конструкцию многих бытовых автоматических приборов или роботов и механотронных устройств.
Автоматическое окно
Коробку передач и электродвигатель с сенсорным управлением можно использовать для открытия и закрытия окна или экрана (рис. 3.12.6).
К схеме можно добавить конечный выключатель для повторного включения схемы или для изменения направления вращения электродвигателя.
Робот или автомобиль с сенсорным управлением
Другое интересное применение сенсорного управления - прик эсновением пальцев запустить небольшой робот, который будет двигаться во вр .менном интервале, подстроенном на потенциометре Р1. Можно использоват этот принцип и для гоночного автомобиля, описанного нами в проекте 1. Пос/.. прикосновения к установленному в автомобиль датчику включится электродвигатель, и автомобиль будет ездить в течение определенного промежутка времени. Чтобы провести соревнования, время движения можно сделать одинаковым для всех автомобилей. Победителем можно объявить того, чей автомобиль проедет самую длинную дистанцию (рис. 3.12.7). С помощью схемы также можно запускать различные игрушки.
8 Создание роботе в дом. усл.
Рис. 3.12.7. Робот или автомобиль с сенсорным управлением
Вентилятор с выдержкой времени
Применяя сенсорное управление, можно активировать небольшой вентилятор, использующий электродвигатель постоянного тока. После включения он будет работать в течение некоторого интервала времени, устанавливаемого потенциометром Pl. С применением конденсатора на 1000 мкФ и установкой потенциометра Р1 на максимальную величину сопротивления, вентилятор будет включаться от прикосновения и работать в течение 15 мин.
Автоматическая машина для сушки рук
Основная идея: создать вентилятор, активируемый прикосновением, который будет гнать горячий воздух в сторону ваших мокрых рук (рис. 3.12.8).
Кросс-темы
Можно провести много экспериментов с сенсорным управлением электродвигателями. Ниже мы приведем некоторые из них.
Ловушки
Небольшие зверьки запускают схему, когда невольно прикасаются к сенсорному датчику, и закрывают ловушку (рис. 3.12.9).
Схему можно подстроить таким образом, чтобы электродвигатель работал в промежутке времени, необходимом для закрытия ловушки. Альтернативой является добавление к схеме конечного выключателя для электродвигателя.
Рис. 3.12.9. Ловушка с сенсорным управлением электродвигателем
Миксер
Экспериментальный миксер для смешивания лабораторных жидкостей, соков или для других видов применения (рис. 3.12.10).
Схема
Рис. 3.12.10. Миксер с сенсорным управлением
Цветное колесо Ньютона
Один из самых традиционных экспериментов из курса оптики - использование цветного колеса Ньютона. Эксперимент демонстрирует тот неоспоримый факт, что результатом смешения основных цветов является белый. Для постройки колеса Ньютона можно использовать электродвигатель с сенсорным управлением (рис. 3.12.11).
Очень важно соблюдать порядок цветности, показанный на рис. 3.12.11. Если цвета выстроить в другой последовательности, то белый цвет не получится!
Рис. 3.12.11. Цветное колесо Ньютона с сенсорным управлением
Механотронный гоночный автомобиль
Механотронный гоночный автомобиль, описанный в проекте 1, может быть управляем при помощи сенсорного датчика и данной схемы. Используйте эту схему и запрограммируйте таймер потенциометром Р1 на время, достаточное для участия в соревнованиях.
Дополнительные схемы
Можно создать много разных электронных схем с применением сенсорного датчика. Мы приведем краткий перечень электронных схем, которые могли бы
вас заинтересовать.
Использование кремниевого управляемого выпрямителя (SCR)
Этот вариант электродвигателя с сенсорным управлением использует кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) в качестве чувствительного переключателя, соединенного последовательно с электродвигателем, чтобы им управлять. Выпрямители, подобные выпрямителям типа TIP106, применяемым в этой схеме, очень чувствительны. Они могут запускаться даже малыми токами, силой не выше нескольких сот микроампер.
Другая характеристика выпрямителей SCR, которую необходимо учитывать, это так называемое самозапирающее действие. Это означает, что при запуске выпрямитель SCR остается во включенном состоянии, даже если триггерное напряжение отключается.
Небольшие электродвигатели постоянного тока используют щетки для переключения обмоток, тем самым изменяя направление тока во время работы. Эти щетки включаются и выключаются на высоких скоростях, приводя к тому, что выпрямитель SCR выключается, пока не будет следующего прикосновения к сенсорному датчику.
Для включения запирания схемы вы можете подключить к схеме электролитический конденсатор на 10-100 мкФ в параллельную цепь с электродвигателем
Необходимо принять во внимание и другой немаловажный факт, касающийся этого варианта схемы. Заземление (GND) увеличивает чувствительность, поскольку ток течет по замкнутой петле и проходит по телу человека, который
касается датчика. Без заземления триггерный ток (ток, производимый тем, кто касается датчика) уменьшается по величине. Поскольку чувствительность падает, человек, который касается датчика, должен быть достаточно массивным, чтобы создать ток, необходимый для запуска схемы.
Также необходимо учитывать падение напряжения на выпрямителе SCR во включенном состоянии. Когда выпрямитель включен, бывает, что напряжение падает до 2 В. Это означает, что электродвигатель получает напряжение от источника питания на 2 В меньше. В некоторых видах схем это падение должно компенсироваться прибавлением 2 В к выходу источника питания. Принципиальная схема электродвигателя с сенсорным управлением, использующим выпрямитель SCR, показана на рис. 3.12.13.
—Iо 0V
Рис. 3.12.13. Сенсорное управление, использующее выпрямитель SCR
Можно использовать любой электродвигатель постоянного тока, рассчитанный на 6-12 В с потреблением тока до 1 А. Если электродвигатель рассчитан на более высокое напряжение, то необходимо приспособить к нему другой источник питания, способный запитывать электродвигатель. Схему необходимо разместить в небольшой коробке, а сенсорный датчик должен быть размещен на расстоянии, достаточно удаленном от схемы. Датчик представляет собой металлическую пластину размером 5x5 см с проводом длиной до 10 футов (1 фут = 308 мм), соединяющим его со схемой.
Для запитывания схемы используйте батарейки. Избегайте применения бе- странсформаторных источников, поскольку они не изолированы от сети переменного тока, поэтому существует опасность поражения током.
Перечень элементов и компонентов схемы
с выпрямителем SCR
SCR - кремниевый управляемый выпрямитель MCR106.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
R1 - 5-процентный резистор на 100000 Ом х 1/4 Вт.
S - сенсорный датчик (см. текст).
GND - заземление (см. текст).
Оконечная полоска, источник питания, пластмассовая коробка провода, припой и т.п.
Использование интегральной микросхемы 4093
Интегральные микросхемы на комплементарных металлооксидных полупроводниках (CMOS IC) имеют очень высокий входной импеданс. Такая большая чувствительность идеальна для применения в сенсорных переключателях.
Много видов обычных микросхем (CMOS IC) могут применяться для осуществления сенсорного переключения, и микросхема 4093 является лучшим кандидатом для этого. Один из вентилей микросхемы 4903 может быть использован в сенсорном переключателе для возбуждения электродвигателя постоянного тока через драйверный каскад (рис. 3.12.14). В этой схеме входную чувствительность определяет резистор RL Значения величины сопротивления могут колебаться от 1 мОм (низкая чувствительность) до 47 мОм (высокая чувствительность). Как и в других схемах, питание схемы не должно быть бестрансформаторным. Три других вентиля микросхемы 4093 обычно используются для возбуждения силового выходного каскада, образованного транзистором NPN-типа.
Рис. 3.12.14. Использование микросхемы 4093
Перечень элементов и компонентов схемы с применением интегральной микросхемы 4095IC
IG1 - синхронизирующая интегральная микросхема, комплементарный металлооксидный полупроводник4093IC (CMOS IC [КМОП]).
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
Q1 - кремниевый силовой транзистор BD135 иЛи TIP31 NPN-типа.
R1 - резистор 22 мОм х 1/8 Вт (красный, красный, голубой).
R2 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
XI - сенсорный датчик (как в основном проекте).
М - электродвигатель постоянного тока 6-12 В с потреблением тока до 500 мА (BD135) или до 2 A (TIP31).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, теплоотводящий радиатор для транзистора, источник питания, провода и т.п.
Использование интегральной микросхемы 4013
Интегральная микросхема 4013 (CMOS IC) образована из двух независимых триггерных схем типа D, запитываемых от источника на 5-15 В. В схеме на рис. 3.12.15 микросхема 4013 используется вместе с моноустойчивой интегральной микросхемой 555IC для запуска электродвигателя при помощи сенсорных датчиков или кнопки.
После первого прикосновения к сенсорному датчику электродвигатель активируется и работает до тех пор, пока датчика не касаются снова. После повторного касания электродвигатель перестает работать, пока к датчику не прикоснутся еще раз.
Рис. 3.12.15. Интегральная микросхема 4013 обеспечивает электродвигателю работу в двух устойчивых состояниях
.Эта схема может управлять работой, когда применяется электродвигатель с транзистором BD135 и потреблением тока до 500 мА. Очень важно производить развязывание электродвигателя во избежание неустойчивых состояний схемы в силу быстрого переключения щеток.
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей интегральную микросхему 4013
IC-1 - синхронизирующая интегральная микросхема 555IC.
IC-2 - триггерная интегральная микросхема 4013IC.
Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD135 NPN-типа.
Q2 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
RI, R5 - резистор 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
R2 - резистор 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
R3 - резистор 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
R4 - резистор 27 кОм х 1/8 Вт (красный, фиолетовый, оранжевый).
R6 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,47 мкФ.
С2, СЗ - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,1 мкФ.
С4 - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 15 В.
XI - сенсорный датчик (см. основной проект).
Ml - электродвигатель на 3-12 В с потреблением тока 500 мА.
Печатная плата или плата, не требующая пайки, теплоотводящий радиатор для транзистора, источник питания, провода и т.п.
Современные технологии
Много видов сенсорных датчиков можно использовать для запуска электродвигателя или автоматического процесса. Например, в аэропортах, торговых центрах и в крупных зданиях установлены автоматические системы для открытия и закрытия дверей по сигналу от сенсорных датчиков.
Эти сигналы часто используют инфракрасные, сенсорные датчики или датчики нагрузки. Лифты - пример автоматических устройств, где применяются сенсорные датчики. Нажмите на кнопку, и импульс с командой прибыть на этаж направится к лифту, на котором вы находитесь. Много устройств, в которых используются сенсорные переключатели, наверняка имеется и в вашем доме. Все эти устройства работают на примерах, описанных в этом проекте.
Углубленное исследование темы
Используйте эту схему, чтобы продемонстрировать, как ток небольшой силы, протекающий через ваше тело, может управлять электродвигателем постоянного тока, несмотря на то что ему требуется более сильный ток.
На рис. 3.12.16 показана игра с применением электронной схемы и электродвигателя. Расставьте несколько сенсорных датчиков на пластмассовом основании и подсоедините некоторые из них ко входу электронной схемы. Спрячьте провода, чтобы участники игры их не видели. Представьте, что каждый подключенный датчик (пластина) является миной. Игрок должен коснуться датчиков, но избежать возможного взрыва при прикосновении к подключенным датчикам. Игрок пытается пройти через «минное поле», избежав запуска электродвигателя.
- Сенсорные датчики- Сенсорные датчики
- Сенсорные датчики
- Сенсорные датчики
М - Электродвигатели
Рис. 3.12.16. Построение «длинного поля*
специально оля_
ШХаМхшзЖ
знание без границ * ^
ми ресурсами или даже применить для управления подъемником компьютер.ми ресурсами или даже применить для управления подъемником компьютер.Рис. 3.13.1. В конструкции подъемника применены простые частиРис. 3.13.1. В конструкции подъемника применены простые части
ми ресурсами или даже применить для управления подъемником компьютер.
ми ресурсами или даже применить для управления подъемником компьютер.
Рис. 3.13.1. В конструкции подъемника применены простые части
Рис. 3.13.1. В конструкции подъемника применены простые части
Проект 13. Мсхонотронный подъемник
Этот проект описывает механотронный подъемник, построенный из обычных механических частей общего назначения и управляемый простой электронной схемой. Проект прекрасно подходит для обучения студентов вузов или для про
верки мастерства начинающих гениев механотроники.
В проекте используются как механические, так и электронные элементы и компоненты. Кроме того, проект имеет эстетичный внешний вид.
Основной проект, описанный в книге, имеет минимальный ресурс, а следовательно, читатель с хорошим воображением может дополнить проект други
В этом проекте найдется место для многих дополнительных функций.
Подъемник маломощен, поскольку использует небольшой электродвигатель постоянного тока, запитываемый от источника постоянного тока или обычных батареек. Однако, в зависимости от коробки передач или крутящего момента, он может поднять груз весом до 100 г.
Этот проект используется в преподавании курса механотроники в высшей школе в Colegio Mater Amabilis. Студенты должны максимально напрячь свои интеллектуальные способности, чтобы создать наилучший подъемник с использованием коробок передач и систем редукторов, изготовленных из подсобных частей, таких как дискеты, резиновые жгуты, коробки от компакт-дисков и другие общеупотребительные материалы (рис. 3.13.1).
Важно отметать, что в рамках проекта можно создать и другие изделия, например миниатюрные мобильные мосты, промышленные машины, двери и окна, пользуясь принципами, разработанными для подъемника.
Задачи
Построить простой подъемник, используя обычные детали.
Добавить к проекту автоматическую систему, позволяющую подъемнику останавливаться на разных этажах.
Изучить, как работает коробка передач.
Поработать с формулами для расчета дифференциального блока.
Организовать соревнование по созданию самого мощного подъемника.
Как он работает
Проект механотронного подъемника может быть поделен на 2 части: электронную схему, предназначенную для управления электродвигателем, и механическую часть, которая включает в себя коробку передач или систему редукции и дифференциальный блок.
Электронная схема
Для того чтобы лучше управлять электродвигателем, в том числе его скоростью, было решено использовать так называемое широтно-импульсное управление (PWC). Электронная схема такая же, что и в проекте 3. Вы можете найти там детальное описание принципов работы этого вида управления.
Управление при помощи широтно-импульсной модуляции подсоединено к реверсированию для обеспечения вращения электродвигателя и перемещения подъемника вверх и вниз. Чтобы избежать толчков в верхней и нижней точках пути прохождения и остановить подъемник на программируемом этаже, к схеме добавляются реверсирование и блок управления. Блок-схема электронной части показана на рис. 3.13.2.
Подстройка скорости
Рис. 3.13.2. Блок-схема управления подъемником
В качестве сенсорных датчиков используются язычковые переключатели. К подъемнику прикрепляется небольшой магнит, который замыкает язычковые переключатели на каждом этаже при перемещении вверх и вниз (рис. 3.13.3).
Рис. 3.13.3. Использование язычковых переключателей в качестве сенсорных датчиков для фиксирования положения подъемника
Электронная схема использует 6-вольтовый электродвигатель постоянного тока. Поэтому у вас на выбор есть 2 способа применения источника питания: первый (рис. 3.13.4) - с напряжением 6 В и силой тока до 1 А, и второй - с применением четырех батареек размера С или D.
Рис. 3.13.4. Источник питания для 6-вольтоеого варианта подъемника
Трансформатор, применяемый в этом варианте, имеет первичную обмотку, запитываемую от 117 В сети переменного тока, и вторичную обмотку на
7,5-9 В с током силой до 1 А. Интегральная микросхема должна быть установлена на теплоотводящий радиатор, а конденсатор С1 рассчитан на напряжение величиной до 16 В или более.
Реле К1 обычно используется для остановки подъемника на каждом этаже или уровне, как определяется датчиками от SW1 до SW3. Датчики являются язычковыми переключателями, активируемыми небольшим магнитом, прикрепленным к подъемнику.
Каждый раз, когда подъемник останавливается, оператор должен подождать секунду и затем нажать на переключатель SW4 для активации схемы заново, чтобы позволить подъемнику продолжить свой путь.
В конце пути подъемника (наивысшей точке подъема или наинизшей точке спуска) следует поставить датчики для изменения направления вращения электродвигателя. В наипростейшем проекте эта задача может выполняться переключателем (рис. 3.13.2). Для этой цели хорошо подходят магниты, конечные выключатели, Н-мостики и механические датчики.
Потенциометр точной подстройки позволяет регулировать скорость для оптимальной работы системы в соответствии с мощностью электродвигателя и характеристиками механической системы.
Механической честь
Вы можете придумать много способов для постройки подъемника. Все обычные материалы, такие как дерево, пластмасса или даже металл, могут быть использованы для возведения конструкции, на которой будет держаться подъемник.
Что касается самого подъемника, то могут быть применены два способа передачи мощности от электродвигателя к кабине. Один из них (рис. 3.13.5) использует редукторную коробку с колесами и резиновыми жгутами. Колеса могут быть изготовлены из дискет и прикреплены к коробке от компакт-диска. Это очень простое решение, взятое на вооружение многими студентами, которые строили этот подъемник.
Рис. 3.13.5. Редусторноя коробка, изготовлен#*» из резиновых жгутов и дискет в качестве колесРис. 3.13.5. Редусторноя коробка, изготовлен#*» из резиновых жгутов и дискет в качестве колесМожно добиться дополнительной мощности для увеличения и понижения скорости, применив дифференциальный блок, изготовленный из пластмассы или металла и хлопчатобумажного троса (рис. 3.13.6).
Рис. 3.13.5. Редусторноя коробка, изготовлен#*» из резиновых жгутов и дискет в качестве колес
Рис. 3.13.5. Редусторноя коробка, изготовлен#*» из резиновых жгутов и дискет в качестве колес
Рис 3.13.6. Дифференциальный блок наэкспериментальном подъемнике
Как строить
Основной схемой проекта подъемника является принципиальная схёма, показанная на рис. 3.13.7. Управление PWM такое же, что и в проекте 3. Для получения более подробной информации вы можете обратиться к соответствующему разделу.
Рис. 3.13.7. Электронная принципиальная сеема подъемника
Мы рекомендуем применять электродвигатели постоянного тока на 6 В с мощностью, достаточной для перемещения подъемника. Такие небольшие электродвигатели, запитываемые от батареек размера ДА, мотуг перемещать грузы весом максимум 50 г.
Кроме того, перемещение груза зависит от максимальной скорости и передаточного отношения, обеспечиваемых механическими частями. Используя эти небольшие двигатели, питание также можно получать от четырех батареек размера С или D.
Фактически датчики являются язычковыми переключателями, установленными на разной высоте конструкции башни и активируемыми небольшим магнитом, прикрепленным к подъемнику. Очень важно предусмотреть, чтобы подъемник не отклонился от траектории движения и магнит проходил точно напротив датчиков, что обязательно будет происходить в отсутствии какой- либо направляющей. Поэтому система рельсов, обеспечивающая ровное движение без отклонений, должна быть пристроена к конструкции башни.
Электронная схема может быть смонтирована или на плате, не требующей пайки, или на печатной плате - в зависимости от имеющихся у читателя.
Перечень элементов и компонентов схемы подъемника с источником витаний включительно
IC-1 - интегральная микросхема 555IC.
Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD136 PNP-типа (могут быть использованы эквиваленты, такие как TIP32 или TIP42).
DI, D2, D3 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002.
RI, R2, R3 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Р1 - потенциометр на 100 кОм.
С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,22-1 мкФ.
С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 12 В.
СЗ - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, рассчитанной на 117 В сети переменного напряжения, и вторичной рбмоткой на 6 В х 500 мА или соответствующей параметрам электродвигателя.
К1 - реле на 6 В х 50 мА SPST.
SW1, SW2, SW3 - нормально разомкнутый язычковый переключатель.
SW4 - кнопка (нормально разомкнутая).
SW5 - двухполюсный переключатель DPDT (см. т^екст).
SW6 - двухполюсный переключатель SPST (вкл./выкл.).
Ml - электродвигатель постоянного тока на 6 В (см. текст).
F1 - плавкий предохранитель на 500 мА (и держатель).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, провода, пластмассовая коробка для управления, механические части для конструкции башни и подъемника, небольшой магнит, припой и т.п.
Проварка и использование
Первый этап - проверка электронного управления электродвигателем без подключения его к механической системе. Отрегулируйте потенциометр Р1 на разных режимах и посмотрите, вращается ли электродвигатель плавно на всех скоростях. Если возникнут проблемы с управлением скоростью, измените емкость конденсатора С1. В зависимости от электродвигателя, уменьшение емкости может вызвать проблемы на высоких скоростях, а увеличение емкости может привести к вибрации электродвигателя на низких скоростях.
Для активации электродвигателя в этом тесте достаточно поместить магнит подъемника вблизи любого датчика (от SW1 до SW3) или нажать на кнопку SW4.
Как только убедитесь, что электродвигатель работает хорошо, установите его на подъемник и проверьте механическую систему. Запустив датчики, удостоверьтесь, обладает ли электродвигатель достаточной мощностью для перемещения кабины.
^alaHaus^!.
Подстройте потенциометр Р1 к наиболее приемлемой скорости. Избегайте очень быстрого перемещения подъемника. Убедитесь, что резиновые жгуты правильно подогнаны к колесам в редукторе и не проскальзывают при вращении.
После проверки вы можете продемонстрировать свое детище или усовершенствовать его с помощью технических решений, предложенных в следующем разделе.
Идеи для экспериментов
Кроме постройки основного проекта, можно реализовать следующие интересные идеи.
Исподмование коробки передач
Использование коробки передач - очень эффективный метод увеличения мощности и понижения скорости вращения электродвигателей постоянного тока. Много различных коробок передач продается в специализированных магазинах. Вы можете использовать коробку передач в конструкции подъемника, за
Рис. 3.13.8. Обычная коробка передачРис. 3.13.8. Обычная коробка передачменив ее на механическую систему с резиновыми жгутами. В этом случае можно взять обычную коробку передач (рис. 3.13.8).
Рис. 3.13.8. Обычная коробка передач
Рис. 3.13.8. Обычная коробка передач
Используя коробку передач, вы должны зйать, что представляет собой передаточное число (отношение), которое обеспечивается механической системой.
Передаточное число - фактор, при помощи которого скорость снижается, а мощность увеличивается. Например, в коробке передач с передаточным числом 1:100 крутящий момент электродвигателя увеличивается в 100 раз и в той же пропорции понижает-
ся скорость вращения.
Для нашего подъемника рекомендуются коробки передач с фактором понижения от 50 до 100. Кроме того, можно использовать редукторные двигатели или коробки передач со встроенными электродвигателями постоянного тока.
Добавление других автоматических устройств
Кроме автоматической остановки на каждом этаже и реверсирования (обратного хода) электродвигателя в конечных точках пути, к механотронному подъемнику может быть добавлено много других автоматических устройств.
Начинающий гений, который уже имеет некоторый опыт в работе с электронными схемами, может сконструировать много небольших схем или блоков, чтобы разнообразить работу подъемника.
Мы предлагаем краткий перечень идей по усовершенствованию вашего подъемника:
включайте свет в башне каждый раз, когда подъемник останавливается на каком-то этаже;
приделайте кнопки вызова на всех этажах, и подъемник переместится на тот этаж, на котором вы нажали кнопку;
подсоедините программируемый микроконтроллер (устройство управления) для того, чтобы подъемник выполнял заранее запрограммированные действия;
подсоедините датчики для обнаружения нарушения спрямления какой- либо детали подъемника;
сконструируйте цифровой индикатор отображения номера этажа, на котором находится подъемник.
Управление подъемником при помощи компьютере
Для компьютерного управления подъемником может быть использован простой интерфейс (состыковка между компьютером и подъемником) - рис. 3.13.9.
Другой дополнительной схемой может служить интерфейс сбора данных, подключенный к тому же порту. Эта схема позволяет главной схеме посылать информацию о положении датчиков на компьютер. Возможно создать программу для управления подъемнйком в автоматическом режиме, с использованием посылаемых датчиком сигналов.
Рис 3.13.9. Интерфейс для управления подъемником через параллельный порт компьютера
Использование шагового электродвигателя
Далее в проекте 14 будет подробно рассказано, как использовать шаговый электродвигатель в механотронных проектах. Этот тип электродвигателя лучше
всего применять в точных устройствах. Другим преимуществом шагового электродвигателя является легкость управления им через компьютер.
Кросс-темы
Шкивы, дифференциальные блоки, коробки передач и выполняемая ими работа при перемещении грузов изучаются в физике. Так, модель подъемника может разъяснить студентам много понятий, изучаемых по программе высшей школы.
Расчет блоков и коробок передач
Блоки и коробки передач могут быть рассчитаны по формулам (рис. 3.13.10). Как видим, крутящий момент и скорость вращения изменяются в соответствии с отношениями диаметров (или количеством зубьев) блоков или зубчатых колес в коробке передач.
Рис. 3.13.10. Расчет коробок передом и блоков
Расчет дифференциальных блоков
Дифференциальные блоки рассчитываются по формуле (рис. 3.13.11).
Основываясь на знании принципов, используемых в подъемнике, можно изучать и другие механические системы, имеющие коэффициент полезного действия (КПД).
Рис. 3.13.11. Расчет дифференциальных блоков
Сорввновоннв среди подъемников
Кто может построить лучший подъемник? Соревнования устраиваются для выявления подъемника с лучшими рабочими характеристиками. Правила устанавливаются, исходя из особенностей подъемника. Победителем объявляется подъемник, который поднимает самый тяжелый груз, или же подъемник с самым большим количеством дополнительных устройств и выполняемых ими функций.
Дополнительные схемы и идеи
Много электронных схем или функциональных блоков могут быть добавлены к основному проекту для создания поистине фантастического подъемника. Несколько схем, использующих компоненты общего назначения, предложены нами в следующем разделе.
Использовоние линейного управления
Вы можете заменить управление при помощи широтно-импульсной модуляции (PWM) на управление электронный потенциометром, описанным в проекте 7.
Эта схема, конечно, работает не так здорово, как управление PWM, поскольку крутящий момент и скорость вращения электродвигателя могут изменяться в соответствии с приложенной к электродвигателю мощностью. Крутящий момент и скорость также могут изменяться под воздействием поднимаемого груза, поэтому требуется более тщательная регулировка.
Дебевяение таймере
Простой таймер (рис. 3.13.12) можно использовать для остановки подъемника на каждом этаже в заданном промежутке времени. Когда сигнал на входе (вывод 2) микросхемы 555 таймера подается к уровню заземления при помощи любого датчика, то сигнал на выходе поступает на высокий логический уровень, при этом включается реле, отрезая подвод мощности к электродвигателю.
Сигнал на выходе остается высоким, а реле - включенным в течение некоторого промежутка времени, подстроенного потенциометром Р1. Этот промежуток времени зависит также и от конденсатора С1 и может изменяться в соответствии с требованием проекта.
Рис. 3.13.12. Добавление простого таймера для остановки подъемника но каждом этаже в течение заданного промежутка времени
Перечень элементов и компонентов схемы с добовленнем таймере
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
Q1 - транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
D1 - диод общего назначения 1N4148.
Р1 - потенциометр с точной подстройкой на 100 кОм.
R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R2 - резистор на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
R3 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 12 В.
К1 - двухполюсное реле на 6 В х 50 мА DPDT.
Печатная плата или плата, не требующая пайки, провода, припой и т.п.
Реверсирование при помощи мостико Н
Другая схема, которая может быть использована для изменения направления, вращения электродвигателя на конечной точке движения, - это мостик Н. Мостик Н состоит из четырех транзисторов, которые проводят ток в режиме чередования. Таким образом, в зависимости от включенного в данное время транзистора, ток протекает через электродвигатель в обратном направлении.
Когда в схему (рис. 3.13.13) включены транзисторы Q1 и Q4, электродвигатель вращается в прямом направлении, когда же включены транзисторы Q2 и Q3, то электродвигатель вращается в обратном направлении.
Логической системой для запуска этой схемы служит датчик, изготавливаемый из язычкового переключателя и подсоединенный ко входу. При низком логическом уровне электродвигатель вращается в прямом направлении, когда же входной уровень высокий, то электродвигатель вращается в обратную сторону.
Транзистор должен быть установлен на теплоотводящий радиатор, а питание подаваться от б-вольтового источника.
Перечень элементов и компонентов схемы рсвврсировонип при помощи мостико Н
Ql - Q5 - транзисторы средней мощности BD135 NPN-типа.
RI - R5 - резисторы на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
IC-1 - интегральная микросхема 4011 или 4001, комплементарный метал: лооксидный проводник (CMOS IC [КМОП]).
Ml - электродвигатель постоянного тока на 6 В (один из используемых в проекте).
С1 - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
Теплоотводящий радиатор для транзисторов, печатная плата или плата, не требующая пайки, провода, припой и т.п.
Использование триггерной микросхемы
Автоматическая схема реверсирования электродвигателя может быть задействована с использованием интегральной триггерной микросхемы D-типа 4013 CMOS. Схема (рис. 3.13.14) замыкает и размыкает контакты реле по команде импульсов с датчика, присоединенного ко входу.
Рис. 3.13.14. Триггерная микросхема реверсирует электродвигатель и осуществляет другие функции по управлению подъемником
Начиная с момента, когда реле выключено, импульс прикладывается к датчику, который запускает микросхему 555 и создает прямоугольные импульсы в течение промежутка времени, определенного резистором R2 и конденсатором С2.
Применяя эту схему, важно время от времени регулировать датчики для ликвидации асинхронности их работы, чтобы схема работала устойчиво.
Прямоугольный импульс, создаваемый микросхемой 555, прикладывается ко входу одной из триггерных схем D-типа микросхемы 4013.
Эти двухпозиционные триггерные микросхемы включают реле. Для отключения реле новый импульс снова должен быть приложен ко входу микросхемы 555.
Резистивно-емкостная цепь, образованная конденсатором С2 и резистором R3, необходима для запуска схемы в тот момент, когда реле еще отключено, но питание уже подано.
Перечень элементов и компонентов триггерной схемы
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
IC-2 - интегральная триггерная микросхема 4013 D-типа (CMOS IC [КМОП]).
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN типа.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
R1 - резистор на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
R3 - резистор на 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
R4 - резистор на 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,1 мкФ.
С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,47 мкФ.
СЗ - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
К1 - реле с контактами, приспособленными для конкретного применения.
XI - датчик N (нормально разомкнутый).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, провода, источник питания и т.п.
Современные технологии
Автоматические подъемники (лифты) во всем мире используются очень широко. Они есть почти в каждом здании с несколькими этажами. Лифты обычно управляются микроконтроллерами. Подобный вид управления используется и в заводских конвейерах, и в бытовых устройствах.
Идеи для углубленного изучения темы
Начав с основного проекта подъемника, сконструируйте конвейер для перемещения небольших деталей.
Используя принципы, описанные в этом проекте, создайте машину для перемещения грузов наподобие поточной линии (рис. 3.13.15).
Сконструируйте подъемник, управляемый микропроцессором (PIC, ВОС51 или другим).
Рис. 3.13.15. Машино для перемещения грузов, использующая вращающуюся гайку (муфту)
Проект 14.
Управление шаговым электродвигателем
Шаговые электродвигатели могут быть использованы для движения, позиционирования и многих других ситуаций, где требуется точное управление валами, осями, рычагами или другими подвижными частями. Цель этого проекта - обучить читателей основным принципам управления четырехфазным шаговым электродвигателем и ознакомить с идеями создания дополнительных схем и устройств в механотронных проектах.
Начинающий гений может использовать управление шаговым электродвигателем для создания роботов, транспортных средств и других автоматических приборов. Этот проект может быть использован и для выполнения экспериментов по физике, и как кросс-тема, да и просто для Ознакомления с работой шаговых электродвигателей.
Задачи
Обеспечить элементами для монтажа простого управления шаговым электродвигателем.
Объяснить, как использовать шаговый электродвигатель в роботах и автоматических устройствах.
Ознакомить с принципом работы шагового электродвигателя.
Выполнить эксперименты по физике, используя шаговый электродвигатель.
Разработать идеи для практического применения шаговых электродвигателей в бытовых домашних приборах и устройствах и механотронных проектах.
Кок работает шаговый электродвигатель
Принцип действия шагового электродвигателя ненамного отличается от принципа действия обычного электродвигателя постоянного тока, подобного электродвигателям, которые мы применяли во всех ранее описанных проектах.
Шаговые электродвигатели состоят из обмоток и магнитов и имеют вращающийся вал, который начинает движение, когда к системе прикладывается нужное напряжение. Разница заключается в том, как этот вал вращается. В шаговых электродвигателях вращение вала происходит при приложении энергии к разным обмоткам в заранее заданной последовательности (по шагам).
Попросту говоря, шаговый электродвигатель используется не там, где требуется непрерывное вращение вала, а там, где вал должен повернуться на шаг, или на определенный градус, то есть где необходимо точное управление и количество шагов в секунду имеет большое значение. Другая важная особенность шагового электродвигателя заключается в том, что он может укрепиться в определенной позиции и сопротивляться повороту.
Шаговые электродвигатели изготавливаются разных размеров и форм, в зависимости от назначения и количества потребляемой энергии. На рис. 3.14.1 и 3.14.2 показаны обычные четырехфазные шаговые электродвигатели.
Рис 3.14.1. Четырехфоемый шаговый электродвигательРис 3.14.1. Четырехфоемый шаговый электродвигательРис. 3.14.2. Еще один четырехфовный шаговый электродвигательРис. 3.14.2. Еще один четырехфовный шаговый электродвигатель
Рис 3.14.1. Четырехфоемый шаговый электродвигатель
Рис 3.14.1. Четырехфоемый шаговый электродвигатель
Рис. 3.14.2. Еще один четырехфовный шаговый электродвигатель
Рис. 3.14.2. Еще один четырехфовный шаговый электродвигатель
Шаговые электродвигатели существуют трех типов: с постоянным магнитом, с переменным магнитным сопротивлением и гибридные. Способ, которым сконструированы обмотки внутри электродвигателя, определяет его работу. Наиболее распространенный тип - четырехфазный шаговый электродвигатель, который имеет четыре обмотки (рис. 3.14.3).
Поскольку этот тип электродвигателя имеет парные обмотки с обычным соединением, его легко узнать по шести проводкам. В нормальных условиях обычные провода подключены к положительной клемме источника питания. Другие провода подключаются к заземлению на короткий промежуток времени в зависимости от желаемого вида движения.
Каждый раз, когда возбуждается обмотка, вал электродвигателя поворачивается на некоторую долю оборота. Для того чтобы вал повернулся вперед или назад на полный оборот, нужно подать к обмоткам импульсы в заранее заданной последовательности. На рис. 3.14.4 показана рабочая последовательность команд для приведения во вращение шагового электродвигателя.
Рис 3.14.4. Последовательность импульсов, приложенных к шаговому электродвигателю
Другой способ управления вращением шагового электродвигателя - применение импульсов ВКЛ./ВЫКЛ. в последовательности, показанной на рис. 3.14.5.
Фаза 1Фаза 1Фаза 2Фаза 2Фаза3Фаза3Фаза 4Фаза 4Рис. 3.14.5. Управление электродвигателем с применением последовательности импульсов ВКЛУВЫКЛ.Рис. 3.14.5. Управление электродвигателем с применением последовательности импульсов ВКЛУВЫКЛ.
Фаза 1
Фаза 1
Фаза 2
Фаза 2
Фаза
3
Фаза
3
Фаза 4
Фаза 4
Рис. 3.14.5. Управление электродвигателем с применением последовательности импульсов ВКЛУВЫКЛ.
Рис. 3.14.5. Управление электродвигателем с применением последовательности импульсов ВКЛУВЫКЛ.
Обычный шаговый электродвигатель может получать питание от 5-, 6- или 12-вольтового источника. Потребление тока зависит от типа энергии, подаваемой на вал (крутящий момент).
Многие электродвигатели, которые можно приобрести в магазинах запчастей, обычно потребляют ток 100 мА - 2 А. Для нашего проекта мы рекомендуем использование электродвигателей с потреблением тока до 500 мА в основном варианте и до 2 А в случае, если вы будете заменять некоторые компоненты.
Частота импульсов шагового электродвигателя ограничена. Обычные типы электродвигателей имеют скорость до 200 импульсов в секунду или приблизительно два-три оборота в минуту. Это означает, что шаговый электродвигатель - двигатель с более низкой скоростью вращения и более слабым крутящим моментом, но это является его преимуществом в той области, где точность более важна, чем мощность.
Проект
Далее мы опишем простую схему, которую можно использовать для управления шаговым электродвигателем, и дадим несколько предложений по созданию проектов с одним или двумя такими электродвигателями.
Шаговый электродвигатель должен управляться импульсами, последовательно приложенными к обмоткам. Поэтому необходимо создать схему, генерирующую импульсы для внешних команд, то есть для таких элементов, как переключатели, джойстики, датчики или даже параллельные порты компьютеров.
Итак, мы собираемся описать проект, образованный двумя блоками: силовым блоком, который в состоянии запускать электродвигатели с потреблением тока до 500 мА, и блоком управления, который генерирует последовательность для вращения шагового электродвигателя.
На рис. 3.14.6 показана блок-схема этого проекта.
Рис. 3.14.6. Блок-схема проекта
Обратите внимание, что мы даем три варианта блоков управления:
Работа вручную - использование переключателей или джойстика. Импульс может создаваться переключателями или джойстиком, позволяя оператору
устанавливать вал шагового электродвигателя точно в желаемую позицию. Этот тип можно использовать для создания дистанционно управляемой роботизированной руки или другого автоматического устройства.
Последовательная работа с использованием импульсного генератора. В этом случае схема создает импульсы, которые приводят во вращение вал. Схема может быть применена в автоматических устройствах, где импульсы поступают от датчиков.
Автоматическая работа с использованием генератора-осциллятора. Несинхро- низированный генератор-осциллятор используется для вращения электродвигателя. Частота генератора определяет скорость вращения вала и последовательность направления. Электродвигатель может быть использован для создания движения. При помощи схемы можно конструировать роботы и сложные автоматические устройства.
Кок он роботост
Силовой блок образуется из четырех транзисторов средней мощности BD135 NPN-типа, непосредственно подключенных к обмоткам шагового электродвигателя. Каждый транзистор работает как переключатель, включаясь тогда, когда положительное напряжение прикладывается к их базе.
Транзисторы имеют высокий коэффициент усиления, потребляя ток силой 0,5 мА для возбуждения обмоток электродвигателя, который потребляет ток до 500 мА. Это означает, что выход от датчика, логической схемы или даже простого компьютерного интерфейса может быть использован для запуска этого каскада. Поскольку нагрузки, управляемые транзисторами, независимы, то можно использовать электродвигатели, рассчитанные 5-12 В. Само собой разумеется, что транзисторы должны быть установлены на теплоотводящие радиаторы.
Коммутационный блок для ручной работы состоит из переключателей ВКЛ. ВЫКЛ., датчиков или джойстика, собранных по такой схеме, которая позволяет создать последовательность для применения в проекте. Поскольку силовой блок обладает достаточной чувствительностью, то не требует каскада усиления.
Второй блок управления - это командоаппарат (управляющее устройство с жесткой последовательностью событий), который создает необходимую последовательность для вращения вала электродвигателя вперед или назад в соответствии с импульсами, генерируемыми датчиками или переключателями. Это идеальный вариант для наглядной демонстрации работы шагового электродвигателя. Он также используется в различных типах автоматических приборов.
Третий блок управления представляет собой генератор низкой частоты, используемый для последовательного генерирования шагов и вращения электродвигателя вперед и назад.
1енератор имеет частоту, подстраиваемую потенциометром, но помимо этого можно использовать и другие методы управления. Очень интересна идея применить резистивные датчики. Скорость вращения электродвигателя может быть изменена количеством света, падающего на фоторезистор LDR, или при помощи температурных изменений на таком датчике, как резистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).
Кок собирать и монтировать схему
Основная схема силового каскада, использующего четыре транзистора NPN- типа, показана на рис. 3.14.7.
Рис. 3.14.7. Силовой каскод, использующий транзисторы NPN-типо
Схема может быть смонтирована на небольшой печатной плате РСВ, а транзисторы установлены на теплоотводящие радиаторы.
На рис. 3.14.8 предлагается монтажный рисунок печатной платы, на которой должна быть смонтирована схема.
Транзисторы для замены, эквивалентные BD135:
BD137, BD139 с потреблением тока до 500 мА. Не требуют внесения изменений в проект;
TIP31, А, В или С с потреблением тока до 2 А. Транзистор должен быть преобразован, так как расположение выводов отличается от BD (рис. 3.14.9);
TIP110, TIPI 11, TIP112: транзистор Дарлингтона, управляющий током до 1 А. Величина сопротивления базового резистора может быть увеличена до 1 кОм. Этот вариант более чувствителен. Расположение выводов такое же, как и для TIP31.
Источник питания обеспечивает напряжение, необходимое для запуска шагового электродвигателя. Для питания можно использовать батарейки или сеть переменного тока.
Рис. 3.14.8. Печатная плата для силового каскодаРис. 3.14.8. Печатная плата для силового каскодаРис. 3.14.9. Ручное управлен* шаговым злоктродвипателем. использующим переключатели ВИЛУ ВЫКЛ., джойстик или датчикРис. 3.14.9. Ручное управлен* шаговым злоктродвипателем. использующим переключатели ВИЛУ ВЫКЛ., джойстик или датчик
Рис. 3.14.8. Печатная плата для силового каскода
Рис. 3.14.8. Печатная плата для силового каскода
Рис. 3.14.9. Ручное управлен* шаговым злоктродвипателем. использующим переключатели ВИЛУ ВЫКЛ., джойстик или датчик
Рис. 3.14.9. Ручное управлен* шаговым злоктродвипателем. использующим переключатели ВИЛУ ВЫКЛ., джойстик или датчик
Перечень элементов и компонентов силовой схемы
QL Q2, Q3, Q4 - транзисторы средней мощности BD135 или TIP31 (см. текст).
RI, R2, R3, R4 — резисторы на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
С1 - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
_М1 - четырехфазный шаговый электродвигатель.
Печатная плата, теплоотводящие радиаторы для транзисторов, провода, припой, источник питания в соответствии с электродвигателем и т.п.
На рис. 3.14.9 показана схема для управления, использующая переключатели ВКЛ./ВЫКЛ., датчики или джойстик.
Эта схема последовательно генерирует импульсы каждый раз, когда датчик замкнут. Создаются импульсы, продолжительность которых определяется потенциометром Р1, вызывая поворот вала электродвигателя на 1 шаг при каждой активации схемы.
Поскольку потребность схемы в токе очень низка, в качестве датчиков можно использовать язычковые переключатели. Подстройте потенциометр Р1 на время, необходимое для запуска электродвигателя.
Перечень элементов и компонентов схемы управления шаговым электродвигателем
S1 - однополюсный переключатель ВКЛ./ВЫКЛ. SPST или датчик.
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
IC-2 - интегральная микросхема с транзисторно-транзисторной логикой (TTL) 74LS194IC.
IC-3 - интегральная микросхема стабилизации напряжения 7805IC.
R1 - резистор на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
R2, R3 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
Р1 - потенциометр точной подстройки.
Cl, С2 - керамические или полиэфирные конденсаторы на 0,1 мкФ.
СЗ - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
Силовая схема для запуска электродвигателя, провода, припой и т.п.
Третья схема управления показана на рис. 3.14.10.
Эта схема генерирует последовательность импульсов, которые приводят во вращение шаговый электродвигатель. Последовательность может быть инвертирована для изменения направления вращения электродвигателя, а скорость может быть изменена при помощи изменения частоты генератора.
Конденсатор определяет диапазон скорости вращения электродвигателя. При демонстрации схемы или применении в устройствах с малой скоростью вращения, вы можете использовать конденсаторы с более высокой емкостью. Рекомендуемая емкость 10-220 мкФ, но если вам нужны более высокие скорости, используйте конденсаторы с более низкой емкостью. В этом случае рекомендуется емкость 0,047-0,47 мкФ.
Переключатели между логической схемой и генератором позволяют настраивать схему при помощи внешнего управления. Этот переключатель очень важен, когда схема выставляется для демонстрации. Последовательность, используемая для изменения направления вращения на противоположное, генерируется инвертирующей схемой.
9 Создание роботов в дом. усл.
Рис. 3.14.10. Посподоеатегъньм генератор для управления шаговым $лектродэигагелемРис. 3.14.10. Посподоеатегъньм генератор для управления шаговым $лектродэигагелем
Рис. 3.14.10. Посподоеатегъньм генератор для управления шаговым $лектродэигагелем
Рис. 3.14.10. Посподоеатегъньм генератор для управления шаговым $лектродэигагелем
Логический блок может получать питание 5-15 В от того же источника, который запитывает электродвигатель, но может получать питание и от другого источника. Если используются разные источники, то они должны иметь точку на общем проводе (заземлении).
Перечень элементов и компонентов схемы управления шаговым электродвигателем
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
IC-2 - интегральная микросхема с транзисторно-транзисторной логикой (TTL) 74LS194IC.
RI, R2 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый,, черный, оранжевый).
Р1 - потенциометр на 1 мОм.
С1 — электролитический конденсатор от 10 до 220 мкФ х 12 В.
С2 — керамические или полиэфирные конденсаторы на 0,1 мкФ.
СЗ - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
Силовой модуль, печатная плата или плата, не требующая пайки, провода,
источник питания и т.п.
Провсрко и использование
Последовательный блок подключается к силовому блоку для того, чтобы управлять шаговым электродвигателем и выполнять главные операционные тесты (рис. 3.14.11).
Рис 3.14.11. Проверка управления шаговым электродвигателем в основном варианте проектаРис 3.14.11. Проверка управления шаговым электродвигателем в основном варианте проекта
Рис 3.14.11. Проверка управления шаговым электродвигателем в основном варианте проекта
Рис 3.14.11. Проверка управления шаговым электродвигателем в основном варианте проекта
Осторожно подключайте электродвигатель, не перепутав положения проводов в соответствии с их цветностью. Если провода перепутать, то электродвигатель не будет работать. Подайте питание на схему и замкните переключатель S1 для генерирования последовательности импульсов. При подстройке потенциометра Р1 электродвигатель будет вращаться в соответствии с направлением, запрограммированным S2.
Если ваш электродвигатель не вращается, а просто меняет положение вала хаотически, то это происходит оттого, что или неправильно подсоединены провода электродвигателя к схеме, или электродвигатель имеет неправильную последовательность операции.
Если вы хотите использовать электродвигатель с другой конфигурацией (переключатели, датчики, джойстик и т.п.), то следует проверить эту схему снова.
Следующий этап - найти иное применение для вашего управления. Вы можете использовать схему для управления движением механотронной головы при помощи последовательного генератора и силовой схемы (рис. 3.14.12). Вы можете добавить такие дополнительные функции, как звуковая схема, чтобы голова заговорила и имитировала бы движения рта при помощи сплава с памятью конфигурации (SMA) или соленоидов.
Рис. 3.14.12. Управление движением мехонотронной головы
Идеи для экспериментов
Много механических проектов может быть построено на основе шагового электродвигателя. Точное движение вала шагового электродвигателя может быть использовано в наиболее ответственных частях механотронных проектов, таких как механические руки, роботы и автоматизированные устройства. Дополнительные идеи для любителей поэкспериментировать:
роботизированная рука, использующая шаговые электродвигатели. Механотрон- ная рука использует два шаговых электродвигателя - один для движения руки по оси X, а второй для движения руки по оси Y (рис. 3.14.13). В зависимости от мощности, необходимой для движения руки, шаговый электродвигатель должен быть подсоединен к коробке передач;
Рис. 3.14.13. Роботизированная, или механотронная, рука, использующая два шаговых электродвигателя
плоттер (графопостроитель). Другая идея для воплощения в проекте с использованием шаговых электродвигателей - плоттер, показанный в упрощенном виде на рис. 3.14.14.
Два электродвигателя управляют движением ручки по осям X и Y. Электродвигатели могут быть управляемы компьютером, а программа должна быть настроена, чтобы передать изображение на плоттер. Это очень
интересный проект, требующий мастерства от конструктора, потому что для достижения хороших результатов очень важна точность;
управление камерой. Один или два шаговых электродвигателя могут быть использованы для управления видеокамерой (рис. 3.14.15). Если используется один шаговый электродвигатель, то видеокамера может вращаться в горизонтальной плоскости. Если используется два электродвигателя, то видеокамера может двигаться вверх и вниз, налево и направо.
Управление
Рис. 3.14.15. Упровление видеокамерой
Упровление лазерным лучом
Лазерное перо или лазерный модуль могут управляться одним или двумя шаговыми электродвигателями, рисуя на экране фигуры, как это было описано в проекте 10.
Кросс-темы
Шаговые электродвигатели являются хорошим подспорьем для проведения физических экспериментов. Преподаватель может придумать много устройств,
чтобы продемонстрировать их на факультативных занятиях по оптике, механике и другим разделам физики. Вот только несколько идей по кросс-темам:
цветное колесо Ньютона: такой же эксперимент, как и в проекте 12 (электродвигатели с сенсорным управлением); можно выполнить с применением шагового электродвигателя. При использовании шагового электродвигателя в этом эксперименте регулируется только скорость, что приводит к наиболее удачному смешиванию цветов для превращения их в белый цвет;
стоячие волны: аппарат (рис. 3.14.16) может быть использован для создания стоячих волн в проводе.
Рис. 3.14.16. Создание стоячих волн
Подстройте потенциометр Р1 на такую скорость, которая генерирует желаемое количество полных волн в проводе;
зубчатые передачи и движение: точное управление скоростью и положение вала шагового электродвигателя может быть использовано на уроках физики для проведения экспериментов с зубчатыми колесами и движением.
Дополнительные схемы и идеи
Для управления шаговым электродвигателем можно использовать много видов схем. Ниже мы предлагаем некоторые из них.
Использование транзистора Дарлингтона
Транзисторы Дарлингтона, такие как TIP110, TIP111 и TIP112, могут быть использованы в силовом каскаде в схеме (рис. 3.14.17).
Эти транзисторы могут управлять током до 1,25 А, некоторые из них, принадлежащие к серии TIP, могут управлять более сильным током (до 5 А). Они устанавливаются на теплоотводящие радиаторы и требуют мощных источников питания. Большим преимуществом применения транзисторов Дарлингтона является то, что для управления электродвигателем требуется более слабый ток на входе.
Рис. 3.14.17. Использование транзисторов Дарлингтона
Перечень элементов и компонентов силового каскада Дарлингтона
Ql - Q4 - кремниевые силовые транзисторы Дарлингтона ПР110, TIPI 11 и TIP112 NPN-типа.
RI - R4 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
Теплоотводящие радиаторы для транзисторов, провода, печатная плата или плата, не требующая пайки, припой и т.п.
Использование интегральной микросхемы
Интегральные микросхемы ULN2001A или МС1411 специально сконструированы для управления мощными нагрузками соленоидов, электродвигателей, реле и шаговых электродвигателей.
Эти интегральные микросхемы хорошо согласуются с логикой комплементарных металлооксидных проводников (CMOS) и транзисторно-транзисторной логикой, облегчая конструирование схем управления.
Интегральная микросхема (рис. 3.14.18) зачастую применяется для управления шаговым электродвигателем. Эта схема может заменить транзисторный каскад, описанный в основном варианте управления, и запускать электродвигатели с потреблением тока до 500 мА.
Рис. 3.14.18. Использование интегральных микросхем ULN2001А или MCI 411 IC
Другая схема с последовательным генератором
В проектах с шаговыми электродвигателями может быть использована другая схема (рис. 3.14.19) с последовательным управлением. Эта схема представляет собой простую счетную схему от 1 до 4, использующую интегральную микросхем
В выходном каскаде можно применить интегральные микросхемы ULN2001A или МС1411, а импульсы и последовательные генераторы - из основного проекта.
Эта схема может управлять шаговым электродвигателем с потреблением тока до 500 мА и напряжением до 12 В. Можно управлять и более высоким напряжением при условии, что схема будет получать питание от отдельного источника с напряжением до 12 В.
Рис. 3.14.19. Схема последовательного управления на интегральной микросхеме 4017 CMOS IC
Перечень элементов и компонентов другой последовательной схемы
IC-1 - интегральная микросхема 555IC.
IC-2 - интегральная счетная микросхема 4017 CMOS IC.
IC-3 - интегральная силовая микросхема драйвер (пускатель) ULN2001A или МС1411.
XI - шаговый электродвигатель 6-12. В.
Р1 - потенциометр на 1 мОм (линейный или логарифмический).
RI, R2 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
С1 - электролитический конденсатор на 47 мкФ х 12 В.
С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 16 В.
Источник питания, печатная плата или плата, не требующая пайки, провода и т.п.
Современные технологии
Шаговые электродвигатели широко применяются во многих электронных бытовых приборах. Компьютеры, например, используют шаговые электродвигатели во многих периферийных устройствах. Постоянная скорость вращения дисковода или жесткого диска тоже обеспечивается шаговыми электродвигателями. Проигрыватели CD и DVD также имеют шаговые электродвигатели для вращения дисков, потому что скорость должна управляться с высокой точностью.
Движение головки принтера также управляется шаговым электродвигателем, который, в свою очередь, управляется программой. Электродвигатель выставит печатную головку точно в том месте, где нужно поставить точку.
Идеи для дглдбленного изучения темы
Сконструируйте автоматизированные приборы, использующие шаговый электродвигатель.
Найдите информацию в Интернете, касающуюся двухфазных шаговых электродвигателей.
Сконструируйте механотронную руку, достаточно точную, чтобы работать с небольшими предметами, используя шаговые электродвигатели.
Проект 15.
Машино с магическим движением
Движущиеся фигурки, установленные на многих декоративных изделиях, часто получают питание от батареек. Многие часы украшены танцующими фигурками, которые могут даже издавать музыкальные звуки для указания времени.
Представьте себе фигурку, которая движется хаотически, получает питание от электронного источника, а управляется электронной схемой. Целью этого проекта является создание фигур и схем, которые можно использовать для украшения помещений в аниматронике (ответвлении механотроники) или просто для демонстрации механотронных изделий.
Электронная схема проста, использует части и компоненты общего назначения, а принцип ее действия основан на принципе действия других проектов, описанных в книге, например, принципе действия гальванометра в проекте 5.
Электронная схема служит в проекте для обеспечения движения игрушки или самостоятельно созданной фигурки.
Водами
Смонтировать простую схему для управления движущейся фигуркой.
Сконструировать схему, обеспечивающую хаотическое движение.
Создать автоматические и механотронные проекты, работающие по одному принципу.
Проект
Этот проект нужно рассматривать как усовершенствование проекта 5 - экспериментального гальванометра. Мы добавляем электронную схему, генерирующую электрические импульсы, и заменяем иглу гальванометра на движущуюся фихурку, такую как балерина, клоун или что-либо подобное.
Питание проект должен получать от батареек размера АА с длительным сроком работы.
Включим в проект и светоизлучающий диод LED, который будет мерцать в такт движению нашей фигурки.
Разместите схему в коробке (рис. 3.15.1), а фигурку водрузите на самодельное декоративное изделие, чтобы все могли оценить ваше мастерство в меха-
нотронике.
^atatiausSil.
знание без границ * *
Проект 15. Машина с магическим движением 245
диод
Рис. 3.15.1. Декоративное изделие, изготовленюв для проекта по созданию магического движения
Каи он работает
Главным компонентом электронной схемы является интегральная микросхема 555, выступающая здесь в роли мультивибратора (генератора релаксационных колебаний) с двумя квазиустойчивыми состояниями. Эта схема создает интервальные импульсы, которые запускают механическую часть проекта.
В этой конфигурации продолжительность и интервалы между импульсами зависят от компонентов схемы (рис. 3.15.2).
Рис. 3.15.2. Интегральная микросхема 555-мультивибратор с двумя кеазиустойчиеыми состояниями
Временной интервал, в течение которого выход схемы имеет высокий уровень потенциала, зависит от четырех составляющих схемы: сопротивления Ra (RI + Pl), сопротивления R,, (R2), емкости (С1) и формулы, которая связывает их вместе:
th = 0,693 х Cl х (Ra + Rb);
tl = 0,693 xR^x Cl, где-
th - временной интервал выхода с высоким уровнем потенциала в секундах (s) tl - временной интервал выхода с низким уровнем потенциала в секундах (s). Cl - емкость в фарадах (Ф), R.Rb- сопротивление в омах (Ом).
Обратите внимание, что поскольку Ra + Rb всегда выше, чем Rb, то и интер вал времени с высоким уровнем потенциала всегда больше, чем интервал с низким уровнем потенциала. Также заметьте, что Ra равно R1 плюс подстройка потенциометра Р1, поскольку это величина переменная.
Поскольку мы хотим подвергнуть нагрузку инверсии (обратному преобразованию), то решение заключается в возбуждении ее импульсами с низким уровнем интегральной микросхемы 555. Это можно осуществить транзистором PNP-типа, запускающего нагрузку. А транзистор управляется импульсами низкого уровня с микросхемы 555. Поэтому схема прикладывает импульсы к нагрузке с регулярными интервалами времени, определяемыми подстройкой потенциометра Р1 (рис. 3.15.3).
Рис. 3.15.3. Осциллограмма сигналов, приложенных к нагрузке
Наш транзистор является транзистором средней мощности, который запускает нагрузку, создающую прерывистое магнитное поле. Это поле воздействует на магнитные изделия, такие как лезвия, иголки или другие магниты, поворачивая их. Поскольку поле не очень сильное, предметы могут свободно двигаться. Поэтому конструктору необходимо будет подвесить и закрепить их каким-то образом.
Для лучшего выполнения этой задачи труднее всего подыскать тот тип импульсов, который согласуется с очевидным естественным движением человека или животного, чья фигурка устанавливается в проекте. Так, например, темп импульсов не должен быть чересчур быстрым для балерины или чересчур медленным для бегуна.
Можно провести испытания для определения надлежащей частоты и даже изменять величину сопротивления резистора R2 в пределах 15-47 кОм.
Как строить
Постройка механотронного проекта состоит из двух этапов: создание электронной схемы и механической части.
Электронная схема
Электронная схема импульсного генератора использует интегральную микросхему 555 IC (рис. 3.15.4).
Рис. 3.15.4. Принципиальная схема импульсного генератораРис. 3.15.4. Принципиальная схема импульсного генератора
Рис. 3.15.4. Принципиальная схема импульсного генератора
Рис. 3.15.4. Принципиальная схема импульсного генератора
Рис. 3.15.5. Схема для эксперимента, смонтированная на плате, не требующей пайкиРис. 3.15.5. Схема для эксперимента, смонтированная на плате, не требующей пайки
Рис. 3.15.5. Схема для эксперимента, смонтированная на плате, не требующей пайки
Рис. 3.15.5. Схема для эксперимента, смонтированная на плате, не требующей пайки
Схема может быть смонтировала на плате, не требующей пайки, как изображено на рис. 3.15.5. Однако вы можете выбрать другую технологию монтажа.
Конструктор должен осторожно обращаться с направлением при установке таких поляризованных элементов и компонентов, как интегральные микросхе
мы, электролитические конденсаторы, транзисторы и светоизлучающие диоды. Если транзистор TIP32 используется в качестве замены транзистора BD136, не забывайте, что выводы проводов имеют разные маркировки. Схема получает питание от батареек размера АА напряжением 3-6 В, но начинающий мастер может предусмотреть питание и от сети переменного тока.
Механическая часть
Механическая часть изготавливается из катушки и движущейся фигурки. В нашем основном проекте катушка делается путем навивки 50-100 витков эмалированного провода сортамента от 28 до 32 AWG на форму из картона (рис. 3.15.6).
Рис. 3.15.6. Механическая часть проекта
Не забудьте соскоблить эмалированное покрытие на концах намотанного на катушку провода для улучшения электрического контакта с винтом оконечной полоски при креплении или при пайке непосредственно к схеме.
Движущаяся фигурка подвешивается на тонкой хлопчатобумажной нитке или проволоке. К движущейся фигурке должен быть прикреплен или небольшой магнит, или небольшой предмет, выполненный из черного металла, лучше всего из железа или стали. Цветные металлы, такие как алюминий или медь, для этой цели не пригодны, так как не притягиваются магнитами.
Следует точно определить место для крепления магнита. Он должен быть установлен таким образом, чтобы магнитное поле катушки могло повернуть его.
Испытания и использование
Подайте питание на схему и посмотрите, как движется фигурка и мерцает светоизлучающий диод. Каждый раз, когда диод вспыхивает, фигурка должна сделать движение в такт, как если бы оба приводились в действие одной и той же силой. Если этого не получается, посмотрите контакты катушки. Если причина не в них, то подстройте потенциометр Р1 таким образом, чтобы желаемое движение фигурки все-таки получилось.
Перечень моментов и компонентов основного проекта машины магического движения
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD136 PNP-типа.
LED1 - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
Р1 - потенциометр точной подстройки на 1 мОм или обычный линейный или логарифмический потенциометр.
R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R2 - резистор на 15 до 47 кОм х 1/8 Вт (коричневый, зеленый, оранжевый для 15 кОм).
^ataHausl^.
КЗ, R4 - резисторы на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
С2 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
S1 - однополюсный переключатель SPST с функцией ВКЛ./ВЫКЛ. (наличие не обязательно, но желательно).
В1 - четыре батарейки размера АА на 6 В (и держатель) J
L1 - катушка (см. текст).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, коробка, магнит, припой, провода и т.п.
Кросс-темы
Этот проект может служить наглядным примером действия закона преобразования и сохранения энергии. Вот некоторые идеи для изучения смежных с проектом тем:
изучение закона сохранения энергии;
создание магнитного поля при помощи электрического тока;
изучение проблемы вечного движения (объясните, почему энергия не может быть создана или уничтожена, но только преобразована).
Модификации проекта
Внеся некоторые изменения в основной проект, вы сможете создать интересные декоративные изделия или модели для демонстрации. Способ, при помощи которого магнитное поле прикладывается к движущейся фигурке, может быть изменен. Реализуя идеи, заложенные в основном проекте, мы можем заставить атлета выполнять упражнения на кольцах (рис. 3.15.7).
Рис. 3.15.7. Другой вариант машины с магическим движением
Намотка катушек должна иметь правильное направление в силу того, что при прохождении тока магнитные поля катушек взаимно отталкиваются, создавая силу, которая двигает атлетом. Необходимое количество витков для каждой катушки и размеры картонного атлета определяются экспериментально.
Дополнительные схемы и идеи
1енерирование импульсов для проекта с волшебным движением можно производить различными способами. Ниже мы познакомим вас с некоторыми дополнительными схемами.
Другой импульсный генератор
Электронная схема (рис. 3.15.8) использует интегральную микросхему 4093IC в качестве генератора очень низких частот, который, как и в основном проекте, запускает транзистор BD136.
Рис. 3.15.8. Схема, использующая интегральную микросхему 4093IC
Диоды определяют путь тока для заряда и разряда конденсатора. Поэтому резистор R2 определяет время, в течение которого выход схемы находится на низком уровне потенциала, а настройка потенциометра Р1 и резистора R1 определяют время, при котором выход схемы находится на высоком уровне потенциала.
Поскольку три других вентиля микросхемы 4093 подключены в качестве инверторов, то катушка возбуждается, когда импульсы находятся в верхнем уровне состояния, а интервал между ними определяется импульсами нижнего уровня состояния.
Перечень элементов и компонентов схемы импульсного генероторо, использующего интегральную микросхему 4093IC
КМ - интегральная микросхема 4093, комплементарный металлооксидный полупроводник (CMOS IC [КМОП]).
DI, D2 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD136.
Р1 - потенциометр точной подстройки или обычный линейный или логарифмический потенциометр.
R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R2 - резистор на 15 кОм х 1/8 Вт (коричневый, зеленый, оранжевый).
R3 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
С2 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
В1 - четыре батарейки размера АА на 6 В (и держатель).
XI - катушка (такая же, как и в основном проекте).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, пластмассовая коробка, провода, припой и т.п.
Генератор хаотических импульсов
Схема (рис. 3.15.9) создает хаотические импульсы, производимые тремя разными генераторами. Резисторы R2, R4 и R6 определяют момент, когда каждый из генераторов находится на высоком уровне потенциала. Поэтому, сочетая вместе различные временные промежутки, схема генерирует импульсы в произвольном порядке (рис. 3.15.10).
Рис. 3.15.9. Этот генератор создает хаотические импульсы
Х1
Рис. 3.15.10. (внератор хаотических импульсов но интегральной микросхеме 4093IC
Перечень элементов и компонентов генератора хаотических импульсов
IC-1 - интегральная микросхема 4093, комплементарный металлооксидный полупроводник (CMOS IC).
QI - кремниевый транзистор средней мощности BD139 NPN-типа или эквивалент.
D1-D9 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148.
RI, R3, R5 - резисторы на 15 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R2 - резистор на 220 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
R4 - резистор на 330 кОм х 1/8 Вт (оранжевый, оранжевый, желтый).
R6 - резистор на 470 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, желтый).
R7 - резистор на 2,2 кОм х 1 /8 Вт (красный, красный, красный).
R8 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Cl, С2, СЗ - электролитический конденсатор от 1 до 22 мкФ х 12 В (в соответствии с частотой).
С4 - электролитический конденсатор на 1 мкФ х 12 В.
XI - катушка (как и в основном проекте).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, источник питания, провода, припой и т.п.
Современные технологии
Лучшим примером применения принципа, заложенного в этом проекте, являются часы с волшебным движением, производимые, главным образом, японской промышленностью и популярные во всем мире. Часы выпускаются разных размеров и модификаций, с одной или несколькими движущимися фигурами. Во многих домах они являются самым красивым декоративным элементом интерьера.
Идем для угдубленного изучения темы
Можно сконструировать другие модели, основываясь на законе магнитодвижущей силы Ампера, который изучается на уроках физики. Это закон, на котором основан наш проект. Загляните в Интернет, чтобы найти больше материала по исследуемой теме.
Сконструируйте электрический двигатель на основе описанных выше принципов. И по этому вопросу вы найдете много информации в Интернете.
Проект 16.
Проверьте ваши нервы
Введение
Будут даны два варианта этого проекта. Самый простой вариант использует только несколько соединений и не требует никаких других ресурсов и электронных шасси. Он наиболее приемлем для учащихся в возрасте от 11 до 16 лет, поскольку, создавая проект, они смогут научиться навыкам пайки. Ребята смогут проверить свое умение работать руками и в то же время познакомиться с принципом работы трансформатора.
Конечно, для начинающего гения, который уже знает, как паять, этот проект может стать первым шагом на пути к более сложным открытиям. Он может усовершенствовать проект, построив второй вариант, и даже подшутить над друзьями или родственниками.
Можно неожиданно уколоть электричеством кого-нибудь из друзей из желания подшутить над ним, однако если при этом будет гарантирована полная безопасность. (Внимание! Прочтите и запомните наше предупреждение.)
Основная идея проекта заключается в увеличении напряжения одной или двух батареек до величины, достаточной для нанесения электрического укола или удара.
Поскольку сила тока ограничена несколькими миллиамперами и его воздействие не будет продолжаться дольше нескольких секунд, мы считаем, что удар будет безвреден и никого не испугает.
Задачи
Получить достаточно высокое напряжение с помощью батареек.
Изучить, как работает трансформатор.
Изучить технологию пайки.
Выполнить некоторые эксперименты с высоким напряжением.
Проект
На схеме вы можете проверить свое умение работать руками. Как показано на принципиальной схеме основного варианта, схема имеет небольшую петлю, сквозь которую можно пропустить волнообразный провод. Участник игры должен пронести петлю над изгибами провода, не задев его.
Неверное движение или дрожание рук - и петля касается провода, включается схема, и участник получает легкий электрический укол!
Во многом процесс игры больше зависит не столько от умения участника пронести петлю, не задев провод, сколько от диаметра кольца и изгибов и скручиваний провода. Во время игры подсчитывается количество ударов, полученных участниками. Победителем считается тот, кто меньше всех получит ударов (или вообще не получит).
Питание схемы производится от батарейки размера D, так как потребление тока высоко, когда петля касается провода. Когда схема не используется, петлю и провод следует отключить, иначе батарейка очень быстро разрядится.
Основной вариант очень прост и требует для монтажа всего лишь 1-2 часа, но мы предложим еще и второй, усовершенствованный вариант, задействующий больше ресурсов и элементов механотроники.
Кок он роботост
Сердцем проекта является небольшой трансформатор с первичной обмоткой, получающий питание от сети переменного тока с напряжением 117 В, и вторичной обмоткой, рассчитанной на напряжение 6-9 В и ток 250-500 мА.
В нормальном рабочем режиме трансформатор получает от сети напряжение 117 В и преобразует его в низкое напряжение 6-9 В в соответствии с запитываемым компонентом. В этом проекте мы покажем, что трансформатор может работать и в обратном порядке - в режиме инвертирования. Вторичная обмотка принимает низкое напряжение величиной 6-9 В от батарейки, а первичная обмотка преобразует его и выдает высоковольтные импульсы.
Поскольку напряжение генерируется не в виде синусоидальных импульсов (волн), как обычно происходит в сети питания, а виде коротких импульсов, то напряжение в первичной обмотке возрастает до 100-300 В. Несомненно, импульсы могут нанести электрический удар, но поскольку их продолжительность очень коротка, а сила тока очень низка, то это не опасно! (рис. 3.16.1)
Рис 3.16.1. Трансформатор используется для повышения напряжения батарейки
Необходимо отметить, что процесс индукции, который в трансформаторе преобразует низкое напряжение в высокое, является динамическим. Это и есть механотронная часть основного варианта проекта. Динамический процесс индукции происходит только в моменты, когда провод касается петли и когда провод отсоединяется от нее.
Поэтому во вторичной обмотке не присутствует постоянно высокое напряжение, даже если провода продолжать удерживать в контакте. Изменение силы тока требуется для создания мгновенного, высокого напряжения, и это достйга- ется только в те моменты, когда провода замыкаются и размыкаются.
Во втором варианте мы собираемся использовать небольшой электродвигатель постоянного тока для работы в режиме переменного быстродействующего Переключателя. Небольшой электродвигатель постоянного тока имеет щетки, которые, вращаясь, работают в качестве переключателей. Они замыкают и размыкают обмотки, создавая в схеме переменный ток. Главная идея заключается в подключении небольшого электродвигателя в последовательную цепь с трансформатором, чтобы помочь ему в генерировании переменного тока.
Предмонтожные эксперименты
Прежде чем начать монтаж, вы можете продемонстрировать принцип действия проекта «Проверьте ваши нервы» при помощи простых и интересных экспериментов.
Укол или удар!
Вы можете продемонстрировать способ использования трансформатора для повышения напряжения батарейки, чтобы нанести электрические удары. Вы также можете показать, что для создания тока вам необходим замкнутый контур.
Перечень компонентов для контуре удара
Т1 - любой трансформатор с первичной обмоткой, рассчитанной на 117 В от сети переменного тока, и низковольтной вторичной обмоткой на 4,5- 9 В.
В1 - батарейка размера D х 1,5 В.
Эксперимент
Пригласите друзей встать в круг, взявшись за руки (рис. 3.16.2). Попросите людей, стоящих напротив друг друга, взять в руки провода от высоковольтной обмотки трансформатора.
Прикасаясь проводами от первичной обмотки к батарейке, они спровоцируют электрический удар, который почувствуют все стоящие в круге. Этот пример демонстрирует:
что ток, проходящий через тела людей, одной и той же силы, поэтому сила удара также одинакова для всех;
что представляет собой замкнутый контур (схема).
Рис. 3.16.2. Круг, наносящий электрический удар
Свечение флуоресцентной лампы
Вы можете продемонстрировать индукцию высоковольтного напряжения при помощи трансформатора и флуоресцентной лампы.
Перечень компонентов для схемы со свечением флуоресцентной лампы
Т1 - любой трансформатор с первичной обмоткой, рассчитанной на 117 В от сети переменного тока, и низковольтный вторичной обмоткой (точно такой, какая использовалась в предыдущем эксперименте и предыдущих проектах).
В1 - батарейка размера D х 1,5 В.
Небольшой напильник и провода.
Эксперимент
Обратите внимание на то, что лампа светится только тогда, когда вы касаетесь проводами батарейки. С помощью напильника можно быстро изменить поток тока, генерируя тем самым более мощные вспышки в лампе. Для эксперимента можно взять любую флуоресцентную лампу (рис. 3.16.3).
Рис. 3.163. Подача питания от батарейки на флуоресцентную лампу
На примере проекта можно объяснить, почему:
лампа вспыхивает в тот момент, когда происходят изменения силы тока;
лампа не будет светиться на 100% своей мощности.
Кок собирать и монтировать
Схема очень проста. Для ее монтажа не требуется специальных навыков. Ниже приводятся два ее варианта.
Проверьте ваши нервы - вариант 1
Сердцем проекта (рис. 3.16.4) является трансформатор, который преобразует напряжение 1,5 В постоянного тока в высоковольтные импульсы - в некоторых случаях до 300 В! Фотография смонтированной схемы показана на рис. 3.16.5.
Рис. 3.16.4. Схема проекта для варианта 1
Рис. 3.16.5. Все компоненты проектаРис. 3.16.5. Все компоненты проектаВсе компоненты могут быть размещены в небольшом пластмассовом ящике. Провод для петли и волнообразный провод должны быть длиной не менее 2-3 фута, чтобы игрок их случайно не выдернул, когда, реагируя на электрический удар, отшатнется назад.
Рис. 3.16.5. Все компоненты проекта
Рис. 3.16.5. Все компоненты проекта
Оставьте изоляцию между точками, которых игрок касается волнообразным проводом. Два подсоединенные друг к другу провода должны быть параллельного типа или скручены. Используйте провода разного цвета, дабы не перепутать соединений.
Волнообразный провод изготовлен из голой медной проволоки, часть которой изолирована или покрыта. В этой изолированной части провод образует ручку. Петля также изготавливается из отрезка неизолированного провода и не требует ручки, потому что низковольтная и высоковольтная линии - общие для этой части схемы.
Т1 - любой трансформатор с первичной обмоткой, рассчитанной на 117 В от сети переменного тока и со вторичной обмоткой на 3-9 В. Потребление тока колеблется в пределах 250-500 мА во время касания волнообразного провода петли.
Испытание и использование
Испытания очень простые. Найдите добровольца для проведения теста. По выражению лица вашего смельчака, когда он коснется петлей волнообразного провода, вы сможете определить, работает ваш проект или нет. Но если вы не найдете добровольца, то должны будете испытать проект самостоятельно. При испытании избегайте соприкосновения петли с проводом большого сечения. Поток тока не должен индуцировать высокого напряжения, потому что это неизбежно вызовет изменение интенсивности и батарейки быстро разрядятся.
Внимание! Не испытывайте схему на людях с вживленным электрокордиостимулятором или но людях, страдающих сердечными заболеваниями.
Перечень компонентов схемы «Проверьте вошн нервы - вариант 1»
Т1 - любой трансформатор с первичной обмоткой на 117 В от сети переменного тока и низковольтной вторичной обмоткой (см. текст).
В1 -1,5 В энергии (батарейка размера D).
^1 - петля (см. текст)
Х2 - волнообразный провод (см. текст)
Провода, припой, пластмассовая коробка и т.п.
Проверьте веши нервы - вориент 2
Принципиальная схема варианта 2 показана на рис. 3.16.6.
В этом варианте мы подключаем небольшой электродвигатель в последовательную цепь со вторичной обмоткой трансформатора. Щетки работа ющего электродвигателя создают быстрые импульсы, которые индуцируют высокое напряжение в трансформаторе. Схема окончательного варианта показана на рис. 3.16.7.
Рис. 3.16.7. Вариант 2 может быть построен но небольшом куске дерево или пластмассы
К валу электродвигателя прикрепляется тяжелый диск из любого материала для снижения скорости вращения, чтобы способствовать созданию импульсов, подаваемых на трансформатор.
Испытание и исполыевение
Методика тестирования такая же, как в варианте 1. Главное отличие: если вы держите петлю в контакте с волнообразным проводом, ток в цепи схемы будет не такой высокий, потому что ограничивается электродвигателем.
Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы - вариант 2»
Т1 - любой трансформатор с первичной обмоткой на 117 В от сети переменного тока и вторичной обмоткой на 5-9 В с током 200-500 мА.
М - небольшой электродвигатель постоянного тока.
В1 - две батарейки размера С или D напряжением 3 В.
XI, Х2 - провод для петли и волнообразный провод (см. вариант 1)
Провода, припой, пластмассовая коробка и т.п.
Кросс-темы
Этот проект может быть применен для изучения новаторских идей в механот- ронике, технологии и науке. Используйте проект для изучения следующих тем в средней и высшей школе:
разница между током и напряжением, также известная как закон сохранения энергии (физика). Объясните разницу между током и напряжением, а также почему нельзя создать энергию из ничего. Вы не можете заставить светиться флуоресцентную лампу на 100%, потому что энергия, сообщаемая батарейке, недостаточна;
электрическая индукция и принцип работы трансформатора (физика). Объясните, как работает трансформатор и как энергия может быть передана из одного места в другое через магнитное поле;
электрический удар (биология). Найдите информацию о воздействии электрического тока на организм человека, почему опасно поражение током и как ток используется в медицине (например, при стимулировании сердца);
ионизация неоновой или флуоресцентной лампы (химия). Объясните, как газы ионизируются при помощи высокого напряжения и как это явление находит применение в различных устройствах;
проверка на стрессоустойчивость (психология). Используйте проект для тестирования людей, подверженных различным уровням стресса.
Дополнительные схемы и идеи
Основной проект может быть модифицирован или в него может быть добавлена электронная схема для увеличения напряжения. Такие схемы называются инверторами и применяются во многих устройствах.
Использование язычкового переключателя
Магнит, прикрепленный к валу электродвигателя, может запускать язычковый переключатель (рис. 3.16.8), замыкая и размыкая схему и генерируя высокое напряжение в трансформаторе.
Рис. 3.16.8. Использование поворачивающегося магнита для быстрого переключения
Использование реле • качестве инвертора
Реле может быть использовано в качестве вибратора (прерывателя) для включения и выключения тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора, генерируя тем самым высокое напряжение во вторичной обмотке (рис. 3.16.9). Характеристики конденсатора С1 должны согласовываться с характеристиками реле, чтобы схема функционировала оптимально.
Х2
(*) см. текст
Рис. 3.16.9. Использование реле в качестве вибратора
Перечень компонентов схемы, использующей реле в качестве вибратора
К1 - реле на 6 В х 50 мА.
Т1 - трансформатор (как в основном проекте).
В1 - четыре батарейки размеров С или D на 6 В (и держатель).
XI, Х2 - провода (как в основном проекте)
С1 - полиэфирный конденсатор на 0,01-0,47 мкФ (см. текст).
Провода, припой, пластмассовая коробка.
Высоковольтный генератор
Мощный генератор или инвертор (рис. 3.16.10) может повысить напряжение двух батареек размеров АА, С или D на 100 В и более, то есть до такого уровня, которого будет вполне достаточно, чтобы нанести хороший электрический удар.
Обратите внимание, что эта схема продолжает работать, даже когда волнообразный провод находится в контакте с петлей, потому что для работы схема не нуждается в изменениях тока.
Любой небольшой трансформатор с первичной обмоткой на 117 В от сети переменного тока и вторичной обмоткой 3-6 В и током 150-250 мА подойдет для этой цели. Потенциометр Р1 подстроит частоту для наилучшего генерирования высокого напряжения.
Рис. 3.16.10. Транзисторный инвертор
Перечень элементов и компонентов схемы высоковольтного генератора
Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD135 NPN-типа или эквивалент.
Т1 - любой небольшой трансформатор (см. текст).
Р1 - потенциометр точной подстройки на 4,7 кОм.
R1 - резистор на 220 Ом х 1/8 Вт (красный, красный, коричневый).
С1 — керамический или полиэфирный конденсатор на 0,022 мкФ.
С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
В1 - 2 батарейки на 3 В размера АА, С или D (с держателем).
XI, Х2 - волнообразный провод и петля (как в основном проекте).
Провода, припой, пластмассовая коробка и т.п.
Современные технологии
Существует много приборов, которые преобразовывают низкое напряжение батарей и элементов в высокое напряжение. Принцип их действия идентичен принципу, описанному в нашем проекте, но с применением современных
технологий. Такие приборы называются инверторами или конвертерами переменного/постоянного тока и используют транзисторы, интегральные микросхемы и другие современные компоненты для запуска трансформаторов с ферритовым сердечником или других видов трансформаторов с целью повышения напряжения источника.
Есть прибор, который работает по этому принципу для повышения напряжения автомобильного аккумулятора, рассчитанного на 12 В, до 117 В сети переменного напряжения или до мощности бытовых приборов, таких как небольшие телевизоры и флуоресцентные лампы. Эти инверторы могут быть использованы в летних лагерях или местах, где недоступна сеть переменного тока.
Углубленное изучение темы
Для усовершенствования созданного вами прибора и для ознакомления с дополнительной информацией:
используйте две батарейки, подключенные друг к другу последовательно, для повышения напряжения в первом варианте;
выполните эксперименты с трансформаторами разных размеров и электрохарактеристик;
найдите в Интернете сведения о том, как Фарадей изобрел трансформатор;
составьте перечень бытовых устройств и приборов в вашем доме, которые имеют в трансформатор. Можете ли вы. определить, какую функцию выполняет трансформатор в каждом из них?
ознакомьтесь с правилами безопасности при работе с электричеством.
’Natations^
Проект 17.
Робот с датчиками
В описываемой ниже конструкции очень простого робота используются механические датчики для обнаружения препятствий. Если препятствие обнаружено, робот изменяет направление движения, слегка подавшись назад, а затем через несколько секунд снова начинает двигаться, но уже в новом направлении.
В основном проекте используются части общего назначения и батарейки, что позволяет изготовить робот даже тем, кто располагает ограниченными ресурсами. Это прекрасный проект для развития смекалки и воображения школьников, которые должны хорошо подумать, чтобы определить технологию сборки.
Можно организовать состязание роботов, в котором победителем объявляется тот, чей робот проткнет резиновый баллон, прикрепленный к роботу неприятеля.
Задочи
Постройте автономный робот (на батареях), использующий бамперные датчики.
Составьте программу соревнований роботов.
Изучите, как работают датчики.
Изучите материал о роботах и коробках передач.
Дополните первоначальный проект новыми датчиками и схемами.
Проект
Основная идея заключается в том, чтобы построить небольшой автономный робот, который способен чувствовать препятствия, отступать при их обнаруже
нии и искать новое направление движения. В передней части робота расположены два бамперных датчика (рис. 3.17.1). Датчики похожи на усики насекомых, они воздействуют на простые микропереключатели, которые используются в недорогих проектах.
Когда один из датчиков активируется препятствием, то запускается схема,
образованная двумя моноустойчивыми блоками. Схемы управляют направлением вращения электродвигателей, которые и двигают робот (рис. 3.17.2).
Электродвигатель 1Электродвигатель 1Электродвигатель 2Электродвигатель 2Рис. 3.17.2. Део электродвигателя. управляемые двумя моноустойчивыми интегральными микросхемами 555Рис. 3.17.2. Део электродвигателя. управляемые двумя моноустойчивыми интегральными микросхемами 555
Электродвигатель 1
Электродвигатель 1
Электродвигатель 2
Электродвигатель 2
Рис. 3.17.2. Део электродвигателя. управляемые двумя моноустойчивыми интегральными микросхемами 555
Рис. 3.17.2. Део электродвигателя. управляемые двумя моноустойчивыми интегральными микросхемами 555
Периоды времени, в течение которых выход схемы включен, для каждой схемы различны. Итак, когда электродвигатели меняют направление вращения, заставляя робот двигаться назад, один электродвигатель изменяет свое направление снова. В результате робот поворачивается и, когда оба электродвигателя возвращаются к нормальному движению вперед, робот едет уже в другом направлении.
■^ Начало движения в новом направлении
Рис 3.17.3. Траектория движения робота после столкновения
Узким местом проекта является точная регулировка времени, в течение которого реле активируется датчиками. Следует поэкспериментировать, чтобы добиться наилучших эксплуатационных качеств своего робота.
Механическая часть не столь критична, поскольку две коробки передач и свободное колесико установлены на небольшое деревянное или пластмассовое шасси (рис. 3.17.4).
Коробки передач можно купить в магазинах игрушек. Очень важно, чтобы они были одинаковыми и робот двигался бы по прямой линии.
Вы можете создать свою конструкцию для основного варианта и даже усовершенствовать его: например, добавить другие датчики, световые и звуковые эффекты и оружие (если вы строите боевой робот). Робот получает питание от
^alullaa^!.
Рис. 3.17.4. Установка основных агрегатов на шасси
обычных батареек. Если робот легкий, то обычных щелочных батареек размера АА вполне достаточно. Но если робот получился тяжелым, то для него лучше будет использовать батарейки размера D или даже перезаряжаемую 6-воль- товую батарею.
Как строить
Как и все механотронные проекты, его можно поделить на две части: механическую и электронную.
Электронной схема
Начнем с принципиальной схемы электронной части (рис. 3.17.5). Схема может получать питание от любого источника напряжением 5-12 В.
10 Создание роботов в дом. усл.
Рис. 3.17.5. Принципиальная схема электронной части робота
Выбирайте источник питания в соответствии с электродвигателем. Помните, что размеры электродвигателей и коробка передач будут определять мощность, развиваемую роботом, и вес, который он сможет транспортировать.
Применяемые реле должны быть двухрядного типа (DIL). Если будут применяться другие реле, то следует изменить печатный монтаж на печатной плате.
При монтаже особое внимание должно быть уделено положениям поляризованных компонентов, таких как интегральные микросхемы, диоды, транзисторы, электролитические конденсаторы и источник питания. Датчики изготавливаются из микропереключателей. Антенны, похожие на усики насекомых, должны быть сделаны из неизолированного провода. Можно использовать эквивалентные замены для транзисторов. Может быть использован любой кремниевый транзистор общего назначения NPN-типа.
Механическая часть
Для шасси можно взять любой кусок дерева или пластмассы нужного размера (рис. 3.17.6).
Коробки передач приделываются к задней части, а к передней приделывается свободное колесо. Такой вид колес широко применяется в офисной мебели, например в креслах. Выберите коробки передач с передаточным числом, обеспечивающим роботу надлежащую скорость и крутящий момент.
Бамперные датчики изготавливаются из микропереключателей, как упоминалось ранее. Важно достичь гарантированного замыкания контактов микропереключателей после столкновения с препятствием. Время замыкания должно быть достаточным для запуска схемы.
Поэкспериментируйте с другими моделями роботов. Попробуйте создать другие виды автономных транспортных средств.
Испытание и использование
Проверьте датчики на годность. Установите батареи или элементы в держатель и включите схему при помощи переключателя S1. Робот должен начать движение по прямой линии. Если один или два электродвигателя вращаются в обратном направлении, поменяйте местами их соединения.
При столкновении с препятствием электродвигатели должны изменить направление вращения, заставляя робота податься назад. Подстройте потенциометры Р1 и Р2 таким образом, чтобы это движение длилось только несколько секунд. После того как лимит времени будет превышен, робот снова начнет двигаться вперед.
Перечень элементов и компонентов схемы робота с дотчикоми
IC-1, IC-2 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
QI, Q2 - кремниевый транзистор средней мощности ВС548 NPN-типа.
DI - D4 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148.
RI, R2 - резисторы на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
R3, R4 - резисторы на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
R5, R6 - резисторы на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Pl, Р2 - потенциометр точной подстройки.
KI, К2 - двухполюсное перекидное реле на 6 В х 50 мА (DPDT).
XI, Х2 - бамперные датчики (см. текст).
S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
В1 - четыре батарейки на 6 В размера АА, С или D (с держателем).
Ml, М2 - небольшие электродвигатели постоянного тока на 6 В.~
Провода, припой, печатная плата и т.п.
Кросс-темы
Поскольку схема проста, она может быть использована в школе для преподавания кросс-тем, включающих в себя такие разделы, как:
движение;
направление;
управление;
время.
Дополнительные схемы и идеи
Первоначальный проект можно разнообразить приведенными ниже схемами.
Управление при помощи широтно-импульсной модулпции РШМ
В зависимости от используемой коробки передач, робот может двигаться впе- ред-назад очень быстро, что придаст ему хорошие эксплуатационные качества.
Проблема может возникнуть, если коробки передач не совсем одинаковы - одна быстрей другой. Тогда робот не сможет двигаться по прямой линии. Один из способов управления скоростью электродвигателей - дополнить схему управлением с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM).
Схема из проекта 3 может быть использована и в этом проекте (рис. 3.17.7). Для подстройки точной скорости робота применяются потенциометры. Прочтите описание проекта 3 еще раз более внимательно.
Рис. 3.17.7. Подключение к проекту управления скоростью при помощи РШМРис. 3.17.7. Подключение к проекту управления скоростью при помощи РШМК1 и К2К1 и К2
Рис. 3.17.7. Подключение к проекту управления скоростью при помощи РШМ
Рис. 3.17.7. Подключение к проекту управления скоростью при помощи РШМ
К1 и К2
К1 и К2
Световые датчики
Световой датчик может быть добавлен к схеме для остановки и изменения направления движения робота, с фонарем в качестве дистанционного передатчика. Любой небольшой фоторезистор LDR может быть использован в качестве датчика. За более подробной информацией обратитесь к описанию проекта 20.
Рис. 3.17.8. Подключение к проекту светового датчике
Таймер
Чтобы дать своему роботу «время подумать», к нему можно добавить схему, показанную на рис. 3.17.9.
Рис. 3.17.9. Схема таймера
Схема, управляющая источником питания, приводит к остановке основной схемы на несколько секунд с регулярными интервалами. Создается впечатление, что робот останавливается, чтобы подумать, а куда же он идет. Резистор R2 применяется для регулировки времени остановки робота.
Перечень элементов и компонентов схемы с добавлением таймера
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа или эквивалент.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
Р1 - потенциометр точной подстройки на 100 кОм.
R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
R2 - резистор на 10 до 47 кОм х 1/8 Вт (см. текст).
R3 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
С1 - электролитический конденсатор на 1 мкФ х 16 В.
С2 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
К1 - однополюсное реле на 6 В х 50 мА SPST.
Провода, припой, печатная плата и т.п.
Звуковые эффекты
Схема (рис. 3.17.10) добавляет звуковой эффект. Звук раздается каждый раз, когда робот наталкивается на препятствие и датчики активируются.
Схема генерирует звук с возрастающей частотой во время активации датчиков, а также звук с падающей частотой - в интервале между временем отката и остановкой робота.
D1/D2 = 1N4148
Рис. 3.17.10. Схема со звуковым эффектом
Перечень элементов и компонентов схемы с добавлением звуковых эффектов
Q1 - транзистор общего назначения ВС558 NPN-типа.
Q2 - транзистор общего назначения ВС548 PNP-типа.
DI, D2 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148.
SPKR - небольшой громкоговоритель номиналом 4—8 Ом (2,5-5 см).
RI, R2 - резистор на 15-47 кОм х 1/8 Вт (см. текст).
R3 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
С1 - электролитический конденсатор на 47 мкФ х 12 В.
С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
С2 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
Провода, припой, печатная плата или оконечная полоска и т.п.
Современные технологии
Небольшие роботы, использующие разнообразные типы датчиков, можно найти в игрушечных магазинах и купить через Интернет. Датчики могут быть простыми, такие как бамперные и световые, или же очень сложными, например распознаватели голоса и сонары (гидролокаторы). Стоимость роботов зависит от степени их сложности и количества выполняемых функций.
Проект легко построить самостоятельно. Однако пытливый ум этим, конечно, не ограничится и изобретет модификации с дополнительными схемами, не описанными в книге.
Идеи дли экспериментов
Взяв проект за исходную точку:
попытайтесь добавить датчики к боковым поверхностям робота;
приспособьте дистанционное управление, показанное в проекте 20, к роботу, который может передвигаться как самостоятельно, так и с помощью управления оператором;
сконструируйте роботизированную руку (см. проект 18) или добавьте к роботу электромагнит (см. проект 6).
Проект 18.
Экспериментальная роботизированная рука с «эффектом памяти»
Сплав с памятью формы (SMA) или, как принято в русской терминологии, сплав с «эффектом памяти» - это материал, восстанавливающий в результате нагрева после пластической деформации первоначальную форму изделия.
Если сплав с «эффектом памяти» холодный (ниже его температуры трансформации), то он имеет очень низкое сопротивление и очень легко может быть подвергнут деформации. Однако, если материал нагревается выше уровня температуры трансформации, его кристаллическая структура подвергается изменениям. Это изменение заставляет принять его первоначальную форму. Если сплав SMA подсоединен к схеме с любым сопротивлением, он может генерировать чрезвычайно большие силы, обеспечивая уникальный механизм для дистанционного приведения в движение.
Используя провод SMA, подключенный к простой механической руке, мы сможем двигать рукой, приложив электрический ток. Простое движение может быть достигнуто с помощью минимального количества частей.
Целью этого проекта является постройка экспериментальной роботизированной руки с использованием SMA. Само собой разумеется, что проект может быть усовершенствован для придания ему функций более разнообразных, чем простое движение, и может управляться посредством компьютера.
Задачи
Построить роботизированную руку, используя SMA.
Изучить, как работает SMA.
3. Провести расчеты для надлежащего использования частей, изготовленных из сплава SMA, в механизированных проектах.
Определить характеристики сплава SMA.
Кок сплавы SMA работают
Наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления SMA, является сплав никеля и титана, называемого нитинолом. Этот сплав имеет очень хорошие электрические и механические свойства, длительный срок усталости и высокую коррозионную устойчивость.,
Используемая в качестве привода проволока из нитинола способна на 5-процен- тную упругую деформацию и восстанавливающее усилие величиной 50000 фунтов
Проект 18. Экспериментальной роботизированной руно с «эффектом памяти» 275
на квадратный дюйм (psi), многократно возвращаться к своей первоначальной форме. Она также обладает свойствами, которые позволяют ей активироваться при помощи электричества.
При нагревании электрическим током она генерирует достаточно тепла, чтобы вызвать фазовую трансформацию.
В большинстве случаев температура перехода сплава SMA выбирается таким образом, чтобы точка преобразования материала была намного выше комнатной температуры.
Нитинол поставляется в виде проволоки, прутков, брусков, полос и тонкой пленки. Для применения в механотронике наиболее приемлемая форма - это проволока (провод). Наиболее важные характеристики сплава SMA в соответствии с каталогом Robot Store:
N - сила в ньютонах (после умножения на 0,0098);
циклы в минуту в неподвижном воздухе при 20°С;
LT - низкая температура (70°С), НТ - высокая температура (90°С).
Гистерезис
Под воздействием постоянной силы проволока нагревается. Процесс ее сжатия (усадки) соответствует кривой, расположенной справа (рис. 3.18.1).
Рис. 3.18.1. Гистерезисная характеристика SMA
Когда температура достигает точки As, проволока начинает укорачиваться. Точка полного сжатия наступает, когда температура достигает Af. Процесс остывания проволоки соответствует левой кривой снизу справа, которая проходит через точки Ms и Mf. Ms - точка, где проволока начинает релаксировать (ослабляться), a Mf - точка, в которой проволока почти полностью расслаблена.
Сплавы SMA могут применяться в устройствах, где требуется короткое напряжение (растяжение) или давление (нажим). Они могут считаться мускульной
Рис. 3.18.2. Роботизированная рука действует при помощи проволоки SMA силой роботов. В качестве примера можно привести проволоку SMA, служащую приводом роботизированной руки (рис. 3.18.2) из нашего проекта.
Когда проволока SMA активируется током, сила высвобождается и рука движется. Количество высвобождаемой силы может быть рассчитано при помощи силы, присущей сплавам SMA, и характеристики руки.
Важно учитывать максимальную высвобождаемую силу, чтобы не произошел разрыв проволоки. Поэтому сечение (сортамент) проволоки необходимо тщательно выбирать в соответствии с требованием проекта.
При конструировании устройства с применением SMA необходимо учитывать еще одну немаловажную характеристику: механическую усталость. Эта характеристика определяет, сколько раз можно сжать и разжать проволоку SMA, прежде чем она разорвется.
Схема, необходимая для провода SMA, должна также иметь специальные характеристики. Ток, необходимый для высвобождения силы, может оказаться избыточен для проволоки SMA и разорвать ее, а тока меньшей силы, чем требуется для генерирования необходимого тепла, может оказаться недостаточно для достижения температуры перехода, и поэтому проволока не изменит своей длины. Поэтому необходимо проверять спецификации производителя для определенного сортамента проволоки и, исходя из даты изготовления, можно рассчитать точную величину тока для создания тока, необходимого для функционирования проекта.
В простых случаях, зная напряжение источника питания и сопротивление проволоки SMA (ом/м или ом/см), мы можем при помощи нехитрых расчетов определить длину проволоки, необходимой для рабочего тока.
Прежде всего, применим закон Ома, чтобы вычислить, какое общее сопротивление должна иметь проволока для изменения формы:
R=V/I, где
R - сопротивление в омах,
V - напряжение источника питания в вольтах,
I - сила тока, необходимая для работы SMA, в амперах.
На втором этапе вычислим, какой длины должна быть проволока SMA, чтобы иметь расчетное сопротивление. В некоторых случаях мы должны учитывать, что сопротивление SMA изменяется при нагреве (сопротивление увеличивается, поэтому поток тока снижается).
L = R/P, где
L - конечная длина в метрах или сантиметрах,
R - общее сопротивление в омах,
Р - удельное сопротивление в ом/м или ом/см.
Устройства, использующие SMA, обычно запитываются от элементов или батарей (рис. 3.18.3).
Для обеспечения надежности в эксплуатации следует провести испытания с током силой на 10-20% большей, чем расчетная, чтобы компенсировать падение напряжения в источнике. Если источник напряжения выдает более высокое напряжение, чем требуется для деталей SMA, длина которых изменяется, то можно применить электронный потенциометр (см. проект 7) или управление при помощи широтно-импульсной модуляции (PWM) для подстройки мощности, приложенной к SMA.
Рис. 3.18.3. Питание SMA от элементов и батарей
Источник ПОСТОЯННОГО TOHO
Для хорошей работы устройства с использованием SMA рекомендуется применение источника постоянного тока.
Этот вид схемы обеспечивает подачу постоянного тока через схему, независимо от ее сопротивления или напряжения на входе. Простой источник постоянного тока использует регулируемую интегральную микросхему стабилизации напряжения, такую как LM150, LM317 или LM350T (рис. 3.18.4).
Рис. 3.18.4. Источник постоянного тока, использующий интегральную микросхему 1ЛЛ350Т
Эта интегральная микросхема подводит к нагрузке ток силой до 3 А. Сопротивление R зависит от желаемого тока в нагрузке и может быть рассчитано по следующей формуле:
R = 1,25/1, где
R - сопротивление, используемое в схеме, в омах,
ток, необходимый для провода SMA, в амперах,
1,25 -внутреннее эталонное (опорное) напряжение интегральной микросхемы, такой как LM150, LM317 или LM350T.
Если применяется другой вид интегральных микросхем, то поищите в спецификации информацию о величине внутреннего эталонного напряжения и подставьте ее в формулу вместо 1,25.
Напряжение в SMA зависит от сопротивления SMA или напряжения, необходимого для его запуска.
Если нам известно сопротивление SMA и ток, протекающий через него, мы можем рассчитать напряжение, необходимое для привода SMA, используя закон Ома:
V= R х 1, где
V - напряжение, приложенное к SMA, в вольтах, ^sma - сопротивление SMA в омах,
I - ток в амперах.
Напряжение на входе (V.J должно быть, по крайней мере, на 2-3 В выше, чем напряжение SMA (V ).
Проект
Основной проект представляет собой простую роботизированную руку, приводимую в движение при помощи SMA. Роботизированная рука выполняет только одно движение, поднимая и опуская небольшой предмет (рис. 3.18.5).
специально оля_
Ш1аИаи$Ж знание без ераниц * *
Проект 18. Экспериментальная роботизированная рука с «эффектом памяти» 279
Конечно же, начинающий гений волен усовершенствовать проект, добавляя другие детали, такие как электромагнит для притягивания небольших металлических объектов или захват, приводимый в действие соленоидами. Другим дополнением будет второй мускул SMA для создания горизонтального движения.
Механическая часть проекта очень проста. Электронная же часть формируется при помощи источника постоянного тока, потому что это критическая точка в приводе SMA. Избыточный ток, который превышает необходимый, может сжечь проволоку. Ток с низким значением, который ниже необходимого, не разогреет проволоку до той температуры, чтобы создать точку перехода. В силу того, что ток может изменяться в связи с изменениями величины напряжения в источнике питания, необходим механизм, регулирующий ток.
Электронную схему для регулирования тока можно изготовить, применяя недорогую интегральную микросхему LM350TIC.
Кок строить
Проект делится на две части: электронную схему и механическую руку.
ЭлСКТрОННОА схема
Электронная схема, используемая для привода SMA, показана на рис. 3.18.6. Интегральная микросхема устанавливается на теплоотводящий радиатор, а потенциометр Р1 должен быть проволочного типа, потому что весь ток, протекающий через SMA, проходит через потенциометр. Р1 подстраивает переходную точку SMA.
) О S1
117V сети переменного тока
Вход
D1 м
Т112+12V2A
D2м
IC-1LM350т
Подстройка
Выход
Pl
10 Q
0.56 П
500 mA
1.000 pF
IC-1
Подстройка с
Выход С Вход с
SMA
Рис. 3.18.7. Небольшие элементы и компоненты могут быть припояны к оконечной полоскеРис. 3.18.7. Небольшие элементы и компоненты могут быть припояны к оконечной полоске
Рис. 3.18.7. Небольшие элементы и компоненты могут быть припояны к оконечной полоске
Рис. 3.18.7. Небольшие элементы и компоненты могут быть припояны к оконечной полоске
Поскольку используется источник постоянного тока, нет необходимости рассчитывать длину проволоки SMA. Благодаря этому вы можете использовать много типов SMA, а следовательно, изготовить руку разных размеров.
Само собой разумеется, что сила тока, управляемого микросхемой, ограничена до 3 А. Однако на практике мы рекомендуем не выходить за пределы 2 А. Компоненты также рассчитываются и с учетом минимального тока в 120 мА в SMA
Схему можно смонтировать, используя небольшую оконечную полоску в качестве шасси для небольших элементов и компо-
нентов (рис. 3.18.7). Электронная схема может быть размещена в небольших пластмассовых или деревянных коробках.
Псрсчснь моментов и компонентов мектронной схемы с роботизированной рукой
IC-1 - интегральная микросхема стабилизатора напряжения LM350TIC.
DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды.
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой на 117 В сети переменного тока и вторичной обмоткой на 12 В х 2А или в соответствии с током SMA.
С1 - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 25 В.
R1 - проволочный резистор на 0,56 Ом х 5 Вт.
SMA - любой SMA с током 150 мА-2 А.
F1 - плавкий предохранитель на 500 мА (и держатель).
S1 - кнопка (нормально разомкнутая).
Провода, оконечная полоска, силовой шнур, припой, оконечная полоска с винтами и т.п.
Механическая руке
Опорой для механической часта может послужить картонное, деревянное или пластмассовое основание (рис. 3.18.8).
Рука имеет только одно сочленение. Однако конструкцию руки можно усовершенствовать. Сочленение может быть выполнено с применением простого винта.
Удостоверьтесь, что рука легко движется в сочленении. Проволока SMA удерживается в рабочем положении двумя оконечными полосками и винтами. Имейте в виду, что проволока SMA не может быть припаяна, поэтому и применяется такой способ.
Рис. 3.18.8. Руно
Длина проволоки SMA зависит от размера руки. Помните, что при возбуждении проволока SMA сжимается на 10% от длины. Это изменение определяет общую траекторию движения руки, в которой произойдет высвобождение энергии для передвижения груза.
Испытание и исполмованис
Необходимо повышенное внимание к проволоке SMA при тестировании роботизированной руки, чтобы не дать ей сгореть из-за воздействия избыточного тока. Прежде чем подключить шнур питания к настенной розетке, подстройте потенциометр Р1 в положение максимального сопротивления (рис. 3.18.9).
Рис. 3.18.9. Подстройка потенциометра Р1 в положение максимального сопротивления (минимального тока)
После регулировки подключите шнур питания к настенной розетке и начните делать другие настройки. Нажав и отпустив кнопку S1, поверните потенциометр Р1 немного назад до тех пор, пока не заметите, что проволока S1 сжимается.
В этот момент прекратите поворачивать потенциометр Р1 - теперь схема подстроена. Вы не должны дальше увеличивать ток.
Рука готова к действию. Выберите не очень тяжелый предмет для перемещения, потому что проволока имеет ограничения относительно силы, которую она может высвободить.
Кросс-темы
Исследуйте процесс расширения твердого тела при нагревании. Используйте как пример разницу между обычными металлами и сплавами SMA. Проект может помочь при изучении следующих тем:
как работают сплавы SMA;
измерение высвобожденной силы;
рычаги.
Дополнительные схемы и идеи
Далее мы предлагаем некоторые схемы, которые можно использовать для привода SMA.
Источник постоянного токе, использующий транзистор
Схема (рис. 3.18.10) может управлять SMA при токе до 500 мА. Это источник постоянного тока, использующий транзистор.
Потенциометр Р1 подстраивает ток, протекающий через проволоку SMA. Методика обнаружения надлежащей рабочей точки такая же, как и в основном проекте.
Транзистор должен быть установлен на теплоотводящий радиатор. Напряжение на входе должно быть в пределах 6-12 В, а максимальный ток для проволоки SMA - около 1 А.
Рис. 3.18.10. Источник постоянного токо, использующий транзистор
Перечень элементов и компонентов схемы
с постоянным источником питания
Q1 - силовой кремниевый транзистор TIP32 PNP-типа.
Z1 - стабилитрон от 386 до 487 х 400 мВт.
R2 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
R1 - проволочный резистор на 0,1 Ом х 1 Вт.
Р1 - проволочный потенциометр на 10 Ом.
Печатная плата или оконечная полоска, теплоотводящий радиатор для транзистора, провода, припой и т.п.
Простей источник напряжения
В схеме на рис. 3.18.11 напряжение может быть подстроено в соответствии с током, необходимым для привода проволоки SMA, но эта схема не так эффективна, как схема с источником тока. Схема подобна схеме, описанной в проекте 7.
Снова подстроим потенциометр Р1 на минимальную точку напряжения, начиная с которой выполним дальнейшие подстройки.
Величина напряжения на входе может быуь 5-12 В, а максимальный ток на выходе - около 1 А.
01 TIP31
р1 1 коА
Рис. 3.18.11. Линейный источник нопряжения (электронный потенциометр),используемый для привода SMA
Перечень элементов и компонентов схемы с простым источником напряжения
Q1 - силовой кремниевый транзистор TIP31 NPN-типа.
Р1 - проволочный потенциометр на 1 кОм.
R1 - резистор на 220 Ом х 10 Вт (красный, красный, коричневый).
Оконечная полоска, теплоотводящий радиатор для транзистора, провода, припой и т.п.
Источник импульсов
При использовании источника импульсов или источника с управлением при помощи широтно-импульсной модуляции (PWM) средняя величина тока, протекающего через проволоку SMA, может быть подстроена рабочим циклом напряжения на выходе. Управление PWM менее чувствительно к изменениям напряжения в источнике питания. Вы можете использовать схему управления PWM для электродвигателей (см. проект 3) для определения надлежащей рабочей точки напряжения для SMA. На рис. 3.18.12 показано подключение схемы PWM к SMA.
Эта схема обеспечивает проволоку SMA импульсным током. Средняя продолжительность импульсов определяет ток, и таким образом может быть подстроена точка перехода. Схема может быть использована для привода SMA при помощи токов до 1 А.
Рис. 3.18.12. Использование управления РШМ, описанного в проекте 3
Перечень элементов и компонентов схемы источника импульсов
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
Q1 - силовой кремниевый транзистор TIP32 PNP-типа.
RI, R2 - резисторы на 2,2 кОм х 1,8 Вт (красный, красный, красный).
R3 - резистор на 1 кОм х 5 Вт (коричневый, черный, красный).
Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 100 кОм.
С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,1-0,47 мкФ.
Печатная плата или плата, не требующая пайки, провода, теплоотводящий радиатор для транзистора, припой и т.п.
Современные технологии
Сплавы SMA в настоящее время не находят применения в бытовой технике. Поскольку это техника новая и имеет некоторые ограничения, постольку применяется пока в специальных устройствах, таких как изделия робототехники и
^ataHausl^.
бионики, а также в других экспериментальных аппаратах, использующих этот вид электрических мускулов. С дальнейшим развитием технологии SMA будут созданы многие приборы, в том числе бытовые, которые будут использовать этот механический источник энергии.
Модификации проекта
Зная, как работают сплавы SMA и как они могут управляться электроникой, начинающий гений сможет создать новые проекты, основанные на этом механическом источнике энергии. Некоторые идеи для реализации:
сконструируйте лодку с веслами, приводимыми в движение посредством SMA;
сконструируйте шагающего робота-насекомого с мускулами из сплавов SMA;
создайте ловушку или автоматическую дверь, активируемую SMA.
Обнаружение характеристик сплавов $МЙ
Если у вас есть проволока SMA определенной длины, но вы не знаете характеристик сплава, воспользуйтесь схемой на рис. 3.18.13.
Источник питания рассчитан на ток напряжением 2 В или более, в зависимости от исследуемого материала SMA.
Если вы располагаете только мультиметром, то можете определить ток, настроив его вначале на положение А, и затем, найдя напряжение перехода, настроив в положение В.
Рис. 3.18.13. Схема для определения характеристик сплавов SMA
Методика
Для определения характеристик сплавов SMA выполните следующие шаги:
Подстройте выход источника питания на нуль при помощи потенциометра Р1.
2.3.4.2.3.4.
2.
3.
4.
2.
3.
4.
Крутите ручку потенциометра Р1, медленно повышая выход напряжения и одновременно наблюдая за SMA.
При достижении тока перехода сплав SMA будет изменять свою форму и приводить в движение испытуемую руку.
Увеличьте немного напряжение, но не более чем на 10% выше предыдущего значения.
Снимите значение тока в положении В.
При помощи этих значений вы можете определить:
сопротивление сплава SMA;
ток, необходимый для привода SMA 1(b);
удельное сопротивление сплава SMA.
Я = П«)/ВД,где
R - сопротивление сплава SMA в омах, V(a) - значение напряжения в положении А, 1(b) - значение тока в положении В.
P = R/L, где
Р - удельное сопротивление в Ом/см, R - сопротивление в омах,
L - длина в сантиметрах.
Просит 19.
Позиционный датчик
В некоторых случаях механотронным проектам требуется позиционный датчик. Этот вид датчика может быть применен для наблюдения за положением рычага, зубчатой передачи, ручки, камеры или другой движущейся части устройства. Для наблюдения за положением объекта существует много решений. Однако самое простое решение, вероятно, будет то, которое предлагается ниже.
Преобразователь представляет собой простой потенциометр, вращающийся или скользящий, а его индикатор - аналоговый или цифровой измеритель.
Питание схемы осуществляется при помощи батареек, а данные о связанном с датчиком объекте могут быть посланы по проводам к индикатору, удаленному на расстояние до нескольких сот метров.
Для этого индикатора существует много применений, включая интересную игру в равновесие, в которой могут быть измерены стресс или «трезвость» человека.
Другое применение - соединение электронной схемы с роботом или механотронным автоматическим прибором для воспроизводства обратной связи с его работой (направлением, положением рук и т.п.). Схема может быть использована в экспериментах на уроках физики или в научных лабораториях, для получения точной информации о положении движущихся объектов.
Задачи
Сконструируйте схему, которая чувствует положение удаленного объекта.
Добавьте обратную связь в состав роботизированных и механотронных объектов.
Объясните, как работает потенциометр.
Используйте схему в играх и экспериментах.
Как ан работает
Идея проста. В электрической схеме, образованной потенциометром, источником напряжения и амперметром, поток тока через амперметр зависит от сопротивления потенциометра. Поскольку сопротивление зависит от положения ползунка, мы можем по положению ползунка потенциометра судить об интенсивности тока (рис. 3.19.1).
На практике можно добавить дополнительные компоненты, а некоторые моменты, касающиеся точности и диапазона применения, должны быть записаны.
Рис. 3.19.1. Принцип действия позиционного индикатора
Во-первых, потенциометр имеет пределы возбуждения. Поэтому расстояние между определенными точками зависит от угла поворота движка потенциометра или длины шкалы, по которой он двигается. Роторный и ползунковый потенциометры могут быть использованы, как датчики (рис. 3.19.2).
Рис. 3.19.2. Кок использовать ползунковый и роторный потенциометры в качестве датчиков
Надо учесть еще и другой момент: потенциометры могут представлять два вида сопротивления. В линейных потенциометрах сопротивление имеет прямое отношение к положению движка. В логарифмическом потенциометре положение ползунка имеет логарифмическую зависимость от положения (рис. 3.19.3).
Для целей данного проекта рекомендуются линейные потенциометрия, поскольку они представляют сопрютивление, которое имеет прямое отношение к положению ползунка. Схема также чувствительна к напряжению источника питанйя, который требует подстройки при помощи потенциометра точной подстройки и позволяет оператору устанавливать надлежащую рабочую точку каждый раз, когда он использует индикатор.
Схема может работать от источника питания 3-6 В, а сопротивление проводов между датчиком и индикатором компенсируется при помощи подстройки. Это позволяет использовать провода длиной в 100 м.
Рис. 3.193. Кривые обычного потенциометраРис. 3.193. Кривые обычного потенциометра
Рис. 3.193. Кривые обычного потенциометра
Рис. 3.193. Кривые обычного потенциометра
Как монтировать
На рис. 3.19.4 показана полная принципиальная схема позиционного индикатора.
Поскольку схема использует только несколько небольших компонентов, то они могут быть припаяны к оконечной полоске и размещены в пластмассовой
коробке (рис. 3.19.5).
Рис. 3.19.4. Принципиальное схема позиционного индикатораРис. 3.19.4. Принципиальное схема позиционного индикатора
Рис. 3.19.4. Принципиальное схема позиционного индикатора
Рис. 3.19.4. Принципиальное схема позиционного индикатора
Рис. 3.19.5. Монтаж производится но оконечную полоскуРис. 3.19.5. Монтаж производится но оконечную полоску
Рис. 3.19.5. Монтаж производится но оконечную полоску
Рис. 3.19.5. Монтаж производится но оконечную полоску
Индикатор является аналоговым измерителем с полной шкалой, отградуированной от 100 мкА до 1 мА. В случае применения аналогового амперметра в 1 мА
сопротивление чувствительного потенциометра должно быть снижено до 2к2 или 4к7, чтобы получить оптимальные эксплуатационные характеристики.
При монтаже необходимо соблюдать надлежащую полярность измерителя. Положительная клемма должна быть подключена к той же стороне положительной линии. В противном случае показания индикатора будут иметь тенденцию двигаться в сторону отрицательного тока. Если это произойдет, то конструктор будет знать, что ему следует инвертировать измеритель.
Механической честь
Датчик может быть подсоединен к потенциометру таким образом, чтобы конструкцию можно было использовать в разных случаях. Бывает, что для датчика важно ограничивать показания потенциометра, или требуется иметь датчик, не требующий больших усилий для привода. На рис. 3.19.6 показаны возможные конфигурации.
Рис. 3.19.6. Соединения датчика
Испытаний и использование
Установите батарейки в держатель и замкните переключатель S1. Индикатор включится. Нажмите на переключатель S2 и подстройте потенциометр Р2 на максимальное значение (рис. 3.19.7).
Рис. 3.19.7. Настройка и использование
Теперь вы можете откалибровать шкалу измерителя, используя любую контрольную точку в качестве основания системы отсчета. Если провода чересчур длинные, то подстройка на нуль должна быть произведена с помощью постановки потенциометра Р1 в положение минимального сопротивления.
Перечень элементов и компонентов механической части позиционного индикатора
Р1 - линейный потенциометр на 10 кОм (ползункового или роторного типа, см. текст).
R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
Р2 - потенциометр точной подстройки на 10 кОм.
Ml - аналоговый амперметр на 100 мкА - 1 мА.
В1 - две или четыре батарейки размера АА на 3 или 6 В.
S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
S2 - кнопка с подстройкой нуля, нормально разомкнутая (наличие необязательно, но желательно).
Оконечная полоска, пластмассовая коробка, держатели батареек, провода, механическая часть, припой и т.п.
Кросс-темы
Как было упомянуто во введении, индикатор можно использовать в разнообразнейших научных экспериментах. Схема может быть подключена к системе, чувствующей положение руля в эксперименте с водяным потоком (рис. 3.19.8).
Рис. 3.19.8. Испольэсеонив индикатора в научных экспериментах
Еще один эксперимент может быть проведен студентами, изучающими гуманитарные науки.
Идея в том, чтобы подсоединить датчик к картине, которая может двигаться по стене. Человек должен установить рисунок надлежащим образом в соответствии со своим чувством равновесия (рис. 3.19.9).
Используя индикацию схемы, как контрольную точку, можно продемонстрировать, как стресс, алкоголь и другие факторы приводят к тому, что испытуемый вешает картину ненадлежащим образом. Статистика покажет, в какую сторону - правую или левую - имеет тенденцию наклоняться человек под воздействием стресса или негативных ощущений.
Рис. 3.19.9. Тест на равновесие
Дополнительные схемы и идеи
Простая электронная схема, описанная в этом проекте, может быть усовершен- ствована начинающим гением, который уже знаком с более продвинутой электроникой. Некоторые идеи приводятся ниже.
Использовоние онодогового или цифрового мультиметро в качестве индикатора
Вместо аналогового индикатора вы можете использовать обычный мультиметр (рис. 3.19.10),
Мультиметр подстроен на самое низкое значение тока на шкале. Составьте таблицу соответствия положений и значений тока.
Обычный мультиметр
Рис. 3.19.10. Замена индикатора на мультиметр
Запуск рала в запрограммированное положенно
Другое усовершенствование схемы состоит в добавлении к ней компаратора (сравнивающего устройства) для запуска реле, когда датчик проходит определенное положение. Эта схема использует один из четырех имеющихся в наличии компараторов (рис. 3.19.11).
Положение, в котором датчик запустит схему, программируется потенциометром Р2, а потенциометр Р1 является датчиком. Когда значения напряжения на ползунках потенциометров Р1 и Р2 совпадают, компаратор запустит и приведет в действие реле.
Рис. 3.19.11. Использование компаратора для запуска реле
Перечень элементов и компонентов схемы запуске реле в запрограммированное положение
IC-1 - интегральная микросхема LM339IC.
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
Pl, Р2 - линейные потенциометры на 10 кОм.
R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
К1 - реле на 6 или 12 В х 50 мА в соответствии с величиной напряжения источника питания.
Печатная плата, источник питания на 6 или 12 В, провода, припой и т.п.
Использование компаратора с окном
Предыдущая схема запускает реле, когда позиционный датчик проходит через запрограммированное положение. Схема с использованием компараторного
окна (рис. 3.19.12) другая. Она запускает реле, когда датчик находится в узкой полосе пропускания значений величин.
Ширина полосы частот определяется резистором R1, а точки, в которых запускается схема, подстраиваются потенциометрами Р1 и Р2. Потенциометр РЗ является датчиком.
Схема должна получать питание от источника 6-12 В, в зависимости от реле. Проверьте, чтобы кабель, подходящий к датчику, был трехжильным.
IC-1
Рис. 3.19.12. Использование компаратора с окном
Перечень элементов и компонентов схемы с компороторным окном
IC-1 - интегральная микросхема компаратора LM339IC.
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС559 PNP-типа.
DI, D2, D3 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148.
К1 - реле на 6 или 12 В х 50 мА в соответствии с величиной напряжения источника питания.
R1 - резистор на 2,2-47 кОм х 1/8 Вт (см. текст).
R2 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
Pl, Р2, РЗ - линейные потенциометры на 10 кОм.
Печатная плата, трехжильный кабель, источник питания, провода, припой и т.п.
Современные технологии
Во многих устройствах установлены очень сложные позиционные датчики. Интегральные гироскопы, например, могут обнаруживать любое изменение в направлении движения транспортного средства, где бы они ни были установлены, а современные лайнеры используют сложные позиционные датчики в технологиях автоматического полета. Принципиально иной позиционный датчик - глобальная система позиционирования (GPS), которая использует радиосигналы со спутников для определения положения любого человека в любой точке земного шара.
Идеи для экспериментов
Предлагаем на выбор идеи по экспериментированию и усовершенствованию данного проекта:
используйте два потенциометра под прямым углом для опознавания объекта на плоскости, задавая координаты объекта по осям X и Y;
сконструируйте аналогово-цифровой преобразователь для передачи положений объекта в компьютер;
используйте принципы, описанные в проекте аналогового компьютера (см. проект 11), для вычисления положений двух объектов, опознанных
потенциометрами.
Проект tO.
Дистанционное управление при помощи светового луча
Дистанционное управление, описанное ниже, может быть использовано во многих проектах, предложенных в книге. Например, вы сможете запустить меха- нотронный подъемник или ионный двигатель простым нажатием кнопки. Вы сможете выстрелить из электронной пушки световым лучом или управлять ме- ханотронной лодкой с вентиляционным двигателем или роботизированной рукой, используя дистанционное управление. Вы также сможете использовать дистанционное управление, как детектор, размещая его в автоматизированных приборах для выявления моментов, когда световой луч отключается и когда свет падает на датчик.
Схема очень простая, поскольку монтировать нужно только приемник. Передатчик - всего лишь фонарь, а приемник не имеет критических частей и не нуждается в сложных подстройках.
Само собой разумеется, что радиус действия ограничен дальностью действия фонаря и фокусирующей системой в приемнике, но при благоприятных условиях вы можете управлять моделью, установленной на расстоянии до 10 м.
Задачи
Управлять моделями и автоматическими приборами, используя световой луч.
Изучить, как работают фотодатчики.
Сконструировать проекты, которые чувствительны к свету или темноте, такие как ловушки, детекторы внедрения или другие автоматизированные приборы.
Использовать схему для этих автоматизированных приборов, чтобы провести дополнительные научные эксперименты.
Датчик
Датчик, применяемый в этом проекте, является фоторезистором (LDR). Этот прибор также называется элементом на основе сульфида кадмия (CDS).
Фоторезисторы (рис. 3.20.1) демонстрируют очень высокое электрическое сопротивление, когда находятся в темноте. Но при освещении их сопротивление порядка многих мегаомов падает до сотен или даже десятков омов, позволяя току протекать через них.
Рис. 3.20.1. Обычные фоторезисторыРис. 3.20.1. Обычные фоторезисторыОни очень чувствительны при обнаружении таких незначительных количеств света, что даже человеческий глаз не способен обнаружить его в нормальных условиях. Однако при всей чувствительности они не обладают таким быстродействием, как другие электронные детекторы, например фотодиоды .и фототранзисторы. Для наших целей они идеальны, потому что недороги, доступны и удобны в эксплуатации.
Рис. 3.20.1. Обычные фоторезисторы
Рис. 3.20.1. Обычные фоторезисторы
Проект
В нашем основном проекте схема запускает реле, когда световой луч фокусируется на датчике (LDR). Усовершенствованные варианты будут согласовывать по времени действие реле или обеспечивать действие с двумя устойчивыми состояниями. Несомненно, начинающий гений выберет наиболее подходящий вариант для своих целей.
Принцип действия очень легко понять. Когда датчик обнаруживает свет, его сопротивление падает, и ток может протекать через базу транзистора. Этот ток усиливается; запуская реле, которое замыкает контакты.
Потенциометр Р1 подстраивается таким образом, чтобы ставить транзистор на порядковую величину проводимости окружающего света. Поэтому любое количество света, падающего на датчик, запускает схему.
Кек монтировать
На рис. 3.20.2 показана принципиальная схема для основного проекта дистанционного управления, использующего световой луч.
Реле выбирается в соответствии с источником напряжения. Рекомендуются типы реле с токами обмотки до 50 мА или более. Простой монтаж осуществляется на плате, не требующей пайки (рис. 3.20.3).
Рис. 3.20.2. Принципиальная схема дистанционного Граалем*!Рис. 3.20.2. Принципиальная схема дистанционного Граалем*!
Рис. 3.20.2. Принципиальная схема дистанционного Граалем*!
Рис. 3.20.2. Принципиальная схема дистанционного Граалем*!
Рис. 3.20.3. Схеме может быть смоитироеоно но плоте, не требующей пайки
Поскольку схема проводит относительно низкий ток, то питание она будет получать такое же, что и в устройстве, где схема будет установлена. Реле на фотографии является универсальным типом со сдвоенными линейными выводами. Если же вы используете другой тип реле, то необходимо будет разобраться с маркировкой выводов, идущих к катушке и контактам.
Фоторезистор LDR может иметь любой размер, но он должен быть круглым и помещен в небольшую картонную трубку или трубку из непрозрачного материала. К нему могут быть добавлены конвергентные (сходящиеся) линзы для увеличения чувствительности схемы (рис. 3.20.4).
Источник питания зависит от напряжения катушки реле. Например, если вы используете реле на 6 В х 50 мА, то источник питания может быть сформирован четырьмя батарейками АА, С или D. Загляните в спецификации производителей батареек и элементов, чтобы выбрать такое же питание для схемы и остального проекта.
Трубка
Фотореэмстор
Рис. 3.20.4. Подилючамие линз
Испытание и исполыованиа
Работу дистанционного управления легко проверить. Включите схему и замкните потенциометр Р1 (поставьте его в положение минимального сопротивления). Затем направьте фоторезистор в сторону темного места.
Теперь, увеличивая сопротивление с помощью потенциометра Р1, вы услышите, как замкнутся контакты. Действуя потенциометром Р1 в обратную сторону, снова разомкните контакты. Затем, фокусируя свет фонаря на фоторезисторе, вы услышите, как реле замкнет контакты.
Если вы не слышите звука контактов реле, то в качестве индикатора к схеме подключите светоизлучающий диод (LED) - рис. 3.20.5.
При использовании светоизлучающего диода подстройте потенциометр Р1 к точке, близкой к точке запуска. После этого при помощи фонаря можно будет запустить схему. Помните, что реле будет включено только в промежутке времени, когда датчик принимает поток света.
К1
Рис. 3.20.5. Исполмоеон«е свеггоизиумсжхцего диодо для регулировки чуэствитегхзности
Перечень элементов и компонентов схемы, исполыующей светоиэлучоющий диод для регулировки чувствительности
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
LDR - любой фоторезистор или кадмиево-сульфидный элемент (см. текст).
Р1 - потенциометр точной подстройки.
С1 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
К1 - реле на 6 или 12 В х 50 мА.
Печатная плата или плата, не требующая пайки, источник питания, провода, припой и т.п.
Кросс-темы
Дистанционное управление со световым лучом может быть использовано в качестве вспомогательного прибора для проведения экспериментов. Управление может быть использовано для активирования приборов на расстоянии, включая ловушки, вентиляторы, лампы и многое другое.
Позвольте дать вам несколько советов:
закройте ловушку для поимки животных;
выполняя эксперименты, включайте и выключайте приборы, находясь от них на безопасном расстоянии.
Дополнительные схемы и идеи
Для получения большего удовольствия от манипулирования со световым лучом предлагаем несколько идей к осуществлению.
11 Создание роботов в дом. усл.
Вариант с выдержкой времени
Простой вариант с выдержкой времени использует интегральную микросхему 555IC (рис. 3.20.6).
Рис. 3.20.6. Вариант с еыдериеюй времени, использующий интегральную мимросоему 555IC
В этой схеме потенциометр Р1 подстраивает чувствительность в соответствии с источником света и освещенностью пространства. Потенциометр Р1 подстраивает время, в течение которого реле включено. Время включения может быть рассчитано по следующей формуле:
= 1,1 х R2 х С2, где
t - время в секундах (сек),
R - подстройка потенциометра Р2 и резистора R2 в омах (Ом), С2 - емкость в фарадах (Ф).
Максимальное значение величины сопротивления резистора R2 - 1 мОм, а максимальное значение величины емкости конденсатора С - 1000 мкФ.
Перечень элементов и компонентов схемы с выдержкай времени
IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа или эквивалент.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
^ialaHausl^
Pl, Р2 - потенциометры с точной подстройкой на 1 мОм.
R1 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
R2 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R3 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
С1 — электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
С2 - электролитический конденсатор на 10-1000 мкФ х 12 В.
СЗ - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
LDR - любой обычный фоторезистор.
К1 - реле на 6-12 В х 50 мА (в соответствии с источником питания).
В1 - батарейки на 6-12 В или источник питания (в соответствии с реле).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, источник питания, провода, припой и т.п.
Вариант с реума устойчивыми состояниями
Вариант с двумя устойчивыми состояниями основан на схемах из предыдущих проектов, с применением комплементарного металлоксидного полупроводника D-типа (CMOS) интегральной микросхемы триггерного типа 4013 (рис. 3.20.7).
Рис. 3.20.7. Вариант с двумя устойчивыми состояниями, использующий интегральную микросхему 4013 CMOS IC
Потенциометр Pl подстраивает чувствительность, а реле должно соответствовать напряжению источника питания, а именно 5-12 В.
Схема может быть смонтирована на печатной плате или плате, не требующей пайки (макете). Обратите внимание на направленность поляризованных компонентов, таких как интегральные микросхемы, электролитические конденсаторы, транзистор и источник питания.
Перечень элементов и компонентов схемы с двумя устойчивыми состояниями
10-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
IC-2 - интегральная микросхема, 4013CMOS, триггерная, D-типа.
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения BD548 NPN-типа или эквивалент.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
К1 - реле на 5-12 В (в соответствии с величиной напряжения источника питания).
LDR - любой круглый обычный фоторезистор.
R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R2, R3 - резистор на 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
R4 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
Р1 - линейный или логарифмический потенциометр (чувствительность) на 1 мОм.
Cl, С2 - керамические или полиэфирные конденсаторы на 1 мкФ.
СЗ - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
Печатная плата, источник питания, припой и т.п.
Вариант с высокой чувствительностью
Очень высокая чувствительность может быть достигнута с помощью схемы (рис. 3.20.8). Для повышения чувствительности к схеме подключается второй транзистор.
Рис. 3.20.8. Высокочувствительная схема
Когда датчик устанавливается в трубку с конвергентными линзами, то схема может обнаруживать световой источник на расстоянии до 20 м, а иногда и на большем, если это происходит в темноте (или же освещенность небольшая).
Потенциометр Р1 подстраивает чувствительность, а принцип действия схемы такой же, что и в основном проекте.
Схема остается включенной только в то время, когда свет ярко освещает датчик. Такой же входной каскад может быть взят от других проектов (с одним и двумя устойчивыми состояниями) и приспособлен к текущему проекту.
Перечень элементов и компонентов высокочувствительной схемы
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
Q2 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа.
D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
К1 - реле на 6 В х 50 мА.
Р1 - потенциометр точной подстройки на 1 мОм.
R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
LDR - любой круглый фоторезистор или кадмиево-сульфидный элемент (см. текст).
С1 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
Печатная плата или оконечная полоска, провода, припой и т.п.
Современные технологии
В настоящее время много видов дистанционного управления (ДУ), применяемых и в бытовых и в промышленных устройствах, работают при помощи инфракрасных или радиочастотных сигналов. В этих видах дистанционного управления используется передовая технология, так что каждый пульт ДУ управляет одним соответствующим приемником.
Микропроцессоры и другие средства используются в целях получения миллионов различных кодов, чтобы управлять многообразными функциями приемника.
Представленное в книге простое дистанционное управление надежно, может быть смонтировано каждым любителем и состоит из нескольких простых, недорогих частей.
Идеи дли углубленного изучении темы
Попробуйте расширить диапазон своих знаний следующим образом:
найдите информацию о дистанционном управлении, которое использует инфракрасные лучи (сигналы) и фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ);
попытайтесь использовать цветные фильтры для расширения диапазона управления при помощи светового луча;
поищите сведения о фототранзисторах и фотодиодах, используемых в качестве датчиков.
Проект 81.
Механотронноя лодка с воздушным винтом
Рис 3.21.1. Мехонотроммый корабль, построенный студентамиРис 3.21.1. Мехонотроммый корабль, построенный студентамиЭто очень простой проект, основанный на тех же принципах, что и проект с гоночным автомобилем (см. проект 1).
Рис 3.21.1. Мехонотроммый корабль, построенный студентами
Рис 3.21.1. Мехонотроммый корабль, построенный студентами
Воздушный винт с лопастями (пропеллер) используется в качестве движителя. Лодки с пропеллерами находят применение в заболоченных местностях.
Поскольку все применяемые компоненты и части надежны, а также недороги и доступны, то этот проект весьма
ли участие в соревнованиях (рис. 3.21.1).ли участие в соревнованиях (рис. 3.21.1).приемлем в качестве кросс-темы в средней школе. Студенты Colegio Mater Ama- bilis построили такие лодки и принима
ли участие в соревнованиях (рис. 3.21.1).
ли участие в соревнованиях (рис. 3.21.1).
Для усовершенствования лодки предлагается несколько схем, например дистанционное управление, таймер и специальные световые и звуковые эффекты.
Задачи
Построить небольшую экспериментальную лодку с воздушным винтом.
Организовать соревнование лодок.
Изучить закон Ньютона в качестве кросс-темы.
Изучить принцип движения судна.
Проект
Основной проект состоит из таких частей, как небольшой пластмассовый или пенополистироловый лоток (они используются в супермаркетах для хранения продуктов и мяса), на который устанавливаются электродвигатель и батарейки. Электродвигатель вращает вентилятор, который действует, как воздушный винт (пропеллер), перегоняя воздух в одну сторону и вызывая движение лодки в противоположную сторону.
Нужно учесть несколько факторов при постройке лодки. Первый фактор - распределение всех частей на лотке таким образом, чтрбы не нарушить общее
специально оля_ -
Проект 21. Метаногтронмоя подкос еоэдушмым винтом 305
равновесие лодки. Если тяжелые части, такие как батарейки, были установлены ненадлежащим образом, то лодка может утонуть (рис. 3.21.2).
Конструкция корпуса лодки также имеет большое значение. Например, высота лотка должна быть такой, чтобы гарантировалась мореходность лодки. Осадка лодки и высота ее над водой с надстройками зависит от тяжести комплектующих частей. Другим важным фактором является киль, прикрепленный к днищу лодки для обеспечения движения по прямой линии.
И наконец, необходимо учесть еще и коэффициент полезного действия вентилятора. Чем больше КПД, тем выше скорость лодки. Если вы намереваетесь использовать свою лодку в гонках, то это следует учесть во время ее постройки.
Небольшой электродвигатель постоянного тока может получать питание от двух или четырех батареек, соответствующих типу электродвигателя. В соревнованиях важно, чтобы все лодки имели одинаковый источник питания.
Кок строить
На рис. 3.21.3 показана электрическая схема для лодки. Переключатель для включения и выключения электродвигателя не обязателен. Вы можете запустить электродвигатель, просто установив батарейки в держатель.
Рис. 3.21.3. Электрическая схема лодки
Если вы начинающий гений, обратите особое внимание на пайку проводов, потому что плохой контакт может остановить вашу лодку прямо на середине трассы во время соревнований. На рис. 3.21.4 изображена конструкция лодки. Обратите внимание, что батарейки расположены в передней (носовой) части лодки, чтобы уравновесить электродвигатель и его опору.
Электродвигатель устанавливается в задней (кормовой) части лодки. Опорой для электродвигателя должна служить небольшая пластиковая коробка, к которой электродвигатель приклеивается. Вы можете использовать небольшой кусок дерева или даже картона. Киль изготавливается из куска пенополистирола или другого материала. Форма киля показана на рис. 3.21.4.
Пропеллер изготавливается из пластмассы или дерева и имеет от двух до четырех лопастей. Все это можно приобрести в магазинах, продающих различные модели. Максимальный рекомендуемый диаметр составляет 10 см.
Испытайте балансировку своей лодки в ванне, прежде чем найдете правильное месторасположение всех частей.
Рис. 3.21.4. Конструкция лодки
Перечень компонентов электрической схемы
В1 - две или четыре батарейки размера АА на 3 или 6 В (и держатель).
Ml - небольшой электродвигатель постоянного тока на 3 или 6 В.
Провода, припой и т.п.
Испытания и использование
Первые испытания лодка должна пройти уже во время постройки, для уверенности, что на корпусе все части распределены правильно.
После того как все части обретут свое место, можно приступить к испытаниям воздушного винта в каком-нибудь большом водном резервуаре, в пруду или на озере и т.п.
Установите батарейки в держатель и спустите лодку на воду. Если она не двигается по прямой линии, измените расположение держателя батареек или пропеллера. Теперь вы уже можете участвовать в соревнованиях или начать усовершенствовать свой проект.
Усовершенствование проекта
Первоначальная конструкция лодки может быть усовершенствована многими способами. В зависимости от размера дополнительных компонентов вам придется увеличить размеры лодки.
Предлагаем свои идеи:
широтно-импульсная модуляция или линейное управление. В варианте с б-воль- товым электродвигателем могут быть использованы управление PWM и электронный потенциометр (см. проекты 3 и 7). Вы можете заменить потенциометр на потенциометры с точной подстройкой и регулировать скорость вращения пропеллера;
добавление руля. Можно добавить небольшой руль (рис. 3.21.5), с помощью которого вы будете управлять лодкой.
Рис. 3.21.5. Добавление руля
организация соревнований. Лодочные гонки можно организовать по-разному. Можно приспособить для этого водные резервуары, сделав их из куска пластмассы или брезента. Они могут быть размещены в деревянном ящике (рис. 3.21.6).
Рис. 3.21.6. Простои резервуар с водой, приспособленный для гонок
Резервуар достаточно заполнить водой на 10—15 см. Этого хватит, чтобы лодки свободно плавали. Вы можете сделать дорожки для каждой лодки, применив деревянные планки (рис. 3.21.7).
Рис. 3.21.7. Гоночные дорожки, сделанные при помощи деревянных планок
Кросс-темы
Характеристики плавающих объектов, закон движения Ньютона, скорость и направление объекта в воде - темы, изучаемые физикой. Темы, которые могут быть изучены в рамках создания проекта:
закон Ньютона;
плавучесть;
балансировка;
скорость.
Дополнительные схемы и идеи
Для получения более высоких эксплуатационных качеств лодок можно сделать много модификаций основного проекта. Некоторые из них включают следующее:
два электродвигателя и дифференцированное дистанционное управление. Два электродвигателя можно использовать для управления направлением лодки (рис. 3.21.8). Скорость вращения электродвигателей может управляться двухканальным дистанционным управлением.
^ 3.21 .8. Испопыоеание двух электродвигателей и системы дистанционного управления
Когда оба электродвигателя вращаются с одинаковой скоростью, лодка движется по прямой линии. Если же один электродвигатель вращается быстрее другого, то лодка поворачивает в сторону электродвигателя, вращающегося более медленно;
дистанционное управление рулем. При помощи соленоида можно управлять рулем, установленным на лодке (рис. 3.21.9). Соленоид может быть возбужден с использованием одноканального дистанционного управления. При помощи дистанционного управления лодку можно поворачивать вправо и влево;
Рис. 3.21.9. Простов одноканальное дистанционное управление рулем
управление при помощи светового луча. Простое дистанционное управление может осуществляться с помощью фонаря (рис. 3.21.10). Подробнее о таком управлении читайте в проекте 20.
Это простое управление может быть использовано для запуска соленоида, соединенного с рулем. Применяя световой луч фонаря, начинающий гений сможет изменять направление движения лодки.
Рис. 3.21.10. Использование дистанционного управления со световым лучом
Но тут необходимо учесть два момента. Во-первых, датчик должен быть установлен в трубку, чтобы на него падал свет только от фонаря. Дневной свет не должен поступать на датчик, иначе он отрицательно повлияет на работу схемы. Во-вторых, фонарь должен быть направлен точно на датчик. Проблема возникнет только тогда, когда лодка поворачивается и на датчик уже нельзя направить фонарь;
добавление схемы со звуковым эффектом. Схема (рис. 3.21.11) производит звук, напоминающий звук парохода.
Рис. 3.21.11. Электронная схема со звуковым эффектом лодки
Схема должна получать питание от источника напряжением 3-6 В. Громкоговоритель небольшой, диаметром 2,5-5 см.
Очень важно установить схему на лодку так, чтобы вода не смогла залить ее элементы, особенно конус громкогорорителя, который обычно изготавливается из картона. Потенциометр Р1 подстраивает звук. Можно найти тембр, похожий на звук пароходного гудка. Эту схему можно монтировать, используя оконечную полоску в качестве шасси (рис. 3.21.12).
Перечень элементов и компонентов схемы со звуковым эффектом
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа или эквивалент.
Q2 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа или эквивалент.
R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R2 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Р1 - потенциометр точной настройки на 1 мОм.
С1 — полиэфирный конденсатор на 1 мкФ.
С2 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
SPKR - небольшой громкоговоритель на 4 или 8 Ом (2,5-5 см).
Оконечная полоска или печатная плата, пластмассовая коробка, провода, припой и т.п.
Современные технологии
Пропеллеры используются в конструкциях многих транспортных средств. В пустыне и на льду пропеллеры помогают продвигаться автомобилям, а в болотистой местности они являются движителями судов. Однако этот тип движителя имеет ряд недостатков, потому что мощность передается непосредственно на колеса.
Идеи для экспериментов
Сконструируйте турбину, поместив пропеллер в трубку, чтобы создать корабль с реактивным движением (турбовентиляторный двигатель).
Поэкспериментируйте с различными типами пропеллеров и разным количеством лопастей для определения оптимальных эксплуатационных характеристик вашей лодки.
Сконструируйте пропеллер, используя небольшой вентилятор, подобный тому, что применяется в компьютерах для охлаждения микропроцессоров.
Проект 22.
Подбросывотсль монеты
Мы знаем, что соленоиды - важные компоненты механотронных проектов. Начинающий гений, обладающий воображением космического масштаба, может создать бесконечно много проектов, используя соленоиды в качестве основных элементов.
В книге было рассказано о многих проектах с применением соленоидов, таких как пушка, гальванометр, магический маятник и проекты, выполненные при помощи лазерных фигур Лиссажу. Ниже мы познакомим с другим применением соленоидов: это простой проект, в котором монета подбрасывается вверх совершенно произвольны^ образом, без каких-либо трюков или манипуляций со стороны оператора.
Зодочи
Построить проект с соленоидом в качестве основы.
Узнать больше сведений по соленоидам.
Использовать подбрасывание монеты для принятия простого решения типа «Да/Нет».
Кок он роботост
Основная идея очень проста: при возбуждении магнитное поле, создаваемое соленоидом, выстреливает сердечник соленоида точно по центру монеты. Это мгновенное движение поднимает небольшую монету в воздух (рис. 3.22.1).
Узкое место проекта - требуется соленоид достаточно сильный, чтобы можно было подбросить монету, получая питание от батареек размера С или D. Хотя имеется в продаже эмалированный провод любых сортаментов (сечений), а магнитное поле зависит от количества витков и тока, протекающего через катушку, все же вам придется перебрать много конструкторских решений, прежде чем вы найдете правильное.
Мы познакомим вас с основным вариантом, который был проверен автором и обеспечил хорошие результаты.
Но все-таки из-за разницы в применяемом материале, а также, главным образом, разницы в весе сердечника и размере соленоида вам необходимо будет
перепроверить проект.
Рис. 3.22.1. Принцип подбрасывания монеты
Кок строить
Основной вариант конструкции простого подбрасывателя монет показан на рис. 3.22.2. Схема должна получать питание от четырех батареек размером С или D, потому что при питании от батареек размером АА потребляемый ток должен быть очень сильным (в зависимости от сопротивления провода в катушке).
3-4 см3-4 смРис. 3.22.2. Конструкция подбрасывателя монетРис. 3.22.2. Конструкция подбрасывателя монет
3-4 см
3-4 см
Рис. 3.22.2. Конструкция подбрасывателя монет
Рис. 3.22.2. Конструкция подбрасывателя монет
Катушка наматывается на картонную или пластмассовую бобину в соответствии с размерами, показанными на рис. 3.22.2. Провод, навиваемый на бобину, должен быть медным, эмалированным, с сечением от 28 до 30 сортамента AWG, количество витков должно быть 200-500 - в зависимости от размеров бобины и сечения провода. Сердечник должен быть винтом размером 2x1/8 дюйма и лег
ко вдвигаться в катушку.
Имейте в виду, что когда схема отключится, сердечник должен находиться частично в бобине. Вам нужно отрегулировать положение, когда сердечник втягивается внутрь катушки при ее возбуждении.
Испытания и использование
Отрегулируйте положение сердечника внутри катушки, как было рекомендовано ранее. Нажмите на кнопку S1 и проверьте, насколько быстро сердечник вдвигается внутрь катушки. Если вы останетесь недовольны, измените положение сердечника и/или измените количество витков провода катушки. Когда все будет как надо, положите небольшую монету на лоток и посмотрите, как она подбрасывается, когда вы нажимаете кнопку S1.
Перечень компонентов подбросывотсля монет
L1 - катушка (см. текст).
S1 - кнопка (нормально разомкнутая (No)).
В1 - четыре батарейки размера С или D на 6 В.
Провода, держатель батареек, сердечник для катушки, припой и т.п.
Кросс-темы
Подбрасыватель монет может быть использован в экспериментах, включающих случайное создание вероятных ситуаций. Именно применение подбрасывате- ля монет без вмешательства оператора крайне необходимо при изучении теории вероятности. Другие возможности:
используйте проект для получения случайных чисел в статистическом исследовании;
используйте проект для игры в кости.
Дополнительные схемы и идеи
Другие изменения в схеме могут быть произведены самостоятельно.
Схеме с розрядом конденсатора
Основная идея электронной пушки из проекта 9, по повышению приложенной к соленоиду мощности, в равной мере относится и к этому проекту. Схема на рис. 3.22.3 заряжает конденсатор с большой емкостью напряжением примерно в 36 В.
При нажатой кнопке S1 кремниевый управляемый выпрямитель включается и разряжает конденсатор через катушку.
Энергия конденсатора очень высока, поэтому создает сильный толчок для катушки. Как и в проекте с электронной пушкой, его мощности достаточно, чтобы подбросить монету на большое расстояние. Конденсаторы следует выбирать емкостью 4700—22000 мкФ. Сила толчка будет зависеть и от катушки.
Рис. 3.22.3. Электронная схема с разрядом конденсатора для подбрасывания монет
При монтаже тщательно соблюдайте полярность таких компонентов, как диоды, выпрямители и электролитические конденсаторы. Если один из них будет неправильно установлен, то схема не будет работать ожидаемым образом.
Катушки могут быть применены со 100-200 витками провода сечением от 28 до 30 сортамента AWG. Первоначальный ток, освобождаемый этими катушками, может достигать 40 А или более. Проведите испытания, чтобы найти наилучшую катушку и наилучший коденсатор для подбрасывания монеты с желаемой силой.
Методика такая же, как и в проекте с пушкой. Во-первых, зарядите конденсатор, нажав кнопку S1, затем после размыкания этой кнопки (переключателя) нажмите кнопку S2 для запуска кремниевого управляемого выпрямителя (SCR). Светоизлучающий диод (LED) покажет, когда конденсатор заряжен полностью.
Перечень элементов и компонентов схемы с разрядом конденсатора
SCR - кремниевый управляемый выпрямитель TIC 106 или эквивалент.
D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4004.
LED - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой на 117 В сети переменного тока и вторичной обмоткой на 12+12 В и центральным отводом (СТ) и током 250-500 мА.
R1 - резистор на 150 Ом х 1 Вт.
R2, R3 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R4 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
С1 - электролитический конденсатор на 4700-22000 мкФ х 40 В.
XI - катушка (см. текст).
S1 - переключатель (ВКЛ./ВЫКЛ.).
12 Создание роботов в дом. усл.
S2, S3 - (нормально разомкнутые (No)).
F1 - плавкий предохранитель на 500 мА (и держатель).
Шнур питания, печатная плата или оконечные полоски (см. монтаж пушки в проекте 9), провода, припой и т.п.
Котовульто
Другой способ подбросить монету - сделать это при помощи катапульты (рис. 3.22.4).
Количество витков провода для катушки и механическая система для запуска монеты должны быть рассчитаны вами самостоятельно. Поэкспериментируйте, чтобы согласовать силу соленоида и вес монеты для достижения оптимальной работы. Супермощная катапульта может быть создана с применением электронной схемы разряда емкости.
Рис. 3.22.4. Использование катапульты
Современные технологии
Запуск объектов при помощи магнитной силы соленоида - метод, применимый во многих бытовых приборах. Мы уже обсудили этот аспект применения соленоидов в других проектах книги, таких как пушка и машина с магическим движением.
Модификации проекте
Основной проект можно модифицировать, чтобы использовать в других устройствах. Попробуйте провести следующие эксперименты:
используйте соленоид для перемещения движущейся фигуры;
подключите к схеме таймер для запуска монеты в автоматическом режиме;
подключите датчик для запуска схемы прикосновением пальцев.
Проект 23.
Выхов мехонотронного таймере
Этот проект предлагает реализовать простую, но интересную идею, которая заставит начинающих гениев напрячь все свои способности.
Основная идея заключается в постройке таймера, состоящего только из механической части. Таймер будет включать лампу после заданного промежутка времени.
Можно организовать соревнование, из которого победителем выйдет тот, кто сделает самый точный таймер.
Схема очень проста и может быть использована во многих других проектах.
Зодочи
Постройте механический таймер, который запускает электронную схему в точном промежутке времени.
Найдите решения для достижения самой высокой точности работы.
Изучите движение механических частей.
Поучаствуйте в соревнованиях, чтобы отточить мастерство в создании механотронных проектов.
Используйте схему для изучения кросс-тем в программах высшей и средней школ.
Задействуйте основную схему при создании других автоматических приборов.
Как он работает
Этот проект, подобно многим другим, может быть разделен на две части: механическую и электронную.
Механика
Основная идея заключается в запуске схемы с использованием магнита с язычковым переключателем. Механические части должны двигаться таким образом, чтобы магнит притягивало к язычковому переключателю. В результате схема будет включаться в течение заранее заданного промежутка времени (рис. 3.23.1).
Сложность заключается в том, чтобы сконструировать механическую систему, которая позволит магниту приблизиться к язычковому переключателю только в течение предварительного запрограммированного промежутка времени. Существует много решений, и некоторые из них показаны на рис. 3.23.2.
Рис. 3.23.1. Принцип работы механотронного таймера
(а)
(с)
Рис. 3.23.2. Некоторые решения, предлагаемые для реализации
На рис. 3.23.2а проиллюстрирована простая идея с использованием гидро- троники, то есть гидравлики в сочетании с механикой и электроникой. Вода медленно переливается из одного резервуара в другой, приводя к тому, что поплавок с магнитом начинает всплывать. Когда поплавок с магнитом достигает язычкового переключателя, схема запускается. На рис. 3.23.26 показано еще одно решение - с применением рычага. В этом варианте увеличение веса на одной стороне приводит к тому, что другая сторона поднимается, приближая магнит к язычковому переключателю согласно запрограммированному периоду времени. Другое интересное решение, использующее шаговую вращающуюся систему движения с приводом от маятника, можно видеть на рис. 3.23.2с.
Для изобретательного ума нет преград - вы можете найти и другие решения, например, применить принцип работы старинных часовых механизмов с приводом от пружины и так далее.
Электронике
Электронная часть схемы очень проста. Язычковый переключатель не может управлять большими нагрузками, потому что во многих частях и компонентах максимальный ток ограничен 200 мА и даже меньше. Поэтому мы используем язычковый переключатель для запуска кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) (рис. 3.23.3).
Рис. 3.23.3. Электронная схема для таймера
Эта схема запирается при запуске и питает любую нагрузку, подключенную к ее аноду. Вы можете запитывать 6-вольтную лампу, устройство звуковой сигнализации, электронную сирену, реле или даже небольшой электродвигатель, приводящий в движение другое устройство. Для сброса схемы выключите переключатель SW1, который управляет источником питания, и включите его снова после отвода магнита от язычкового переключателя.
Важно помнить, что когда кремниевый управляемый выпрямитель проводит ток, то между анодом и катодом появляется напряжение величиной около 2 В.
Поэтому когда запускается 6-вольтовая нагрузка, то важно компенсировать это падение напряжения, добавив 2-3 В источнику питания. В этом случае рекомендуется 9-вольтовый источник питания.
Кок строить
Принципиальная схема электрического таймера показана на рис. 3.23.3. Все компоненты надежны, и начинающий гений волен вносить изменения в первоначальный проект. Поскольку схема очень проста, то для монтажа компонентов читатель может использовать оконечную полоску (рис. 3.23.4).
Провод, ведущий к датчику, может быть длиной до 10 м и не нуждается в экранировании и изоляции. Диод необходимо применять только в том случае, если нагрузка имеет индуктивный характер, то есть это реле, электродвигатели и соленоиды. Лампы и электронные схемы в диоде не нуждаются.
Рис. 3.23.4. Монтаж компонентов производится но оконечной полоске
Проверив и испольэованис
Испытания тоже очень простые. Установите батарейки в держатель и включите схему, нажав на кнопку SW1. Нагрузка остается включенной.
Теперь поместите магнит вблизи датчика. Запустится кремниевый управляемый выпрямитель, и нагрузка включится. Для сброса (отключения) схемы удалите магнит и поместите его подальше от датчика. Затем включите и выключите кнопку SW1 снова. Если все функционирует правильно, схему можно с уверенностью эксплуатировать.
Перечень элементов и компонентов схемы электрического таймера
SCR- кремниевый управляемый выпрямитель TIC106, С106 или MCR106, обычные SCR.
D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4148 (только для индуктивной нагрузки).
R1 - резистор на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
SW1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
Нагрузка - любая нагрузка на 6 или 12 В (в соответствии с напряжением источника питания).
В1 - четыре или восемь батареек размера АА или питание от сети переменного тока (6-12 В).
Оконечная полоска, провода, припой, магнит и т.п.
Кросс-темы
На примере проекта могут изучаться темы из области физики, механики и математики. Предлагаются следующие конкретные разделы:
маятник;
измерение времени;
Ш1аНш1$1^.
рычаги;
гидравлика;
зубчатые передачи.
Соревнования по созданию наиболее точного таймера могут подстегнуть к нахождению самых неожиданных и остроумных решений.
Дополнительные схемы и идеи
Предлагаем следующие добавления к основному проекту механотронного таймера.
Тональный генератор
Простой тональный генератор с запуском от кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) при замкнутом датчике показан на рис. 3.23.5. Схема может быть легко собрана на оконечной полоске в качестве шасси. Обратите внимание на правильность установки поляризованных компонентов, таких как транзисторы и линии источника питания.
Рис. 3.23.5. Тональный генератор
Перечень элементов и компонентов тонального генератора
Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
Q2 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа.
Р1 - потенциометр точной настройки на 100 кОм.
R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R2 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
С1 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
SPKR - небольшой громкоговоритель на 4 или 8 Ом (диаметром 2,5-10 см).
Оконечная полоска, коробка, провода, припой и т.п.
Запуск лампы переменного тока
Схема на рис. 3.23.6 запускает лампу накаливания при включении ее в сеть пе ременного тока.
Рис. 3.23.6. Схема, работающая от сети переменного токаРис. 3.23.6. Схема, работающая от сети переменного тока
Рис. 3.23.6. Схема, работающая от сети переменного тока
Рис. 3.23.6. Схема, работающая от сети переменного тока
Следует быть особенно осторожным в обращении со схемой, поскольку она запитывается от сети переменного тока. Во избежание электрического удара разместите схему в пластмассовом или деревянном ящике. Помните, что датчик также подсоединен к сети переменного тока, поэтому должен быть полностью защищен от случайного контакта с выводами. Схема очень проста и может быть смонтирована с помощью оконечной полоски (рис. 3.23.7).
R1R1Рис. 3.23.7. Схема, смонтированная на оконечной полоске Перечень элементов и компонентов схемы с запуском лампы переменного токаРис. 3.23.7. Схема, смонтированная на оконечной полоске Перечень элементов и компонентов схемы с запуском лампы переменного тока
R1
R1
Рис. 3.23.7. Схема, смонтированная на оконечной полоске Перечень элементов и компонентов схемы с запуском лампы переменного тока
Рис. 3.23.7. Схема, смонтированная на оконечной полоске Перечень элементов и компонентов схемы с запуском лампы переменного тока
SCR - кремниевый управляемый выпрямитель TIC106B, MCR1064 (на НОВ сети переменного тока с суффиксом D или G для сети переменного тока 220/240В) или эквивалентный SCR.
^пециалапо спя
Проект 23. Вызов механотронного тоймеро 323
D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4004.
RI, R2, R3 - резисторы на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
XI - язычковый переключатель.
Оконечная полоска, провода, теплоотводящий радиатор для выпрямителя SCR, шнур питания и т.п.
Современные технологии
Много таймеров, применяющихся в автоматических кухонных часах, представляют собой механические приборы, но большинство высокоточных таймеров все же являются электронными. Механические или электромеханические таймеры, в настоящее время применяемые во многих устройствах, имеют два принципа действия.
Самый простой использует спиральную пружину для приведения в действие механизма, подобного механизму в старинных часах. При подстройке таймера на нужное время пружина запасает достаточно энергии для привода механизма. Другой наиболее распространенный тип - обычный таймер, который использует электродвигатель для привода механизма. Электродвигатель имеет точный зубчатый редуктор, который запускает переключатель в определенный период времени.
Идеи для экспериментов
Мы познакомили вас только с одной из многих возможных идей применения схемы. Кратко перечислим еще несколько дополнительных идей:
используйте проект для конструирования автоматических приборов с применением язычковых переключателей и магнитов;
выполните ряд экспериментов на занятиях по физике с применением язычковых переключателей и магнитов;
изготовьте специальное устройство, заменив лампу на зуммер и установив язычковый переключатель (один или несколько) на дверь или окно.
Проект 84.
Экспериментальный контроллер с программируемой логикой
Контроллер с программируемой логикой (PLC), в первую очередь, используется для управления промышленными технологическими процессами. PLC представляет собой небольшую коробку или ящичек, установленный на машину или станок, в котором записана вся программа выполнения технологических операций на данной машине или станке. Преимуществом PLC является то, что одна и та же машина может быть использована для производства различных изделий в зависимости от команд, заложенных в каждый PLC. Оператор просто перенастраивает программу PLC на выполнение новой задачи.
Роботы и механотронные изделия могут быть управляемы PLC, поскольку включают в себя запрограммированные операции. Недорогие PLC могут применяться в составе экспериментальных роботов или же могут использовать специальный язык для программирования роботов. Однако мы не будем погружаться в сферы, сложные для понимания, и предложим постройку очень простого PLC, чтобы познакомить вас с принципом работы PLC и их использованием для управления небольшими механотронными автоматизированными приборами.
Схема не требует от вас самостоятельного программирования и знания специального компьютерного языка, поскольку имеется стандартная программа для определенного аппаратного обеспечения. Количество выполняемых операций ограничено, но все же их достаточно для изготовления интересных приборов.
Задачи
Изучите, как работает PLC.
Используйте PLC для управления элементарными функциями.
Создайте автоматические операции, управляемые PLC.
Как он работает
Настоящий PLC - небольшой блок, имеющий в своем составе микроконтроллер, а также входные и выходные каскады (рис. 3.24.1).
Ко входному каскаду PLC проводами подключены датчики или коммутационная панель, которые посылают оперативную информацию на PLC о текущей ситуации во время работы программы.
Рис. 3.24.1. Обычный PLCРис. 3.24.1. Обычный PLCМикроконтроллер получает эту информацию, и пока программа работает, PLC определяет следующий технологический этап, который нужно будет выполнить. Например, он может быть запрограммирован на то, чтобы выключить электродвигатель, если рычаг находится в нижнем положении, или включить электродвигатель, если рычаг находится в верхнем положении.
Рис. 3.24.1. Обычный PLC
Рис. 3.24.1. Обычный PLC
Решения зависят от многих переменных величин. Электродвигатель включается, когда рычаг находится в
нижнем положении, но электродвигатель также может включиться при помощи переключателя или от какого-нибудь другого привода. Выходной каскад PLC получает соответствующий сигнал для прибора, которому нужно выполнить команду.
Программа написана на специальном языке и хранится в памяти PLC. В настоящее время существует много языков программирования, принятых в различных типах PLC. PLC генерирует сигналы для срабатывания датчиков, которые активируются в соответствии с программой.
Наиболее важным свойством PLC является то, что он может быть использован для управления любым процессом. Поскольку мы знаем заранее, что хотим от машины, то можем запрограммировать действия в PLC. PLC может быть использован для управления буквально всем, начиная от управления бытовыми приборами и заканчивая управлением сложнейшими промышленными машинами.
Наш проект - это, конечно, не настоящий PLC, хотя действует аналогично. Мы максимально упростили схему, чтобы она состояла только из недорогих компонентов (рис. 3.24.2).
Рис. 3.24.2. Принципиальная схема нашего PLCРис. 3.24.2. Принципиальная схема нашего PLCВыходыВыходы
Рис. 3.24.2. Принципиальная схема нашего PLC
Рис. 3.24.2. Принципиальная схема нашего PLC
Выходы
Выходы
Входной блок управляет простым генератором, который может быть запрограммирован для определения скорости процесса. Этот блок использует
интегральную микросхему 555IC, а конденсатор С1 определяет пределы скоростей для PLC. Рекомендованная емкость конденсатора - 10-1000 мкФ. Использование конденсатора на 1000 мкФ позволяет времени исполнения каждой строки программы равняться примерно 15 мин, когда потенциометр Р1 находится в состоянии максимального сопротивления.
1енератор управляется внешним датчиком и имеет два дополнительных положения входа для команд: вход (включен), который отключает генератор, и вход (сброс), который возвращает отсчет счетчика Джонсона во втором блоке на нуль.
Этот блок передает импульсы второму блоку или счетчику Джонсона с 10 выходами, активируемыми в рабочих режимах от 1 до 10.
В схеме используется интегральная микросхема 4017IC, определяющая размер памяти программы -10 линий или 10 слов. Количество бит информации зависит от следующего блока.
Следующий блок - это программная память, он выполнен на диодах. Этот блок образован горизонтальными линиями, которые подключены проводами к выходам блока циклового управления (командоаппарата), и вертикальными линиями, подключенными проводами к выходам PLC.
Если хотите, чтобы высокий уровень логики во второй линии привел к повышению уровня логики в первом и втором выходах, то просто подсоедините диоды (рис. 3.24.3).
Рис. 3.24.3. Прогроммироеоние диодной матрицы
Итак, номера диодов и их позиции определяют, когда каждый выход активируется одной из программных строк. Диоды смонтированы на небольшой
специально оля
Проект 24. Экспериментальный контроллер с программируемой логикой 127
Рис. 3.24.4. Активирование реле со стороны выходов
печатной плате, которая подключается к соединителю. Печатная плата и есть программа. Выходы могут активировать реле или другие схемы (рис. 3.24.4).
Схема может получать питание от источников напряжением 5-12 В в соответствии с нагрузками, управляемыми выходами. Но помните, что выходы диодной матрицы обеспечивают только 0,88 мА при напряжении питания в 5 В, 2,25 мА при напряжении питания в 10 В и 8,8 мА при напряжении питания в 15 В. Эти токи определяют количество линий выхода для PLC.
Кек монтировать
Принципиальная схема PLC (рис. 3.24.5) может быть смонтирована на печатной плате (рис. 3.24.6).
На том же рисунке мы видим детали платы, к которой припаиваются диоды в соответствии с программой. Вы можете приобрести много таких плат, чтобы
Рис. 3.24.5. Принципиальная схема эксперимекгаль# с программируемой логикой (PLC)
выполнить на них различные программы для PLC. Схема может получать питание от батареек АА или источника питания с напряжением 5-12 В. На рис. 3.24.7 показана печатная плата для реле.
^atattaus,^
• Управление• УправлениеРис. 3.24.7. Печатная плата для релеРис. 3.24.7. Печатная плата для реле
• Управление
• Управление
Рис. 3.24.7. Печатная плата для реле
Рис. 3.24.7. Печатная плата для реле
При монтаже обратите внимание на направление таких поляризованных компонентов, как интегральные микросхемы, диоды, электролитический конденсатор и источник питания.
Проверке и использовонис
Для испытания PLC вы можете подключить экспериментальную схему, сформированную светоизлучающими диодами (LED), к выходам (рис. 3.24.8).
После установки печатной платы (платы с диодами) и подачи питания на схему подстройте потенциометр Р1 на минимальное сопротивление. Светоизлучающие диоды будут светиться в соответствии с составленной для них программой. Как только вы проверите работу PLC, то сможете с уверенностью использовать его для управления приборами.
Рис. 3.24.8. Тестоеоя схема со светоизлучающими диодами
Перечень элементов и компонентов экспериментального контроллере с программируемой логикой Р1С
IC1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
IC - интегральная микросхема, комплементарный металлооксидный полупроводник CMOS IC (КМОП).
Dl-Dn - кремниевые диоды общего назначения 1N4148 (см. текст).
Р1 - потенциометр точной настройки на 1 мОм.
RI, R2 - резисторы на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
R3 - резистор на 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
С1 - электролитический конденсатор на 10-1000 мкФ х 12 В.
С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 16 В.
В1 - четыре батарейки размера АА или другой источник питания с суммарным напряжением 6 В (см. текст).
Источник питания, печатная плата, скользящий разъем (в соответствии с линиями программы и выходами), провода, припой и т.п.
Кросс-темы
Студенты в инженерно-технических учебных заведениях изучают PLC. Само собой разумеется, что они изучают эти приборы куда подробнее, чем это делаем мы. В некоторых вузах изучение PLC включено в программу факультативных занятий по механотронике. Суть в том, чтобы ознакомиться с простым автоматизированным процессом, который может быть легко понят даже неспециалистами.
Поэтому вы можете использовать PLC при изучении следующих кросстем:
изучите, как протекает автоматизированный процесс;
изготовьте автоматизированные приборы для демонстраций;
изучите применение цифровой логики.
Дополнительные схемы и идеи»
Добавление переключателя с активированным датчиком
Генератор можно модифицировать для работы в режиме моноустойчивого прибора, запускающего счетчик при помощи сигналов датчика (рис. 3.24.9).
Каждый раз, когда датчик замкнут, моноустойчивый прибор создает импульс, и счетчик продвигается на одну строку в памяти. Таким образом, последовательность
Рис. 3.24.9. Подключение сенсора
запрограммированных операций управляется датчиком. Датчик может быть язычковым переключателем, кнопкой или другим видом датчика с функцией ВКЛ./ВЫКЛ.
Расширение логики
Интересный способ расширения логики PLC показан на рис. 3.24.10. Четыре вентиля интегральной микросхемы 4093 подключаются к схеме, приводя к тому, что выходы становятся зависимыми от логических уровней входов от А до D. Эти входы могут быть подключены к датчикам, логическим матрицам или другим приборам, управляющим PLC.
Рис. 3.24.10. Расширение логики
Расширение объема памяти
Для получения более чем 10 линий программной памяти в вашем PLC используйте соединение двух или более интегральных микросхем 4017 (рис. 3.24.11).
Рис. 3.24.11. Росимрение объема памяти
Современные технологии
PLC - это основные устройства, применяемые для управления машинами и станками в современной промышленности, от простых машин с несколькими функциями до сложнейших машин, выполняющих сотни различных операций.
Некоторые из этих устройств имеют большой объем памяти для хранения программ, которые управляют сложнейшими технологическими процессами. Блок памяти получает информацию от датчиков и других источников данных.
Идеи для экспериментов
PLC, описанный в этом проекте, очень прост, но может рассматриваться как исходная точка для создания куда более сложных проектов. Ниже приводится перечень некоторых идей, которыми вы можете воспользоваться:
используйте счетчик двоично-кодированного десятичного числа (BCD) и дешифруйте выходы для того, чтобы иметь 16 программных линий в вашем PLC;
используйте счетчик, интегральную микросхему 4020 (16 К), таким образом, чтобы вы могли иметь 16000 строк программы. Само собой разумеется, что вам понадобится блок декодификации;
попытайтесь использовать память прямого доступа (RAM) вместо диодной матрицы и составьте для нее компьютерную программу;
разработайте автоматизированный прибор, управляемый вашим PLC. Попробуйте подключить его к автономному роботу (см. проект 17), чтобы придать ему немного интеллекта.
^alaliaus^.
Проект 25.
Механотронноя говорящая голова
Представьте себе механотронную голову, подключенную к электронной схеме, которая заставляет ее говорить. Ну, конечно же, это говорит не голова. Да, это трюк с привлечением электроники и личного мастерства. Задача состоит в том, чтобы создать схему, которая двигает нижней челюстью головы и одновременно получает звук от радиоприемника. В данном случае звук будет исходить от вас или вашего товарища, говорящего в микрофон. В тот момент вы будете надежно скрыты от взглядов посторонних, поэтому для внешних наблюдателей создастся иллюзия, что голова говорит на самом деле.
Цель проекта - построить голову и схему, которая будет управлять нижней челюстью. В основном варианте конструкция головы очень проста, но мастер своего дела, который умеет работать с различными материалами, такими как пластмасса и резина, может построить голову, очень смахивающую на настоящую. Электронная схема использует только радиоприемник ЧМ-диапазона и микрофон. 1олова состоит из небольшого количества частей. Все это может быть построено даже тем, кто почти не имеет опыта работы с электроникой.
Итак, вы воодушевились и готовы взяться за дело. Подключите схему головы к компьютеру и заставьте ее говорить согласно программе. Измените свой голос таким образом, чтобы он был похож на металлический голос компьютера или робота.
Задачи
Постройте говорящую экспериментальную голову.
Поработайте со схемой, которая преобразует звук в движение или свет.
Создайте говорящую куклу.
Сконструируйте ужасный призрак для праздника Хэллоуин.
Изучите движение и звуки.
Кек он роботост
На рис. 3.25.1 показана блок-схема этого проекта. Звуковые сигналы, принимаемые микрофоном, передаются на небольшой портативный ЧМ-приемник, установленный внутри головы. Звуковые сигналы распространяются на определенной частоте и имеют амплитудное колебание напряжения. Подстроив уровень запуска кремниевого управляемого выпрямителя (SCR), мы можем заставить его включиться на пике сигналов (рис. 3.25.2).
Рис 3.25.1. Блок-схема для мехоматрокной говорящей головы
—• Подстройка
а) Звуковой сигнал
0V
Ь) Выход
Рис. 3.25.2. Запуск SCR но пике сигналов
Это означает, что изменения уровня голоса человека, говорящего в микрофон, заставят SCR включаться и выключаться. А лампа, подключенная к SCR, будет мерцать в такт голосу. Это и есть одно из применений схемы - преобразования звука в свет.
Но мы хотим добиться от головы совсем не этого. Вместо лампы мы собираемся управлять соленоцдом, подсоединенным к механизму привода нижней челюсти головы. Когда мы говорим в микрофон, изменения в тембре голоса будут то толкать, то притягивать механизм привода, заставляя нижнюю челюсть колебаться вверх и вниз в том ритме, в каком мы говорим в микрофон. Насколько реально будет выглядеть голова со стороны, зависит от многих факторов, таких как настройка, механизм привода, подсоединенный к нижней челюсти, и окружающие условия.
Схема для преобразования сигналов, принимаемых ЧМ-приемником, очень проста, потому что мы используем выход, подключенный к гнезду микрофона. Кремниевые управляемые выпрямители наподобие TIC 106 очень чувствительны и могут запускаться непосредственно сигналами от микрофона.
специально сля
^сйоНшвЖ знание без границ Ч *
Проект 25. МехоногронноА говорящая голова 335
Кек строить
И снова мы собираемся поделить наш проект на две части: электронную и механическую.
Электроника
Принципиальная электронная схема механотронной говорящей головы показана на рис. 3.25.3.
(*) см. текст-
Рис. 3.25.3. Принципиальной сеемо механотронной говорящей головы
Поскольку схема состоит всего из нескольких частей, все они могут быть припаяны к оконечной полоске (рис. 3.25.4).
Обратите внимание, что схема запитывается непосредственно от сети переменного тока. Применяется развязывающий трансформатор, поэтому необходимо надежно заизолировать все части, дабы избежать электрического удара.
Вся схема должна быть размещена в деревянном ящичке, а голову нужно водрузить на него. Монтируя такие поляризованные компоненты, как SCR и диоды, будьте внимательны. Поскольку SCR не питает большую нагрузку, то нет необходимости устанавливать его на теплоотводящий радиатор. Лампы - низковаттные, всего лишь на 5 Вт, а трансформатор с соленоидом не требует мощ- ности, превышающей 20 Вт. Однако если у вас есть намерение использовать более мощную нагрузку, например мощные лампы, то устанавливайте SCR на теплоотводящий радиатор.
Трансформатор на входе Т1 может быть любым небольшим низковольтным трансформатором с первичной обмоткой на 117 В сети переменного тока и со вторичной обмоткой, рассчитанной на напряжение 5-12 В и ток в пределах
Рис 3.25.4. Монтаж выпоовютт но оконечную полоску в качестве шасси
150-500 мА. Этот трансформатор не применяется по своему прямому назначению, а именно для понижения напряжения сети переменного тока, а в качестве развязывающего трансформатора, и согласуется с низкочастотными звуковыми сигналами, поступающими из выхода ЧМ-радиоприемника.
Конденсатор С1 определяет реакцию схемы на нижние и верхние звуковые частоты. Подстройка значений емкости в пределах 0,047-1 мкФ обеспечит наилучшие эксплуатационные характеристики.
Трансформатор Т2 имеет первичную обмотку на ПО В сети переменного тока и вторичную обмотку, рассчитанную на напряжение 12 В и ток 800 мА, согласованную с используемым соленоидом.
Соленоид XI - любой небольшой соленоид, рассчитанный на напряжение 6-24 В с током 150-500 мА. Для этой цели приемлемы также соленоиды или электродвигатели на 117 В сети переменного тока.
Разъем PL1 специально подобран для согласования с выходом ЧМ-радиоприемника. Обычно это бывает моноразъем, но если приемник имеет стереовыход, то необходимо изготовить переходник (рис. 3.25.5).
Рис. 3.25.5. Использование сгереородмоприамнико
^Iulkius<^*
Проект 25. Мехонотронноя говорящая голова 337
Механика
Основная механика устройства очень проста. Имея необходимые навыки, вы можете усовершенствовать этот вариант. Например, приспособить пластмассовую или резиновую маску какой-нибудь знаменитости, а затем присоединить к
ней механизм привода нижней челюсти для приведения ее в движение. На рис. 3.25.6 показано очень простое решение для механотронной говорящей головы с использованием картона, дерева и других обычных материалов.
Сердечник соленоида приводит в движение нижнюю челюсть головы. Точная точка сопряжения соленоида и челюсти зависит от мощности соленоида. Вам нужно будет поэкспериментиро
вать для определения точного положения точки
сопряжения, чтобы получить наилучшие эксплу-рис 3 25 ^ гумг^о монстрация
атационные характеристики.мехокотронюй говорящей головы
Очень важно подобрать пружину для закрытия
челюсти в те моменты, когда соленоид не возбужден (звук не поступает). Альтернативой пружине, зависящей от мощности соленоида, является резиновый жгут.
Проверка и использование
На рис. 3.25.7 показан способ соединения компонентов схемы.
Во-первых, настроим ЧМ-радиоприемник, найдя свободное место на шкале
Рис 3.25.7. Тестмроеокиэ и роботаРис 3.25.7. Тестмроеокиэ и роботадиапазона. Теперь подстройте ЧМ-радиомик- рофон на прием сигнала. Настройте радиоприемник на среднюю громкость таким образом, чтобы слушатель и зритель мог слышать голос говорящей головы громко и четко. Теперь, говоря в микрофон, подстройте потенциометр Р1 на схеме, чтобы соленоид и механизм привода привели в действие нижнюю челюсть головы. Схема готова к работе.
Рис 3.25.7. Тестмроеокиэ и робота
Рис 3.25.7. Тестмроеокиэ и робота
По необходимости отрегулируйте соленоид и механизм привода или измените емкость конденсатора С1, если хотите, чтобы голова говорила низким или высоким голосом.
Перечень элементов и компонентов схемы мехонотронной говорящей головы
SCR - кремниевый управляемый выпрямитель TIC 106 (117 В сети переменного тока) или TIC106B (220/240 В сети переменного тока).
DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды 1N4002 или эквиваленты.
Т1 - трансформатор с первичной обмоткой на 117 В от сети переменного тока и вторичной обмоткой на напряжение 5-12 В и ток 150-500 мА (см. текст).
Т2 - трансформатор с первичной обмоткой на 117 В от сети переменного тока (или в соответствии с линией источника питания) и вторичной обмоткой на 12 В от сети переменного тока (или в соответствии с соленоидом) и током 500-800 мА (или в соответствии с соленоидом).
Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 10 кОм.
R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
С2 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 16 В.
L1 - миниатюрная лампа накаливания на 117 В от сети переменного тока х 5 Вт.
XI - небольшой соленоид с частотой толчков 12-24 (см. текст).
SPKR - громкоговоритель на 0,8 Ом х 10 см.
Шнур питания, оконечная полоска, провода, припой и т.п.
Кросс-темы
Любой проект, выполненный в средней или высшей школе, который связан с движением и разговорной речью, вероятнее всего, будет пересекаться с данным проектом. Ниже приводим некоторые идеи:
используйте проект для обучения детей правильному произношению слов;
изучите процесс движения;
подумайте, как звук может быть преобразован в движение и свет.
Новые схемы и идеи
Первоначальный проект может быть изменен разнообразными способами. Не обязательно строить проект точно так, как он описывается в книге. Предлагаем вашему вниманию несколько альтернативных вариантов.
Использование низкочастотного усилителя
Вместо того чтобы передавать голове радиосигналы через эфир, можно сделать то же самое по проводам, применив усилитель небольшой мощности (рис. 3.25.8).
Рис 3.25.8. Использование низкочастотного усилителя
Проект 25. Механотронноя говорящая голова 3 39
Для активирования головы можно использовать любой усилитель с мощностью 100 мВт или выше. Необходимые соединения показаны на рис. 3.28.8.
Тщательно выбирайте резистор, ограничивающий мощность для подключения в схему, чтобы он соответствовал выходной мощности вашего усилителя. Таблица, приводимая ниже, дает приблизительные значения этого резистора. Значения могут меняться, потому что многие усилители оцениваются не реальной мощностью выхода (RMS), а пиковой мощностью (РМРО).
Тоблица 9
Выходная мощность
Значения резистора
0 Вт
Нет
1-5 Вт
10 В х 1 Вт
5-20 Вт
22 В х 1 Вт
20-50 Вт
47 В х 2 Вт
50-100 Вт
100 В х 2 Вт
Использование роторного соленоида или небольшого электродвигатели постоянного тона с зубчатой передачей
Роторные (вращающиеся) соленоиды и небольшие электродвигатели с зубчатой передачей могут быть использованы для привода нижней челюсти головы (рис. 3,25.9).
На рис. 3.25.9 показано, как вращение вала электродвигателя может быть преобразовано в линейное возвратно-поступательное движение нижней челюсти, открывающей и закрывающей рот.
Рис. 3.25.9. Использование роторных соленоидов или электродвигателей постоянного тока с зубчатыми передачами
Использование электродвигателя постоянного тона на 117 В
Если в вашем распоряжении имеется электродвигатель постоянного тока на 117 В с зубчатой коробкой передач и валом, который вращается достаточно медленно, то вы вполне можете его использовать. Подключение не вызывает затруднений, поскольку трансформатором Т2 можно пренебречь.
Использование компьютера
Для запуска этой схемы может быть использован выход компьютерного динамика (рис. 3.25.10).
Вы можете использовать выход, подсоединенный ко входу низкочастотного усилителя, о котором упоминалось ранее, и усилитель запустит схему. Вы можете записать на компьютере фразы, которые должна сказать голова, и даже привнести некоторые звуковые эффекты для имитации, например, «компьютерного голоса*. Произнесение фраз может быть активировано нажатием на клавишу или щелчком мыши.
Рис. 3.25.10. Использование низкочастотного выхода компьютера для запуска схемы
Набальшай ЧМ-псрсдатчик
Если в вашем расположении нет небольшого частотно-модулированного передатчика, чтобы использовать вместо микрофона, вы можете смонтировать его. На рис. 3.25.11 показана схема передатчика с одним транзистором, который может передавать сигналы на небольшой ЧМ-радиоприемник на расстоянии до 50 м.
На рис. 3.25.12 показана печатная плата для проекта.
Катушку L1 можно изготовить, намотав четыре витка эмалированного провода сечением 20 до 28 сортамента AWG и диаметром 1 см без сердечника.
Антенна - отрезок голого провода длиной 15-30 см. Схема с батарейками размещается в небольшом пластмассовом ящике.
специально оля—
Ш1иЙШ1$Ж
знание без границ4 *
Проект 25. Мехонотронноя говорящоя полово 341
Рис. 3.25.11. Небольшой ЧЛ*передатчик
Использовать ЧМ-передатчик очень просто. Подстройте конденсатор CV на свободное место в ЧМ-диапазоне, а затем говорите в микрофон. Если сигналы пропадают, когда вы находитесь всего в нескольких метрах от приемника.
Рис. 3.25.12. Печатной плато для передатчика
найдите другую частоту. Вы сможете найти вторичный или паразитный сигнал, но не первичный. Если приемник создает сильный свист в разговоре, удалите микрофон подальше от приемника, чтобы избежать акустической обратной связи (воздействия громкоговорителя на микрофон).
Перечень элементов и компонентов схемы с небольшим ЧМ-псрсдатчиком
Q1 - кремниевый транзистор BF494 NPN-типа или эквивалент.
MIC - электрический микрофон с двумя выводами.
R1 - резистор на 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
R2 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
R3 - резистор на 5,6 кОм х 1/8 Вт (голубой, зеленый, красный).
R4 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, черный).
С1 — электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
С2 - керамический конденсатор на 4700 пФ.
СЗ - керамический конденсатор на 47 пФ.
С4 - керамический конденсатор на 0,1 мкФ.
CV- конденсатор с точной подстройкой (15-40 пФ максимальной емкости).
В1 - две или четыре батарейки размера АА суммарным напряжением 3 или 6 В (и держатель).
L1 - катушка (см. текст).
А-антенна.
Печатная плата, пластмассовый ящичек, провода, припой и т.п.
Современные технологии
Во многих лабораториях исследовательских центров и университетов по всему миру работают над проблемой «говорящей головы», чтобы использовать ее не только в роботах или других машинах, но и для изучения болезней, связанных с дефектами речи. В будущем мы сможем поговорить с такими головами, и они, управляемые системами распознавания голоса, поймут то, что мы им скажем.
Идеи для экспериментов
Говорящая, или механотронная, голова может быть использована во многих предложенных ранее проектах.
Вы можете также предпринять следующее:
подключить передатчик к голове, чтобы позволить человеку, говорящему в микрофон, одновременно также слышать, что говорят голове слушатели, даже когда передатчик расположен далеко;
создать ужасного говорящего призрака для праздника Хэллоуин, применяя принципы, заложенные в этом проекте;
создать управляемого компьютером говорящего робота.
Предметный
указатель
Американский кабельный сортамент 41
В
Вентилятор 20
Выпрямитель кремниевый управляемый xix, 87
Г
Гальванометр 94
Генератор низкой частоты 172 тональный 321 эоловый 136
д
Датчик световой 271
Двигатель ионный 70
Диод
кремниевый для переменного тока 88 светоизлучающий xix, 114
Дорожка токоведущая 12иИмпульсный источник питания, управление 59ККлемма высоковольтная 77Колесо зубчатое 27Компакт-диск 21Компьютер аналоговый 179Контроллер с программируемойлогикой 324Коробка передач 55Кривая насыщения 22Крутящий момент 20ЛЛампаксеоновая 77неоновая 77флуоресцентная 80Лезвие вибрирующее 171Лестница Якоба 80Дорожка токоведущая 12иИмпульсный источник питания, управление 59ККлемма высоковольтная 77Колесо зубчатое 27Компакт-диск 21Компьютер аналоговый 179Контроллер с программируемойлогикой 324Коробка передач 55Кривая насыщения 22Крутящий момент 20ЛЛампаксеоновая 77неоновая 77флуоресцентная 80Лезвие вибрирующее 171Лестница Якоба 80Дистанционное управление инфракрасное 39 радиочастотное 39
Дорожка токоведущая 12
и
Импульсный источник питания, управление 59
К
Клемма высоковольтная 77
Колесо зубчатое 27
Компакт-диск 21
Компьютер аналоговый 179
Контроллер с программируемой
логикой 324
Коробка передач 55
Кривая насыщения 22
Крутящий момент 20
Л
Лампа
ксеоновая 77
неоновая 77
флуоресцентная 80
Лезвие вибрирующее 171
Лестница Якоба 80
Дорожка токоведущая 12
и
Импульсный источник питания, управление 59
К
Клемма высоковольтная 77
Колесо зубчатое 27
Компакт-диск 21
Компьютер аналоговый 179
Контроллер с программируемой
логикой 324
Коробка передач 55
Кривая насыщения 22
Крутящий момент 20
Л
Лампа
ксеоновая 77
неоновая 77
флуоресцентная 80
Лезвие вибрирующее 171
Лестница Якоба 80
м
Микросхема
интегральная xix, 15, 83
интегральная PNP-типа 60
Модуляция широтно-импульсная 57
Мультиметр 292
о
Отвод центральный 77
Отношение передаточное 32
п
Паяльник электрический 12
Переключатель
перекидной двойного
затягивания 53
язычковый 35
Перпетуум-мобиле 102
Плата 8
Портввода/вывода 68
Постоянный ток, рабочее напряжение в вольтах 63
Потенциометр 115
Преобразователь цифро-аналоговый 68
Пробой 72
Проводник комплементарный
металлоксидный 83
Пропеллер 20
Процессор цифровых сигналов xix
Р
Резистор переменный 115
Реостат 115
Робот
боевой 38
дистанционно управляемый 38
работник 2
С
Соленоид 170
Сплав с памятью формы 274
Схема
мостовая Н 53 принципиальная 15
т
Таймер 35
Технология поверхностного монтажа 7
Транзистор
Дарлингтона 21 кремниевый 116 полевой со структурой металл-окисел-полупроводник 34 с большим коэффициентом усиления 21
У
Управление аналоговое 115
Усилитель операционный 179
ф
Фигуры Лиссажу 158
Фоторезистор 22
ч
Чип со сверхвысокой степенью интеграции xix
ш
Шов паяльный 13
э
Электродвигатель постоянного тока 65 шаговый 170 шпиндель 28
Элемент кадмиево-сернистый 154 поверхностного монтажа 8
Эффект облачковый 71 точечный 71
С
Colegio Mater Amabilis xviii
С
Editora Saber xviii
Electronica Total xviii
M
Mecatronica Atual xviii
Mecatronica Facil xviii
P
PC&CIA xviii
Popular Electronics xviii
R
Revista Saber Electronica xviii
Ньютон Брага
Главный редактор Захаров И. М.zim@ntpress.ruГлавный редактор Захаров И. М.zim@ntpress.ruСоздание роботовв домашних условиях
Главный редактор Захаров И. М.zim@ntpress.ru
Главный редактор Захаров И. М.zim@ntpress.ru
Добролежина Е. А. Теренина О. А. Белова Д. А. Шахина А. Г. Харевская И. А.Добролежина Е. А. Теренина О. А. Белова Д. А. Шахина А. Г. Харевская И. А.Научный редактор Ответственный редактор Верстка Графика Дизайн обложки
Добролежина Е. А. Теренина О. А. Белова Д. А. Шахина А. Г. Харевская И. А.
Добролежина Е. А. Теренина О. А. Белова Д. А. Шахина А. Г. Харевская И. А.
Издательство «НТ Пресс», 129085, Москва,Звездный б-р, д. 21, стр. 1.
Издание осуществлено при техническом участииООО «Издательство АСТ»
Отпечатано в ОАО ордена Трудового Красного Знамени«Чеховский полиграфический комбинат».
142300. г. Чехов Московской области,тел./факс (501) 443-92-17. (272) 6-25-36.E-mail:marketing@chpk.ru
РОБОТ - СВОИМИ РУКАМИНьютон С. БрагаРОБОТ - СВОИМИ РУКАМИНьютон С. БрагаСОЗДАНИЕРОБОТОВВ ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
РОБОТ - СВОИМИ РУКАМИ
Ньютон С. Брага
РОБОТ - СВОИМИ РУКАМИ
Ньютон С. Брага
Дайте волю вашей фантазии, приступая к 25 потрясающим проектам. Если вы восхищаетесь электроникой и механикой, пройдитесь по страницам этой книги и вы поймете, что нет лучшего способа одновременно позабавиться и узнать много нового и интересного. Известный писатель Ньютон Брага, много пишущий в области электроники, представляет на ваш суд новую книгу «Создание роботов и сопутствующих им устройств», в которой, как опытный гид, поведет вас через 25 интересных, интригующих и достаточно недорогих проектов, разработанных специально для этой книги.
Вы сможете самостоятельно построить гоночный автомобиль, боевой робот, ионный двигатель, механотронную говорящую голову, дистанционное управление при помощи светового луча и провести 20 других развлекательно-познавательных экспериментов, раскрывающих необъятные дали механотроники и высоких технологий.
|Мс Graw|Мс GrawNTPRESSNTPRESSЧасы, проведенные вместе с книгой, дадут весьма солидные знания о механотронике - сердцевине робототехники, в которой очень органически сливаются электроника, механика и другие науки. Выполняя эксперименты самостоятельно, руководствуясь этой книгой, вы получите практическое понимание механотроники, сможете демонстрировать другим сделанные вами впечатляющие проекты!
|Мс Graw
|Мс Graw
NT
PRESS
NT
PRESS
По вопросам оптовой покупки книг издательство «НТ Пресс» обращаться по адресу: Москва, Звездный бульвар, дом 21, 7-й этаж Тел. 615-43-38, 615-01-01, 615-55-13'По вопросам оптовой покупки книг издательство «НТ Пресс» обращаться по адресу: Москва, Звездный бульвар, дом 21, 7-й этаж Тел. 615-43-38, 615-01-01, 615-55-13'ISBN 5-477-00749-4ISBN 5-477-00749-4Издательство приглашаетк сотрудничествукак начинающих,так и пишущих авторов,специализирующихся набизнес- компьютернойи радиоэлектроннойтематиках.
По вопросам оптовой покупки книг издательство «НТ Пресс» обращаться по адресу: Москва, Звездный бульвар, дом 21, 7-й этаж Тел. 615-43-38, 615-01-01, 615-55-13'
По вопросам оптовой покупки книг издательство «НТ Пресс» обращаться по адресу: Москва, Звездный бульвар, дом 21, 7-й этаж Тел. 615-43-38, 615-01-01, 615-55-13'
ISBN 5-477-00749-4
ISBN 5-477-00749-4
Пишите: zim@ntpress.ruЗвоните: (495) 737-3252
Этот файл был взят с сайта
http://all-ebooks.com
Данный файл представлен исключительно в ознакомительных целях. После ознакомления с содержанием данного файла Вам следует его незамедлительно удалить. Сохраняя данный файл вы несете ответственность в соответствии с законодательством.
Любое коммерческое и иное использование кроме предварительного ознакомления запрещено. Публикация данного документа не преследует за собой никакой коммерческой выгоды.
Эта книга способствует профессиональному росту читателей и является рекламой бумажных изданий. Все авторские права принадлежат их уважаемым владельцам. Если Вы являетесь автором данной книги и её распространение ущемляет Ваши авторские права или если Вы хотите внести изменения в данный документ или опубликовать новую книгу свяжитесь с нами по email.