Автор: Ньютон С. Брага
Теги: электротехника кибернетика робототехника сделай сам
ISBN: 5-477-00749-4
Год: 2007
Текст
РОБОТ-СВОИМИ РУКАМИ
СОЗДАНИЕ
РОБОТОВ
В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
Создаем:
гоночный автомобиль
боевой робот
ионный двигатель
механотронную говорящую голову
дистанционное управление
при помощи светового луча
Ньютон С. Брага
Newton C. Braga
Mechatronlcs
25 build-it-yourself projects
McGraw-Hill
New York Chicago San Francisco Lisbon London
Madrid Mexico City Milan New Delhi Sanjuan
Seoul Singapore Sydney Toronto
Ньютон Брога
Создание роботов
домашних условиях
Робот - своими руками
NT Press
Москва
УДК 621.31
ББК 32.816
Б87
Подписано в печать 26.09.2006. Формат 70x100 Гарнитура «Баскервиль». Печать офсетная.
Уел. 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 электрон-
ные схемы, двигатели, датчики, источники питания и микроконтроллеры. Описаны спосо-
бы механической сборки и монтажа электронных схем. К книге прилагается чертеж
печатной платы, на которой удобно смонтировать схемы приведенных экспериментов, каж-
дый эксперимент сопровождается перечнем необходимых деталей, которые легко найти в ма-
газинах радиоэлектроники, а также перечнем нужных инструментов. Приведены листинги
программ управления роботами с подробными комментариями. Материал книги дает воз-
можность самостоятельно построить робот, находящий выход из лабиринта, робот, ориен-
тирующийся 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 вероят-
ность технических ошибок все равно остается, издательство не может гарантировать абсо-
лютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не не-
сет 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 вла-
дельца не должно рассматриваться как нарушение прав собственности.
ISBN 0-07-145759-3 (англ.)
ISBN 5-477-00749-4 (рус.)
Copyright © McGraw Hill Companies, 2004, 2006
© Издание на русском языке, перевод на русский
язык, оформление. «НТ Пресс», 2007
Оглавление
Предисловие........................................................хы
Часть 1. Подготовка читателя........................................1
Что такое механотроника............................................1
История............................................................1
Срядстза и принципы механотроники..................................3
Барьеры, которые нужно преодолеть..................................3
Электроника, робототехника и механотроника в образовательном
процессе...........................................................4
Кросс-темы.........................................................4
Научный метод.................................................... 5
Выбор проекта......................................................6
Часть 2. Технология, применяемая при сборке и монтаже
проектов............................................................7
Как производить монтаж.............................................7
Инструмент.........................................................8
Как монтировать компоненты и элементы..............................8
Печатная плата (РСВ)...............................................10
Другие инструменты.................................................15
Принципиальные схемы и символы....................................15
Дополнительная информация..........................................17
Часть 3. Проекты...................................................18
Проект 1. Механотронный гоночный автомобиль........................18
Назначение.....................................................18
Задачи.....................................-.................... 19
Проект.........................................................20
Принцип работы электронной схемы...............................21
Принцип работы механической части..............................23
vi Оглавление
Создание гоночного автомобиля........................................... 23
Электронная схема........................................................23
Перечень элементов и компонентов электронной схемы меха натронного
гоночного автомобиля.....................................................25
Вентиляторно-пропеллерный вариант механотронного автомобиля..............25
Вариант механотронного автомобиля с зубчатой передачей...................27
Испытания автомобиля.....................................................30
Соревнования.............................................................31
Исследование проекта................................................... 32
Закон Ньютона............................................................32
Материалы................................................................32
Эксперимент..............................................................32
Как работает зубчатая передача...........................................32
Эксперимент..............................................................32
Кросс-темы...............................................................33
Дополнительные схемы и идеи..............................................34
Прямой привод............................................................34
Использование силового МОП-тронзисторо...................................34
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей силовой
МОП-транзистор...........................................................35
Хронирующая схема........................................................35
Перечень элементов и компонентов схемы с использованием хронирующей схемы.36
Гонка по рельсом.........................................................36
Современные технологии...................................................37
Идеи для экспериментов...................................................37
Проект 2. Robcom: Боевой робот............................................. 38
Что представляет собой Robcom............................................38
Задачи. Битва............................................................40
Проект.................................................................. 41
Создание Robcom..........................................................41
Электрическая схема.......................................................41
Перечень элементов и компонентов электрической схемы.....................42
Механическая часть..................................................... 43
Сборка частей робота.....................................................43
Проверка боевого робота................................................ 46
Бой......................................................................47
Правила и спецификации боя для роботов...................................47
Правило боя..............................................................48
Модификации проекта......................................................48
Кросс-темы...............................................................48
Дополнительные схемы и идеи..............................................49
Использование джойстика..................................................49
Перечень компонентов джойстика...........................................50
Включение в схему управления с широтно-импульсной модуляцией (PWM).......50
Дополнительное оружие....................................................51
Добавление обесточенной схемы............................................51
Добавление звука.........................................................52
Использование мостовой схемы Н.......................................... 53
Оглавление vii
Перечень элементов и компонентов мостовой схемы Н.........................54
Использование коробки передач.............................................55
Дистанционное управление..................................................55
Современные технологии.....’..............................................56
Проект 3. Использование широтно-импульсной модуляции управления
электродвигателем (PWM).....................................................57
Введение..................................................................57
Задачи....................................................................57
Как работает проект.......................................................57
Основной проект......................................................... 60
Как собрать схему управления PWM..........................................62
Проверка и использование..................................................63
Перечень элементов и компонентов для схемы управления PWM.................63
Проекты...................................................................64
Простой подъемник.........................................................64
Автоматическое окно.......................................................65
Вентилятор................................................................65
Увеличение мощности.......................................................66
Реальное управление PWM...................................................66
Перечень элементов и компонентов реальной схемы PWM.......................67
Управляемый светом........................................................67
Управление при помощи компьютера..........................................68
Современные технологии....................................................69
Проект 4. Ионный двигатель..................................................70
Задачи....................................................................71
Ионные двигатели..........................................................71
Как работает наш проект...................................................73
Как производить монтаж электронной схемы..................................74
Проверка высоковольтной схемы.............................................76
Перечень элементов и компонентов для высоковольтной схемы.................77
Космический корабль.......................................................77
Проверка................................................................ 78
Гонка в космосе...........................................................79
Углубленное изучение темы.................................................79
Беспроводная флуоресцентная лампа.........................................80
Лестница Якоба............................................................80
Домашний удар молнии......................................................81
Электростатические эксперименты...........................................82
Кросс-темы................................................................82
Дополнительные схемы и идеи...............................................83
Мощные схемы..............................................................83
Перечень элементов для мощной электронной схемы...........................85
Релаксационная схема, использующая кремниевый управляемый выпрямитель (SCR).86
Перечень элементов и компонентов релаксационной схемы с SCR...............87
Схема с кремниевыми диодами для переменного тока (SIDAC)..................88
Перечень элементов и компонентов схемы с применением SIDAC................88
Современные технологии....................................................89
viii Оглавление
Проект 5. Экспериментальный гальванометр.....................................90
Задачи....................................................................90
Как он работает...........................................................91
Постройка гальванометра...................................................93
Перечень элементов и компонентов основного гальванометра..................94
Проверка гальванометра..;.................................................94
Перечень элементов и компонентов проверочной схемы гальванометра..........96
Идеи для экспериментов....................................................96
Кросс-темы................................................................96
Увеличение чувствительности...............................................97
Перечень элементов и компонентов усилителя................................99
Дополнительные схемы и идеи...............................................99
Использование компаса.....................................................99
Мощный усилитель....................................................... 100
Перечень элементов и компонентов мощного усилителя.......................100
Чувствительный элемент для обнаружения свето/темноты для биоэнергии......101
Перечень элементов и компонентов фотодетектора...........................102
Машина «перпе*гуум-мобиле», или «вечный двигатель».......................102
Перечень элементов и компонентов машины «перпетуум-мобиле».............. 103
Современные технологии...................................................104
Идеи для экспериментов.................................................. 104
Проект 6. Поэкспериментируем с электромагнитом............................. 105
Задачи...................................................................105
Проект:..................................................................105
Монтаж схемы с электромагнитом...........................................106
Проверка и использование.................................................107
Перечень компонентов схемы электромагнита................................107
Другие варианты проекта..................................................108
Питание электромагнита от другого источника..............................108
Постройка крана..........................................................108
Извлечение из бутылки....................................................109
Кросс-темы...............................................................109
Дополнительные схемы и идеи..............................................110
Управление мощностью.....................................................110
Перечень элементов и компонентов источника постоянного тока..............112
Изменение полюсов........................................................112
Другой источник питания..................................................112
Современные технологии...................................................113
Идеи для углубленного изучения темы......................................113
Проект 7. Электронный потенциометр..........................................114
Задачи...................................................................114
Как он работает..........................................................114
Кок построить электронный потенциометр...................................116
Использование потенциометра..............................................116
Перечень элементов и компонентов электронного потенциометра..............118
Идеи для экспериментов...................................................118
Источник света для микроскопа.......................................... 118
Управление небольшим нагревателем........................................119
Оглавление
IX
Простой подъемник.........................................................120
Кросс-темы................................................................120
Расчет рассеивания........................................................120
Дополнительные схемы и идеи...............................................121
Использование транзистора PNP-типа........................................121
Перечень элементов и компонентов электронного потенциометра,
использующего транзистор PNP-типа.........................................121
Использование транзистора Дарлингтона.....................................121
Перечень элементов и компонентов электронного потенциометра,
использующего пару Дарлингтона............................................123
Управление мощностью с использованием интегральной микросхемы
LM350TIC..................................................................123
Перечень элементов и компонентов схемы управления мощностью,
использующей интегральную микросхему LM350T...............................124
Источник постоянного тока.................................................124
Перечень элементов и компонентов с потенциометром постоянного тока........125
Современные технологии....................................................125
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генераторами..................126
Задачи................................................................... 126
Проект....................................................................127
Как он работает...........................................................127
Электродвигатель постоянного тока в качестве генератора постоянного тока..129
Как построить эоловый генератор...........................................130
Перечень элементов и компонентов эолового генератора......................131
Проверка и использование..................................................131
Питание схем..............................................................132
Светоизлучающие диоды и лампы.............................................132
Перечень элементов и компонентов снабжения энергией ламп и светоизлучающих
диодов....................................................................132
Батарейное зарядное устройство...........................................132
Экспериментальный радиоприемник...........................................133
Перечень элементов и компонентов экспериментального радиоприемника........135
Автоматическое освещение..................................................135
Перечень элементов и компонентов схемы автоматического освещения..........136
Анемометр.................................................................136
Перечень элементов и компонентов анемометра...............................138
Кросс-темы...............................................................138
Дополнительные схемы и идеи...............................................138
Стабилизатор напряжения...................................................138
Высоковольтный инвертор...................................................139
Перечень элементов и компонентов инвертора................................140
Современные технологии....................................................140
Проект 9. Электронная пушка.................................................141
Задачи....................................................................142
Как работает проект.......................................................142
Расчет мощности..........................................................144
Сдерживание больших токов.................................................145
Как строить пушку....................................................... 146
X
Оглавление
Механическая часть......................................................148
Перечень элементов и компонентов электронной пушки......................149
Проверка и использование................................................150
Изучение темы проекта...................................................150
Изучение баллистики.....................................................150
Измерение заряда, накопленного в конденсаторе, и постоянной времени цепи
дистанционного управления...............................................151
Перечень элементов и компонентов схемы измерения заряда.................152
Бой с применением электронных пушек.....................................152
Дополнительные схемы и идеи.............................................153
Дистанционное управление................................................153
Перечень элементов и компонентов схемы дистанционного управления........154
Маломощный вариант......................................................154
Перечень элементов и компонентов схемы маломощного варианта.............155
Постройка катапульты....................................................155
Разработка суперпушки...................................................155
Современные технологии..................................................156
Идеи для углубленного изучения темы.....................................157
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными лазером...........158
Задачи..................................................................159
Что представляют собой фигуры Лиссажу...................................159
Проект................................................................ 162
Монтаж электронной схемы................................................164
Перечень элементов и компонентов электронной схемы......................165
Сборка механической части...............................................166
Проверка и использование................................................168
Модификации проекта.....................................................169
Вращающееся зеркало.....................................................169
Соленоиды...............................................................170
Шаговые электродвигатели................................................170
Вибрирующие лезвия......................................................171
Компьютерное управление.................................................171
Использование функциональных генераторов и генераторов низкой частоты...172
Кросс-темы..............................................................172
Дополнительные схемы....................................................173
Генератор, использующий интегральную микросхему 4093IC..................173
Перечень элементов и компонентов генератора, использующего интегральную
микросхему 4093IC.......................................................173
Генератор синусоидальных колебаний......................................174
Перечень элементов и компонентов генератора синусоидальных колебаний....175
Транзисторный усилитель низкой частоты..................................175
Перечень элементов и компонентов транзисторного усилителя...............176
Мощный усилитель........................................................176
Перечень элементов и компонентов мощного усилителя......................177
Современные технологии..................................................178
Идеи для экспериментов..................................................178
Оглавление xi
Проект 11. Аналоговый компьютер...............................................179
Цель.......................................................................180
Проект................................................................... 181
Кок он работает............................................................182
Критические компоненты.....................................................184
Как построить аналоговый компьютер......................................185
Шкалы...................................................................187
Другие шкалы...............................................................189
Перечень элементов и компонентов аналоговых компьютеров....................189
Проверка и использование...................................................190
Другие операции............................................................190
Модификации проекта........................................................190
Суммирующая схема..........................................................190
Кросс-темы.................................................................191
Дополнительные схемы и идеи................................................191
Использование звукового индикатора!........................................191
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей звуковой индикатор 1..193
Использование звукового индикатора II......................................193
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей звуковой индикатор II.194
Добавление операционного усилителя со светоизлучающими диодами (LED).......194
Перечень элементов и компонентов схемы с операционным усилителем
со светоизлучающими диодами................................................195
Улучшенная схема с четырьмя потенциометрами................................195
Автоматический механотронный аналоговый компьютер..........................196
Современные технологии.....................................................196
Идеи для углубленного изучения темы........................................197
Проект 12. Электродвигатели с сенсорным управлением...........................198
Задачи.....................................................................198
Кок работает схема.........................................................198
Как монтировать схему......................................................200
Проверка и испытание.......................................................202
Перечень элементов и компонентов схемы электродвигателя с сенсорным
управлением................................................................202
Исследование темы..........................................................203
Автоматическое окно........................................................203
Робот или автомобиль с сенсорным управлением...............................203
Вентилятор с выдержкой времени.............................................204
Автоматическая машина для сушки рук........................................204
Кросс-темы.................................................................204
Ловушки....................................................................205
Миксер................................................................... 205
Цветное колесо Ньютона.....................................................206
Механотронный гоночный автомобиль..........................................206
Дополнительные схемы.......................................................206
Использование кремниевого управляемого выпрямителя (SCR)...................207
Перечень элементов и компонентов схемы с выпрямителем SCR..................208
xii Оглавление
Использование интегральной микросхемы 4093.................................209
Перечень элементов и компонентов схемы с применением интегральной
микросхемы 4093IC.......................................................210
Использование интегральной микросхемы 4013..............................210
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей интегральную
микросхему 4013.........................................................211
Современные технологии..................................................211
Углубленное исследование темы...........................................211
Проект 13. Механотройный подъемник..........................................213
Задачи..................................................................213
Как он работает.........................................................214
Электронная схема.................................................... 214
Механическая часть......................................................216
Как строить.............................................................217
Перечень элементов и компонентов схемы подъемника с источником питания
включительно............................................................218
Проверка и использование................................................218
Идеи для экспериментов..................................................219
Использование коробки передач...........................................219
Добавление других автоматических устройств..............................219
Управление подъемником при помощи компьютера............................220
Использование шагового электродвигателя.................................220
Кросс-темы..............................................................221
Расчет блоков и коробок передач.........................................221
Расчет дифференциальных блоков..........................................221
Соревнование среди подъемников..........................................222
Дополнительные схемы и идеи........................................... 222
Использование линейного управления......................................222
Добавление таймера......................................................223
Перечень элементов и компонентов схемы с добавлением таймера............223
Реверсирование при помощи мостика Н.....................................224
Перечень элементов и компонентов схемы реверсирования при помощи мостика Н.224
Использование триггерной микросхемы.....................................225
Перечень элементов и компонентов триггерной схемы.......................226
Современные технологии..................................................226
Идеи для углубленного изучения темы..........................v..........226
Проект 14. Управление шаговым электродвигателем.............................228
Задачи..................................................................228
Как работает шаговый электродвигатель...................................228
Проект..................................................................231
Как он работает.........................................................232
Как собирать и монтировать схему........................................233
Перечень элементов и компонентов силовой схемы..........................234
Перечень элементов и компонентов схемы управления шаговым электродвигателем.235
Перечень элементов и компонентов схемы управления шаговым электродвигателем.236
Проверка и использование................................................237
Идеи для экспериментов..................................................238
Управление лазерным лучом...............................................239
^laiattaus,^.
Оглавление xiii
Кросс-темы..............................................................239
Дополнительные схемы и идеи.............................................240
Использование транзистора Дарлингтона...................................240
Перечень элементов и компонентов силового каскада Дарлингтона...........241
Использование интегральной микросхемы...................................241
Другая схема с последовательным генератором.......................,.....242
Перечень элементов и компонентов другой последовотельной схемы..........243
Современные технологии................................................ 243
Идеи для углубленного изучения темы.....................................243
Проект 15. Машина с магическим движением...................................244
Задачи..................................................................244
Проект..................................................................244
Как он работает.........................................................245
Как строить..............;..............................................247
Электронная схема.......................................................247
Механическая часть .....................................................247
Испытания и использование...............................................248
Перечень элементов и компонентов основного проекта машины магического
движения.............................................................. 248
Кросс-темы..............................................................249
Модификации проекта.....................................................249
Дополнительные схемы и идеи.............................................250
Другой импульсный генератор.............................................250
Перечень элементов и компонентов схемы импульсного генератора,
использующего интегральную микросхему 4093IC............................250
Генератор хаотических импульсов.........................................251
Перечень элементов и компонентов генератора хаотических импульсов.......252
Современные технологии..................................................252
Идеи для углубленного изучения темы.....................................253
Проект 16. Проверьте ваши нервы............................................254
Введение................................................................254
Задачи..................................................................254
Проект..................................................................254
Кок он работает.........................................................255
Предмонтажные эксперименты..............................................256
Укол или удар!..........................................................256
Перечень компонентов для контура удара..................................256
Эксперимент.............................................................256
Свечение флуоресцентной лампы...................................... :..257
Перечень компонентов для схемы со свечением флуоресцентной лампы........257
Эксперимент.............................................................257
Как собирать и монтировать..............................................258
Проверьте ваши нервы - вариант 1........................................258
Испытание и использование...............................................259
Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы - вариант 1»...........259
Проверьте ваши нервы — вариант 2........................................260
Испытание и использование...............................................260
Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши нервы - вариант 2»...........261
xiv Оглавление
Кросс-темы..............................................................261
Дополнительные схемы и идеи.............................................261
Использование язычкового переключателя .................................261
Использование реле в качестве инвертора.................................262
Перечень компонентов схемы, использующей реле в качестве вибратора......262
Высоковольтный генератор................................................263
Перечень элементов и компонентов схемы высоковольтного генератора.......263
Современные технологии..................................................263
Углубленное изучение темы...............................................264
Проект 17. Робот с датчиками...............................................265
Задачи..................................................................265
Проект..................................................................265
Как строить............................................................ 267
Электронная схема.......................................................267
Механическая часть......................................................268
Испытание и использование...............................................269
Перечень элементов и компонентов схемы робота с датчиками...............269
Кросс-темы............................................................. 270
Дополнительные схемы и идеи.............................................270
Управление при помощи широтно-импульсной модуляции PWM..................270
Световые датчики............................:...........................271
Таймер................................................................ 271
Перечень элементов и компонентов схемы с добавлением таймера............272
Звуковые эффекты........................................................272
Перечень элементов и компонентов схемы с добавлением звуковых эффектов..273
Современные технологии..................................................273
Идеи для экспериментов..................................................273
Проект 18. Экспериментальная роботизированная рука
с «эффектом памяти»........................................................274
Задачи..................................................................274
Как сплавы SMA работают.................................................274
Гистерезис..............................................................275
Источник постоянного тока...............................................277
Проект...................................................•..............278
Как строить.............................................................279
Электронная схема.......................................................279
Перечень элементов и компонентов электронной схемы с роботизированной рукой.280
Механическая рука..................................л....................280
Испытание и использование...............................................281
Кросс-темы..............................................................282
Дополнительные схемы и идеи.............................................282
Источник постоянного тока, использующий транзистор......................282
Перечень элементов и компонентов схемы с постоянным источником питания..283
Простой источник напряжения.............................................283
Перечень элементов и компонентов схемы с простым источником напряжения..283
Источник импульсов......................................................284
Перечень элементов и компонентов схемы источника импульсов..............284
Современные технологии..................................................284
Оглавление xv
Модификации проекта.......................................................285
Обнаружение характеристик сплавов SMA.....................................285
Методика..................................................................285
Проект 19. Позиционный датчик................................................287
Задачи....................................................................287
Как он работает...........................................................287
Как монтировать...........................................................289
Механическая часть...................................................... 290
Испытания и использование.................................................290
Перечень элементов и компонентов механической части позиционного индикатора.291
Кросс-темы................................................................291
Дополнительные схемы и идеи...............................................292
Использование аналогового или цифрового мультиметра в качестве индикатора.292
Запуск реле в запрограммированное положение...............................293
Перечень элементов и компонентов схемы запуска реле в запрограммированное
положение............................................................... 293
Использование компаратора с окнам.........................................293
Перечень элементов и компонентов схемы с компароторным окном..............294
Современные технологии....................................................295
Идеи для экспериментов....................................................295
Проект 20. Дистанционное управление при помощи светового луча...............296
Задачи....................................................................296
Датчик....................................................................296
Проект....................................................................297
Как монтировать...........................................................297
Испытание и использование............................................... 298
Перечень элементов и компонентов схемы, использующей светоизлучающий
диод для регулировки чувствительности.....................................299
Кросс-темы................................................................299
Дополнительные схемы и идеи...............................................299
Вариант с выдержкой времени...............................................300
Перечень элементов и компонентов схемы с выдержкой времени................300
Вариант с двумя устойчивыми состояниями...................................301
Перечень элементов и компонентов схемы с двумя устойчивыми состояниями....302
Вариант с высокой чувствительностью.......................................302
Перечень элементов и компонентов высокочувствительной схемы...............303
Современные технологии....................................................303
Идеи для углубленного изучения темы.......................................303
Проект 21. Механотронная лодка с воздушным винтом............................304
Задачи.................................................................. 304
Проект....................................................................304
Как строить...............................................................305
Перечень компонентов электрической схемы..................................306
Испытания и использование............................................. 306
Усовершенствование проекта................................................307
Кросс-темы................................................................308
Дополнительные схемы и идеи...............................................308
xvl Оглавление
Перечень элементов и компонентов схемы со звуковым эффектом..............310
Современные технологии...................................................311
Идеи для экспериментов...................................................311
Проект 22. Подбрасыватель монеты............................................312
Задачи...................................................................312
Как он работает..........................................................312
Как строить...............’............................................. 313
Испытания и использование................................................314
Перечень компонентов подбрасывателя монет................................314
Кросс-темы...............................................................314
Дополнительные схемы и идеи..............................................314
Схема с разрядом конденсатора............................................314
Перечень элементов и компонентов схемы с разрядом конденсатора...........315
Катапульта...............................................................316
Современные технологии...................................................316
Модификации проекта......................................................316
Проект 23. Вызов механотронного таймера.....................................317
Задачи...................................................................317
Кок он работает..........................................................317
Механика.................................................................317
Электроника..............................................................319
Кок строить..............................................................319
Проверка и использование.................................................320
Перечень элементов и компонентов схемы электрического таймера............320
Кросс-темы............................................................. 320
Дополнительные схемы и идеи..............................................321
Тональный генератор......................................................321
Перечень элементов и компонентов тонального генератора...................321
Запуск лампы переменного тока............................................322
Перечень элементов и компонентов схемы с запуском лампы переменного тока.322
Современные технологии...................................................323
Идеи для экспериментов...................................................323
Проект 24. Экспериментальный контроллер с программируемой логикой..........324
Задачи.................................................................. 324
Как он работает..........................................................324
Как монтировать..........................................................327
Проверка и использование.................................................329
Перечень элементов и компонентов экспериментального контроллера
с программируемой логикой PLC............................................329
Кросс-темы...............................................................330
Дополнительные схемы и идеи..............................................330
Добавление переключателя с активированным датчиком.......................330
Расширение логики........................................................331
Расширение объема памяти.................................................331
Современные технологии.................................................. 331
Идеи для экспериментов...................................................332
Огловление xvii
Проект 25. Мехонотронная говорящая голова.................................333
Задачи.................................................................333
Как он работает........................................................333
Как строить............................................................335
Электроника............................................................335
Механика...............................................................337
Проверка и использование...............................................337
Перечень элементов и компонентов схемы механотронной говорящей головы..337
Кросс-темы.............................................................338
Новые схемы и идеи.....................................................338
Использование низкочастотного усилителя................................338
Использование роторного соленоида или небольшого электродвигателя
постоянного тока с зубчатой передачей..................................339
Использование электродвигателя постоянного тока на 117 В...............340
Использование компьютера...............................................340
Небольшой ЧМ-передотчик................................................340
Перечень элементов и компонентов схемы с небольшим ЧМ-передатчиком.....342
Современные технологии................................................ 342
Идеи для экспериментов.................................................342
Предметный указатель......................................................343
Об авторе
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», кото-
рый в настоящее время издается в Бразилии, Аргентине, Колумбии и Мекси-
ке. Он становится техническим директором и другого журнала, издаваемого
в Editora Saber, такого как «Electronica Total», а также техническим консуль-
тантом журналов «Mecatronica Facil», «Mecatronica Atual» и «РС&С1А».
Ньютон Брага издал более 90 книг по электронике, электротехнике и вы-
числительной 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 мил-
лионов экземпляров.
Автор постоянно преподает в Colegio Mater Amabilis в г. 1уарулхос, Брази-
лия, ведет учебные телепрограммы и разрабатывает учебные проекты в сво-
ей родной Бразилии. Эти проекты разрабатываются для внедрения электро-
ники 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, механотрони-
ки и технологии.
В настоящее время автор живет в г. Гуарулхос вблизи Сан-Паулу, Бразилия,
со своей женой и 15-летним сыном.
Предислопие
Эта книга не претендует на то, чтобы стать всеобъемлющим руководством
для начинающего гения механотороники, но содержит большой объем ин-
формации и много самых разнообразных технических идей по созданию ори-
гинальных проектов.
Целью книги является не только обучить вас методам техники и техноло-
гии 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 небеспо-
лезна также для преподавателей, желающих внедрить новые технологии в
своих школах. Но прежде всего книга адресована начинающим гениям, обла-
дающим 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 про-
стых материалов и по простой технологии, то вы ошибаетесь. Три вида тех-
нологии применяется для создания электронных и механотронных изделий:
• наиболее простая, или «традиционная», технология, использующая де-
тали и части электродвигателей, электроэлементов и пассивных элек-
тронных элементов. Эта технология может быть освоена даже учени-
ками обычной средней школы. Можно при помощи этой технологии и
личной сообразительности собрать несколько простых изделий, пред-
ставленных в книге;
• промежуточная технология, использующая уже не пассивные, а актив-
ные электронные элементы, такие как полупроводники (диоды, тран-
зисторы, кремниевые управляемые выпрямители [SCR], светоизлуча-
ющие диоды [LED]) и некоторые интегральные*микросхемы [IC], но
не такие суперсовременные, как микропроцессоры, чипы со сверхвы-
сокой степенью интеграции (VLSi), процессоры цифровых сигналов
(DSP) и многое другое.
хх Предисловие
Большим преимуществом промежуточной технологии является ее дос-
тупность. Дискретные электронные элементы, например транзисто-
ры, резисторы и диоды, можно легко собирать во всевозможные схе-
мы, 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 современ-
ных электронных изделий, таких как сотовые телефоны, цифровые
диски DVD, компьютеры, пейджеры, видеоигры и системы глобально-
го позиционирования (GPS). Хотя эти изделия содержат очень слож-
ные чипы, все они основываются на одних и тех же принципах рабо-
ты. Отличаются они только количеством функций и элементов.
Можно собрать простой радиоприемник из 3-4 элементов, тогда как вы-
сокотехнологичный радиоприемник требует использования микропроцессо-
ра, содержащего миллионы элементов. Самое заманчивое для начинающего
гения - собрать необычное изделие, которое можно увидеть только в кино-
фильмах, на экране ТВ или в научно-популярных журналах. Используя деше-
вые детали и нехитрую технологию, читатель сможет построить простые ро-
боты, 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 насто-
ящим гением механотроники.
Мы объясним, что необходимо делать и как управляться с электронны-
ми и механотронными приборами, приводимыми в наших проектах.
Мы дадим советы тем преподавателям, которые хотят открыть начи-
нающего гения или парочку оных среди своих учеников, собирая моде-
ли и выполняя с их помощью всяческие эксперименты. Преподавате-
ли 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 обсуж-
дать научные методы.
Разработка новых и более продвинутых конструкций, чем приведен-
ные в книге, поможет читателю внимательнее вникнуть в суть проек-
та. Это подход, который заставит заработать воображение продвину-
того 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 наруша-
ет технологию сборки изделий, поэтому в книге подробно описываются
Предисловие xxi
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 кол-
лекции, но вместе с тем многие проекты созданы специально для чи-
тателей книги - начинающих гениев.
Проекты имеют законченную форму, то есть по каждому приводится не-
обходимая 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 изде-
лий. Полный перечень деталей облегчит подбор необходимых деталей и эле-
ментов.
И наконец, мы приводим инструкции по настройке и регулировке, а так-
же подключению к уже готовому изделию дополнительных схем, усовершен-
ствованию проекта, сборке различных вариантов или разработке новых про-
ектов, основанных на аналогичных принципах. Каждый проект может стать
наглядным пособием по какой-либо учебной дисциплине, а также даст допол-
нительную информацию для расширения кругозора учеников. Такой подход
дает возможность использовать эту книгу в качестве справочного издания в
области механотронных изделий.
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. На-
слаждайтесь!
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 пре-
одолеть 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 журна-
лах «Mecatronica Facil» и «Electronica Total».
Эдсону де Сантису (Edson de Santis) - моему большому другу, который снаб-
жал 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 кни-
ге, 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.
Часть 1
Подготовка читателя
Что токов мехаиотроника
Итак, хотите ли вы стать гением в механотронике? Прежде чем изучить фан-
тастические 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 «мехаиотроника» на обложке книги первая ассоциация,
которая может прийти на ум, - это создание роботов. В этом вы будете со-
вершенно 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 муль-
типликационного фильма Айзека Азимова «Я, робот» всем хорошо известны.
Эти становящиеся все более популярными механические существа явля-
ются частью отрасли науки, именуемой «робототехника», а она в свою оче-
редь 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 ме-
ханики.
История
Идея того, что машины могут выполнять различные рутинные операции,
подменяя собой слуг, чтобы освободить человека от этих операций, зароди-
лись 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 механичес-
ких птиц. Существуют записи о древнегреческом инженере Кресибусе, который
2 ЧАСТЬ 1. Подготовке читателя
создал органы и водяные часы с движущимися фигурами. В 730 г. н. э. швей-
царский часовой мастер Пьер Жак-Дроз построил три механических устрой-
ства, 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 дол-
жен был делать человек. По-чешски слово «робот» означает «работник» или
«рабочий».
Впоследствии эта идея создания механизмов, выполняющих работу за че-
ловека, но не обязательно ему подобных, не исчезла. С развитием новых тех-
нологий, таких как электроника, кибернетика и искусственный интеллект,
появилась новая наука, именуемая механотроникой. Механотронику как науч-
ную дисциплину можно определить следующим образом: «синергическая* ин-
теграция (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 меха-
нических 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 (имену-
емых промышленной автоматикой), можно удостовериться, что главной дис-
циплиной является робототехническая технология, направленная на созда-
ние 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.
* Синергия - взаимодействие мышц или степеней подвижности робота при выполнении движе-
ния. - Прим. науч. ред.
Барьеры, которые нужно преодолеть 3
Средства и принципы механотроиики
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 соб-
ственный 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, исполь-
зуя дешевые и доступные детали и элементы, другой же попытается создать
нечто очень сложное, что потребует специальных деталей, элементов и ин-
струмента, 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 кон-
струкций, 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 трудно-
сти 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 специаль-
ный 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 изго-
товленную модель не только для развлечения, а как-то иначе? Ведь описан-
ные в этой книге проекты - не просто игрушки. Их назначение весьма мно-
гопланово.
4 ЧАСТЬ 1. Подготовке читателя
Исследователь может почерпнуть новые идеи, заложенные в какой-либо
конструкции изделия. Схемы или другие составляющие каждой модели мож-
но включить в конструкцию другого устройства для проведения эксперимен-
тов в области химии, физики или даже гуманитарных наук.
Электроника, робототехника
и механотроника а образовательном
процессе
Одним из наиболее интересных результатов применения проектов, описан-
ных 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 из-
вестные электронные и механотронные бытовые приборы, как видеомаг-
нитофоны, телевизионные приемники, телефоны, не говоря уж о высоко-
технологичных изделиях: роботах, радиолокаторах, сотовых телефонах и
радиокомпьютерных средствах связи. Технология в настоящее время присут-
ствует 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 новей-
шими 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 тре-
ния, 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 пристраи-
вать к ней новые детали и узлы, создавая совершенно другое изделие. Опыт-
ный 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 дис-
циплинами и предметами, предусмотренными обычной учебной программой,
^lataHaus^.
Научный метод 5
всегда полезно заняться деятельностью, которая не указана напрямую в про-
грамме, 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 класс-
ная доска или другие традиционные средства.
Научный метод
Технология - практическое применение науки. В древности технология раз-
вивалась из прямого опыта работы с материалами и предметами, изучения их
свойств и создания техники для манипулирования ими. Современная техно-
логия 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 сле-
довать законам науки и исследованиям в области технологии. Эти правила опи-
сываются научным методом. Научный метод - способ достижения какой-либо
цели, решения конкретной задачи, совокупность приемов или операций прак-
тического или теоретического познания действительности. Научный метод
опирается на четыре этапа:
1. Наблюдение и описание явления.
2. Формулировка гипотезы для объяснения явления.
3. Использование гипотезы для предсказания существования другого яв-
ления.
4. Проверка предсказаний через независимые средства.
При осуществлении экспериментального научного проекта эти этапы мож-
но продолжить:
1. Начальное наблюдение.
2. Сбор информации.
3. Определение и совершенствование цели проекта.
4. Формулирование гипотезы (предположения).
5. Составление экспериментального метода для проверки гипотезы.
6. Сбор материала и оборудования.
7. Произведение эксперимента и запись данных.
8. Вычисления и суммирование результатов.
9. 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, за-
нимающиеся описательной антропологией, используют информацию, собран-
ную посредством наблюдений и опросов.
6
ЧАСТЬ 1. Подготовке 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 мож-
но было бы использовать для подтверждения чьей-то гипотезы и/или ис-
пользовать практически.
Выбор проекте
Приведенные в этой книге проекты различны по степени трудности. Чита-
телю необходимо все проанализировать, чтобы решить, какой вариант - ис-
ходный или усовершенствованный - он будет создавать. При выборе проек-
та примите во внимание следующие моменты:
1. Соответствует ли проект вашему уровню знания механотроники?
2. Достаточно ли чистые детали для монтажа вы применяете?
3. Располагаете ли вы всеми необходимыми инструментами для монтажа
и сборки?
4. Знаете ли вы, как применять необходимые инструменты?
5. Уверены ли вы, что сможете купить все детали и элементы?
6. Сможете ли вы прибегнуть к помощи более опытного человека?
Приняв все вышеизложенное во внимание, вы избежите неожиданностей
при сборке и монтаже своей модели.
^lataHaus,^.
В
Часть 2
Технология.
применяемая при
сборке и монтаже
проектов
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. За-
менив в схеме какие-то компоненты, можно изменить ее функции для выпол-
нения других целей.
Как производит!» монтаж
При производстве бытовой электронной аппаратуры монтаж печатных плат
выполняется при помощи специального оборудования, использующего тех-
нологию поверхностного монтажа (SMT), когда на печатную плату в автома-
тическом 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 ста-
рые части, например трубки, ламповые переключатели, плавкие предохрани-
тели и другие.
8
ЧАСТЬ 2. Технология, применяемой при сборке и монтаже проектов
Для среднестатистического читателя было бы идеальным начать с исполь-
зования промежуточной технологии. Элементы и компоненты здесь имеют
несколько больший размер, чем элементы поверхностного монтажа, и управ-
ляться с ними можно при помощи инструмента общего назначения. Можно
подумать, что эти элементы и компоненты не обладают таким быстродей-
ствием, но в нашем случае это не столь важно. Более крупные компоненты
выполняют те же функции и задачи, что и элементы поверхностного монта-
жа (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 миниатюр-
ными деталями. Они именно такого размера, при котором их удобно исполь-
зовать 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 соби-
раетесь делать это впервые, определитесь с инструментом, который будете
применять при работе с электронными схемами.
Кек монтировать компоненты
и элементы
Электронные компоненты включают в себя миниатюрные элементы, кото-
рые требуют опоры для своей установки на рабочее место и подключения в
схему. Для монтажа компонентов и элементов применяются различные тех-
нические приемы. Простейший способ соединить компоненты в схему при
помощи оконечной полоски показан на рис. 2.1.
Компоненты и провода соединения припаяны к соответствующим лепес-
ткам 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 уче-
никами или студентами, которые не знакомы с более продвинутой техникой,
например такой, в которой уже применяются печатные платы или, точнее,
платы с печатной схемой (РСВ).
Кок монтировать компоненты и элементы 9
ftatdHausiiik
Рис. 2.1. Оконечная полоска может быть использована в качестве шасси для простого проекта
Оконечная полоска может представлять собой пластмассовую или дере-
вянную планку, к которой приделаны миниатюрные лепестки или какие-то
другие металлические детали, как показано на рис. 2.2.
10 ЧАСТЬ L Технология, применяемо» при сборке и монтаже проектов
Mt
F
Рис. 2.3. Использование
оконечной полоски с винтами
для сборки простой схемы
Другой способ связать компоненты в схему, ис-
пользуя оконечную полоску с винтами, показан на
рис. 2.3.
Преимуществом использования такой полоски
является то, что компоненты и элементы схемы не
припаиваются. Недостатком такого соединения яв-
ляется то, что винты нужно очень надежно и тща-
тельно крепить, чтобы создать хороший электри-
ческий 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 монтажом
элементов без применения пайки
но на рис. 2.4.
В этом случае выводы элементов и
компонентов устанавливаются в отвер-
стия, имеющиеся в плате, и соединяют-
ся между собой при помощи металличес-
ких оконечных полосок согласно схеме.
Преимуществом этой технологии яв-
ляется то, что отпадает надобность в пай-
ке выводов элементов, поэтому их легко
менять, если нужно приспособить плату
к другому проекту. И даже в первоначальном проекте, допустим, легко мож-
но поменять элемент с дефектом, добиваясь хорошего функционирования
изделия.
В наших проектах мы будем использовать все уровни трудности для упомяну-
тых нами методов. Выбор уровня зависит от проекта и степени его сложности.
Прежде чем познакомить читателей с методами пайки, рассмотрим печат-
ную плату и расскажем, как она используется.
Печатная плата (РСВ)
Миниатюрные компоненты и элементы, применяемые в электронном обору-
довании, в рабочем состоянии должны иметь физическую опору. Им необхо-
дима не только поверхность, на которую йх можно устанавливать, но и элек-
трическая 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 печат-
ной платой (РСВ).
^atallaus,^.
Печотноя плото (PCS) 11
Рис. 2.5. Печатные платы
общего назначения
Плата (рис. 2.5) изготовлена из изо-
лирующего материала, а на поверхности
платы мы видим медные полоски, впеча-
танные в нее с одной или двух сторон -
если плата является двухсторонней.
Медные полоски выполняют роль про-
водов, проводящих электрический ток от
одного компонента к другому, и называют-
ся токоведущими дорожками. Узор или
рисунок полосок или дорожек определя-
ется функцией схемы. Все дорожки за-
ранее 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 мо-
гут нести на себе элементы, предназначенные для телевизора или другого
электронного изделия. Как показано на рис. 2.6, миниатюрные элементы при-
паиваются к печатной плате таким образом, чтобы их выводы создавали элек-
трический контакт с токоведущей дорожкой платы.
Рис. 2.6. .Островки припоя соединяют выводы элементов с печатной платой
2 Создание роботов в дом. усл.
12 ЧАСТЬ 2. Технология, применяемая при сборке и монтаже проектов
В некоторых случаях, когда элементы очень миниатюрны и монтируются
на плату с помощью автоматической пайки - как в случае с элементами по-
верхностного монтажа (SMD), они могут,быть установлены на плату со сто-
роны токоведущих дорожек (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Элементы поверхностного монтажа припаиваются прямо к медным
токоведущим дорожкам
Как мы уже упоминали, элементы поверхностного монтажа не рекоменду-
ется применять тем читателям, кто хочет заниматься простыми и доступны-
ми проектами.
Установка и монтаж элементов и компо-
нентов на печатную плату - тонкая и деликат-
ная работа, с которой читатель, имеющий
дело с электронными монтажными схемами,
должен быть знаком. В силу того, что элемен-
ты миниатюрны и чрезвычайно хрупки, не-
обходимо применять специальную технику.
Припой, применяющийся при пайке элек-
тронных элементов, является сплавом, со-
стоящим на 60% из олова и на 40% из свин-
Рис. 2.8. Припой общего назначения ца, 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 273° С припой плавится и, так как наносит-
ся на вывод элемента, установленного в монтажное отверстие платы, фик-
сирует элемент, когда остывает. Во время плавления припоя и создается элек-
трический 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 куп-
лен в небольших количествах, как показано на рис. 2.8. А электрический па-
яльник показан на рис. 2.9.
Для работы с небольшими электронными элементами рекомендуется па-
яльник мощностью 25-40 Вт с миниатюрным жалом. Разумеется, читатель
может использовать и более мощный паяльник для демонтажа или монтажа
Печатная плото (РСВ) 1 3
^aiaUaus^i
Жало
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 элек-
тронных проектах. Компания Radio Shack предлагает несколько типов паяль-
ников, 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 прибо-
ров легко вывести из строя, если паяльник нагрет сверх нормы или приме-
няется несоответствующая паяльная техника. Основной метод пайки элек-
тронных компонентов (при демонтаже или монтаже на печатную плату)
следующий:
1. Включите шнур питания паяльника в розетку и подождите, пока он
нагреется, - приблизительно 5 минут. Это гарантирует, что жало паяль-
ника наберет нужную температуру для эффективной пайки.
2. Приложите паяльник к месту пайки на короткое время, чтобы разог-
реть его. Затем, как показано на рис. 2.10, прикоснитесь к этому месту
припоем, но не паяльником.
3. Вы увидите, как припой в расплавленном состоянии проникает в стык
вывода элемента и платы и формирует паяльный шов.
4. Удалите паяльник от шва и не трогайте, пока он не остынет. Можно
визуально легко определить, остыл шов или нет. На поверхности ме-
талла 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 толь-
ко внешне охватил место стыка между выводом элемента и печатной платой,
но электрического контакта между ними нет.
1 4 ЧАСТЬ 2. Технологий, применяемой при сборке и монтоже проектов
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 элек-
тронике есть много моментов, когда ее применение не рекомендуется.
Рис. 2.12. Паяльная пушка
Принципиальные схемы и символы 1 5
Этот тип паяльного инструмента имеет резистивное (имеющее сопротив-
ление) жало, нагреваемое сильным током, подходящим от вторичной об-
мотки (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 электрон-
ными схемами. Много инструментов общего назначения, применяемых в ра-
боте с электротехническим и машинным оборудованием, может быть полез-
но для работы с электронными частями. Скорее всего, многие из вас имеют
нечто подобное дома для мелкого ремонта. Вместе с тем многие из элект-
ронных элементов хрупки и миниатюрны, а потому требуют специального
инструмента и осторожного обращения. Использование ненадлежащего ин-
струмента 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 элемен-
тов, держатель электрического паяльника, метелка для удаления остат-
ков 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, что-
бы по ним мог пробегать электрический ток. Рассматривая принципиальную схе-
му, 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.
Дюйм равен 25,4 мм. - Прим. пер.
1 6 ЧЯСТЬ 2. Технология, применяемая при сборке и монтаже проектов
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 элек-
тронного 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 че-
рез их символы и указывает наименование и номинал элемента, а также дру-
гую важную информацию. На боковой стороне каждого элемента стоит его
идентификационный номер, который поможет сборщику найти данный эле-
мент на печатной плате или оконечной полоске внутри корпуса изделия.
Например, все резисторы обозначаются буквой R, за которой следует но-
мер резистора в проекте; Это означает, что резисторы идентифицируются в
изделии при помощи таких обозначений, как Rl, R2, R3 и так далее. Конденса-
торы обычно обозначаются буквой С. Они нумеруются в схеме последователь-
но: Cl, С2, СЗ и т.д. Транзисторы обозначаются буквами Q, Т или TR. Так, напри-
мер, один и тот же транзистор может быть представлен как QI, Т1 или TR1.
Во многих случаях вторая цифра может обозначать блок или каскад, в ко-
тором этот элемент установлен. Например, резистор в первом каскаде может
обозначаться как R101, а во втором каскаде как R201. Рядом с идентификаци-
онным 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 поверхнос-
ти написано 2N3906 и его нужно заменить, то его меняют на такой же тран-
зистор с тем же номером 2N3906, и при монтаже на это место должен быть
поставлен транзистор 2N3906. Обычно идентификационный номер транзис-
тора начинается с 2N, но некоторые производители имеют свои обозначе-
ния, 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 ис-
пользуют для своего кода буквы ВС или BD. Японские же производители
транзисторов обозначают их комбинациями 2SB, 2SC или 2SD.
Дополнительной информоция 17
На схеме может размещаться и другая важная информация - в зависимос-
ти от устройства. Так, например, напряжение в различных точках и интерва-
лах схемы может быть рассчитано.
В примере, представленном на рис. 2.14, тестером замеряется напряже-
ние в 6 В между точкой А и землей (она обычно используется как эталон или
указывается как О В).
—-I—- *——— Земля = 0V
Рис. 2.14. Напряжение в различных точках
Другой важной характеристикой состояния электрической цепи или схе-
мы 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 да-
ется список частей, необходимых для сборки и монтажа дополнений к принци-
пиальным схемам. Из списка видно, что главной характеристикой всех частей
является цветовое кодирование*, представляющее резисторы, напряжение, ча-
стоту тока, конденсаторы, трансформаторы и диоды.
Дополнительная информоция
Проекты, о которых мы рассказываем в книге, достаточно просты и не тре-
буют применения специальной техники и инструмента. Обо всех необходи-
мых 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 транспор-
тировки.
* Цветовое кодирование - способ маркировки электронных компонентов, содержащий информа-
цию о номинальной величине и допуске маркируемых объектов, а также другие сведения, пред-
ставляющие интерес для потребителя. - Прим. науч. ред.
Часть 3
Проекты
В этом разделе вашему вниманию будет представлена коллекция из 25 проек-
тов механотронных изделий. Советуем йначале как следует изучить две пре-
дыдущие 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 пропел-
лером или зубчатой передачей), а затем задействовать обе модели в автомо-
бильных гонках. Автомобили, собранные из разных подсобных материалов,
таких как картон и части от игрушек, в основном управляются светом. Элект-
рический фонарь используется для управления миниатюрным электродвигате-
лем постоянного тока, который и является мотором изделия. В гонке уча-
ствуют 6-8 автомобилей, которые вначале выстраиваются на стартовой
линии. Они должны проехать 10-20 м по прямой трассе и пересечь финиш-
ную черту.
На рис. 3.1.1 и 3.1.2 показаны ученики со сделанными собственными рука-
ми автомобилями в Colegio Mater Amabilis. После опубликования этой фото-
графии в бразильских журналах проект был внедрен во многих школах по
всему миру.
Соревнование подталкивает студентов изготовить лучший автомобиль (са-
мый быстрый и легкий). Однако в проекте заключена большая образовательная
Проект 1. Мехонотронный гоночный оатомобиль 1 9
^alaHaus^
Рис. 3.1.1. Студенты Colegio Mater Amobilis, г. (уорулхос. Бразилия, получающие призы за победу
в гонке (Courtesy Revisto Mecatronico Fad)
Рис. 3.1.2. Пример гоночного автомобиля, построенного студентом Colegio Mater Amobilis
ценность. Ученики могут узнать больше, чем из школьной программы, о фи-
зике, технологии и других науках, если будут работать все вместе во время по-
стройки автомобиля.
Задачи
Существует много задач, которые нужно будет решить в процессе построй-
ки гоночного автомобиля:
• изучить технологию сборки простых проектов с использованием око-
нечной полоски;
• изучить, как работают фотоэлементы или фотодатчики (фоторезисто-
ры [LDRs]);
2 О ЧАСТЬ 3. Проекты
• спроектировать двигательную систему, использующую зубчатую переда-
чу 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 Aevisto Mecatronica Facil)
Рис. 3.1.4. Автомобиль с зубчатой передачей (Courtesy Aevisto Mecatronica Facil)
^aiaSaus,^
Проект 1. Механотронный гоночный автомобиль 2 1
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 про-
пеллеров для оперативной замены во время гонок.
Другой метод - использование пластмассовых или деревянных вентилято-
ров, 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, кото-
рый обеспечит победу в гонке. Изучая характеристики, такие как отношение
поверхности вентилятора к скорости вращения мотора, диаметр и вес, начи-
нающий гений в конечном итоге придет к заключению, какой вентилятор не-
обходим его автомобилю для победы в соревновании.
Вариант зубчатой передачи обычно более эффективен. Однако, посколь-
ку гоночный автомобиль должен двигаться быстрее других автомобилей, ос-
новная проблема - найти подходящую передачу. Мы предлагаем использовать
части игрушек или электрических и электронных устройств. Эти компонен-
ты 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 зада-
чу для своих студентов, я готовлю комплекты, включающие в себя электрон-
ные компоненты, электродвигатели, датчики и транзисторы. Это особенно
важно, если на соревнованиях вы не блещете. И это дает гарантию, что ре-
зультат соревнований будет зависеть не от использованного материала, а от
умения конструктора.
Правила соревнований определяются размерами автомобилей, потребля-
емой мощностью и другими факторами, которые могут внести какие-то изме-
нения в гонку. Начинающий гений может предложить посоревноваться свое-
му однокашнику.
Принцип работы 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. Тран-
зистор Дарлингтона, или транзистор с большим коэффициентом усиления,
используется в качестве переключателя, регулирующего прохождение тока
2 2 ЧАСТЬ 3. Проекты
через электродвигатель. Когда в LDR поступает свет, электрическое сопро-
тивление элемента падает - и в 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 дистанцион-
ного управления. Надо иметь в виду, что активированный надлежащим уров-
нем 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 возбуж-
дает фоторезистор LDR, определяет конечную скорость автомобиля, а дру-
гие механические факторы.
Рис. 3.1.5. После прохождения предварительно определенной точки любое увеличение количество
света в чувствительном элементе не повлияет но работу электрической схемы
Свет фонаря используется только в качестве дистанционного управле-
ния, 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 вре-
мя гонок, поэтому после их начала участник соревнований удаляет трубку с
элемента, позволяя окружающему свету включить электродвигатель.
Источником питания автомобиля является комплект из четырех батаре-
ек размера АА, другие размеры не рекомендуются. Большие батарейки разме-
ров С или D не позволяют развить дополнительных мощностей в той же про-
порции 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.
^latallaus^k
Проект 1. Мехонотронный гоночный автомобиль 2 3
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 из-
менять первоначальный проект, как показано на предыдущих иллюстрациях.
Допускается и трехколесная конструкция. Поскольку автомобиль должен
двигаться строго по прямой линии, конструктору необходимо тщательно вы-
ровнять 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 имеющих-
ся под рукой материалов. Например, пустой картридж струйного принтера
может послужить опорой для мотора автомобиля, показанного на рис. 3.1.1.
Создание гоночного автомобиля
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.
Электронная 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
2 4 ЧАСТЬ 3. Проекты
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 электродви-
гателя. Если вращение электродвигателя приводит к заднему ходу ав-
томобиля, необходимо провода поменять местами;
• избегать соприкосновения выводов любых элементов и компонентов.
Это может вызвать короткое замыкание, которое приведет к расплав-
лению.
Рис. 3.1.7. Оконечная полоска может быть использована 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.
Винт
Радиатор
теплоотвода
Рис. 3.1.8. Зеггоотводный радиатор, прикрепленный к силовому транзистору для отвода лишнего тепла
^alaHaus^k
Проект 1. Мехонотронный гоночный овтомобиль 2 5
В схеме можно использовать любой фоторезистор LDR общего назначе-
ния. Лучше всего подходят для этой цели миниатюрные круглые фоторезис-
торы, поскольку их очень удобно устанавливать в картонные трубки.
Перечень элементов и компонентов электронной
схемы мехонотронного гоночного овтомобилп
1. Q1 - транзистор Дарлингтона TIP122 или эквивалентный, NPN-типа.
2. LDR - фоторезистор или LDR (кадмиево-сернистый элемент).
3. R1 - резистор на 1 мОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
4. Ml - миниатюрный электродвигатель постоянного тока на 6 В.
5. В1 - 4 батарейки размера АА на 6 В и кожух к ним.
Оконечная полоска, провода, расходные материалы.
Пентилпторно-пропеллерный вариант
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 Mecatronlca Fadi)
На рис. 3.1.13 представлено шасси среднего размера. Конструктор может
изменять размеры шасси в зависимости от размера колес и других конструк-
ционных факторов. Очень важно, чтобы организатор ограничивал размеры
автомобилей, допускаемых к гонкам.
2 6 ЧИСТЬ 3. Проекты
Колеса для гоночных автомобилей могут быть позаимствованы у игру-
шек (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.
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
11роект 1. Механотронный гоночный автомобиль 2 7
Рис 3.1.12. Автомобиль готов к испытаниям (Courtesy Aevisto Mecatronica Facil)
Вентилятор, изготовленный из компакт-диска, очень хрупок и легко лома-
ется при любом толчке. Имейте в запасе несколько вентиляторов для опера-
тивной замены во время соревнований, т.к. их может быть сломано достаточ-
но много.
Вентилятор приклеивается к маленькому пластмассовому колесику, поза-
имствованному от игрушки. Убедитесь, что колесико отцентрировано. Иначе
вентилятор будет вибрировать во время гонки и либо оторвется, либо при-
ведет 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. Основ-
ным отличием является крепление колес, а зубчатая передача передает кру-
тящий момент от электродвигателя к колесам. Рис. 3.1.13 показывает рас-
крой 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 диа-
метром 2-4 см.
2 8 ЧАСТЬ 3. Проекты
Рис. 3.1.13. Электродвигатель соединяется с колесами через зубчатую передачу
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 дру-
гих электронных устройств. Очень важно проверить правильность зацепле-
ния шестерни и зубчатого колеса, отрегулировав его для наилучшего функци-
онирования 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 како-
го-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 жгу-
тов (рис. 3.1.16).
ftaiatiaus^
Проект 1. Механотронный гоночный автомобиль 2 9
Рис. 3.1.15. Шестерня, установленная но шпиндель электродвигателя, должна 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 коле-
сом другими способами, но преимущество описываемого метода в том, что
резиновые жгуты действуют как амортизаторы, поглощая толчки от препят-
ствий 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 отрез-
ки картона, пластика или колпачок ручки. После подключения всех элемен-
тов проверьте, что автомобиль движется в нужном направлении. Если он
движется в противоположном направлении, перебросьте провода с оконеч-
ной полоски на электродвигатель.
3 О ЧАСТЬ 3. Проекты
Рис 3.1.17. Гоночный овтомобиль готов к испытаниям
Испытания автомобиля
1. Накройте фоторезистор и установите батареи в батарейный кожух. Не
перепутайте полярность установленных батарей.
2. Установите автомобиль на стартовую линию и удалите покрытие с фо-
торезистора. Если окружающий свет достаточно ярок, электродвига-
тель начнет работать и двигать автомобиль вперед. Если этого не про-
изойдет, осветите фоторезистор электрическим фонарем.
3. Если шпиндель электродвигателя не вращается, проверьте контакты
батареек в кожухе.
4. Если шпиндель электродвигателя вращается в обратную сторону, пере-
бросьте провода с оконечной полоски на электродвигатель.
WaldHaus,^
Проект 1. Мехонотронный гоночный овтомобиль 3 1
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 соревно-
ваний вы можете видеть на рис. 3.1.18.
Рис. 3.1.18. Стартовая линия за несколько секунд до начала гонок в Colegio Mater Rmobilis
Я разработал следующие правила:
• участники создают команду из двух или четырех членов, строящих
один или два автомобиля. Если автомобилей два, то, как и в настоя-
щих 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;
3 2 ЧАСТЬ 3. Проекты
- автомобиль, пересекший финальную линию: 1 очко;
- автомобиль, прошедший половину дистанции: 0,5 очка;
- другие условия определяются организатором;
• при использовании электрического фонаря в качестве дистанционно-
го управления он должен быть размещен на расстоянии не менее 30 см
от фоторезистора;
• автомобили, которые сталкиваются или выкидывают другие автомоби-
ли с трассы гонок, наказываются или дисквалифицируются.
Исследование проекта
Несколько экспериментов можно было бы провести для иллюстрации научных
принципов, использованных в автомобильных гонках. Начинающий гений мо-
жет 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 вентиля-
тором, толкает воздух, вызывая противосилу, которая одновременно начи-
нает 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, вен-
тилятор на доске вращается в противоположную (рис. 3.1.19).
Как работает зубчатая передача
Вы можете понять принцип работы зубчатой передачи, вычисляя передаточ-
ное 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 не-
которое количество определенных оборотов. Это отношение вычисляется
отношением количества зубьев в каждом из этих колес. Мощность (крутящий
момент) увеличивается в соответствии с тем же отношением.
^alaHaus,^.
Проект 1. Механотронный гоночный автомобиль 3 3
Рис. 3.1.19. Эксперимент, демонстрирующий передвижение гоночного автомобиля, использующего
вентиляторно-пропеллерный движитель
п1 - количество зубьев первого зубчатого колеса
п2 - количество зубьев второго зубчатого колеса
ТМА - передаточное отношение (число)
Рис 3.1.20. Зацепление зубчатых колес показывает, как изменяются крутящий момент и скорость
вращения
Кросс-темы
Автомобиль, двигатели, вентиляторы и движение - все эти слова часто ассо-
циируются со школьным курсом физики. Вопросы, которые могут быть ис-
пользованы преподавателями в процессе обучения:
• анализ движения. Проанализируйте движение гоночного автомобиля.
Это равномерное или ускоренное движение? Объясните разницу. По-
чему гоночный автомобиль перестает ускоряться, когда достигает оп-
ределенной скорости?
• трение. Что такое трение и как оно действует на движение гоночного
автомобиля? Что вы можете сделать для уменьшения трения и увели-
чения финальной скорости автомобиля?
• расчет передачи. Что случится, если изменить зубчатую передачу с це-
лью модификации передаточного отношения? Как вы можете это рас-
считать?
3 4 ЧАСТЬ 3. Проекты
• вентиляторы. Как количество лопастей вентилятора определяет мощ-
ность автомобиля? Что случится, если изменить угол наклона лопас-
тей? Что представляет собой идеальный угол?
Дополнительные схемы и идеи
Основной идеей проекта является управление работой электродвигателя по-
стоянного тока с помощью света. Чувствительный элемент - это фоторезис-
тор LDR, а дистанционное управление - электрический фонарь. Однако на-
чинающий гений может усовершенствовать проект, использовав для новых
схем следующие идеи.
Прямой привод
Очень простой вариант гоночного автомобиля может быть создан без элект-
ронной схемы дистанционного управления. Конструктор напрямую соединя-
ет 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 авто-
мобиль в руках, отпустив его только при отмашке.
Вентилятор
Батарейный
кожух
Рис. 3.1.21. Прямой привод. Электронной схемы не требуется
Использование силового МОП-траизистора
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.
^alattaus,^.
Проект 1. Механотронный гоночный автомобиль 3 5
Рис. 3.1.22. Электронная схема, использующая МОП-транзистор
Перечень элементов и компонентов схемы,
использующей силовой МОП-транзистор
1. Q1 - IRF640, IRF720 или эквивалентный МОП-транзистор.
2. LDR - фоторезистор общего назначения.
3. М - электродвигатель постоянного тока на б В или выше и с потребле-
нием тока до 500 мА.
4. R1 - резистор на 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
5. В1 - 4 батарейки размера АА напряжением 6 В (кожух).
Хронирующей схеме
Другой альтернативой для гоночных автомобилей является электронная схе-
ма (рис. 3.1.23).
Эта схема включает в свой состав интегральную микросхему 555IC, явля-
ющуюся таймером (реле времени).
Когда датчик - чувствительный элемент (язычковый переключатель ) за-
пускается магнитом, схема включается, и электродвигатель получает питание
в интервале времени, определяемом конденсатором С1 и регулируемым по-
тенциометром Р1.
При запуске гоночный автомобиль движется в определенном интервале
времени. Р1 может быть настроен на то, чтобы этот интервал был достаточ-
но большим, согласованным с гоночной дистанцией. В гонке каждый участ-
ник использует маленький магнит для запуска автомобиля.
3 6 ЧАСТЬ 3. Проекты
Рис. 3.1.23. Электронной схема с хронирующим управлением электродвигателя.
Перечень элементов и компонентов схемы
с использованием хронирующей схемы
1. IC-1 - интегральная микросхема-таймер 555IC.
2. Q1 - транзистор Дарлингтона TIP 122 или эквивалентный, NPN-типа.
3. XI - язычковый переключатель.
4. Rl, R2 - резисторы на 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оран-
жевый).
5. R3 - потенциометр точной подстройки на 1 мОм.
6. R4 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
7. С1 - электролитический конденсатор на 100 мкФ, напряжением 12 или
16 В.
8. В1 - 4 батарейки размера АА, напряжением 6 В (кожух).
Пэйна 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 автомоби-
лями и начинают двигаться по дуге.
Альтернативой движению с помощью зубчатой передачи является движе-
ние автомобиля по рельсу (рис. 3.1.24). Небольшое свободное поворачиваю-
щееся колесико двигается по шнуру, играющему роль рельса.
NalaHaus
Проект 1. Механотронный гоночный автомобиль 3 7
Рис. 3.1.24. Рельсы можно использовать для удержания автомобиля на прямолинейной
(криволинейной) траектории
Современные технологии
В настоящее время вентиляторно-пропеллерные транспортные средства ис-
пользуются в болотистой местности, эти же принципы применяются в само-
летах и вертолетах. Передача мощности зубчатыми колесами применяется
во многих транспортных средствах и бытовой технике.
Крутящий момент двигателя вашего автомобиля передается зубчатой пе-
редачей к колесам, вращающимся с разной скоростью. Скорость вращения
определяется отношением количества зубьев шестеренок и зубчатых колес в
коробке передач. Электродвигатели, встроенные в различную бытовую техни-
ку, используют металлические и пластмассовые зубчатые передачи, приводя-
щие в движение подвижные части. Ярким примером- служит электрический
миксер.
Идеи для экспериментов
Для улучшения рабочих характеристик автомобиля и для лучшей проработ-
ки проекта сделайте следующее:
• попытайтесь использовать передачу, которая понижает скорость вра-
щения 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.
Aobcom: 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 со-
здать роботов. Попросите их вложить в проект все свое воображение, что-
бы создать такую машину, которая не будет побеждена в первой же схватке.
Robcom был одним из первых проектов, предложенных автором слуша-
телям курса по механоторонике в Colegio Mater Amabilis. На рис. 3.2.1 пока-
зан 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 Aobcom
Robcom - дистанционно управляемый робот, построенный из общеупотре-
бительных деталей и частей общего назначения. В своем основном варианте
он несет на себе резиновый баллон как защиту и три иголки в качестве ору-
жия. Читатель может добавить и другое оружие - конечно, в зависимости от
Проект 2. Robcom: Боевой робот 3 9
правил соревнований, согласованных с другими участниками. Чтобы не услож-
нять проект, сделано так, что дистанционное управление получает питание от
электрического шнура. Есть несколько преимуществ шнура перед инфракрас-
ным и радиочастотным дистанционными управлениями. Помимо простоты,
преимущество в том, что на шнуровой метод не действуют помехи и шум.
Robcom имеет два небольших электродвигателя постоянного тока, напря-
мую вращающие два задних колеса, изготовленных из компакт-дисков CD.
Переднее колесо способно свободно вращаться во всех
направлениях. Рекомендованное переднее колесо мо-
жет быть позаимствовано со старых офисных кресел
или другой мебели. На рис. 3.2.2 показано колесо, ис-
пользуемое в работе.
Блок управления, подключенный к окончанию шну-
ра, представляет собой небольшую коробочку с двумя
специальными переключателями и джойстиком. Пере-
ключатели могут управлять двумя схемами (двумя полю-
сами) одновременно, и каждый переключатель имеет
три позиции. Когда джойстик находится в центральном
Рис. 3.2.2. Переднее
колесо, использованное
в Robcom
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 лю-
бом направлении, как показано в табл. 2: стрелки указывают направление
движения.
Таблица2
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 1 у Поворачивается направо назад
Нейтральный Нажат передний ход 4—1 Поворачивается налево вперед
Нейтральный Нажат задний ход Поворачивается налево назад
Robcom управляется четырьмя батарейками размером АА, размещенными
в блоке управления. Такое размещение понижает вес мобильного блока, уси-
ливая мобильность, что очень важно во время схватки.
40 ЧИСТЬ 3» Проекты
Задачи. Битва
Основная идея схватки роботов - поставить их на некое подобие арены,
сформированное четырьмя брусками дерева (рис. 3.2.3), и дать им возмож-
ность попытаться исколоть иголками баллон защиты соперника.
Рис. 3.2.3. Ярена для схватки: квадрат, сформированный четырьмя деревянными брусками
Управляя движением робота вперед и назад, игрок может найти наилуч-
шую позицию для атаки, не подставляя свой баллон атаке неприятеля.
Стратегию робота должен выработать начинающий гений для достиже-
ния победы.
Победителем объявляется робот, первым проткнувший баллон неприяте-
ля. Для реализма баллон должен быть присыпан сверху небольшим количе-
ством муки или талька, чтобы создать видимость взрыва. Облачко дыма, ко-
торое образуется в результате победы, свидетельствует о том, что баллон
проткнули и битва закончена.
Обычно продолжительность боя длится 1-5 мин, что считается нормаль-
ным (рис. 3.2.3). В организованных соревнованиях может быть введен про-
цесс исключения проигравшего.
Рис. 3.2.4. Сцена боя, в которой два робота проверяют свою боевую мощь
^alaHausriii
Проект 2. Robcom: Боевой робот 41
Правила нужны для ликвидации очень больших различий между участника-
ми и поддержания игрового поля в норме. Правила включают в себя специфи-
кации по максимальным размерам роботов, размерам резиновых баллонов,
использованию защитных щитов (экранов), типов применяемых электродви-
гателей, напряжению источника питания и т.п.
Правила по ведению боя также необходимы. В конце этого раздела при-
водится перечень рекомендованных правил.
Просит
Robcom является трехколесным роботом, два его передних колеса используют-
ся 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 лю-
бого другого материала по вашему выбору.
Электродвигатели управляются пультом дистанционного управления, со-
единенного с роботом 3-метровым шнуром. Как мы уже отмечали, этот спо-
соб управления очень удобен, прост, недорог и не требует применения специ-
альных материалов. В пульте дистанционного управления размещаются также
батарейки, питающие электродвигатели. Два переключателя позволяют ро-
боту двигаться вперед-назад и изменять направление движения.
Шасси может быть изготовлено из любых общеупотребительных матери-
алов, таких как картон, коробки от компакт-дисков, пластмасса, дерево и т.д.
Вам решать, какой тип и материал шасси выбрать, лишь бы он отвечал пра-
вилам соревнований. При создании робота важно минимизировать его вес,
в то же время делая его максимально быстрым и устойчивым.
Создание 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 прин-
ципиальная 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 положе-
ния, среднее положение переключателя означает отключение питания.
Переключатели S1 и S2 изменяют направление вращения электродвигате-
лей. Переключатели подают питание электродвигателям при помощи специ-
ального четырехпроводного кабеля. Рекомендуемая длина кабеля Американ-
ского 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
4 2 ЧАСТЬ 3. Проекты
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 Robcom
Перечень элементов и компонентов электрической
схемы
1. SI, S2 - двухполюсные, трехпозиционные переключатели (см. текст).
2. В1 - 4 батарейки напряжением 6 В (с кожухом).
3. Ml, М2 - 6-вольтовые электродвигатели постоянного тока.
4. 3 метра четырехпроводного кабеля (4x26 AWG).
Пластмассовая коробка, припой.
^aiattaus^i
Проект 2. Robcom: Боевой робот 4 3
Механическая часть
На рис. 3.2.7 изображена основная схема сборки, показывающая,, как элект-
родвигатели подсоединяются к колесам. На рис. 3.2.8 представлен вид робо-
та сзади.
Рис. 3.2.7. Вид робота сбоку. Мы видим, кок ^лектродамготаль подсоединен к колесу
Резиновый жгут
Торцы
защиты осей
Рис. 3.2.8. Электродвигатели клеятся к коробке от компакт-диска. Шпиндели электродвигателей
прижимаются к колесом, 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, выпол-
ненного из коробки от компакт-диска, и как прокладывается металлический
лист для придания жесткости конструкции.
3 Создание роботов в дом. усл.
4 4 ЧИСТЬ 3. Проекты
Рис. 3.2.9. Прокладывание метсмличеоюго листа между коробками от
компакт-дисков до их склеивания
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 сцепления
Изоляционная
лента
Пластмассовое колесо от игрушки приклеивается к компакт-диску. Неболь-
шие пластмассовые автомобили и другие игрушки - хороший источник этих
колес. Я предпочитаю вид колеса с металлическими осями. На рис. 3.2.11 пока-
зано, 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-дис-
ками). Из рис. 3.2.13 видно, как электродвигатели клеятся и входят в зацепление
с компакт-дисками. Валы электродвигателей прижимаются к компакт-дискам
Проект 2. Robcom: боевой робот 4 5
ftalaliaustii!.
Рис. 3.2.11. Приклеивание колеса к компакт-диску
Картон
Рис. 3.2.12. Колесо крепится к картонной опоре, которой клеится к шосси
Рис. 3.2.13. Электродвигатель но рабочем месте
при помощи резиновых жгутов, удерживающих их в этом положении. Для
улучшения сцепления компакт-дисков и валов электродвигателей на шпинде-
ли надеваются маленькие колпачки. Как упоминалось раньше, эти колпачки
46 ЧИСТЬ 3. Проекты
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, ^тот кусок картона может служить
еще и кок щит, защищающ ий робот от атак неприятеля
Рис. 3.2.15. Robcom готов к аватме
Проверка боевого робота
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 нажа-
том 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.
^aiaHaus^i
Проект 2. Robcom: Боевой робот 4 7
Если электродвигатели плохо передают крутящий момент на колеса, про-
верьте 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. Схватка роботов в Colegio Mater Rmabilis
Правило и спецификации бая для роботов
Для того чтобы избежать существенной разницы в конструкции, требуется
установить правила отбора роботов для соревнований. Характеристики ро-
ботов должны быть следующими:
• длина робота должна быть 15-25 см;
• максимальное количество иголок, используемых в качестве оружия, не
должно превышать трех;
• максимальная длина йголок 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;
48 ЧАСТЬ 3. Проекты
• не разрешается применение другого оружия (или другой комбинации
оружия);
• арена ограничивается четырьмя брусками дерева с габаритами 33 м или
4x4 м.
Правило боя
• участникам не разрешается заходить на арену боя;
• участники не могут оттягивать робот за кабель дистанционного управ-
ления;
• 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 опре-
деления 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 дис-
танционное управление от боевого робота. Подобный робот изображен на
рис. 3.2.17.
Рис. 3.2.17. Обыкновенный мобильный робот, использующий дистанционное
управление из нашего проекта
Кросс-тамы
Управление движением - тема, которую легко понять из учебной программы
по физике. Преподаватели могут предложить ученикам исследовать следую-
щие моменты:
^alaHausjik
Проект 2. Robcom: боевой робот 4 9
• анализ движения. Опишите тип движения робота во время боя. Проана-
лизируйте, насколько сильно быстрое изменение направления или ско-
рости движения может повлиять на устойчивость;
• трение. Цроанализируйте влияние трения на мобильность робота;
• передача. Найдите наилучший способ передачи крутящего момента от
электродвигателя к колесам. Подумайте об использовании зубчатой пе-
редачи.
Дополнительные схемы и идеи
Основная электрическая схема проекта очень проста. В ней нет электрон-
ных компонентов и сложных элементов. Читатель, имеющий опыт работы в
электронике, может усовершенствовать схему и создать несколько интерес-
ных моделей.
Использование джойстика
На рис. 3.2.18 изображено, как джойстик применяемый в видеоиграх и персо-
нальных компьютерах, может быть использован для управления двумя элект-
родвигателями в Robcom.
Схема использует четыре реле для управления двумя электродвигателями.
Четыре переключателя джойстика используются для включения и выключе-
ния электродвигателей или для реверсирования тока через них. Положение
джойстика управляет работой электродвигателей.
5 О ЧАСТЬ 3. Проекты
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
1. Dl - D8 - кремниевые диоды 1N914 или их эквиваленты;
2. KI - К4 - реверсивные реле - 6-вольтовые на 12x50 А (выбирайте на-
пряжение 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. При-
мите к сведению, что применение только одного блока PWM достаточно для
изменения скорости вращения обоих электродвигателей. Однако, если чита-
тель хочет, он может применить блок PWM для каждого электродвигателя.
Рис. 3.2.19. Блоки управления РШМ, встроенные в схему для изменения скорости движения
^lalaHaus^.
Проект 2. Robcom: Боевой робот 51
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 и игле, может быть октивировон
диодами во время движения робота вперед
Другая идея - использование двух вращающихся, утыканных иголками ша-
ров (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 схе-
ма. Она состоит из двух язычковых переключателей и магнита (рис. 3.2.22).
Как видим, ток течет через электродвигатели и проходит через язычко-
вые переключатели. Магнит прикрепляется резиновым жгутом внутри балло-
на. Если баллон целый и полный, магнит касается язычковых переключателей
5 2 ЧАСТЬ 3. Проекты
и электродвигатели получают питание. Если баллон продырявлен, магнит
падает и переключатели размыкаются. Электродвигатели не получают пита-
ния, и робот останавливается.
Добавление звука
Простая звуковая схема для робота изображена на рис. 3.2.23. Если использо-
вать конденсатор на 47 нФ (нанофарад), то во время активизации электро-
двигателей раздастся звук сирены. Если использовать конденсатор на 10 мкФ,
то звук будет подобен стрельбе из пулемета.
С2
47 nF
Рис. 3.2.23. Звуковая схема для Robcom
^alattaus^i
Проект 2. Robcom: Боевой робот 5 3
Использование мостовой схемы Н
Цифровое управление роботом можно осуществлять, используя мостик Н.
Идея заключается в том, что четыре транзистора могут управлять прохож-
дением тока через электродвигатель так же, как и перекидной переключа-
тель 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, логичес-
кие сигналы могут быть использованы для управления. В этом случае для уп-
равления можно применить даже компьютер.
Схема работает следующим образом. При высоком уровне входного сиг-
нала двухполупериодного выпрямителя (FWR) транзисторы Q1 и Q4 включа-
ются, 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 корот-
кое замыкание тока между источником напряжения +12 В и землей. Это зап-
рещенное 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
5 4 ЧАСТЬ 3. Проекты
Таблица 4 (окончание)
ВходА Вход В Правый мотор
Низкий Высокий Вращается назад
Высокий Высокий Запрещенное состояние
Перечень элементов и компонентов мостовой схемы Н
1. IC1 - интегральная микросхема с вентилем 4011-4 «И - НЕ» (CMOS
[КМОП-структура]).
2. Q1-Q5 - транзисторы Дарлингтона TIP 122 NPN-типа.
3. R1-R5 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
4. М - электродвигатель постоянного тока (до 500 мА).
Из рис. 3.2.25 ясно, что с добавлением в схему пятого транзистора и логи-
ческой системы можно избежать этого запрещенного состояния.
В этом случае мостовая схема будет действовать так.
Таблица 5
ВходС BxqaD Электродвигатель
Низкий Высокий Вращается вперед
Высокий Высокий Вращается назад
X (не имеет значения) Низкий Остановлен
Проект 2, Robcom: Боевой робот 5 5
Такую же мостовую схему можно собрать, использовав одинаковые бипо-
лярные 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 дос-
тичь более компактной конструкции. Коробки также могут передавать кру-
тящий момент колесам (как сделанным из компакт-дисков, так и взятым из
игрушек).
Обыкновенные
пластмассовые
Коробка передач колеса
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 беспровод-
ной пульт дистанционного управления в конструкцию боевого робота. Неболь-
шие модели передатчика/приемника, аналогичные показанным на рис. 3.2.28,
56 ЧАСТЬ 3. Проекты
вполне подходят для этой задачи. При беспроводном дистанционном управ*
лении необходимо пользоваться различными частотами, особенно примени*
емыми соперниками. Если два робота будут работать на одной и той же час-
тоте, из-за взаимных помех планируемая схватка может не состояться.
Рис 3.2.28. Обыкновенные гибридные модули для передатчиков и приемников
Современные технологии
Наличие настоящих боевых роботов - реальность наших дней. Военные ро-
боты могут заменять человека в бою, использоваться для перевозки грузов,
в спасательных операциях или любых опасных для человека местах.
^alatlaus^k
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 не-
больших 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.
Задачи
Главная задача этого проекта - дать начинающему гению источники для управ-
ления небольшими электродвигателями в механотронных изделиях. Предлага-
ем краткий перечень проектов с использованием PWM:
• автоматический подъемник;
• автоматическое окно;
• говорящая голова;
• вентилятор;
• модель автомобиля.
Само собой разумеется, что, задействовав творческие способности, начи-
нающий гений сможет применить управление PWM и в других проектах.
Как работает проект
Существуют два способа управлять небольшими электродвигателями постоян-
ного 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.
5 8 ЧАСТЬ 3. Проекты
Электродвигатель
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 напряже-
ния. Если изменяется сопротивление реостата, то напряжение, приложен-
ное к электродвигателю, также изменяет последовательно его скорость вра-
щения й 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 ко-
личество 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 ме-
няют свои электрические характеристики при изменении скорости враще-
ния и крутящего момента. На практике при осуществлении линейного управ-
ления реостат применяется не для прямого управления током, проходящим
через электродвигатель, а для управления током, проходящим через базу
транзистора (рис. 3.3.2).
Поток тока
Рис. 3.3.2. Основной поток тока, проходящий через электродвигатель, управляете» транзистором
^atattaus^i
Проект 3. Использование широтно-импульсной модуляции (РШМ) 5 9
Следовательно, реостат рассеивает меньше тепла, а большую часть тепла
рассеивает транзистор, управляющий основным потоком тока в электричес-
кой схеме. В этой книге мы объясним подробно, как строить прибор линей-
ного управления, известный также под названием «электронный реостат».
Вторым этапом создания прибора линейного управления будет прибор,
использующий принцип управления при помощи PWM. Поскольку это намно-
го более эффективный способ управления количеством энергии, приклады-
ваемой к нагрузке, то он широко применяется в такой распространенной
бытовой радиоэлектронной аппаратуре, как компьютеры, телевизоры, ви-
деомагнитофоны и т.п. Управление PWM также часто называют управлени-
ем импульсного источника питания (SMPS). В основе управления PWM лежит
использование прямоугольного импульса напряжения, питающего электро-
двигатель (рис. 3.3.3). Количество энергии, прикладываемой к электродвига-
телю, зависит от продолжительности каждого импульса или рабочего цикла,
управляющего напряжением. Если продолжительность импульса равна интер-
валу 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. 3.3.3^ мы видим, что происходит, когда действие идет по этому сценарию.
Средняя
мощность
Рис. 3.3.3. Принцип действия управления РШМ
Легко увидеть, что управление шириной импульсов может изменить сред-
нюю 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 перемен-
ным рабочим циклом. Во время работы генератора транзистор включается
6 О ЧАСТЬ 3. Проекты
Генератор PWM
(управление)
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 пря-
моугольной волны к электродвигателю. Обратите внимание, что когда тран-
зистор включен, то сопротивление между эмиттеро,м 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 тран-
зистор выключен, то поток тока через него не проходит и рассеянная мощ-
ность тоже равна нулю.
В действительности транзистор не может переходить из состояния «вклю-
чено» к состоянию «выключено» или наоборот достаточно быстро, чтобы
избежать генерирования тепла.
Транзистору необходимо ограниченное время для изменения своего со-
стояния. Кроме того, важно отметить, что в схеме данного вида при пере-
ключении генерируется тепло. Однако по сравнению с теплом, генерируе-
мым в схемах линейного уравнения, оно достаточно небольшое.
Другое преимущество управления PWM выявляется при управлении элек-
тродвигателями постоянного тока: электродвигатели с управлением PWM
обеспечивают более постоянный крутящий момент в течение скоростного
режима работы.
Основной проект
Управление PWM для небольших электродвигателей постоянного тока мо-
жет быть использовано в различных проектах с применением деталей и частей
общего назначения. Наш основной проект использует интегральную микросхе-
му 555 общего назначения с устойчивой схемой, запускающей транзистор сред-
ней мощности PNP-типа (рис. 3.3.5).
^alaHaus^i
Проект 3. Использовоние широтно-иллпульсной модуляции (РШМ) 61
Модулятор
PWM
Рис. 3.3.5. Основная схема управления 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 вол-
ны с частотой, изменяемой в соответствии с переменной продолжительнос-
тью импульсов (рис. 3.3.6).
t - постоянная величина
Рис. 3.3.6.6 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
6 2 ЧАСТЬ 3. Проекты
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 электродви-
гателя. Конденсаторы с низкой емкостью могут выдавать очень высокие час-
тоты, 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 виб-
рацию электродвигателя или работу с толчками на низких скоростях враще-
ния. Читатель должен поэкспериментировать, чтобы выбрать наилучший
конденсатор в диапазоне емкостей, предложенных в тексте, и к тому же хо-
рошо согласующийся с характеристиками используемого электродвигателя.
Схема может работать от источника питания в диапазоне 5-12 В, а элект-
родвигатель способен запускаться с током до 500 мА. В разделе усовершен-
ствований этой главы мы предложим схемы, которые могут запускать более
мощные электродвигатели.
Кои 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, ис-
пользуя протоплаты или универсальные печатные платы (РСВ).
Транзистор нужно разместить на теплоотводящем радиаторе, а потенци-
ометр должен быть соединен со схемой длинными проводами. Если электро-
двигатель предполагается разместить далеко от блока управления, то схему
лучше смонтировать вблизи от электродвигателя, а не от потенциометра.
NafaVLaus;
Проект 3. Использование широтно-импульсной модуляции (РШМ) 6 3
Рис. 3.3.8. Небольшая печатная плата со смоитиробо^ыми на ней электронными элементами и
компонентами управления РШМ
Проверка и использование
Подсоедините управление к электродвигателю постоянного тока и источни-
ку питания. Источник питания можно собрать из четырех батареек размером
АА или D (с суммарным напряжением 6 В). Скорость вращения электродвига-
теля 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 емкос-
тью, который лучше будет согласован с характеристиками электродвигателя.
Перечень элементов и компонентов для схемы
управления РШМ
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC.
2. Q1 - транзистор средней мощности, PNP-типа BD136 или эквивалент-
ный (BD138, TIP32, TIP42 и т.п.).
3. D1 - кремниевый диод 1N4002.
4. Rl, R2, R3 - резисторы на 1 кОм (коричневый, черный, красный).
5. Р1 - линейный потенциометр на 100 кОм (вращающийся или сколь-
зящий).
6. С1 - конденсатор 220 нФ - 0,47 мкФ, полиэфирный или электролити-
ческий.
7. С2 - электролитический конденсатор от 470 мкФ х 16 В, рабочее зна-
чение напряжения постоянного тока в вольтах (WVDC).
8. В1 - источник питания 5-12 В.
9. Ml - электродвигатель постоянного тока (5-12 В, до 500 мА).
Печатная плата, теплоотводящий радиатор для Q1, провода, припой и т.п.
64 ЧАСТЬ 3. Проекты
г
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.
Простой подъемник
На рис. 3.3.9 показано, как на основе предложенной схемы построить экспе-
риментальный подъемник. S1 - переключатель, изменяющий направление
вращения электродвигателя.
Рис. 3.3.9. Простой подъемник, использующий упроалемие 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 электродвигателя
при помощи резиновых жгутов
^\alallauswk
Проект 3. Использование широтно-иллпульсной модуляции (РШМ) 6 5
Автоматическое окно
На рис. 3.3.11 показано, как использовать небольшой электродвигатель по-
стоянного тока с коробкой передач и управлением PWM и построить авто-
матическую систему для управления оконной занавеской.
Очень важно на пути движения занавески не допустить выпуклостей и
бугров (когда окно полностью открыто или закрыто), дабы исключить рыв-
ки 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 элек-
трический вентилятор, используя управление PWM. Диапазон управления ско-
ростью вращения вентилятором щирок и зависит от того, насколько сильный
поток воздуха вам требуется.
Рис. 3.3.12. Упроаление небольшим вентилятором при помощи схемы РШМ
6 6 ЧАСТЬ 3. Проекты
Увеличение мощности
На рис. 3.3.13 проиллюстрировано применение транзистора Дарлингтона для
управления мощными электродвигателями. Транзистор TIP122 может быть
использован для управления электродвигателями до 2 А. Другие транзисто-
ры, такие как TIP140, могут быть использованы для управления электродви-
гателями до 4 А.
Силовой МОП-транзистор можно применить в схеме, не вызывая каких-
либо видимых изменений. Помните, что для нормального управления нагруз-
кой 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 шири-
ны импульса и изменения в интервале между импульсами. Используя эту схе-
му, можно обеспечить почти постоянную частоту, несмотря на изменения,
происходящие в рабочем цикле.
Эта конфигурация лучше, чем та, которую мы предложили в качестве ос-
новного проекта. Выходной транзистор может быть транзистором средней
мощности PNP-типа, таким как BD136 или транзистором Дарлингтона, если
нужно управлять мощными электродвигателями.
ftalaHaus’,
Проект 3. Использование широтно-иллпульсной модуляции (РШМ) 6 7
Рис. 3.3.14. Принципиальная схема для управления РШМ
Перечень элементов и компонентов
реальной схемы РШМ
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. Q1 - кремниевый силовой транзистор BD136 или TIP32 PNP-типа.
3. DI, D2, D3 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148 или 1N914.
4. Rl, R2 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранже-
вый).
5. R3 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
6. Р1 - потенциометр на 100 кОм.
7. С1 - конденсатор 0,047-0,47 мкФ.
8. 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 сле-
дует за светом или избегает его (рис. 3.3.16).
Для создания большей направленности и чувствительности для чувстви-
тельного элемента нужно поместить фоторезистор в трубку из непрозрачно-
го картона, на входе которой находятся конвергентные - сходящиеся в од-
ной точке - линзы (рис. 3.3.17).
6 8 ЧАСТЬ 3. Проекты
Рис. 3.3.15. При замене потенциометра на фоторезистор IDR скорость вращения электродвигателя
управляется потоком света, падающего на чувствительный элемент
Электродвигатель
Электра шпатель
Рис. 3.3.16. Движение робота, следующего за источником света
Рис. 3.3.17. Установка фоторезистора внутрь картонной трубки с конвергентными линзами
увеличивает чувствительность и направленность
Управление при помощи компьютера
Схема на рис. 3.3.18 может быть использована для преобразования логичес-
кого уровня порта ввода/вывода компьютера в напряжение. Этот цифро-
аналоговый преобразователь (ЦАП) (DAC) может использоваться для управ-
ления скоростью электродвигателя в соединении с управлением PWM.
Проект 3. Использование широтно-импульсной модуляции (РШМ) 6 9
Nalatiautfiik
Рис. 3.3.18. ЦЯП может использоваться для управления скоростью вращения электродвигателя при
помощи компьютера
Современные технологии
Управление PWM применяется в промышленном оборудовании для обеспе-
чения скорости вращения электродвигателей в рамках заранее заданных ве-
личин. Точность управления и применение чувствительных элементов с обрат-
ной связью для мониторинга скорости позволяет схемам PWM быть лидерами
в этой области.
Проект 4.
Ионный двиготелъ
Эксперименты и проекты, использующие высокое напряжение, всегда впе-
чатляют. Главной задачей проекта, предлагаемого вашему вниманию, являет-
ся создание фантастического двигателя, называемого ионным. Такие двига-
тели уже существуют и применяются во второстепенных операциях, не
требующих большой мощности, в космосе. Возможно, они станут двигателя-
ми 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 кос-
мическом пространстве, поскольку создаваемой ими энергии достаточно для
работы в вакууме. Это самые быстроходные двигатели, которые может по-
строить человек. Поток ионов, высвобождаемых двигателем, теоретически
может разогнать космический корабль до 80000 км/сек.
К сожалению, в действительности ионные двигатели слабы, и потребует-
ся много недель или даже лет, чтобы разогнать космический корабль до вы-
соких скоростей. Тяга большого ионного двигателя составляет не более не-
скольких грамм.
NASA (Американское космическое агентство) упорно работает над созда-
нием мощных двигателей, но период экспериментов, к сожалению, затягива-
ется 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, ко-
торый 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 постро-
ить механическую систему для космического корабля.
Проект 4. Ионный двиготель 71
^aiattaus,^.
Рис. 3.4.1. Построенный автором космический корабль с небольшой неоновой лампой. Лампа
светится, когда поток ионов тянет космический корабль
Задачи
Определенно, работающая миниатюрная модель космического корабля с ион-
ными двигателями является очень привлекательным проектом для демонстра-
ции 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 пред-
принять все возможные меры предосторожности во избежание случайного сопри-
косновения частей тела с защищенными фрагментами схемы. Следует обращаться
со схемой очень осторожно. Запрещается трогать любую часть схемы, находящую-
ся под напряжением!
Ионные двигатели
Ионные двигатели работают в соответствии с таким известным на протяже-
нии многих столетий явлением, как точечный эффект. Электрические заря-
ды 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 име-
ет сферическую шарообразную форму (рис. 3.4.2), то электрические заряды
равномерно распределяются по поверхности.
7 2 ЧАСТЬ 3. Проекты
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 толь-
ко констатировать, что электрическое напряжение пропорционально квад-
рату плотности заряда. Это означает, что электрическое напряжение нели-
нейно (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 на-
капливаться в крутых переходах проводника (рис. 3.4.3).
Связанное с этим важное явление под названием «пробой» - часть этого
процесса, которое следует учитывать наших схемах. Когда напряжение заря-
дов, находящихся в крутых переходах тела, достигает достаточно высокой
величины, происходит пробой. Воздух становится токопроводящим, и заря-
ды могут быть вытеснены в жидкий движущийся поток. Наука, изучающая
такую жидкость в движении, называется электрогидродинамикой (EHD).
Но если движение зарядов достаточно сильно, чтобы вызвать столкнове-
ние 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
Проект 4. Ионный двигатель 7 3
цвет, воздух - желтый, красный или голубой в соответствии с уровнем энер-
гии, задействованным в процессе. Заряды переносятся в частицы окружаю-
щего 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).
Сила
F1 F1 = F2
Рис. 3.4.4. Закон Ньютона объясняет; как действует ионный двигатель
Поток ионов
F2
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 ско-
ростью, 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 око-
ло 10000 км/сек (36000000 км/час) - утверждают специалисты, разрабаты-
вающие двигатель, который будет применен для исследований других солнеч-
ных систем.
Как работает нош проект
Наша основная схема состоит из мощного силового генератора Хартлея и
одного транзистора. Эта схема обеспечивает напряжение до 30 кВ, достаточ-
ное, чтобы питать космический корабль. В генераторе Хартлея катушка слу-
жит 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 генери-
рования. Схему можно настроить на узкую полосу частот при помощи потен-
циометра. Этот прибор позволяет пользователю найти оптимальную часто-
ту. Фактически потенциометр служит в проекте в качестве ускорителя.
Катушка, играющая роль нагрузки для генератора, также является первич-
ной 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://w^^amazingl.com/tr3n.sformers.htm).
74 ЧАСТЬ 3. Проекты
Высокое
напряжение
напряжения
Рис. 3.4.5. Чость высвобождаемой энергии преврощрвтся в высокое напряжение, питающее
космический корабль. Другая часть используется кок 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 фильтрую-
щего конденсатора. Трансформатор понижает напряжение линии питания до
12 В. Это напряжение затем выпрямляется диодами D1 и D2 и фильтруется кон-
денсатором 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 элект-
ронной схемы.
Рис. 3.4.6. Электронная схема для ионного двигателя
^lataiiausj^
Проект 4. Ионный двигатель 7 5
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. 3.4.7.1отовоя к проверке схема но рабочем столе
Транзистор должен быть установлен на теплоотводящий радиатор. Фор-
мирующий трансформатор Т2 должен быть такого типа, который изготавли-
вается без схемы-утроителя, использующей диоды
и конденсаторы. Этот тип трансформатора защи-
щен пластиковым покрытием для избежания лю-
бого контакта с сердечником. Поэтому невозмож-
но 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
Требуемое количество витков провода зависит
от формирующего трансформатора. Вам придется
поэкспериментировать, чтобы найти их оптимальное
количество. Резистор R1 имеет проволочную обмотку.
Проверяя работу схемы, можно изменить значе-
ния емкостей конденсаторов С2 и СЗ для нахождения
наилучшего режима работы. Конденсатор С2 может
иметь емкость 0,01-0,1 мкФ, а СЗ может быть конден-
сатором емкостью 0,1-0,56 мкФ.
Все компоненты, укладываются в деревянную коробку
(рис. 3.4.9). Силовой транзистор установлен на теплоот-
водящий радиатор, а трансформатор надежно крепится
к коробке при помощи винтов. Коробка, используемая в
проекте, имеет габариты 22х22х 15 см. Подобные короб-
ки обычно используются для хранений дискет.
обмотки трансформатора 12
Рис 3.4.9. Электронная
схема размещена
в деревянной коробке
4 Создание роботов в дом. усл.
76 ЧЯСГЬЗ. Проекты
Формирующий трансформатор также размещается в коробке и надежно
крепится винтами. Высоковольтное оконечное устройство пропускается че-1
рез отверстие в крышке коробки таким образом, чтобы оно могло обеспечи-
вать 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 поля-
ризованных элементов, как транзистор, диоды и электролитические конден-
саторы. Любое случайное смещение положения компонентов и частей мо-
жет привести к тому, что схема сгорит. Длина проводов должна быть точно
отмерена, чтобы не допустить каких-либо провисаний. На рис. 3.4.10 показа-
но, как размещаются части и компоненты.
Рис. 3.4.10. Соединение частей и компонентов схемы. Кок видим, печатнбя плота
в данном 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.
Проверка 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.
Проект 4. Ионный двигатель 7 7
Поместите флуоресцентную лампу мощностью 5-40 Вт вблизи высоко-
вольтной клеммы, и она начнет светиться благодаря присутствию высоко-
вольтного поля. Это самый надежный способ проверить схему.
Перечень элементов и компонентов для
высоковольтной схемы
1. Q1 - мощный кремниевый транзистор MJE15004, NPN^nina.
2. DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды 1N5404.
3. R1 - проволочный резистор 100 кОм х 5 Вт.
4. Р1 - проволочный потенциометр на 1 кОм.
5. С1 - электролитический конденсатор на 4,7 мкФ х 25 В.
6. С2 - конденсатор с полиэфирной пленкой или керамический на 0,022 мкФ.
7. СЗ - конденсатор с полиэфирной пленкой или керамический на 0,47 мкФ.
8. Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласующейся с сетью
переменного напряжения, и вторичной обмоткой, согласующейся с цен-
тральным отводом на12+12ВхЗА (СТ).
9. Т2 - формирующий трансформатор (см. текст).
10. S1 - переключатель однополюсный на одно направление SPST (прила-
гаемый на выбор к Р1).
11. F1 - двухамперный плавкий предохранитель с держателем.
Печатная плата, теплоотводящий радиатор, винты, ручка для потенцио-
метра 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.
Один 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 рабо-
ты двигателя или вообще его остановит, если
поток устремлен в направлении, противопо-
ложном движению.
Вы можете придумать разные типы косми-
ческих кораблей. Мы предлагаем приспосо- Рис. 3.4.11. Космический корабль
бить систему к миниатюрному желобковому с неоновой лампой
7 8 ЧАСТЬ 3. Проекты
Рис. 3.4.12. Ионный двигатель
может быть приспособлен к
миниатюрному желобковому
гоночному автомобилю из
«Звездных войн»
гоночному автомобилю из сериала «Звездные вой-
ны» (рис. 3.4.12) или Star Trek’s Enterprise.
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 со-
всем. Поэтому делайте свой корабль максимально
легким.
Опора космического корабля состоит из куска
жесткого провода (американского кабельного сор-
тамента 16 или 14) длиной 15-20 см. Провод кре-
пится на прочной основе. Я использую неболь-
шую шайбу или прокладку в месте закрепления (рис. 3.4.13).
Канавка в космическом корабле должна быть подогнана к опорному про-
воду. Очень важно точно определить точку на космическом корабле, где бу-
дет сделана канавка. Когда космический корабль отделяется от провода, они
оба должны быть идеально выпрямлены.
Рис. 3.4.13. Коновка 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 ника-
ких металлических и заостренных элементов. Единственным заостренным эле-
ментом должна быть игла на ионном двигателе действующего космического ко-
рабля. 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 напряже-
ние. Неоновая лампа в корабле (если она используется) должна светиться.
ftalatiausTiik
Проект 4. Ионный двигатель 7 9
Рис. 3.4.14. Зовершокхцая опора для космического корабля
Если вы, находясь в затемненном месте, начнете подстраивать потен-
циометр 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 поло-
жение, когда кончик штырька будет светиться сильнее, и космический ко-
рабль начнет двигаться. Скорость движения зависит от веса корабля и энер-
гии, 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 опо-
ры более легкий или более короткий провод.
Гонка в космосе
Вы можете устроить соревнование, чтобы посмотреть, кто из ваших товари-
щей 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 пригодить-
ся и в других устройствах. Эксперименты с высоким напряжением очень ин-
тересны при изучении физики на уровне высшей школы. Ниже предлагают-
ся следующие проекты.
8 О ЧАСТЬ 3. Проекты
Беспроводная флуоресцентная лампа
В этом проекте вы можете уподобиться электронному магу, заставляя све-
титься 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. Флуоресцентная лампа светится вблизи генерируемого зпектричеоюго поля
Внимание! Не трогайте высоковольтное оконечное устройство во время эксперимента. Вы по-
лучите электрический удор. Помните, что хотя вы и работаете с высоким напряже-
нием порядка 1 000 В. электрический разряд не смертелен. Однако, если вы при-
коснетесь к любой части схемы во время работы, 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 окружаю-
щим, 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 за-
зоре 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 уменьшать-
ся по мере разведения концов.
Электрическая дуга будет затухать вблизи удаленных концов проволоки
там, где поле, будучи недостаточно сильным, не сможет поддерживать раз-
ряд, и процесс начнется вновь. На рис. 3.4.16 показано, как разместить отрез-
ки проволоки для демонстрации эксперимента.
^atattaus^i
Проект 4. Ионный двигатель 81
Рис. 3.4.16. Эксперимент по разведению отрезков проволоки для получения
наиболее выгодной позиции
Степень разведения зависит от генерируемого напряжения. Обратите
внимание, что в нормальных условиях электрическая дуга может достигать
1 см на каждые 10 кВ.
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 внутрен-
него давления, если лампочка сломается или упадет. Сжатый под низким дав-
лением 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 лам-
пе пальцем, и искры сконцентрируются
на том месте, где находится палец. По-
скольку стекло - хороший изолятор, по-
ток искр останется внутри лампочки и вы
не почувствуете болевого воздействия.
Учтите: чтобы нить накала создавала
свет и тепло, необходимо, чтобы через
нее проходил очень небольшой по вели-
чине ток. Нить накала действует только
как излучающий ионы электрод. Для луч-
шего эффекта лампа должна иметь мощ-
ность 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
8 2 ЧАСТЬ 3. Проекты
Электростатические эксперименты
Физические эксперименты с высоким напряжением можно было бы выпол-
нять, применяя высоковольтный генератор ионного двигателя. Но в силу
того, что многие эксперименты требуют постоянного напряжения, а элект-
ронная схема ионного двигателя генерирует переменное напряжение, необ-
ходимо к схеме подключать выпрямитель. На рис. 3.4.18 показан способ под-
соединения 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 эксперимен-
тировать с электроскопом или другими приборами. (Простой электроскоп с
металлическими пластинами может быть использован для обнаружения заря-
да объекта.)
Кросс-темы
Высоковольтные эксперименты хорошо согласуются с учебной програм-
мой по физике на уровне высшей школы. Начинающий гений-студент (и
его учитель) может взять любой проект этого раздела со следующими кросс-
темами:
• 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.
ftalaliausiik
Проект 4. Ионный двигатель 8 3
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 ион-
ный двигатель, и искровой разряд в лампе (рис. 3.4.19).
Рис. 3.4.19. Проект с применением высоковольтного генероторо, размещенного
в деревянной коробке
Основной частью схемы является высоковольтный генератор, использу-
ющий интегральную микросхему (IC4093), комплементарный металлоксид-
ный проводник (CMOS), а также биполярный транзистор NPN-типа. Нагрузи
кой для генератора является обмотка в ферритовом сердечнике обычного
высоковольтного трансформатора (или формирующего трансформатора),
аналогичного трансформаторам, использующимся в старых телевизорах и ком-
пьютерных мониторах. В данном варианте может быть использован транс-
форматор, применяемый в основном вариантов.
Низковольтные импульсы, создаваемые генератором, индуцируют (наво-
дят) 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.
8 4 ЧИСТЬ 3. Проекты
Напряжение во вторичной обмотке зависит в большей степени от рабо-
чей 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 понижа-
ет напряжение переменного тока примерно до 15 В х 3 А. В то же самое вре-
мя трансформатор ведет себя как изолирующий элемент между схемой и се-
тью питания, повышая безопасность, поэтому при прикосновении к любой
точке схемы электрического удара вы не получите.
Низкое напряжение переменного тока во вторичной обмотке трансформа-
тора выпрямляется диодами и фильтруется большим электролитическим кон-
денсатором. Поскольку схема не опасна, то и для каскада питания не потребует-
ся 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 сфор-
мирован 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 диа-
пазона 100-10000 Гц, прикладывается к трем другим вентилям, сформирован-
ным в виде цифрового буферного усилителя. Питание на выходе этого кас-
када вполне достаточно для возбуждения транзисторов.
Выходной каскад сформирован двумя транзисторами: пусковым (TIP31)
и высоковольтным силовым транзистором ВЦУ69А. Вы можете поэкспери-
ментировать с подбором замены для высоковольтного транзистора. Транзи-
стор с коэффициентом усиления более 20 и максимальным напряжением бо-
лее 200 В хорошо будет работать в схеме.
Возможно, вам захочется найти замену конденсаторам С2 и СЗ для полу-
чения оптимальных характеристик. Конденсатор С2‘ может иметь емкость
Рис. 3.4.20. Розмещение компонентов
внутри деревянной коробки
0,01-0,1 мкФ, а СЗ 0,1-0,56 мкФ. Я исполь-
зую обычно небольшую универсальную печат-
ную плату, пригодную для монтажа интеграль-
ной микросхемы, а потом еще припаиваю с
каждой стороны по оконечной полоске.
Другие электронные элементы, такие как
диоды, силовой транзистор Q1 и некото-
рые резисторы, припаиваются к оконечной
полоске. Все элементы и компоненты ус-
танавливаются в деревянную коробку. На
рис. 3.4.20 показана схема размещения ком-
понентов.
1\lataHau^i
Проект 4, Ионный двигатель 8 5
Каждый силовой транзистор устанавливается на
теплоотводящий радиатор, а трансформатор надеж-
но крепится к коробке винтами. Коробка имеет габа-
риты 22x22x15 см и обычно используется для хране-
ния дискет.
Формирующий трансформатор, взятый из старо-
го телевизора или компьютерного дисплея, должен
быть такого типа, в котором не используется схема
утроителя с диодами и конденсаторами. Этот тип транс-
форматора защищен пластиковым покрытием во избе-
жание контактов с сердечником. Поэтому невозможно
подключить первичную обмотку, как это требуется в
проекте.
Первичная обмотка формируется из 10-12 витков обычного изолирован-
ного провода (рис. 3.4.21). Проверка на работоспособность проводится в
основном проекте.
Перечень элементов для мощной электронной схемы
1. IC1 - интегральная микросхема 4093 CMOS IC (КМОП).
2. IC-2 - интегральная микросхема, стабилизатор напряжения 7812 на 12 В.
3. Q1 - мощный кремниевый транзистор TIP31C, NPN-типа.
4. Q2 - мощный кремниевый транзистор ВЦУ69С, NPN-типа.
5. DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды 1N5404.
6. R1 - резистор 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
7. R2 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
8. R2 - резистор 27 Ом х 1 Вт (красный, фиолетовый, черный).
9. Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 220 кОм.
10. С1 - электролитический конденсатор на 4,700 мкФ х 25 В.
11. С2 - конденсатор керамический или с полиэфирной пленкой на 4,700 пФ
(пикофарад).
12. Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласующейся с сетью
переменного тока, и вторичной обмоткой на 12+12Вх ЗАс централь-
ным отводом (СТ).
13. Т2 - формирующий трансформатор (такой же, как и в основном про-
екте).
14. S1 - переключатель однополюсный на одно направление SPST (прила-
гаемый на выбор к Р1).
15. 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.
86 ЧЯСТЫ Проекты
Релаксационная схема, использующая кремниевый
управляемый выпрямитель (SCA)
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.
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, схе-
ма получает питание от сети переменного тока, поэтому при работе надо
Проект 4. Ионный двигатель 8 7
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 че-
рез сеть переменного тока. В то же самое время конденсатор С2 заряжается
через цепь P1/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 транс-
форматора. А во вторичной обмотке наводится высоковольтный импульс.
После того как конденсатор разрядится до уровня, при котором ток, про-
ходящий через SCR, станет устойчивым, выпрямитель отключится, и нач-
нется новый процесс. Конденсаторы могут быть заряжены снова, чтобы гене-
рировался 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). Конден-
сатор 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, что-
бы производить большое количество тепла.
Вы можете заменить формирующий трансформатор автомобильной ка-
тушкой зажигания.
Перечень элементов и компонентов релоксоционной
cxeMbicSCR
1. SCR - кремниевый управляемый выпрямитель TIC106B(D) SCR.
2. DI - кремниевый выпрямительный диод 1N4OO4(7).
3. NE-1, NE-2H - малая неоновая лампа или эквивалент.
4. R1 - проволочный резистор 470 Ом X 10 Вт (1 кОм х 10 Вт).*
5. R2 - резистор 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
6. R3 - резистор 15 кОм х 1/8 Вт (коричневый, зеленый, оранжевый).
7. С1 - электролитический конденсатор на 8-32 мкФ х 200 В.
8. С2 - конденсатор керамический или с полиэфирной пленкой на 0,18 мкФ х
х 100 В.
9. Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 100 кОм.
10. S1 - переключатель однополюсный на одно направление SPST (прила-
гаемый на выбор к Р1).
11. Т1 - формирующий трансформатор.
Оконечная полоска, силовой кабель, провода, припой, ручка для Р1, дере-
вянная коробка, держатель плавкого предохранителя и т.п.
Значения в скобках для сети переменного тока 220/240 В. - Прим. науч. ред.
8 8 ЧАСТЬ 3. Проекты
Схеме с кремниевыми диодами для переменного тока
(SIDAC)
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. высоковольтный генератор. использующий в своей схеме SIDAC
Релаксационный генератор, подобно генератору из проекта SCR, можно
легко сформировать (рис. 8.4.24). 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 до-
стигнут уровень триггерного напряжения SIDAC. При триггерном запуске
конденсатор разряжается через первичную обмотку трансформатора, гене-
рируя 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 зажига-
ния, как было сделано в проекте с SCR.
Перечень элементов и компонентов схемы
с применением SIDAC
1. SIDAC - кремниевые диоды для переменного тока NTE7419 (ПО В),
K1200G (ПО В) или K2400G (220 В).
Значения в скобках для сети переменного тока 220/240 В. - Прим. Науч. ред.
ftalaHausiiik
Проект 4. Ионный двигатель 8 9
2. D1 -^кремниевый выпрямительный диод 1N4OO4(7).
3. R1 - проволочный резистор 1 кОм х 10 Вт (2,2 кОм х 10 Вт)*.
4. С1 - электролитический конденсатор на 8-32 мкФ х 200 В (400 В)*.
5. Т1 - формирующий трансформатор (см. текс/).
Силовой кабель, оконечная полоска, деревянная коробка, ручка для по-
тенциометра 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 мало-
мощны и используются только для изменения поло-
жения или коррекции траектории космического кораб-
ля на орбите. Единственным космическим кораблем с
ионной двигательной установкой был корабль Deep
Space 1, запущенный NASA в 1991 г. (рис. 3.4.25).
Рис. 3.4.25. Ионный
космический корабль
В настоящее время проводятся исследования по разработке мощных
ионных 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.
Эти корабли могут быть использованы для исследования далеких солнеч-
ных систем, которых невозможно достичь на обычных космических кораб-
лях. NASA уже разработало планы по строительству таких летательных аппа-
ратов.
* Значения в скобках для сети переменного тока 220/240 В. - Прим. науч. ред.
Проект 5.
Экспериментальный гальванометр
Гальванометры - чувствительные приборы, способные обнаруживать (детек-
тировать) электрический ток. Когда начинающий гений создаст свой гальва-
нометр, то сможет идентифицировать (опознать) несколько механотронных
изделий и провести эксперименты с альтернативными источниками энергии
и фотоэлектрическими элементами.
Предлагаемый основной вариант гальванометра может обнаружить токи ве-
личиной в несколько микроампер, а с помощью электронного усилителя обна-
руживает 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 основ-
ном из старых электронных устройств и бытовых приборов. В силу своей
простоты проект идеален для начинающих гениев, а также учителей, кото-
рые 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 гальвано-
метры для экспериментов по детектированию электрического тока. Экспе-
рименты могут иметь различную степень трудности в зависимости от обра-
зовательного уровня учеников.
Задачи
Хотя детектирование тока гальванометром - очень забавная штука, при мон-
таже 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.
^latattaus,^
Проект 5. Экспериментальный гальванометр 91
Рис. 3.5.1. Ученики монтируют гальванометр
Как он работает
Датский профессор Ганс Христиан Эрстед открыл, что электрический ток
может создать магнитные поля.
В своем эксперименте он разместил металлический провод вблизи компа-
са (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 ком-
паса. Стрелка отклонилась и остановилась в положении, параллельном сило-
вым линиям магнитного поля (то есть перпендикулярно полю) (рис. 3.5.3).
В результате этого эксперимента исследователи обнаружили, что если про-
вод скрутить в катушку, то внутри него может сконцентрироваться магнитное
поле (рис. 3.5.4).
9 2 ЧИСТЬ 3. Проекты
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 гальва-
нометром. Современные аналоговые гальванометры состоят из движущихся
катушек, расположенных между полюсами магнита (рис. 3.5.5).
Когда электрический ток протекает по катушке, магнитное поле взаимо-
действует 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.
^alattaus^
Проект 5. Экспериментальный гальванометр 9 3
Рис. 3.5.5. Гальванометр с подвижной катушкой
Постройка гальванометра
На рис. 3.5.6 показана последовательность постройки гальванометра. Катуш-
ку изготавливают, наматывая провод на любой цилиндрический предмет ди-
аметром 7-10 см. Вы можете использовать любой имеющийся под рукой про-
вод. 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
94 ЧИСТЬ 3. Проекты
Рис. 3.5.7. (ольвонометр,
готовый к использованию
Количество 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.
Винты используются для закрепления око-
нечного устройства, соединяющего катушку
с внешней схемой или прибором. Снимите
крышку с оконечного устройства и соедини-
те концы катушки с клеммами оконечного ус-
тройства. С эмалированного провода необхо-
димо соскоблить эмалевое покрытие, поскольку
оно действует как изолятор. В этих целях ис-
пользуйте перочинный ножик'или резак для
проводов.
Следующий этап - подготовка стрелки
(иголки). Найдите иголку длиной 5-7 см. Что-
бы 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
1. Провод длиной от 1 до 15 м (см. текст).
2. 1 игла длиной 5-7 см.
3. 1 оконечное устройство с винтами.
4. Лист картона размером 12x12 см.
Тесьма, клейкая лента, клей и т.п.
Проверка гальванометра
Простая схёма, которая позволяет определить чувствительность гальвано-
метра (рис. 3.5.8).
Вначале подстройте потенциометр на максимальную величину сопротив-
ления. Это означает, что нужно будет передвигать движок все время напра-
во. Используйте потенциометр на 10 кОм, ток щупа должен быть около 0,3 мА,
или 300 мкА.
iXatallaus
Проект 5. Экспериментальный гальванометр 9 5
Рис. 3.5.8. Испытательная схема для гальванометра
Прикоснитесь к оконечному устройству гальванометра проводом со щу-
пом от батарейного кожуха (рис. 3.5.8) и посмотрите, отклонилась ли стрел-
ка. Если она движется, значит, ваш гальванометр достаточно чувствителен,
чтобы детектировать ток ниже 300 мкА.
Если стрелка не движется, передвиньте движок потенциометра на несколь-
ко градусов левее - примерно 2/3 полного оборота. После этого сопротивле-
ние 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 чувстви-
тельность около 0,5 мА. Если это не так, уменьшите еще немного сопротив-
ление потенциометра, увеличивая тестовый ток.
Установите движок на 1 /3 полного сопротивления, это положение соот-
ветствует диапазону 3500 Ом. Учитывая допуска компонентов, вы будете иметь
ток щупа примерно равным 1 мА. Повторите тест и посмотрите, отклоняет-
ся ли стрелка. Если она движется, то чувствительность вашего гальваномет-
ра равна 1 мА. Если нет, увеличьте ток снова.
Теперь сделайте сопротивление потенциометра равным 0, единствен-
ным сопротивлением в цепи останется только резистор R1. При напряже-
нии питания в 3 В ток щупа будет равным 6 мА. Повторите тест. Стрелка
должна двинуться снова. Если этого не произойдет, перестройте гальвано-
метр, намотайте больше провода на катушку и проверьте нить, на которой
подвешена иголка.
9 6 ЧАСТЬ 3. Проекты
Для точности проверки параллельно подключите в схему универсальный
тестер и удостоверьтесь точно, какой ток он обнаруживает. На рис. 3.5.9 по-
казано, как это можно сделать.
Рис. 3.5.9. Используйте тестер для определения чувствительности гальванометра
Перечень элементов и компонентов проверочной
схемы гальванометра
1. В1 - 2 батарейки размера АА напряжением 3 В (и кожух).
2. R1 - резистор 330 Ом х 1/8 Вт (оранжевый, оранжевый, коричневый).
3. Р1 - линейный потенциометр на 10 кОм.
Провода, припой, оконечная полоска и т.п.
Идеи для экспериментов
Эксперименты с гальванометром делятся на две группы: использование галь-
ванометра для детектирования альтернативных источников питания и ис-
пользование гальванометра как части других проектов.
Кросс-темы
Для представления кросс-тем использовали гальванометр в качестве детек-
тора простых альтернативных источников энергии в некоторых эксперимен-
тах. На рис. 3.5.10 показаны два химических альтернативных источника энер-
гии. На рис. 3.5.10а изображен элемент, сделанный из лимона или другого
цитрусового. Электроды изготовлены из разных материалов, таких как мед-
ный (положительный электрод) и цинковый или алюминиевый (отрицатель-
ный 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
1\alalfaus^i
Проект 5. Экспериментальный гальванометр 9 7
Рис. 3.5.10. Элементы как альтернативные источники энергии
монетами, смочена в соленом растворе. Прикасаясь выводами этого элемен-
та к оконечному устройству гальванометра, мы увидим, что стрелка гальвано-
метра движется, свидетельствуя, что элемент вырабатывает напряжение.
Другим источником энергии, при помощи которого можно проверить
гальванометр, является фотоэлемент, применяющийся в калькуляторах. При-
касаясь к оконечному устройству гальванометра проводами, идущими от ис-
точника энергии (фотоэлемента), и выставив его на свет, можно увидеть,
что стрелка движется.
Под конец вы можете использовать небольшой электродвигатель для ге-
нерирования электроэнергии от движения (см. раздел «Проект 8. Экспери-
менты с эоловыми (ветряными) генераторами»). На рис. 3.5.11 показан спо-
соб проведения эксперимента.
Рис. 3.5.11. Испольэовоние 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 чувствитель-
ность, подключив к нему электронный усилитель.
Схема состоит из одного транзистора и может быть размещена на око-
нечном устройстве. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 3.5.12.
Этот транзистор позволяет гальванометру стать тестером чувствитель-
ной непрерывноёти и даже детектором лжи. Тока величиной всего несколько
98 ЧЯСТЬ 3. Проекты
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 пока-
зано, как монтировать схему, используя оконечную полоску.
Вы можете проверить чувствительность схемы, подсоединив ко входу по-
тенциометр 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 яв-
лении изменения электрического сопротивления кожи человека, когда он
находится в состоянии стресса и нервничает - скажем, во время допроса.
Движение стрелки обнаружит небольшие изменения в электрическом сопро-
тивлении кожи.
Чтобы на основе гальванометра создать детектор лжи, сделайте следующее.
Изготовьте два электрода из двух металлических стержней, которые, плотно
обхватив, буцет держать в руках испытуемый. Человек должен быть уверен в
работе схемы. Он будет оказывать постоянное давление на электроды, чтобы
^laiattaus^.
Проект 5. Экспериментольный гольвонометр 99
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 увеличе-
ния чувствительности вашего детектора.
Используя схему в качестве компонентного тестера (тестера непрерывно-
сти), вы должны, под соединить щупы тестера ко входу компонента. Если про-
веряемый компонент имеет сопротивление ниже 100 кОм, стрелка откло-
нится. В противном случае (например, если в схеме есть обрыв), стрелка
будет находиться в состоянии покоя.
Перечень элементов и компонентов усилителя
1. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 или 2N2222,
NPN-типа.
2. R1 - резистор 100 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, коричневый).
3. R2 - резистор 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
4. В1 - 2 батарейки размера АА напряжением 3 В (держатель).
5. G1 - гальванометр.
Оконечная полоска, провода, щупы и т.п.
Дополнительные схемы и идеи
Основной проект гальванометра может быть усовершенствован или использо-
ван в других целях. Предлагаем несколько вариантов проекта на ваш выбор.
Использование компаса
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.
100 ЧАСТЬ 3, Проекты
Направление
намотки
провода
Рис. 3.5.15. Использование компаса в качестве гальванометра
Мощный усилитель
Мощный усилитель из двух транзисторов увеличивает чувствительность галь-
ванометра в 10000 раз.
Транзисторы формируют пару Дарлингтона. Входное сопротивление очень
высокое, что усиливает чувствительность схемы.
Рис. 3.5.16. Мощный усилитель
Перечень элементов и компонентов мощного усилителя
1. QI, Q2 - кремниевые транзисторы общего назначения ВС548 или
2N2222, NPN-типа.
2. R1 - резистор 100 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, коричневый).
3. R2 - резистор 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
4. В1 - 2 батарейки размера АА напряжением на 3 В (держатель).
5. PPI, РР2 - щупы.
6. G1 - гальванометр.
ftataHaustiik
Проект 5. Экспериментольный гальванометр 101
Оконечная полоска или печатная плата, провода, припой и т.п.
На рис. 3.5.17 показаны схемы, которые могут быть применены для увели-
чения 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 обнаруже-
ния 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.
Детектор Детектор
обнаружения обнаружения
темноты света (фотодетектор)
Рис. 3.5.18. Обнаружение света при помощи экспериментального
гальванометра
102 ЧАСТЬ3. Проекты
Установите батарейки в держатель и направьте иглу гальванометра в по-
ложение, перпендикулярное плоскости катушки. Осветите электрическим
фонариком фоторезистор. В результате этого стрелка отклонится, указывая
на обнаружение света чувствительным элементом.
Перечень элементов и компонентов фотодетекторе
1. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 или 2N2222,
NPN-типа.
2. LCR - фоторезистор общего назначения LDR (Light dependent resistor).
3. R1 - резистор 100 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, коричневый).
4. R2 - резистор 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
5. В1 - 2 батарейки размера АА напряжением на 3 В (и держатель).
6. 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 по-
тенциометром Р1. Поскольку потребление тока очень мало, схема может за-
пускать гальванометр и обеспечивать движение в течение месяцев. Это, ко-
нечно же, квази (ложная) машина «перпетуум-мобиле».
Рис. 3.5.19. Сеемо машины «перпетуум-мобиле»
В1
6V
Вы можете приделать к иголке какую-нибудь забавную фигурку, вырезанную
из цветного материала, чтобы превратить ее в движущуюся (рис. 3.5.20). Ма-
шина «перпетуум-мобиле» по идее должна работать без использования какой-
либо энергии. В прошлом многие люди верили, что такую машину можно пост-
роить. Но, конечно, закон сохранения энергии не позволяет этого сделать.
^latattaus,^.
Проект 5. Экспериментальный гальванометр 103
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, уве-
личьте значение сопротивления резистора R4.
Перечень элементов и компонентов мошины
«перпетуум-мобиле»
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558, PNP-типа.
3. Rl, R2 - резистор 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
4. R3 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
5. R4 - резистор 220 Ом х 1/8 Вт (красный, красный, коричневый).
6. С1 - электролитический конденсатор на 1-10 мкФ х 12 В.
7. Р1 - потенциометр точной подстройки.
8. В1 - 4 батарейки размера АА напряжением на 6 В (и держатель).
9. G1 - гальванометр.
10. S1 - переключатель однополюсный на одно направление SPST.
Печатная плата, припой и т.п.
104 ЧАСТЬ 3. Проекты
Современные технологии
Аналоговые, или механические, гальванометры больше не используются в
современных устройствах. В настоящее время устаревшая технология с под-
вижными катушками со стрелками встречается только в древних машинах.
Подавляющее большинство современных детекторов и индикаторов - циф-
ровые. Механические части в них уже не используются. Поэтому они гораз-
до 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 стрел-
ку относительно шкалы, и установите ее внутрь катушки.
^lalattaus^!.
Проект 6.
Поэкспериментируем с электромагнитом
Эксперименты с электромагнетизмом легко выполнимы при использовании
простых самодельных электромагнитов.
Небольшие металлические предметы вроде лезвий, гвоздей, канцелярс-
ких скрепок, винтов и т.п. будут притягиваться магнитной силой, создаваемой
электромагнитами.
Основной вариант электромагнита, описанный ниже, может быть приме-
нен во многих экспериментах и технических устройствах. Только два компо-
нента используются в этом недорогом проекте. Это проект, рекомендуемый
начинающим гениям, которые захотят поэкспериментировать с электромаг-
нетизмом и создать что-нибудь несложное. Другие варианты, включая подко-
вообразный электромагнит, будут описаны ниже.
Задачи
1. Смонтируйте экспериментальный электромагнит.
2. Изучите, как он работает.
3. Разберитесь в принципе работы некоторых устройств с электромагни-
тами.
4. Постройте несколько механотронных проектов с использованием элек-
тромагнитов.
Проект
Принцип работы схемы основан на открытии, сделанном датским профессо-
ром Эрстедом в 19 в. Эрстед обнаружил, что во время прохождения электри-
ческого тока через проводник вокруг него появляется магнитное поле. Бо-
лее подробно об открытии Эрстеда можно прочитать в предыдущем разделе,
где описываются эксперименты с гальванометрами.
Коротко можно сказать, что если через проводник протекает ток боль-
шой силы, то и поле будет достаточно сильным, чтобы отклонить стрелку ком-
паса, располагая ее в плоскости, перпендикулярной к проводнику (рис. 3.6.1).
Магнитное поле может быть сконцентрировано, если провод (провод-
ник) 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.
106 ЧЙСТЬЗ. Проекты
Рис 3.6.1. Стрелке компаса выстраивается в одну линию с линиями магнитного поля
Рис. 3.6.2. Магнитное поле внутри соленоида (катушки), пересекаемое электрическим током
Металлические предметы, помещенные в центр катушки, останутся на-
магниченными, 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 притягивать-
ся не будет.
Наша простая модель включает в себя небольшой электромагнит с пита-
нием 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.
^lalaHausi^
Проект6. Поэкспериментируемс электромогнитом 107
Электромагнит изготовлен при помощи навивки
100-500 витков эмалированного провода сортамен-
та 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 ре-
заком, перочинным ножом или другим острым инст-
рументом. Эмаль является изолятором, который не
позволит току течь от провода к полюсам батарейки.
В качестве источника питания выбрана батарей-
ка размера D, так как схема электромагнита потреб-
ляет большое количество тока и батарейки размера
АА быстро разрядятся.
Рис 3.6.4. Электромагнит,
запитываемый от батарей-
ки D, поднимает гвоздь
Проверка и использование
Использовать электромагнит очень просто. Подключите провода, идущие от
электромагнита, к полюсам батарейки. Проверьте, чтобы на концах прово-
дов не было изоляции и имелся нормальный контакт с полюсами батарейки.
Помните, что если расположить электромагнит вблизи небольших металли-
ческих частей, то он будет притягивать их.
Не используйте электромагнит в течение длительного периода времени.
Если ток течет через катушку долее нескольких секунд, то катушка силь-
но нагреется и может сгореть. Поэтому включайте электромагнит только во
время демонстрации на очень короткое время и тут же выключайте.
Перечень компонентов схемы электромагнита
1. В1 - батарейка D (см. текст).
2. L1 - электромагнит (см. текст).
5 Создание роботов в дом. усл.
108 ЧИСТЬ3. Проекты
Другие варианты проекта
На рис. 3.6.5 показано, как улучшить или изменить работу электромагнита,
применив другие материалы.
Железо/сталь
Направление
намотки
Рис. 3.6.5. Другие варианты электромагнита
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 электромаг-
нитом. Этот резистор ограничит поток тока через катушку и не даст ей пе-
регреться.
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 кран, использующий электромагнит для перемещения мелких
металлических частей
Проект 6. Поэкспериментируем с электромогнитом 109
ftaiatiausiiiik.
Извлечение из бутылки
Задайте своим друзьям или родителям следующий остроумный тест. Поставь-
те 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, скреп-
ки, хлопчатобумажные тряпки, спички, батарейку размера D и т.п.
Задача заключается в том, что с помощью этих предметов нужно выта-
щить 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, опу-
стить 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 опу-
стите магнит в бутылку, он легко притянет к себе скрепку, после чего вы спо-
койно и непринужденно извлечете скрепку из бутылки, и задача будет реше-
на (рис. 3.6.7).
Рис. 3.6.7. Решение задачи с бутылкой
Кросс-темы
Продемонстрируйте окружающим, что магниты притягивают только опреде-
ленные виды металлов. Они не могут притягивать детали из таких материалов,
110 ЧАСТЬ 3. Проекты
как медь или алюминий. Объясните, почему бумага, стекло, пластмасса и дру-
гие 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.
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.
У правление мощностью
Вы можете управлять силой тока в электромагните с помощью двух схем.
Первая схема использует электронный потенциометр (см. проект 7), под-
ключенный 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).
Рис. 3.6.9. Использование линейного управления
Вторым вариантом является управление при помощи широтно-импульс-
ной модуляции (PWM) (см. проект 3). И в этом случае вы имеете возмож-
ность 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 источни-
ка тока силой 50-500 мА в соответствии с размером магнита и требуемой
мощностью. Для определения сопротивления тока надо поделить 1,25 (внут-
ренняя ссылка интегральной микросхемы) на требуемую силу тока.
Проект 6. Поэкспериментируем с электромогнитом 111
Nalalfausfiik
Подстройка
Выход
Вход
Рис. 3.6.10. Источник постоянного тока для экспериментов с применением магнитов
LM350J
Например, если вы пожелаете подать питание на магнит с силой тока 100 мА
(величина, рекомендуемая для проекта), то сопротивление резистора R дол-
жно 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 теп-
лоотводящий радиатор.
На рис. 3.6.11 показано, как монтировать источник постоянного тока, ис-
пользуя в качестве шасси оконечную полоску.
Рис. 3.6.11. Использование оконечной полоски для фиксирования
небольших компонентов проекта
112 ЧАСТЬ 3. Проекты
Перечень элементов и компонентов источнике
постоянного тоне
1. IC1 - интегральная микросхема LM350T.
2. DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды 1N4002.
3. Т1 - трансформатор; первичная обмотка, согласованная с напряжени-
ем 117 В сети переменного тока; вторичная обмотка, согласованная с
7,5+7,5 В или 9+9 В х 1 А.
4. С1 - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 16 В.
5. 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 поксэывоет, что одноименные полюса отталкиваются,
о разноименные притягиваются друг к другу
Если полюса противоположны, то электромагниты притянутся друг к дру-
гу. Если в одном из полюсов изменить направление тока, то полюса станут
одноименными и электромагниты будут отталкиваться.
Однополюсные переключатели S1 и S2 используются для изменения на-
правления тока, а резисторы для ограничения тока. Без переключателя и
резисторов батарейки быстро разрядятся, и магнит перегреется.
Другой источник питании
На рис. 3.6.13 показан способ создания небольшого источника питания для
экспериментальных магнитов. Для ограничения тока, проходящего через экс-
периментальные магниты, применяется резистор, имеющий низкое сопро-
тивление и пропускающий ток большой силы. Благодаря предлагаемой схе-
ме эксперимент будет безопасным, а батарейки защищены. Питание в этой
схеме не регулируется, и напряжение будет изменяться в соответствии с на-
грузкой. Поэтому для электронных устройств схема не подходит. Однако вы
^lalaHaus^i
Проект 6. Поэкспериментируем с электромагнитом 113
можете использовать ее для питания небольших электродвигателей, кату-
шек-соленоидов и других устройств, которые выдерживают куда более широ-
кий диапазон напряжений.
R
Т1 6V
50-300 mA
117V
переменного
тока
-м—
D1
1N4002
47-100 П
2W
?—
470MF/12V
Электромагнит
Рис. 3.6.13. Простои источник питания для экспериментальных магнитов
Современные технологии
Электромагниты являются важными элементами многих современных при-
боров и устройств. Наиболее типичные примеры - электродвигатели, реле
и соленоиды.
В промышленном секторе применяются мощные электромагниты, пере-
мещающие большие массы металла весом до нескольких тонн. Они очень
эффективны для выполнения подобных задач, так как не нуждаются в крю-
ках 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 элект-
ромагнитов;
• 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 характеристи-
ками импульсов, прикладываемых к электродвигателю.
PWM - вид цифрового управления, имеющий много преимуществ по срав-
нению с другими видами управления.
Но если вам нужен менее продвинутый способ, чтобы управлять скорос-
тями небольших электродвигателей постоянного тока, светом ламп накали-
вания, 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 може-
те поэкспериментировать и построить несколько механотронных устройств,
основанных на проекте с этим видом управления мощностью. Это очень про-
сто. Необходимо только подсоединить управление между постоянным источ-
ником питания, например батареей, и нагрузкой, которой надо будет управ-
лять для осуществления контроля за током, протекающим через схему.
Задачи
1. Установить полное управление нагрузками постоянного тока, такими
как электродвигатели, лампы, светоизлучающие диоды (LED) и т.п.
2. Провести эксперименты с нагрузками, которые требуют управления
мощностью.
3. Построить механотронные проекты, использующие нагрузки постоян-
ного тока, которые требуют управления мощностью (подъемники, го-
ночные автомобили и вентиляторы).
Как он работает
Для управления током, протекающим через нагрузку, в этом проекте использу-
ется обычный транзистор средней мощности NPN-типа. Управляющим эле-
ментом является угольный потенциометр.
^lataHaus^.
Проект 7. Электронный потенциометр 115
Прежде чем вдаваться в подробности, выясним, в чем разница между по-
тенциометром и реостатом. Реостат - это регулируемый резистор, подклю-
ченный к схеме, чтобы управлять силой тока в ней. Некоторые виды потенци-
ометров 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 электро-
двигателей 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).
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 бе-
рем электронный компонент, называемый потенциометром, .за основу кон-
струкции, 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 кон-
струкции управляемое количество тока зависит главным образом от использу-
емого транзистора. В данном проекте применяется транзистор BD135, кото-
рый способен управлять током силой до 500 мА. Вы можете выбрать другой
транзистор из табл. 6. Источник питания для схемы должен быть напряжени-
ем не выше 12 В.
116 ЧАСТЬ 3. Проекты
Тоблицоб
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
Как построить электронный потенциометр
На рис. 3.7.2 показана принципиальная схема основного варианта электронно-
го потенциометра, использующего кремниевый транзистор BD135 NPN-типа.
Вход О-
О Выход
-----Wr
R1 Р1
100Q IkO
Рис. 3.7.2. Принципиальная схема электронного потенциометра, использующего
транзистор NPN-типа
Поскольку в схему входит мало компонентов, они могут быть смонтиро-
ваны на оконечной полоске (рис. 3.7.3).
Для лучшего отвода тепла транзистор необходимо монтировать на тепло-
отводящий 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 транзи-
сторы, то лучше всего установить транзистор на большой теплоотводящий
радиатор промышленного образца.
Если вы будете применять транзистор иной, чем рекомендован в основ-
ном проекте, то обязательно проверьте расположение выводов. В каждом
транзисторе оно может быть разным (рис. 3.7.4).
Электронный потенциометр может быть размещен в небольшой пласт-
массовой коробке или в той же коробке, в которой находится сама схема.
Для подключения электронного потенциометра к источнику питания и к уп-
равляемой схеме прилагаются оконечная полоска или пружинный схватыва-
ющий 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
NaiaHausii
Проект 7. Электронный потенциометр 117
Рис. 3.7.3. Простейший способ монтажа компонентов - припаивание их к оконечной полоске
BD135/137/139
TIP31/A/B/C
Рис. 3.7.4. Расположение выводов эквивалентных транзисторов
питания. Тщательно проверьте правильность подключения, так как эти про-
вода поляризованы. Выходные выводы + и - подсоедините проводами к на-
грузке, которой нужно управлять.
Промониторьте потенциометр Р1, чтобы посмотреть, как изменяется ко-
личество энергии, приложенной к нагрузке.
Для тестирования потенциометра вы можете использовать небольшую
лампу (12x200 мА). Изменение количества энергии вызовет изменение ярко-
сти свечения лампы.
Если при управлении нагрузкой транзистор перегревается, однако нагруз-
ка не достигает максимальной мощности, то потенциометр использовать не
следует. Потому что потребляемый нагрузкой ток больше максимального тока,
обеспечиваемого потенциометром.
118 ЧАСТЬ 3. Проекты
Перечень элементов и компонентов электронного
потенциометре
1. Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD135 NPN-типа
(см. текст).
2. R1 - 5-процентный резистор 100 Ом х 1 Вт (коричневый, черный, ко-
ричневый).
3. 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 сконструи-
рован 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. Ислользовоние электронного потенциометре
С помощью воображения и конструкторских навыков вы можете сами со-
здать проект, управляемый этим потенциометром, а также придумать интерес-
ные эксперименты для освоения темы.
А вот то, что предлагаем мы.
Источник света для микроскопа
Большинство недорогих микроскопов используют отражающий свет» сфоку-
сированный 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 уп-
равляемый источник света, используя электронный потенциометр в качестве
диммера (переключателя для уменьшения силы света). Полная схема для лам-
пы 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
ftalaltausi
Проект 7. Электронный потенциометр 119
Рис. 3.7.6. Использование электронного потенциометра кок светового
диммера для микроскопа
в сеть переменного тока. Эта схема пригодна для выполнения эксперимен-
тов в области оптики, если вы - ученый-любитель или учитель, ищущий де-
шевое 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 повы-
сить температуру. Тепло может регулироваться потенциометром. Вы можете
заменить резистор лампой и проводить эксперименты с ростом растений.
Рис. Ъ.1.1. Управление теплом
120 ЧАСТЬ 3. Проекты
Простой подъемник
На рис. 3.7.8 показано, как использовать электронный потенциометр для уп-
равления скоростью механотронного подъемника. Переключатели применя-
ются 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 роботе подъемника
Кросс-темы
Расчет рассеивания
С помощью электронного потенциометра вы можете показать ученикам, как
закон Джоуля приложим к делителю напряжения. Каждый начинающий ге-
ний должен уметь рассчитать количество мощности, рассеиваемое транзис-
тором, 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;
Проект7. Электронный потенциометр 121
• соединение резисторов в последовательной цепи;
• измерение крутящего момента электродвигателя.
Дополнительные схемы и идеи
Основные характеристики электронного потенциометра могут быть измене-
ны 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 ра-
диатор.
BD136
TIP32
Рис. 3.7.10. Использование биполярного транзистора PNP-типа
Перечень элементов и компонентов электронного
потенциометра, использующего транзистор PNP-типа
1. Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD136.
2. R1 ~ резистор 470 Ом х 1/2 Вт (желтый, фиолетовый, коричневый).
3. 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 управ-
лять более сильным током. Это означает, что создается меньшее количество
122 ЧАСТЬ3.Проекты
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 Дар-
лингтона (рис. 3.7.12).
При использовании пары Дарлингтона потенциометр должен быть уголь-
ного 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
Проект 7. Электронный потенциометр 123
Galatia us',
Перечень элементов и компонентов электронного
потенциометра, использующего пару Дарлингтона
1. Q1 - транзистор Дарлингтона или пара Дарлингтона типа TIP115 или
BC548/BD135.
2. R1 - резистор на 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
3. Р1 - линейный потенциометр.
Печатная плата или оконечная полоска, провода, теплоотводящий радиа-
тор для транзистора, припой и т.п.
Управление мощностью с использованием
интегральной микросхемы Ш350ТIC
Управление напряжением может быть использовано как электронный потен-
циометр 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, прикла-
дывая напряжение 1,2-32 В.
На рис. 3.7.13 показано, как подключить эту микросхему к схеме для управ-
ления напряжением.
Рис 3.7.13. Интегральной микросхема 1ЛЛ350Т в качестве электронного потенциометра
Главной особенностью схемы является то, что подстроечный вывод дол-
жен быть подключен к заземлению.
А значит, вместо двух выводов, применяемых в основном варианте, в дан-
ном случае мы будем иметь три вывода.
При применении схемы вы должны учитывать и возможное падение на-
пряжения, равное примерно 2 В, на интегральной микросхеме. Это означа-
ет, что если вам необходимо 12 В для нагрузки, то напряжение на входе дол-
жно быть, по крайней мере, 14 В.
124 ЧАСТЬ3. Проекты
И наконец, мы должны заметить, что минимальное напряжение, прило-
женное к нагрузке, составляет не О В, а 1,2 В. Это объясняется внутренней
ссылкой интегральной микросхемы, которая имеет в своем составе стабилит-
рон на 1,25 В.
Для случаев, когда требуется иметь минимальное напряжение О В, эта схе-
ма непригодна.
Перечень элементов и компонентов схемы
управления мощностью, использующей интегральную
микросхему 1М350Т
1. IC-1 - интегральная микросхема LM350T IC.
2. R1 - резисторы на 220 Ом х 1/2 Вт (красный, красный, коричневый).
3. Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 4,7 кОм.
Теплоотводящий радиатор для интегральной микросхемы, провода, при-
пой и т.п.
Источник постоянного тока
Важным методом для управления токовой нагрузкой является применение
источника постоянного тока.
Для электродвигателя постоянного тока возможно поддерживать посто-
янный поток тока, тем самым компенсируя изменения в нагрузке.
Поэтому при наличии источника постоянного тока мощность, приложен-
ная к электродвигателю, не должна меняться с изменением нагрузки, когда
электродвигатель вращается медленнее.
Схема для такого применения показана на рис. 3.7.14.
Рис. 3.7.14. Источник постоянного тока, используемый в качестве 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.
Проект 7. Электронный потенциометр 125
Важно заметить, что минимальный ток в нагрузке не равен 0, а определя-
ется в зависимости от величины, на которое рассчитан потенциометр. Так,
например, когда применяется потенциометр на 47 Ом, минимальный ток бу-
дет: I = 1,25 / 47 = 0,026 А = 26 мА.
В других схемах такой силы тока недостаточно, чтобы вращать или пере-
гревать электродвигатель.
Напряжение на входе V. должно быть на 2 В больше номинального напря-
жения нагрузки. Так, например, для 6-вольтового электродвигателя постоян-
ного тока V. должно равняться 8 В.
Интегральная микросхема LM350T IC должна быть установлена на радиа-
тор теплоотвода, а максимальный ток нагрузки составлять 3 А.
Перечень элементов и компонентов
с потенциометром постопнного тока
1. IC-1 - интегральная микросхема-стабилитрон LM350T IC.
2. R1 - проволочный резистор на 2,2 Ом х 1 В для электродвигателей,
потребляющих 500 мА.
3. 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 потенци-
ометру, в настоящее время не распространено. Игрушки и лампы постоянно-
го тока на приборных панелях автомобилей - вот примеры изделий, в ко-
торых 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 внима-
ние ученых все более сосредотачивается на поиске новых источников, кото-
рые могут обеспечить нас недорогой энергией.
Одним из наиболее важных альтернативных источников энергии являет-
ся 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 - пре-
образователи 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 свобод-
ной энергии, предоставляемой природой.
Проект очень прост, ведь он производит только минимум энергии, необ-
ходимой 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 по-
строите свою схему освещения, простой радиоприемник, светоизлучающий
диод (LED) и другие приборы, которые можно будет запитывать от вашего
альтернативного источника питания.
Задачи
1. Покажите, как энергия ветра может быть преобразована в электричес-
кую энергию.
2. Используйте небольшой электродвигатель постоянного тока в каче-
стве генератора постоянного тока для снабжения энергией небольших
электронных устройств.
^alaltausiek
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генеротороми 127
3. Изучите принцип работы генератора постоянного тока.
4. Получите представление о количестве ветровой энергии, которую воз-
можно преобразовать в электрическую.
5. Узнайте, как сконструировать мощный эоловый генератор.
Проект
На рис. 3.8.1 показано, что небольшой эоловый генератор может быть пост-
роен с использованием любого электродвигателя постоянного тока.
Когда вентилятор приводится в движение сильным потоком ветра, про-
исходит преобразование энергии ветра через вентилятор и превращение
этой энергии в энергию электрическую. Количество энергии, обеспечивае-
мое системой, зависит от нескольких факторов:
• размера вентилятора (или количества аккумулированного ветра);
• размеров или мощности электродвигателя, используемого как генератор;
• количества ветра или скорости вет-
ра в месте работы ветряного генера-
тора;
• эффективности системы при пере-
даче крутящего момента вентилято-
ра электродвигателю.
Сочетание четырех факторов дает воз-
можность предусмотреть оптимальный
размер вентилятора для определенного
электродвигателя постоянного тока (ге-
нератора) и количество энергии, кото-
рое будет высвобождено.
Небольшие электродвигатели постоян-
ного тока требуют для своей работы всего
лишь доли милливатта электрической мощ-
Рис. 3.8.1. Подсоединение вентилятора
к электродвигателю постоянного тока
превращает его
в эоловый генератор
ности. Однако этого малого количества будет достаточно, чтобы питать не-
большое 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 гени-
ем, который пожелает получить энергии больше, чем несколько милливатт,
производимых основным проектом.
Как он работает
Как вы уже знаете из предыдущих разделов, когда ток протекает через про-
водник, создается магнитное поле. На основе этого закона работают элект-
родвигатели, электромагниты, соленоиды и т.п.
128 ЧАСТЬ3.Проекты
Например, в электродвигателях постоянного тока магнитное поле, создава-
емое током, может быть преобразовано в реальное движение при взаимодей-
ствии с полем магнитов (или полем, созданным другими электромагнитами).
И еще один важный момент. Надо отметить, что когда на проводник воз-
действует 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.
Рис. 3.8.2. Ток. индуцируемый переменным магнитным полем
Заметим, что силовые линии магнитного поля должны пересечь провод-
ник, чтобы вызвать индукцию. Если же магнит движется параллельно про-
воднику, индукции не происходит.
Однако самое замечательное в этом явлении то, что высвобождаемая энер-
гия, двигающая магнит, превращается в электрическую энергию, высвобож-
денную током через внешнюю цепь.
Для увеличения количества энергии, индуцируемой в процессе, вместо
простого проводника может быть применена катушка. Когда магнит прохо-
дит вблизи катушки, многие витки ее пересекаются одновременно, и поэто-
му процесс индукции увеличивается, создавая больше электроэнергии.
Упомянутый принцип лежит в основе работы генератора постоянного
тока или генератора переменного тока. Вращение катушки внутри магнитно-
го поля создается магнитами. При пересечении магнитных линий поля гене-
рируется электрическая энергия. На рис. 3.8.3 показана конструкция генера-
тора постоянного тока.
Важно помнить, что генератор не создает энергии, а только преобразует
механическую энергию в электрическую. Это означает, что количество элект-
рической энергии, создаваемой генератором, всегда меньше количества при-
ложенной к нему механической энергии, потому что генератор не способен
работать со 100-процентным КПД.
NatdHausfiik
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генеротороми 129
Рис. 3.8.3. Конструкция генератора постоянного токо
Электродвигатель постоянного токо в качестве
генератора постоянного тока
В небольшом электродвигателе постоянного тока текущий через катушку
электрический ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с по-
лем постоянного магнита и генерирует энергию, вращающую ротор.
Но эта же конструкция может работать и в обратном порядке. Если вра-
щать механический ротор, катушки будут двигаться, пересекая линии магнит-
ного поля, создаваемого магнитами. Это означает, что электрическая энер-
гия индуцируется в катушках. Эта энергия может быть передана во внешнюю
цепь или схему (рис. 3.8.4).
Быстрое
Лампа
на 6 В х 20 мА
Рис. 3.8.4. При вращении ротора электродвигатель постоянного тока 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 обдумай-
те также идеи получения энергии из других источников, например водных
130 ЧАСТЬ3. Проекты
потоков (ручьев и водопадов) или механической (механотронной) системы,
управляемой вашей собственной мускульной силой или силой некоторых тяг-
ловых животных (рис. 3.8.5).
Рис. 3.8.5. Преобразование 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.
Рис. 3.8.6. Основной схема эолового генератора
Диод не позволяет току разряжать электродвигатель на катушках. Чем боль-
ше конденсатор, тем больше энергии он накапливает и тем меньше изменя-
ется напряжение на выходе при изменении скорости ветра.
Вентилятор можно подсоединить к электродвигателю напрямую. Если при-
меняется зубчатая передача или другая механическая система, убедитесь в
том, что они не станут причиной потери энергии, понижая при этом выход-
ную мощность генератора.
^ataHausj^
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генеротороми 131
На рис. 3.8.7 показана система, использующая небольшой пластмассовый
вентилятор, применяемый в наглядных эоловых экспериментах как мало-
мощный источник питания (то есть замена ветру).
D1
Рис. 3.8.7. Маломощный эоловый генератор
При монтаже схемы необходимо определить направление вращения от-
носительно 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
генераторе
1. Ml - небольшой электродвигатель постоянного тока (3-12 В).
2. D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002 или эквивалент.
3. 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. Генера-
тор легко проверить при наличии тестера или мультиметра. Настройте муль-
тиметр на измерение напряжения на низковольтной шкале и подключите его
к выходной клемме генератора (рис. 3.8.8).
Ветер
Напряжение постоянного тока
в вольтах
Мультиметр
Рис. 3.8.8. Проверке генератора мультиметром
132 ЧАСТЬ 3. Проекты
На рисунке показан недорогой аналоговый мультиметр, но вы можете вос-
пользоваться цифровым мультиметром. Вращая лопасти вентилятора с помо-
щью любого источника ветра (пусть это будет даже небольшой бытовой элек-
трический 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).
Питание 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 несколь-
ких 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 эоло-
вого 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
1. L1 - небольшая лампа накаливания 6 Вт х 50 мА.
2. LED1 - любой светоизлучающий диод (красный, зеленый, желтый).
3. R1 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
Провода, оконечная полоска, припой и т.п.
Батарейное зарядное устройство
Эоловый генератор может заряжать никель-кадмиевые батареи по схеме, изоб-
раженной на рис. 3.8.10.
Это самый простой вариант зарядного устройства. Максимальное количе-
ство батарей, находящихся под зарядкой, зависит от величины напряжения,
ftataHausjiik
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генеротороми 133
Рис. 3.8.10. Зарядное устройство для никель-иодииввых 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 тес-
тер, 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).
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. Про-
должительность зарядки также зависит от тока, проходящего по схеме. Ис-
пользуйте мультиметр для замера величины тока.
Если ваш генератор достаточно мощный, чтобы производить напряже-
ние более 9 В, а сила тока поднимается до 500 мА, то можно подключить к
схеме источник постоянного тока, описанный в проекте 7. Источник посто-
янного 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 эксперимен-
тальный радиоприемник (рис. 3.8.12).
Даже химические и солнечные батарейки с напряжением 1-6 В могут быть
использованы для питания этой очень слаботочной схемы.
134 ЧАСТЬ3. Проекты
Рис. 3.8.12. Экспериментальный радиоприемник в диапазоне АЛЛ, получающий питание от ветра
Потребление тока схемой, запитываемой от двухвольтного источника, со-
ставляет менее 100 мкА.
На рис. 3.8.13 показано, как можно смонтировать этот радиоприемник, ис-
пользуя в качестве шасси оконечную полоску. Конечно, радиоприемник может
быть смонтирован и на печатной плате или плате, не требующей пайки.
К эоловому
генератору
Рис. 3.8.13. Экспериментальный радиоприемник, смонтированный на основе оконечной полоски
В качестве сигнального усилителя в этом радиоприемнике используется
только один транзистор. Поэтому радиоприемник не обладает сверхчувстви-
тельностью и требует длинной антенны для приема местных станций. Антен-
ну 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 сорта-
мента 28 AWG путем наматывания 40-60 витков на ферритовый сердечник
длиной 15-20 см и диаметром 1-1,5 см. Регулируемый конденсатор перемен-
ной емкости можно заимствовать из старого радиоприемника диапазона AM.
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генеротороми 135
NalaHaus,
Преобразователь изготовлен из пьезоэлектрического наушника с высо-
ким импедансом (полным сопротивлением), применяемым в телефонии, уст-
ройствах звуковой сигнализации и другой аппаратуре. Будьте внимательны и
не используйте наушник с низким импедансом, так как он не сможет действо-
вать в этом проекте.
Перечень элементов и компонентов
экспериментального радиоприемника
1. Q1 - транзистор общего назначения ВС548 или любой другой NPN-типа.
2. D1 - германиевый диод 1N34 или 1N60 или любой другой.
3. R1 - резистор на 4,7 мОм х 1,8 Вт (желтый, фиолетовый, зеленый).
4. R2 - резистор на 4,7 кОм х 1,8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
5. С1 - керамический или полиэфирный конденсатор 0,047 мкФ (47 нФ).
6. С2 - керамический или полиэфирный конденсатор 0,1 мкФ (100 нФ).
7. XI - пьезоэлектрический преобразователь.
8. L1 - антенная катушка (см. текст).
9. CV - конденсатор переменной емкости (см. текст).
10. A, G - антенна и заземление.
Ферритовый сердечник, оконечная полоска, антенна, пружинный зажим
типа «крокодил», провода, припой, ручка для конденсатора переменной ем-
кости 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 по-
ступать, батареи включают лампу. Лампа остается включенной до восхода
солнца или пока батареи не разрядятся.
Рис. 3.8.14. Явтомотическое освещение, использующее эоловый генератор
136 ЧАСТЬ3.Проекты
Если ветер продолжает дуть, то батарея остается в режиме зарядки. Све-
точувствительный 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
автоматического освещения
1. Q1 - транзистор средней мощности ВС 135 NPN-типа или эквивалент.
2. D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002.
3. Р1 - потенциометр точной подстройки на 1 мОм.
4. R1 - резистор на 10 Ом х 1 Вт (коричневый, черный, черный).
5. R2 - резистор на 10 кОм х 1,8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
6. L1 - 6-вольтовая лампа на 50-100 мА.
7. LDR - фоторезистор (любой тип).
8. В1 - 4 батарейки размера АА или D, перезаряжаемые, никель-кадмиевые.
9. XI - эоловый генератор.
Кожух для батарейки, пластмассовая коробка, оконечная полоска, прово-
да, припой и т.п.
Анемометр
Поскольку величина напряжения, генерируемого эоловым генератором, про-
порциональна скорости ветра, то вы можете использовать этот проект в ка-
честве простого анемометра - прибора, применяемого для измерения скорос-
ти 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 про-
екте 5.
^alattaus^k
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генеротороми 137
Бумажные
колпачки
Рис. 3.8. ] 6. Преоброэоаоые эолового генератора в анемометр при помощи бумажных колпачков
Потенциометр Р1 подстраивается к силе ветра в соответствии с метеоро-
логическим 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 подни- мается 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 кача- ются. 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 при- чиняются 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
138 ЧАСТЬ 3. Проекты
Перечень элементов и компонентов анемометре
1. D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002.
2. С1 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 16 В.
3. Ml - аналоговый измеритель 0-200 мкА или 0-1 мА.
4. R1 - резистор на 4,7 кОм х 1,8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
5. Р1 - потенциометр с точной подстройкой.
Пластмассовая коробка, провода, припой и т.п.
Кресс-темы
И основной, и наиболее усложненный вариант (подобный случаю со стабили-
затором напряжения) эолового генератора могут быть использованы в экс-
периментах с различными альтернативными источниками энергии. Предла-
гаем 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 эко-
логичности, эффективности и т.п.
Дополнительные схемы и идеи
Как уже объяснялось ранее, при постройке эоловых генераторов не стоит огра-
ничиваться 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 нере-
гулируемых моделей, которые могут запитывать только лампы, до сложных
конструкций с электронными схемами, предназначенными для зарядки бата-
реек сотовых телефонов. Эти генераторы велосипедного типа требуют боль-
шого количества скорости и энергии и сами генерируют энергию с напряже-
нием 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 могут испортиться, если будут по-
лучать питание от приборов с колебаниями напряжения, и это прямо отно-
сится 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.
^aiattaus,^.
Проект 8. Эксперименты с эоловыми (ветряными) генераторами 139
Первая схема - маломощный вариант, рекомендуемый для приборов, по-
требляющих ток менее 5 мА. Вторая схема может работать с приборами, по-
требляющими ток до 1 А.
Электродвигатель
постоянного тока
(а)
Электродвигатель
постоянного тока
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 ис-
пользован с лампами 5-20 Вт и даже с лампами, которые запитываются от
сети переменного тока.
Лампа не будет давать максимально возможной яркости свечения, она бу-
дет светиться с пониженной яркостью - в зависимости от количества энер-
гии, подаваемой эоловым генератором.
Трансформатор может быть обычным силовым трансформатором с пер-
вичной обмоткой на 117 В, питающейся от сети переменного тока, и вторич-
ной обмоткой с центральным отводом на 5-6 В, потребляющей ток 50-300 мА.
Транзистор должен быть установлен на теплоотводящий радиатор, а с помо-
щью потенциометра Р1 можно подстроить частоту для оптимальной работы,
согласовывая характеристики трансформатора с генератором.
6 Создание роботов в дом. усл.
140 ЧАСТЬ 3. Проекты
Рис 3.8.18. Флуоресцентная лампа, питаемая инвертором
Внимание! Не пытайтесь запитывать любой электронный прибор при помощи этой схемы, т.к.
выходное напряжение не имеет синусоидальной формы, о частота не ровно 60 (ц.
Перечень элементов и компонентов инверторе
1. Q1 - транзистор средней мощности BD135 NPN-типа или эквивалент.
2. Т1 - трансформатор.
3. R1 - резистор на 1,7 кОм х 1,8 Вт (коричневый, черный, красный).
4. Р1 - потенциометр с точной подстройкой на 10 кОм.
5. С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
6. С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,1 мкФ.
7. 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 (фото
предстаалено с любеаного
разрешения NASA)
щать целые города на северо-востоке Бразилии.
Основной тип современного эолового генера-
тора имеет вентилятор с тремя или более лопастя-
ми, который и приводит в движение генераторы
постоянного или переменного тока (рис. 3.8.19).
«Батареи» таких генераторов могут проиэ-
водить десятки, сотни и даже тысячи киловатт
электрической энергии.
^lalattausi^
Проект 9.
Электронная пушка
Цель этого проекта - выстрелить из пушки ядром на многометровое рассто-
яние, используя энергию, накопленную в конденсаторе и преобразованную в
магнитное поле.
Электронная пушка будет хорошим дополнением к вашему боевому робо-
ту в качестве эффективного оружия в войне роботов или частью игрушечно-
го войска из картонных или пластмассовых солдатиков.
В войне двух армий одной армией будете командовать вы, а неприятельс-
кой - ваш друг (рис. 3.9.1).
Рис. 3.9.1. Две электронные пушки. Но службе в ормии состоят маленькие картонные солдатики
Само собой разумеется, что ядро не такое уж тяжелое, чтобы им можно
было покалечить или причинить телесные повреждения. Это маленький ку-
сок 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, дос-
таточной 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.
142 ЧАСТЬ 3. Проекты
Рис. 3.9.2. Основной вариант конструкции пушки, в котором используются картонные
детали и колеса, взятые из игрушки
Задачи
1. Покажите, как работает соленоид.
2. Изучите преобразование энергии и способы накопления ее в конден-
саторе.
3. Выполните баллистические эксперименты.
4. Проведите битву между армиями, имеющими пушки (победителем счи-
тается тот, кто собьет большее количество неприятельских солдат).
5. Организуйте соревнование по постройке пушки, стреляющей на наи-
большее расстояние.
Кок 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, магнит-
ная 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 притя-
нуть к себе кусочек металла, то он v 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 металлическо-
го сердечника внутрь катушки и придания начальной скорости пушечному
ядру. В силу того, что мощность пушки зависит от силы тока, приложенного
ftalattausTiik
Проект9. Электронной пушко 143
Рис. 3.9.5. Запуск пушечного ядро при помощи соленоида
144 ЧАСТЬ 3. Проекта
к катушке, то для этого нужно использовать специальную схему. Целью схе-
мы является создание мощного электрического импульса, использующего
энергию, накопленную в конденсаторе.
В эту схему входит небольшой трансформатор, который генерирует низ-
кое 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 батарей-
ками или другими электрическими источниками.
Это особенно актуально, если учесть, что энергия должна быть подана
очень быстро. Главным ограничением использования конденсаторов как ис-
точников энергии является то, что они могут генерировать большое количе-
ство 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 выстре-
ла ядром (рис. 3.9.6).
Расчет мощности
Легко подсчитать, сколько энергии может подать конденсатор, подключен-
ный к пушке. Количество энергии, накопленной в конденсаторе, задается по
следующей формуле:
Е = Сх V2, где
^lataliau^i
Проект 9. Электронная пушка 145
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 опре-
деленный промежуток времени, потому что провода обмотки катушки име-
ют некоторое сопротивленце. Представьте себе, какой мощной может быть
эта маленькая пушка!
Сдерживание больших токов
Рис. 3.9.7. Сопротивление катушки
должно быть именно таким низким
Одной из насущных проблем является проблема управления очень больши-
ми токами во время разряда конденсатора, с использованием обычных ком-
понентов. Прежде всего, при таком быстром разряде конденсатора катушка
должна иметь очень низкое сопротивление.
В нашей схеме конденсатор заряжается при напряжении около 86 В (пик
амплитуды приходится на 24 В переменного тока), а катушка пушки обладает со-
противлением только в 0,8 Ом, которое измеряется цифровым мультиметром
(рис. 8.9.7).
Если мы не будем учитывать индуктив-
ность, а только сопротивление в омах, когда
конденсатор подсоединен к катушке, то ток
может достичь пика в 40 А или более. Обыч-
ные переключатели при продолжительном
использовании не справятся с таким уровнем
тока, они обязательно перегреются, и про-
изойдет пережигание контактов.
Таким образом, решение очевидно: для
управления разрядом конденсатора должен
применяться кремниевый управляемый вып-
рямитель (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, кото-
рые создавались нашей схемой.
Следовательно, главной задачей проекта (рис. 8.9.8) является использова-
ние SCR в качестве переключателя для запуска пушки. Целесообразно ис-
пользовать маломощные переключатели и светочувствительные элементы,
такие как фоторезистор LDR.
146 ЧАСТЬ 3. Проекты
Рис. 3.9.8. Кремниевый управляемый ь^прямигель, подключенный последовательно к цепи
разряда в качестве переключателя
В качестве дистанционного управления для запуска пушки можно приме-
нить электрический фонарик.
Другой проблемой, которую надо учесть, является то, что SCR, однажды
запущенный, остается все время во включенном положении даже после ис-
чезновения импульса запуска. Для выключения SCR требуется, чтобы вели-
чина напряжения, приложенная к схеме, мгновенно упала. Для этого нужно
отключить питание схемы. Даже после окончания разряда конденсатора ве-
личина напряжения не упадет до нуля сама по себе в силу присутствия в схе-
ме цепи разряда. Следовательно, необходимо отключать эту схему каждый
раз перед очередным выстрелом пушки. Для поддержания схемы, включен-
ной во время зарядки конденсатора, добавляется переключатель.
Как строить пушку
Основной вариант электронной пушки является мощным оружием, способ-
ным запустить ядро (снаряд) на многометровое расстояние, которое зачас-
тую зависит от мастерства гения-изготовителя. Маломощный вариант, пита-
емый от батареек, также будет исследован. Этот вариант, как не требующий
электронных компонентов, рекомендуется для изготовления тем, кто не зна-
Рис. 3.9.9. Основной вариант
(механическая часть)
ком с механотронными технологиями, ко-
торые применяются в основном варианте.
Пушку можно монтировать нескольки-
ми способами. В нашем основном вариан-
те мы используем поливинилхлоридную
или алюминиевую трубку длиной 12 см и
диаметром 1 см, установленную на картон-
ное основание (лафет), изображенное на
рис. 3.9.9.
Колеса можно заимствовать из какой-
либо игрушки. Однако в зависимости от
^aiattaus,^.
Проект 9. Электронной пушко 147
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 (откатил-
ся) 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 пушки
Для этой схемы подходит любой небольшой трансформатор с напряжени-
ем вторичной обмотки 9-12 В с центральным отводом (СТ), потребляющий
ток силой 300-800 мА. Первичная обмотка должна работать от сети перемен-
ного 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 емкос-
тью 10000-22000 мкФ. Конденсатор
должен быть рассчитан на напряже-
ние 35-50 В.
Небольшие элементы и компонен-
ты схемы, такие как резисторы, диоды,
SCR, могут быть припаяны к оконеч-
ной полоске. Окончательная конструк-
ция схемы показана на рис. 3.9.11.
Провода, подходящие к конденса-
тору, должны быть по возможности ко-
роткими, потому что сопротивление
Рис. 3.9.11. Небольшие компоненты припаяны
к оконечной полоске
148 часть 3. Проекты
длинных проводов обычно приводит к потере энергии. Подключение эле-
ментов и компонентов к оконечной полоске и соединение трансформаторов
и пушки показано на рис. 3.9.12.
Рис. 3.9.12. Электронная схема размещается внутри гуюстмоссовои или дереопмюй коробки
Соблюдайте особую осторожность в обращении со шнуром питания и пер-
вичной обмоткой трансформатора, поскольку он непосредственно подклю-
чается к сети переменного тока.
Механическая часть
Катушка рассчитана на сопротивление величиной 0,7-2 Ом. Это позволяет дер-
жать пик разрядного тока в пределах, допустимых SCR (TIC106 или TIC116).
В нашем проекте мы использовали 200 витков эмалированного провода сор-
тамента 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
Рис. 3.9.13. Катушка изготавливается
наматыванием 200 витков провода
сортамента 28 RUUG но картонную или
алюминиоеуо трубку
сделать для обеспечения нужного сопро-
тивления.
Конструктор волен выбирать характерис-
тики проекта в соответствии с компонента-
ми, которые находятся в него под рукой, но
мы рекомендуем придерживаться наших ин-
струкций.
Настоящий мастер должен сильно на-
прячь свои способности, чтобы создать про-
ект с оптимальными характеристиками.
Делая катушку, загляните в следующую
таблицу сопротивлений проводов сортамен-
та AWG.
Таблица 8. Сортамент провода ALUG
AWGWIre Ohms per Kilometer
14 8,17
15 10,3
NalaHaus^
Проект 9. Электронная пушка 149
Таблица 8. Сортамент провода fiUJG (окончание)
AWGWIre 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. Приведен-
ные в книге размеры даны лишь для справки. Самостоятельное внесение из-
менений в конструкцию нами только приветствуется. ’
Пушка должна быть смонтирована на картонном или пластмассовом лафе-
те с наклоном в 30е, чтобы позволить сердечнику откатиться назад в перво-
начальную позицию после каждого выстрела. Колеса прикрепляются, чтобы
придать конструкции вид настоящей пушки. Решайте сами, какой вид долж-
но иметь ваше детище. Начинающий гений может применить свои менталь-
ные возможности для создания дополнительного механизма перезарядки
ядра после каждого выстрела.
Перечень элементов и компонентов электронной пушки
1. SCR - выпрямитель TIC106 или TIC116 (В или D).
2. DI, D2 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002 или эквивалент.
3. LED - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
4. Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласованный с сетью
переменного тока, и вторичной обмоткой на 12 В с центральным отво-
дом и потреблением тока от 300 до 500 мА.
5. R1 - проволочный резистор на 47 Ом х 2 Вт.
6. R2, R3 - резисторы на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оран-
жевый).
7. R4 - резисторы на 1,2 кОм х 1/8 Вт (коричневый, красный, красный).
8. С1 - электролитический конденсатор на 10000-22000 мкФ х 35 В.
9. XI - соленоид пушки (см. текст).
10. S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
11. S2, S3 - кнопки.
12. F1 - плавкий предохранитель на 1 А (держатель).
Оконечная полоска, шнур питания, эмалированный провод, провода, при-
пой и т.п.
150 ЧИСТЬ3. Проекты
Материалы для пушки: картонная или поливинилхлоридная трубка, картон,
пластмассовые колеса, металлический сердечник (винт), эмалированный провод.
Проверка 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 конденса-
тор, нажмите кнопку S2 и ждите, пока светоизлучающий диод не достигнет
максимальной яркости. Отключите кнопку S2 и нажмите кнопку S3. Сердеч-
ник 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 выстре-
лить, нажмите кнопку S3.
Изучение темы проекта
Пушка - не только забавный и веселый проект. Она может быть использова-
на для изучения теории баллистики или экспериментирования на уроках фи-
зики. Ее можно демонстрировать даже на уроках истории. Мы предлагаем эк-
сперименты, 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, стре-
ляйте и измеряйте расстояние полета ядра (рис. 3.9.14).
Рис. 3.9.14. Покажите, кок угол наклона ствола определяет дальность полета ядра
^laiattaus,^.
Проект 9. Электронная пушка 151
Если масса ядра известна, то место падения ядра и угол полета можно ис-
пользовать для расчета начальной скорости ядра (Vo) и кинетической энер-
гии. Эксперимент может быть выполнен в рамках теоретического курса по
баллистике.
Измерение заряде, накопленного в конденсаторе,
и постоянной времени цепи дистанционного управления
Еще один эксперимент может быть выполнен с использованием схемы заряд-
ки пушки (рис. 3.9.15).
Идея заключается в том, чтобы запускать конденсатор заданным напряже-
нием, 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 посто-
янную 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 полу-
чите 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 ре-
зистор для понижения приложенного напряжения. Помните, что в этой схе-
ме конденсатор заряжается напряжением величиной в 35 В. Для расчета под-
ключенного 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, светоизлучаю-
щий диод не является линейной нагрузкой.
152 ЧАСТЬ3.Проекты
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 пе-
реключателя, как в пушке, то после того, как кнопка S2 разомкнется, конден-
сатор будет медленно разряжаться через светоизлучающий диод.
Перечень элементов и компонентов
схемы измерения заряда
1. D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002 или эквивалент.
. 2. LED - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
3. R1 - резистор на 2,2 кОм х 1 Вт (красный, красный, красный).
4. R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
5. R3 - резистор на 22 кОм х 1/2 Вт (красный, красный, оранжевый).
6. S1, S3 - однополюсные переключатели SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
7. S2 - кнопка SPST.
8. F1 - плавкий предохранитель (держатель).
9. Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласованной с напряже-
нием 117 В от сети переменного тока, и вторичной обмоткой, согласо-
ванной с 12 В, имеющий центральный отвод СТ и потребляющий ток
от 300 мА и выше.
10. С1 - электролитический конденсатор на 10000-22000 мкФ х 35 В.
11. М - обычный аналоговый или цифровой мультиметр.
Шнур питания, оконечная полоска, провода, припой и тдт.
Бой с применением электронных пушен
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 пушки
^lataltaus^i
Проект 9. Электронной пушко 153
На поле боя вы можете поставить дополнительные фортификационные
сооружения, военные транспортные средства и т.п., чтобы придать реалис-
тичности 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 про-
екта, 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 ис-
пользовать 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 кар-
тонной 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, исполь-
зуемого для дистанционного управления. Дистанционное управление исполь-
зуется только для запуска схемы. Как мы уже выяснили ранее, кнопку S2
следует нажимать после каждого выстрела, чтобы перезарядить конденса-
тор. Вы можете изготовить схему для запуска реле, используя луч света и за-
менив 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.
154 ЧЯСТЬ 3. Проекты
Перечень элементов и компонентов схемы
дистанционного управление
1. SCR - кремниевый управляемый выпрямитель TIC106 или TIC116
(В или D).
2. DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды.
3. LED - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
4. Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласованной с напряже-
нием 117 В сети переменного тока, и вторичной обмоткой, согласован-
ной с 12 В, имеющий центральный отвод СТ и потребляющий ток от
300 мА и выше.
5. R1 - проволочный резистор на 47 Ом х 2 Вт.
6. R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
7. Р1 - потенциометр точной подстройки.
8. LDR - фоторезистор или любой другой тип, например кадмиево-серни-
стый элемент (Cds).
9. S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
10. S2 - кнопка SPST.
11. F1 - плавкий предохранитель на 1 А (держатель).
12. 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 зависимо-
сти от мастерства конструктора. Снижение влияния трения и применение
очень легких ядер обеспечивает наилучшее исполнение.
Картон
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 прибли-
зительно 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 устанавлива-
ется на наклонную поверхность таким образом, чтобы позволить сердечни-
ку принимать исходное положение после каждого выстрела.
Проект 9. Электронная пушка 155
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
1. XI - электронная пушка (см. текст).
2. В1 - 2-4 батарейки размера D и держатель.
3. S1 - кнопка SPST.
Эмалированный провод, провода, припой и т.п.
Постройка катапульты
По тому же принципу, что и пушка, можно построить другое античное ору-
дие - катапульту.
Сердечник соленоида при резком возврате в катушку может метнуть ка-
мень (рис. 3.9.19). Само собой разумеется, что размер камня, который в ми-
ниатюрном проекте можно заменить высушенным бобом, и расстояние, на
которое метается камень, зависит от мощности соленоида.
Рис. 3.9.19. Катапульта приладится 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 катапультно-
го варианта следует обеспечить возврат катапульты в исходную позицию пос-
ле 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 конденса-
торы очень большой емкости. Этот проект мы бы советовали не строить.
Мы просто рекомендуем использовать эту идею в качестве упражнения, что-
бы осмыслить возможности.
156 ЧИСТЬ 3. Проекты
Конструкция суперпушки предусматривает установку нескольких магнит-
ных колец (электромагнитов) вдоль поливинилхлоридной прозрачной труб-
ки (рис. 3.9.20).
Рис 3.9.20. Основная идея конструкции электронной пушки
Ядро изготовлено из куска черного металла, который может быть быстро
протянут через цилиндр кольцами, когда они возбуждаются током. При запус-
ке 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 че-
рез второе магнитное кольцо. Производится новый толчок, добавляющий
новый импульс ядру и увеличивающий его скорость.
Целый ряд колец сообщают ядру фантастическую скорость. Ядро вылета-
ет из ствола пушки с такой мощностью, что может насмерть поразить любо-
го, кто встретится ему на пути. В одном эксперименте ядро пробило бетон-
ную стену.
внимание! Не пытайтесь строить этот вариант пушки без помощи взрослых, готовых оказать
вам необходимую поддержку.
Современные технологии
Соленоиды являются важной и неотъемлемой частью многих приборов, на-
пример 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.
NalaHausii
Проект 9. Электронной п^шко 157
большое количество механической энергии. И в вашем автомобиле соленои-
ды применяются для многих целей. Самое элементарное - снятие блокиров-
ки 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 каждо-
го 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 ста-
ринных арбалетах;
• покопайтесь в Интернете в целях нахождения информации по проек-
там, 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 стираль-
ные 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 дру-
гих характеристик позволяет найти им очень интересные сферы примене-
ния, такие как декоративное искусство, научные выставки, иллюстрации или
даже изучение физики.
Проект основного варианта очень прост и включает в себя использова-
ние 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 лазер-
ного луча, генерирующей сигналы, которые превращаются в фигуры Лисса-
жу, 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 ком-
поненты, взятые из бытовых приборов и устройств.
^laiattaus,^.
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными позером 159
Это весьма приемлемо для тех, кто не имеет опыта в создании продвину-
тых проектов или располагает самым обычным набором механических и элек-
тронных частей для работы.
Задачи
1. Изучить, что представляют собой фигуры Лиссажу и как их можно со-
здать.
2. Построить генератор фигур Лиссажу, используя лазерное перо.
3. Провести демонстрацию этих фигур на уроке физики.
4. Создать декоративные приборы для демонстрации на выставках, в вит-
ринах магазинов, торжественных событиях, приемах и т.п.
5. Изучить, как фигуры Лиссажу используются для измерения частоты
сигнала.
Чта представляют собой фигуры Лиссажу
Любое периодически поворачивающееся движение, такое как, допустим, ко-
лебательные 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 одномер-
но. Это простейшее, но не единственное колебательное движение в природе.
ос = a sin(cut)
ос - отклонение маятника
от положения равновесия;
а - амплитуда;
cut-угловая
частота отношения
Проекция
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 фи-
гура будет прямой линией на оси X. То же самое произойдет, если предмет
вибрирует по направлению оси Y. Но что произойдет, если колебания будут
происходить и по оси X, и по оси Y одновременно?
160 ЧАСТЬ 3. Проекты
Рис. 3.10.3. Вибрирующий предмет, прикрепленный к пружинам
Траектория проекции предмета на бумагу (рис. 3.10.4) зависит от несколь-
ких факторов:
• частоты колебаний по обеим осям;
• амплитуды колебаний;
• функции, создающей вибрации.
Рис. 3.10.4. Траектория предмета, находящегося в колебательном движении,
вычерчиваемая на бумаге
Французский математик 19 в. Жюль Антуан Лиссажу изучал вибрирующие
объекты, в частности звуковые (акустические) волны. Для выполнения сво-
его эксперимента он прикрепил к камертону зеркало. Луч света был сфоку-
сирован и отражен зеркалом. Затем отраженный луч был направлен на дру-
гое 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).
ftalaHausiisk
Проект 10. Эксперименты с фибрами Лиссожу, нарисованными лазером 161
Рис. 3.10.5. Эксперимент Лиссожу
Результирующий луч после второго отражения был направлен на экран, на
котором появились интересные рисунки. Лиссажу обнаружил, что когда час-
тоты колебаний камертонов имеют заданное отношение значений величин,
то рисунки получаются особой формы. Он также заметил, что рисунки появ-
ляются особенно интенсивно тогда, когда отношение частот вибраций пред-
ставляется целыми числами.
Эти рисунки в настоящее время называются фигурами Лиссажу и помимо
забавных свойств имеют чисто практическое применение. На рис. 3.10.6 по-
казаны некоторые фигуры и соответствующие отношения частот вибраций.
Рис 3.10.6. Некоторые фигуры Лиссожу и соответствующие отношения
Помимо информации об отношении частот двух вибраций или колебаний,
фигуры Лиссажу могут нести дополнительную информацию, касающуюся
162 ЧЙСТЪ3. Проекты
фазового сдвига и отношения амплитуд вибраций. Как получить такую инфор-
мацию 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 вы-
ражены через следующие уравнения:
х = А1 х sin (£21xt); у - А2 х sin (Q2xt), где
х - отклонение луча по оси абсцисс (х);
А1 - амплитуда отклонения по оси х;
£21 - угловая частота по оси х;
у - отклонение луча по оси ординат (у);
А2 - амплитуда отклонения по оси у; .
£22 - угловая частота по оси у;
t - время.
Фазовый сдвиг = 360* = 0*
f1=f2
Фазовый сдвиг = 30* = 330'
fl =f2
= количество
долей = 2
Отношение частот = 2:1
h = количество
долей = 1
Фазовый сдвиг = 90’ = 270*
Рис. 3.10.7. Фазовым сдвиг и отношение амплитуд, измеренное фигурой Лиссажу
Проект
Наш основной вариант представляет собой простой проектор фигур Лисса-
жу, использующий лазерное перо в качестве источника света и два громкого-
ворителя в механической колебательной системе, подсоединенных к неболь-
шому зеркалу (рис. 3.10.8).
Громкоговорители устанавливаются таким образом, чтобы звуковые вол-
ны, когда достигнут зеркала, отражались в перпендикулярных друг к другу
^iatatlausi^!.
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными позером 163
Рис 3.10.8. Как громкогиеорители могут быть использованы для создания фигур Лиссажу
направлениях. В результате зеркало вибрирует композитным (сложным) дви-
жением, происходящим от колебания обоих громкоговорителей.
Затем луч света лазерного пера, который сфокусирован на том же самом зер-
кале, отражается под углом, зависящим от мгновенного положения зеркала.
Поскольку зеркало вибрирует, отраженный луч рисует фигуру, которая
является прямым результатом движения. Если же виброчастоты громкогово-
рителей находятся в отношении, представленном целыми числами, то фигу-
ра, проецируемая на экране, будет фигурой Лиссажу.
В основном проекте один из громкоговорителей запитывается от сети
переменного тока с частотой 60 Гц. Небольшой трансформатор с потенцио-
метром 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 конфигу-
рации и маломощного усилителя на интегральной микросхеме LM386IC.
Хотя серия 555 генерирует синусоидальные волны колебаний, резонанс-
ные характеристики громкоговорителя в режиме колебания создают квази-
синусоидальные (ложносинусоидальные) вибрации. Поэтому фигуры несо-
вершенны по форме. Они имеют некоторые искажения, но имеют рисунки,
напоминающие оригинальные фигуры Лиссажу.
Однако этого достаточно, чтобы возбуждать усилитель НЧ (низкой час-
тоты) и громкоговоритель, что в конечном счете приводит к созданию фи-
гур Лиссажу. Альтернативой же для получения совершенных фигур будет за-
мена генератора с прямоугольной формой волны на внешний генератор
сигналов или функциональный генератор, который может генерировать си-
нусоидальные волны без искажений.
Изменяя частоту генератора, вы можете найти частоты, на которых по-
лучаются 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,
164 ЧАСТЬ 3. Проекты
Источник
питания лазера
Сеть
переменного тока
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 преде-
лах 4,5-6 В. В нашем проекте был использован пятивольтный положительный
стабилизатор для запуска лазерного модуля.
Рис 3.10.10. Источник питания лазера, заимстэоеажьА 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 подходя-
щую для вашего проекта.
Трансформатор имеет первичную обмотку, согласованную с напряжением
117 В сети переменного тока, и вторичную обмотку на 6 В с потреблением
^ataiiausi^i
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными лазером 165
Громкоговоритель
500 mA
от D1 до D4 » 1N4002 - Опция для лазерного питания
(*) см. текст (рис. 3.10.10)
Рис. 3.10.11. Электронная схема для лазера Лиссажу
тока 500-800 мА. Громкоговорители - обыч-
ные, 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 приспо-
собить к механической системе. Мощные
громкоговорители имеют лучшие харак-
теристики, потому что их конусы переда-
ют большие амплитуды вибраций на зерка-
ло. Естественно, должно соблюдаться и
Рис. 3.10.12. Электронная
плата, смонтмроеамояна
плате, не требующей пайки
расположение поляризованных компонен-
тов, таких как электролитические конден-
саторы, диоды и интегральные микросхе-
мы. Потенциометр Р1 - проволочный,
поэтому действует, как реостат, и напрямую управляет сигналом, приложен-
ным к громкоговорителю. Не используйте электронные потенциометры, опи-
санные ранее в книге, потому что они пригодны только для управления дви-
гателями и соленоидами.
Перечень элементов и компонентов электронной
схемы
1. IC1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. LM386 - интегральная микросхема усиления НЧ.
3. DI, D2, D3, D4 - кремниевые выпрямительные диоды 1N4002.
4. SPKR1, SPKR2 - небольшие громкоговорители (12,5 см х 8 Ом).
5. Т1 - трансформатор с первичной обмоткой, согласованный со 117 В сети
переменного тока, и вторичной обмоткой на 6 В х 800 мА (см. текст).
166 ЧАСТЬ 3. Проекты
6. Cl - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
7. С2, СЗ, С4 - керамические или полиэфирные конденсаторы на 0,047 мкФ.
8. С5 - электролитический конденсатор на 220 мкФ х 12 В.
9. Р1 - проволочный потенциометр на 50 Ом.
10. Р2 - линейный или логарифмический потенциометр на 1 мОм.
11. РЗ - логарифмический потенциометр.
12. S1 - однополюсный переключатель SPST (вкл./выкл.).
13. R1 - резистор на 10 Ом х 2 Вт (коричневый, черный, черный).
14. R2, R3 - резисторы на 8,2 кОм х 1/8 Вт (серый, красный, красный).
15. R7 - резистор на 10 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, черный).
16. S1 - переключатель SPST (вкл./выкл.).
17. F1 - плавкий предохранитель на 500 мА (держатель).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, шнур питания, пластмас-
совая коробка, ручка для потенциометра, провода, припой и т.п.
Опция для лазерного питания:
1. IC1 - интегральная микросхема 7805IC.
2. D1 - кремниевый выпрямительный диод.
3. С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
4. XI - полупроводниковый лазерный модуль.
Сборно механической части
В основном варианте проекта мы использовали кусочки дерева, чтобы поста-
вить громкоговорители и вибросистему в нужное положение. Громкоговори-
тели приклеиваются к основанию в положении, определяемом двумя отрезка-
ми 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 осно-
вании (рис. 3.10.15).
В экспериментальных целях оператор может держать лазерное перо в
руках, фокусируя его на зеркале для создания отраженного изображения на
^dtaHaus^k
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссожу, нарисованными лазером 167
Рис 3.10.13. Механическая часть
Рис 3.10.14. Отрезки провода, подключенные к громкоговорителям, должны находиться под
прямым углом друг к другу, образуя букву V
168 ЧАСТЬ 3. Проекты
стене или другой поверхности. Но для получения более устойчивого изобра-
жения 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 3.10.15.1ромкосоеоригели и зеркало установлены на деревянное основание
Проверка и использование
Установите ручку потенциометра РЗ на минимальное значение, исключив все
вибрации в канале усилителя. Включите шнур питания в розетку сети пере-
менного тока. Во время фокусирования лазерного пера на зеркале подстрой-
те потенциометр Р1 для создания изображения на экране, подобного одному
из изображений на рис. 3.10.16.
Фигуры
Зеркало
Питание подключено
только к громкоговорителю 1
Рис 3.10.16. Изображение создается только во время вибрации громкоговорителя 1
Теперь медленно подстройте потенциометры Р2 и РЗ так, чтобы вибра-
ции появились в другом канале. Потенциометр Р$ 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 громкогово-
рителей таким образом, чтобы они стояли под малозаметным уклоном. Ис-
кажение вещь достаточно обычная, потому что вибросистема несовершен-
на 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.
^ataHausi^!.
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными лазером 169
Модификации проекта
Существует много способов управления лазерным лучом и создания фигур
Лиссажу хорошего качества. Наш основной проект использует самые про-
стые вибрирующие объекты и лазерное перо. Само собой разумеется, что
начинающий гений может захотеть создать свой вариант.
Вращающееся зеркало
Один из самых простых способов создать вибрирующую отражающую повер-
хность - подсоединение зеркал к шпинделям небольших электродвигателей
постоянного тока (рис. 3.10.17). Два небольших электродвигателя постоянно-
го тока, установленных под углом 90° друг к другу, в конечном итоге приведут
к созданию фигур Лиссажу. На рис. 3.10.18 показано, как подключить управле-
ние PWM к электродвигателям.
Рис. 3.10.17. Использование двух «лентродвигателей постоянного тока для вращммя зеркал
Экран
Лазерное
перо
широтно-импульсной
модуляцией 2
Рис 3.10.18. Управление скоростью вращения 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.
170 ЧИСТЬ3.Проекты
Соленоиды
Небольшие соленоиды - хороший источник вибрации, если их подсоеди-
нить к зеркалам (рис. 3.10.19).
Этот вид схемы может быть соединен напрямую с выходом трансформа-
тора при помощи реостата для ограничения величины тока или с выходом
генераторов и усилителей НЧ.
Рис 3.10.19. Система модуляции, созданная при помощи соленоидов
Вы можете выполнить эксперименты с использованием соленоидов, изго-
товленных из 100-500 витков провода сортамента 28-32 AWG, намотанного
на небольшие картонные или пластмассовые формы.
Шаговые электродвигатели
Шаговые электродвигатели весьма пригодны для лазерной модуляции и в
этом случае могут быть управляемы достаточно точно. Шаговый электродви-
гатель 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 мож-
но использовать для создания фигур Лиссажу.
NataHausilik
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссожу, порисованными позером 171
вибрирующие лезвия
На рис. 3.10.20 показано интересное устройство из вибрирующих лезвий, при-
водимых в действие электромагнитами.
Лезвия изготавливаются из черных металлов, которые притягиваются маг-
нитным полем, создаваемым электромагнитами. Упрощенный вариант элект-
ромагнитов может быть изготовлен из 100-200 витков провода сортамента
28-32 AWG, навитого на 1/2х 1/8-дюймовый винт.
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 внима-
ние 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 неболь-
ших громкоговорителя (рис. 3.10.21).
Рис. 3.10.21. Мультимедийные усилители НЧ
7 Создание роботов в дом. усл.
172 ЧАСТЬ3.Проекты
Вы можете создать недорогую систему, используя громкоговорители и мон-
тируя 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 программ-
ное обеспечение дает возможность генерировать точные частоты, с его по-
мощью намного легче достичь отношения, при котором создаются фигуры.
Использование функциональных генераторов
и генераторов низкой частоты
Точные синусоидальные волны могут создаваться при помощи функциональ-
ных генераторов или генераторов низкой частоты, которые находят приме-
нение 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.
Рис. 3.10.22. Использование генератора низкой частоты или функционального генератора
Кросс-темы
Фигуры Лиссажу изучаются в разделе физики, называемом механикой. При-
бор можно применить для наглядной демонстрации процесса генерирования
кривых.
Многие теоретические положения по исследуемой теме могут быть про-
верены вами самостоятельно, для этого:
• определите отношения частот на основе фигур;
• измерьте фазовый сдвиг двух сигналов;
Проект 10. Эксперимента с фигурами Лиссожу, нарисованными лазером 173
• проанализируйте искажения и их причины;
• исследуйте, как одна частота (60 Гц) определяет другую, созданную ге-
нератором.
Дополнительные схемы
Генераторы, пригодные для этого и других проектов, будут обсуждаться ниже.
Пзиеротор, использующий интегральную микросхему
4093IC
Схема (рис. 3.10.23) генерирует переменный частотный сигнал. Емкостно-
резистивный фильтр на выходе сглаживает волну, придавая ей квазисинусои-
дальную форму.
Эта схема получает питание от источника напряжения 5-12 В. Сигнал схе-
мы может быть использован для прямого запуска входа усилителей низкой
частоты, возбуждая тем самым громкоговорители, соленоиды и магниты,
применяемые в эксперименте.
Рис. 3.10.23. Генератор, использующий интегральную микросхему 4093
Перечень элементов и компонентов генераторе,
использующего интегральную микросхему 4093IC
1. IC-1 - интегральная микросхема 4093, комплементарный металлооксид-
ный полупроводник (CMOS [КМОП]).
174 ЧАСТЬ3. Проекты
2. R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
8. R2, R3, R4 - резисторы на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный,
красный).
4. Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 1 мОм.
5. Cl, С2, СЗ - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
6. 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 конденсато-
рами и резисторами в Т-контуре обратной связи. Значения величин компо-
нентов в Т-контуре должны иметь указанные отношения.
Рис 3.10.24. Сдвоенный генератор синусоидальных 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 соответ-
ствии с создаваемыми фигурами Лиссажу.
Схема может получать питание от источника напряжением до 6 В, но сиг-
нал будет ослабевать, поэтому потребуется его скорректировать с помощью
внешнего усилителя низкой частоты.
^aiattaus,^.
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными позером 175
Перечень элементов и компонентов генератора
синусоидальных колебаний
1. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа или
эквивалент.
2. Rl, R2 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
3. R3 - резистор на 5,6 кОм х 1/8 Вт (зеленый, голубой, красный).
4. Р1 - линейный потенциометр на 47 кОм.
5. Cl, С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
6. СЗ - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,1 мкФ.
7. С4 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,22 мкФ.
8. 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 возбуж-
дения небольшого громкоговорителя от сигнала, поступающего от генерато-
ра низкой (звуковой) частоты (рис. 3.10.25).
3-6V
о------------------о
Рис. 3.10.25. Усилитель низкой частоты, использующий обычный биполярный транзистор
176 ЧАСТЬ3. Проекты
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 колеба-
ния в зеркале.
Перечень элементов и компонентов транзисторного
усилителе
1. Ql, Q2 - кремниевые транзисторы общего назначения ВС548 NPN-
типа или эквивалент.
2. Q3 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа или
эквивалент.
3. DI, D2 - кремниевые диоды общего назначения 1N914 или 1N4148.
4. R1 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
5. R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
6. Р1 - линейный потенциометр на 10 кОм.
7. С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
8. С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 12 В.
9. 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 возбуж-
дать большие зеркала (например, 10х 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 ко-
эффициент 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 первич-
ной обмоткой, согласованной с напряжением сети переменного тока, и вто-
ричной обмоткой с напряжением 9-12 В.
ftalaHaus
Проект 10. Эксперименты с фигурами Лиссажу, нарисованными позером 177
Рис. 3.10.27. Источник питания для усилителя
Перечень элементов и компонентов мощного усилителя
1. IC-1 - интегральная микросхема силового усилителя низкой частоты
TDA2002.
2. R1 - резистор на 220 Ом х 1/8 Вт (красный, красный, коричневый).
3. R2 - резистор на 2,2 Ом х 1/8 Вт (красный, красный, золотой).
178 ЧАСТЬ3. Проекты
4. R3 - резистор на 1 Ом х 1/8 Вт (коричневый, черный, золотой).
5. Р1 - логарифмический потенциометр на 10 кОм.
6. С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 16 В.
7. С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 12 В.
8. СЗ, Сб - керамические или полиэфирные конденсаторы на 0,1 мкФ.
9. С4, С5 - электролитические конденсаторы на 1000 мкФ х 16 В.
Печатная плата, теплоотводящий радиатор для интегральной микросхе-
мы, 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 по-
верхности барабана. Зеркала используются для изменения направления лазер-
ного 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 элек-
тронными сигналами, применяется в больших телевизионных экранах. А для
модуляции светового луча каждого пикселя на изображении применяются
микрозеркала (пиксель - сокращенно от Picture Element - минимальный эле-
мент изображения или картинки, фактически точка на экране). Зеркала мон-
тируются прямо на кремниевых чипах (чип - микросхема, благодаря микроми-
ниатюризации содержащая большое количество элементов и компонентов).
Идем 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 высокотех-
нологичных устройств, например:
• подключить дополнительно схему включения/выключения лазерного
луча, создающего моделированные фигуры;
• создать фигуры Лиссажу, используя осциллограф;
• сконструировать световую демонстрационную схему, действующую та-
ким образом, чтобы можно было модулировать лазерный луч, исполь-
зуя выход звуковой системы, и создавать фигуры, изменяющиеся в со-
ответствии с передаваемой музыкой.
^aiattaus,^.
Проект 11.
Аналоговый компьютер
Современные компьютеры - цифровые машины. Они работают в так назы-
ваемой двоичной системе, в которой задействованы только 0 и 1, что соот-
ветствует 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 аналого-
вых машин, которые работают по иному принципу, чем цифровые. Аналого-
вые компьютеры преобразуют числа в напряжения и затем выполняют мате-
матические операции с этими напряжениями, используя потенциометры и
операционные усилители.
Операционные усилители были настолько эффективны в таких вычисле-
ниях, как сложение, вычитание, умножение, деление, интегрирование и диф-
ференцирование, что они все еще применяются в устройствах, использую-
щих аналоговые сигналы.
Хотя операционные усилители были созданы для использования в вычис-
лительной технике, их усовершенствованные формы выполняют разнооб-
разные задачи в других областях. На рис. 3.11.1 показана схема, представляю-
щая операционный усилитель (ОА) и одну из его разновидностей.
I
Суммирование Дифференцирование
ei — R
е0 - + ®2 + ез)
Рис. 3.11.1. Операционный усилитель и его разновидность для выполнения
математических операции
Преобразуя числа и посылая их в виде напряжений через электронные
схемы и каскады, компьютер выполняет математические операции, направ-
ляя результаты в некоторый вид приемника (рис. 3.11.2).
Аналоговые компьютеры имеют целый ряд недостатков, которые отсут-
ствуют у цифровых компьютеров. При выполнении каждой операции есть
вероятность ошибки. Чем болыЬе выполняется операций, тем больше накап-
ливается ошибок, влияющих на результат.
180 ЧАСТЬ 3. Проекты
Eq—(Е| + E2 — Eg) х 5
Рис. 3.11.2. Простоя структурная схема ансмтогоеого компьютера
Рис. 3.11.3. Логарифмической
линейка
Другая проблема - быстродействие. Анало-
говые компьютеры не способны выполнять
большое количество операций одновремен-
но, что замедляет их работу. Тем более невоз-
можно применять аналоговые машины в ком-
плексных вычислениях.
По принципу работы аналоговые компью-
теры можно сравнить с логарифмической ли-
нейкой.
Логарифмические линейки (рис. 3.11.3) ши-
роко использовались инженерами в середине 20 в. до изобретения калькуля-
торов 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 конструк-
ции 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 ло-
гарифмической линейке и способный выполнять некоторые математичес-
кие операции, а именно:
• сложение;
• вычитание;
• умножение;
• деление;
• логарифмические функции;
• извлечение квадратного корня;
• возведение в степень;
^lataHaus^i
Проект 11. Аналоговый компьютер 181
• тригонометрические функции, такие как синус, косинус, тангенс и ко-
тангенс;
• пропорциональное исчисление.
Схема в основном проекте аналогового компьютера очень проста, но мо-
жет быть усовершенствована при помощи операционных усилителей и дру-
гих 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, под-
соединенных к трем потенциометрам, передвигающимся или скользящим по
градуированной шкале и индикатору.
Потенциометры 1 и 2 обычно используются
как вход для данных - чисел, участвующих в вычис-
лениях. Потенциометр 3 подстраивается для опре-
деления результатов первых двух. Когда результат
первых двух потенциометров определен, то инди-
катор на третьем потенциометре показывает нуль.
Так, например, если в действии умножения вы
выстраивайте потенциометр 1 на 3, а потенцио-
метр 2 на 2, то индикатор потенциометра 3 пока-
Рис. 3.11.4. Основной ворионг
аналогового компьютера
жег нуль (равновесие), когда потенциометр 3 достигнет положения 6 (3 х 2 = 6).
Точность результатов зависит от многих факторов:
• точности потенциометров и индикатора. Обычные линейные потенцио-
метры 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 потенцио-
метра, то получим еще большую разницу от ожидаемых результатов.
Однако, учитывая экспериментальный характер проекта, такая разни-
ца не имеет большого значения. Помимо этого индикатор недостаточ-
но 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 сте-
пень погрешности. Например, может произойти так, что будет непо-
нятно, указывает стрелка на нуль или на единицу;
182 ЧАСТЬ 3. Проекты
• оператора. Небольшая разница при установке потенциометра на число
может повлиять на результаты. Эта погрешность вносится оператором.
Как он работает
Принцип действия аналогового компьютера основывается на способности
компьютера производить аналоговые умножения. Чтобы понять, как он ра-
ботает, вначале рассмотрим простую схему (рис. 3.11.5).
v ——
10V —
Потенциометр
О 5V
50% полного
сопротивления
------О
Заземление (0V)
Рис. 3.11.5. Выполнение аналогового преобразования
Эта схема преобразует число, напротив которого остановился курсор по-
тенциометра, в аналоговое напряжение. Потенциометр проградуирован от
0 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% напряже-
ния батареи. Если, например, 100% напряжения батареи равно 10 В, то соот-
ветствующая центральная позиция, или полупуть, равен 5 В.
Само собой разумеется, что если мы намерены работать с большими чис-
лами, необходимо привыкнуть к масштабированию чисел. Например, если
количество вольт, которое нужно преобразовать, равно 47, мы должны пред-
ставить 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 пока-
зано, как представлять величины. Теперь сделаем еще шаг, дополнив нашу
схему другим потенциометром (рис. 3.11.7).
Рис. 3.11.6. Аналоговые преобразования с применением потенциометра
^iaiatiaus'^l
Проект 11. Аналоговый компьютер 183
Просматривая цифры, мы можем заметить, что напряжение, приложен-
ное к выводам второго потенциометра, - число, снятое с первого потенцио-
метра и преобразованное в аналоговое напряжение.
Итак, если стрелка второго потенциометра стоит в центре шкалы, то на-
пряжение, отмеченное стрелкой, должно составлять 50% от первоначаль-
ных 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, проградуи-
рованные от 0 до 10, тогда напряжение на выходе схемы будет производным
снятого числа, умноженного на 10. Другими словами, шкала, проградуирован-
ная 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 до-
бавлены третий потенциометр и индикатор.
Рис. 3.11.8. Завершение схемы основного проекта аналогового компьютера
Читатель может легко заметить, что если мы подстроим третий потен-
циометр (РЗ) на 0,25% его шкалы, то напряжение, отмеченное его курсо-
ром, будет равно напряжению, отмеченному курсором потенциометра 2
(Р2). А индикатор, установленный в положение между этими двумя точка-
ми, покажет нуль.
Если потенциометр 3 (РЗ) проградуирован от 0 до 100, то положение его
курсора покажет результат, равный произведению значений напряжений,
184 ЧАСТЬ 3. Проекты
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 ре-
зультат появится на потенциометре Р1. Когда потенциометр Р1 приводится
в движение, схема определяет момент, в который курсор укажет на резуль-
тат. Шкалы или, вернее, измерение с помощью шкал может быть откалибро-
вано при помощи тригонометрических функций, таких как синусы, косину-
сы, тангенсы и логарифмы. Подстраивая потенциометр Р1 к 10 (полная
шкала), а потенциометр Р2 - на любой угол в угловой шкале, мы сможем про-
читать синус или косинус данного угла в соответствующей шкале. Логариф-
мическая 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 проекта необходимо иметь в виду, что потенциометр имеет
конечную величину сопротивления. Это означает, что схема может быть на-
гружена, влияя отрицательно на конечный результат. Когда один потенцио-
метр 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 потенци-
ометру, 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 помо-
щи резистора на 500 Ом, подключенного последовательно к другим резисто-
рам? Резистор на 500 Ом формируется нижней частью потенциометра Р1,
Naiattausl^i
Проект 11. Аналоговый компьютер 185
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 Р2
Рис. 3.11.11. На напряжение оказывает влияние сопротивление потенциометра Р2
Самым простым способом избежать этого является максимальное увели-
чение 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 напряже-
ния источника питания. Это происходит потому, что величина напряжения
одинакова во всех потенциометрах.
Следовательно, любое изменение в одной ветви схемы приведет к соот-
ветствующему изменению в других ветвях.
Кок 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.
186 ЧАСТЬ 3» Проекты
Рис. 3.11.13. Компоненты,
размещающиеся в коробке
Потенциометры Р1 и РЗ являются прово
л очными и линейными, а потенциометр Р2 -
обычный угольный линейный. Необходимо
проверить угол разворота курсора. Все кур
соры должны быть установлены по делению
270° на потенциометрах для согласования сс
шкалами, предложенными в тексте.
Индикатор на 50-0-50 мкА с нулем в цент
ре шкалы. Такой же вид индикатора установ-
лен в некоторых стереоусилителях низкой ча-
стоты для индикации баланса.
Вместо такого индикатора можно использо-
вать любой обычный микроамперметр 0-200 мкА и подключить к нему диодный
мостик, который будет пропускать ток в обоих направлениях (рис. 3.11.14).
Рис. 3.11.14. Диодный мостик позволяет использовать обычные индикаторы
4\ataHaus^k
Проект 11. Аналоговый компьютер 187
Шкалы
Аналоговый компьютер способен решать математические задачи, а именно
вычитание, сложение, умножение, деление, извлечение корня, возведение в
степень, логарифмические и тригонометрические уравнения и даже слож-
ные функции. В основном проекте используется три градуированных круго-
вых диска (X, Y и Z). Каждый диск имеет три шкалы, или кольца измерения:
• линейные шкалы al, а2и аЗ- используются в операциях вычитания, сло-
жения, 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
синусоЬ и косинусов углов между 0° и 90е.
Способ изготовления шкал показан на рис. 3.11.15.
Шкалах
Рис. 3.11.15а. Шкалы 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 при-
меняли для потенциометров. Индикаторы изготавливаются из тонкого прово-
да или нитей пластмассового волокна (нити), применяемых для изготовления
синтетической щетки. На рис. 3.11,16 изображен способ монтирования шкал.
г
188 ЧЙСТЪ 3. Проекты
Рис. 3.11.156. Школы для трех потенциометров
Шкалах
Рис. 3.11.15в. Школы для трех потенциометров
Проект 11. Аналоговый компьютер 189
ftahrttausi^i.
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 пере-
ключатель S2 замкнут, чувствительность схемы возрастает, облегчая нахож-
дение правильного результата математической операции, выполняемой ком-
пьютером.
Другие школы
Начинающий гений может захотеть созвать более мощный аналоговый ком-
пьютер, дополнив его другими шкалами. Вот примерный перечень шкал, ко-
торые можно добавить:
• шкалы для натуральных логарифмов;
• шкалы для квадратных и кубических корней;
• шкалы для преобразования чисел из десятичной системы в другие сис-
темы исчисления;
• шкалы, представляющие гиперболические функции.
Перечень элементов и компонентов аналоговых
компьютеров
• Р1, РЗ - линейный проволочный потенциометр (270е) на 50 Ом.
• Р2 - линейный угольный потенциометр (270°) на 100 кОм.
• Р4 - синхронизирующий потенциометр на 47 кОм.
• Rl, 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.
190 ЧАСТЬ 3. Проекты
Проверка и использование
Установите батарейки в держатель и включите переключатель S1. Потенци-
ометр Р2 должен быть в центре шкалы. Двигая потенциометр Р1 и РЗ, изме-
ним положение индикатора.
Прежде всего подстроим потенциометр Р4 таким образом, чтобы не было
индикации за пределами шкалы. Этот потенциометр точной подстройки ог-
раничивает величину тока, протекающего через прибор.
Теперь можно попытаться выполнить простую операцию, например умно-»
жение. Настройте потенциометры Р1 и Р2 на числа, которые надо перемно-
жить. Затем настройте потенциометр РЗ для нахождения результата. Инди-
катор 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 нуле-
вое 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 по-
тенциометра 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 чис-
ла на логарифмической шкале Ы потенциометра Р1, а степень b - 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, боль-
шинство из которых можно найти в учебниках по математике.
Модификации проекта
Можно внести много изменений в конструкцию основного проекта аналого-
вого компьютера. Начинающий гений может усовершенствовать схему, ис-
пользуя современные компоненты, такие как операционные усилители. Ниже
мы поделимся с вами своими предложениями по изменению и усовершен-
ствованию проекта.
Суммирующая схема
Можно добавить суммирующую схему с использованием двух или трех потен-
циометров, подключенных последовательно друг к другу (рис. 3.11.17). Вели-
чина напряжения в А - это сумма Аналоговых напряжений, установленных на
потенциометрах Pl, Р2 и РЗ.
^aiafiaus^k
Проект 11. Аналоговый компьютер 191
Рис. 3.11.17. Суммирующая схема, использующая потенциометры
Кросс-темы
Аналоговый компьютер - прекрасный инструмент, помогающий преподавать
и изучать математику. Начинающий гений может использовать его для арифме-
тических вычислений. Школьный учитель с помощью такого компьютера смо-
жет 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 выполне-
ния 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 резисто-
ры и потенциометры. Но можно задействовать электронику, и с применением
чувствительных схем компьютер станет более точным и управляемым. Начи-
нающий гений может захотеть попытаться создать следующие варианты.
Использование звукового индикатора I
Вместо визуального индикатор^ (прибора) вы можете использовать слуховой
индикатор (пьезоэлектрический преобразователь (датчик)). Основным от-
личием соответствующей электронной схемы является применение в каче-
стве 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).
192 ЧАСТЬ3. Проекты
Рис. 3.11.18. Простои генератор низкой частоты используется в качестве
источника сигналов в компьютере
Рис. 3.11.19. Электронная схема, смонтировожж на печатной плате (РСВ)
Будьте внимательны при установке интегральной микросхемы. Тональность
звука регулируется потенциометром Р1.
Генератор состоит из одного из четырех вентилей интегральной микро-
схемы 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 ра-
ботать в этой схеме.
Проект 11. Аналоговый компьютер 193
Перечень элементов и компонентов схемы,
использующей звуковой индикатор I
1. IC-1 - интегральная микросхема 4093, комплементарный металлооксид-
ный полупроводник (CMOS [КМОП]).
2. R1 - резистор 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
3. Р1, РЗ - линейный проволочный потенциометр (270°) на 50 Ом.
4. Р2 - линейный угольный потенциометр (270°) на 100 кОм.
5. Р4 - потенциометр точной подстройки.
6. Cl, С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
7. S1 - однополюсный переключатель SPST.
8. XI - пьезоэлектрический преобразователь.
9. В1 - четыре батарейки размера АА на б 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 на интегральной микросхеме 555IC
Эта схема монтируется на основе общеизвестной интегральной микро-
схемы 555IC и является устойчивым мультивибратором, генерирующим сиг-
налы с прямоугольной формой волны (импульсов), и с частотой, регулируе-
мой потенциометром Р4. Схема монтируется на небольшой печатной плате
(рис. 3.11.21).
194 НЙСТЬЗ. Проекты
Рис. 3.11.21. Печатная плата для звуковой электронной схемы
Принцип действия схемы аналогичен принципу действия схемы в преды-
дущем проекте. Нулевой детектор является пьезоэлектрическим преобразо-
вателем или преобразователем с высоким импедансом.
Перечень элементов и компонентов схемы,
использующей звуковой индикатор II
1. IC-1 - синхронизирующая интегральная микросхема 555IC.
2. Р1, РЗ - линейный проволочный потенциометр (270°) на 50 Ом.
3. Р2 - линейный угольный потенциометр (270°) на 100 кОм.
4. Р4 - потенциометр с точной подстройкой на 100 кОм.
5. Rl, R2 - резистор 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
6. Cl, С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
7. XI - пьезоэлектрический преобразователь.
8. В1 - четыре батарейки размера АА на б В (и держатель).
Печатная плата, коробка, ручки для потенциометров, провода, припой и т.п.
Добавление операционного усилителя
со светоизлучающими диодами (KD)
Дополнительным подключением к сбалансированной электронной схеме опе-
рационного усилителя можно увеличить ее чувствительность. Усиление опе-
рационного усилителя может быть увеличено, когда положение подстройки
потенциометра находится вблизи от точки баланса (равновесия), тем самым
увеличивая большую точность для нахождения правильных результатов. Элек-
тронная 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 светоизлучаю-
щих диода (LED). При нахождении баланса оба диода отключаются.
ftalallaus;
Рис. 3.11.22. Электронной схема с применением операционного усилителя
Перечень элементов и компонентов схемы
с операционным усилителем со светоизлучающими
диодами
1. IC-1 - интегральная микросхема операционного усилителя 741IC.
2. LED1, LED2 - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
3. R1 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричйевый, черный, красный).
4. R2 - резистор 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
5. R3, R4 - резистор 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
6. SI, S2 - однополюсный переключатель SPST.
7. В1 - 6 батареек размера АА на 9 В.
8. Р1, РЗ - линейный проволочный потенциометр (270°) на 100 Ом.
9. Р2 - линейный угольный потенциометр (270°) на 100 кОм.
Печатная плата, держатель элементов или батарейный соединитель, про-
вода, 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,
РЗ = 4.
Вам нужно будет передвинуть потенциометр Р2 (х) для балансирования
схемы и, следовательно, решения уравнения.
196 ЧАСТЬ3. Проекты
Рис. 3.11.23. Электронная схема может выполнять вычисления типа FVB = C/D
Автоматический механотронный аналоговый
компьютер
В усложненном проекте аналогового компьютера можно использовать короб-
ки 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 потенци-
ометра РЗ. Если величины напряжений не совпадают, схема продолжает ра-
ботать и передвигает стрелку потенциометра РЗ при помощи сервосистемы.
Рис. 3.11.24. Использование сервосистемы (следящей системы) для постройки
мехонотронного компьютера
Стрелка буцет перемещаться, пока величины напряжений не совпадут.
Компаратор (LM339, например) предназначается для считывания напря-
жения и возбуждения электродвигателя переменного тока, подсоединенно-
го 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
Проект 11. Аналоговый компьютер 197
еще изучаются в технических вузах в рамках курса по операционным усили-
телям. На примере аналоговых компьютеров легче понять принцип работы
усилителей.
Идеи для углубленного изучения темы
• начинающий гений может придумать много схем с использованием по-
тенциометров, добавляя переключатели для внесения в схему соответ-
ствующих изменений. Мощный аналоговый компьютер может быть
сконструирован именно таким способом;
• сервосистема может быть применена для приведения в действие по-
тенциометров, а они могут управляться датчиками. Компьютер выпол-
няет вычисления в соответствии с физическими величинами, измеря-
емыми датчиками;
• можно использовать цифровые потенциометры, чтобы значения вели-
чин, используемых в вычислениях, можно было представить в цифро-
вом виде;
• Интернет является хорошим источником информации по аналоговым
компьютерам. В нем вы найдете для себя много Web-сайтов с практи-
ческими 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 управ-
лением.
Для этой цели подходят электродвигатели, потребляющие ток до 3 А, напря-
жением 3-15 В, то есть почти все небольшие электродвигатели постоянного
тока.
Задачи
1. Построить схему, посредством которой можно управлять электродвига-
телями прикосновением пальца.
2. Выяснить, достаточно ли велико сопротивление кожи, чтобы запустить
схему.
3. Создать несколько простых бытовых проектов с использованием элект-
родвигателей с сенсорным управлением.
4. Познакомиться с понятием замкнутой цепи для понимания принципа
работы проекта.
Как работает схема
Основная схема использует моноустойчивый вариант интегральной микросхе-
мы 555IC для запуска электродвигателя в течение программируемого промежут-
ка времени. При прикосновении пальцами к датчику ток, протекающий через
кожу, достаточен для того, чтобы запустить схему, активировать электродвига-
тель и поддерживать режим работы в течение некоторого промежутка време-
ни, определяемого резистивно-емкостной схемой. Схема с задержкой времени
может быть запрограммирована в интервале от нескольких миллисекунд до не-
скольких минут.
Для увеличения чувствительности к схеме подключается транзистор, обес-
печивающий подвод триггерного напряжения к интегральной микросхеме от
сенсорного датчика. Таким образом, ток всего лишь в несколько микроампер
Проект 12. Электродвигатели с сенсорным управлением 199
^latattaus^.
может запускать схему, включающую электродвигатель (рис. 3.12.1). Ток для запус-
ка 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 влаж-
ность, толщину и количество соли, выделяемой через поры. Другой фактор, оп-
ределяющий устойчивость тока, это путь тока (рис. 3.12.2).
Рис. 3.12.2. Чтобы запустить схему, путь токо должен иметь форму замкнутой петли
Току необходим замкнутый путь, чтобы воздействовать на схему. Это означа-
ет, что исключение утечки тока через обувь или через соедине .ие с заземлени-
ем 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 мик-
роампер, то он не может нанести электрический удар или причинить другой
вред человеку. Одного только кратковременного прикосновения к датчику дос-
таточно, чтобы запустить схему, которая активирует и поддерживает рабочий
режим в течение запрограммированного промежутка времени.
200 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Хотя при прикосновении к датчику вероятность электрического удара нич-
тожно мала, не забывайте все-таки о возможности пораСжения током при рабо-
те с электроникой вообще. Чтобы гарантировать безопасность на все 100%,
примите к сведению следующее предупреждение.
Внимоние1 Не запитывайте схему от бестронсформоторных источников питания и не подключай-
те ее напрямую к сети переменного токо! 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 источ-
ника 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 отрегулированно-
го сопротивления), можно рассчитать промежуток времени, в течение которо-
го 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 подсоеди-
нять 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 транзис-
тор Дарлингтона. Транзистор должен быть установлен на теплоотводящий ра-
диатор.
Как монтировать схему
Полная электронная принципиальная схема основного варианта электродвига-
теля 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 вне-
шним управлением или же логическим или линейным потенциометром. Сен-
сорный датчик встраивается двумя способами, в зависимости от цели проекта.
Nalattaus^
Проект 12. Электродвигатели с сенсорным управлением 201
Рис. 3.12.3. Принципиальная схема электродвигателя с сенсорным уравнением
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 проте-
кает через тело человека. В этом случае схема должна иметь заземление, чтобы
обеспечивался путь для тока. Заземление выполняется посредством использо-
вания 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, рассчи-
танными на напряжение 6-12 В и током до 1 А (рис. 3.12.5).
Трансформатор имеет первичную обмотку, получающую питание напряже-
нием 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.
202 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
( *) на радиаторе теплопровода
Рис. 3.12.5. Простои стабилизированный источник питания для схемы
Проверка 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 подож-
дать. Если схема работает так, как ожидалось, то можете смело устанавливать
ее в задуманный проект.
Перечень элементов и компонентов схемы
электродвигатели с сенсорным управлением
1. IC-1 - синхронизирующая интегральная микросхема 555IC.
2. Q1 - транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа или эквивалент.
3. Q2 - транзистор средней мощности BD135 PNP-типа.
4. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148 или 1N914.
5. R1 - резистор 2,2 мОм х 1/8 Вт (красный, красный, зеленый).
6. R2 - резистор 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
7. R3, R5 - резистор 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
8. R4 - резистор 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
9. R6 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
10. Р1 - обычный потенциометр или потенциометр с точной подстройкой
на 1 мОм.
11. С1 - электролитический или другой конденсатор на 1 мкФ.
12. С2 - электролитический или другой конденсатор на 0,1 до 1000 мкФ.
13. СЗ - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 16 В.
14. М - любой электродвигатель постоянного тока 3-15 В (с потреблением
тока до 500 мА).
15. XI - сенсорные датчики (см. текст).
Проект 12. Электродвигатели с сенсорным управлением 203
Печатная плата или плата, не требующая пайки, теплоотводящий радиатор
для транзисто! a Q2, провода, источник питания и т.п.
Исследование темы
Вы можете включить электродвигатель с сенсорным управлением в конструк-
цию многих бытовых автоматических приборов или роботов и механотронных
устройств.
Автоматическое окно
Коробку передач и электродвигатель с сенсорным управлением можно исполь-
зовать 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.
Рис. 3.12.6. Открытие и закрытие занавески при помощи схемы
Робот или автомобиль с сенсорным управлением
Другое интересное применение сенсорного управления - прик эсновением паль-
цев запустить небольшой робот, который будет двигаться во вр .менном интерва-
ле, 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 автомо-
биль будет ездить в течение определенного промежутка времени. Чтобы прове-
сти соревнования, время движения можно сделать одинаковым для всех авто-
мобилей. Победителем можно объявить того, чей автомобиль проедет самую
длинную дистанцию (рис. 3.12.7). С помощью схемы также можно запускать раз-
личные игрушки.
8 Создание робоюв в дом. усл.
204 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
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 потенци-
ометром Pl. С применением конденсатора на 1000 мкФ и установкой потенци-
ометра Р1 на максимальную величину сопротивления, вентилятор будет вклю-
чаться 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).
Горячий
воздух
Кросс-темы
Можно провести много экспериментов с сенсорным управлением электродви-
гателями. Ниже мы приведем некоторые из них.
ftalallausflk
Проект 12. Электродвигатели с сенсорным управлением 205
Ловушки
Небольшие зверьки запускают схему, когда невольно прикасаются к сенсорно-
му датчику, и закрывают ловушку (рис. 3.12.9).
Схему можно подстроить таким образом, чтобы электродвигатель работал в
промежутке времени, необходимом для закрытия ловушки. Альтернативой яв-
ляется 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).
Рис. 3.12.10. Миксер с сенсорным управлением
206 НАСТЬ 3. Могнитные приборы
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 управле-
нием (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.
^atallaus<ik
Проект 12. Электродвигатели с сенсорным управлением 207
Использование кремниевого управляемого
выпрямителе (SCR)
Этот вариант электродвигателя с сенсорным управлением использует кремние-
вый управляемый выпрямитель (SCR) в качестве чувствительного переключа-
теля, соединенного последовательно с электродвигателем, чтобы им управлять.
Выпрямители, подобные выпрямителям типа TIP106, применяемым в этой схе-
ме, 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 пе-
реключения 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 электроли-
тический конденсатор на 10-100 мкФ в параллельную цепь с электродвигателем
Необходимо принять во внимание и другой немаловажный факт, касающий-
ся этого варианта схемы. Заземление (GND) увеличивает чувствительность,
поскольку ток течет по замкнутой петле и проходит по телу человека, который
208 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
касается датчика. Без заземления триггерный ток (ток, производимый тем, кто
касается датчика) уменьшается по величине. Поскольку чувствительность пада-
ет, 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 ис-
точника питания на 2 В меньше. В некоторых видах схем это падение должно
компенсироваться прибавлением 2 В к выходу источника питания. Принципи-
альная схема электродвигателя с сенсорным управлением, использующим вып-
рямитель SCR, показана на рис. 3.12.13.
Рис. 3.12.13. Сенсорное управление, использующее выпрАммтель SCR
Можно использовать любой электродвигатель постоянного тока, рассчитан-
ный на 6-12 В с потреблением тока до 1 А. Если электродвигатель рассчитан на
более высокое напряжение, то необходимо приспособить к нему другой источ-
ник питания, способный запитывать электродвигатель. Схему необходимо раз-
местить в небольшой коробке, а сенсорный датчик должен быть размещен на
расстоянии, достаточно удаленном от схемы. Датчик представляет собой метал-
лическую 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 пере-
менного тока, поэтому существует опасность поражения током.
Перечень элементов и компонентов схемы
с выпрямителем SCA
1. SCR - кремниевый управляемый выпрямитель MCR106.
2. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
3. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
4. R1 - 5-процентный резистор на 100000 Ом х 1/4 Вт.
^atatiaus^k
Проект 12. Электродвигатели с сенсорным управлением 209
5. S - сенсорный датчик (см. текст).
6. GND - заземление (см. текст).
Оконечная полоска, источник питания, пластмассовая коробка провода, при-
пой и т.п.
Использование интегральной микросхемы 4093
Интегральные микросхемы на комплементарных металлооксидных полупро-
водниках (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 осуще-
ствления сенсорного переключения, и микросхема 4093 является лучшим канди-
датом 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 R1. 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 силово-
го выходного каскада, образованного транзистором NPN-типа.
Рис. 3.12.14. Использование микросхемы 4093
210 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Перечень элементов и компонентов схемы
с применением интегральной микросхемы 4093IC
1. IC-1 - синхронизирующая интегральная микросхема, комплементарный
металлооксидный полупроводник 4093IC (CMOS IC [КМОП]).
2. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
3. Q1 - кремниевый силовой транзистор BD135 иЛи TIP31 NPN-типа.
4. R1 - резистор 22 мОм х 1/8 Вт (красный, красный, голубой).
5. R2 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
6. XI - сенсорный датчик (как в основном проекте).
7. 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 интег-
ральной микросхемой 555IC для запуска электродвигателя при помощи сен-
сорных датчиков или кнопки.
После первого прикосновения к сенсорному датчику электродвигатель акти-
вируется и работает до тех пор, пока датчика не касаются снова. После повтор-
ного касания электродвигатель перестает работать, пока к датчику не прикос-
нутся еще раз.
Рис. 3.12.15. Интегральная микросхема 4013 обеспечивает электродвигателю работу
в двух устойчивых состояниях
Проект 12. Электродвигатели с сенсорным управлением 211
.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
1. IC-1 - синхронизирующая интегральная микросхема 555IC.
2. IC-2 - триггерная интегральная микросхема 4013IC.
3. Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD135 NPN-типа.
4. Q2 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
5. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
6. Rl, R5 - резистор 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
7. R2 - резйстор 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
8. R3 - резистор 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
9. R4 - резистор 27 кОм х 1/8 Вт (красный, фиолетовый, оранжевый).
10. R6 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
11. С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,47 мкФ.
12. С2, СЗ - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,1 мкФ.
13. С4 - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 15 В.
14. XI - сенсорный датчик (см. основной проект).
15. 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 электродви-
гателя или автоматического процесса. Например, в аэропортах, торговых цен-
трах 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 дат-
чики 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
1. 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.
Ill ЧИСТЬ 3. Магнитные приборы
2. На рис. 3.12.16 показана игра с применением электронной схемы и элек-
тродвигателя. Расставьте несколько сенсорных датчиков на пластмассо-
вом основании и подсоедините некоторые из них ко входу электронной
схемы. Спрячьте провода, чтобы участники игры их не видели. Пред-
ставьте, что каждый подключенный датчик (пластина) является миной.
Игрок должен коснуться датчиков, но избежать возможного взрыва при
прикосновении к подключенным датчикам. Игрок пытается пройти че-
рез «минное поле», избежав запуска электродвигателя.
- Сенсорные датчики
М - Электродвигатели
Рис. 3.12.16. Построение «минного поля»
flaiaHausi^l
Проект 13.
Мехонотрониый 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 следо-
вательно, читатель с хорошим воображением может дополнить проект други-
Рис. 3.13.1. В конструкции
подъемника применены
простые части
ми ресурсами или даже применить для управления подъемником компьютер.
В этом проекте найдется место для многих дополни-
тельных функций.
Подъемник маломощен, поскольку использует неболь-
шой электродвигатель постоянного тока, запитываемый
от источника постоянного тока или обычных батареек.
Однако, в зависимости от коробки передач или крутяще-
го момента, он может поднять груз весом до 100 г.
Этот проект используется в преподавании курса меха-
нотроники в высшей школе в Colegio Mater Amabilis. Сту-
денты должны максимально напрячь свои интеллектуаль-
ные 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 отметить, что в рамках проекта можно создать
и другие изделия, например миниатюрные мобильные
мосты, промышленные машины, двери и окна, пользу-
ясь принципами, разработанными для подъемника.
Задачи
1. Построить простой подъемник, используя обычные детали.
2. Добавить к проекту автоматическую систему, позволяющую подъемнику
останавливаться на разных этажах.
3. Изучить, как работает коробка передач.
4. Поработать с формулами для расчета дифференциального блока.
5. Организовать соревнование по созданию самого мощного подъемника.
214 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Как он работает
Проект механотронного подъемника может быть поделен на 2 части: электрон-
ную схему, предназначенную для управления электродвигателем, и механичес-
кую 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 скорос-
тью, было решено использовать так называемое широтно-импульсное управле-
ние (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 схе-
ме добавляются реверсирование и блок управления. Блок-схема электронной
части показана на рис. 3.13.2.
Подстройка скорости
Рис 3.113.2. Блок-схема управления подъемником
'NalaHausl
Проект 13. Мехонотронный подъемник 215
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 при-
менением четырех батареек размера С или D.
Рис. 3.13.4. Источник питания для 6-вольтового варианта подъемника
Трансформатор, применяемый в этом варианте, имеет первичную обмот-
ку, запитываемую от 117В сети переменного тока, и вторичную обмотку на
116 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
7,5-9 В с током силой до 1 А. Интегральная микросхема должна быть установ-
лена 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 языч-
ковыми переключателями, активируемыми небольшим магнитом, прикреплен-
ным к подъемнику.
Каждый раз, котда 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 элек-
тродвигателя. В наипростейшем проекте эта задача может выполняться пере-
ключателем (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.
Механическая часть
Вы можете придумать много способов для постройки подъемника. Все обычные
материалы, такие как дерево, пластмасса или даже металл, могут быть исполь-
зованы для возведения конструкции, на которой будет держаться подъемник.
Что касается самого подъемника, то могут быть применены два способа пе-
редачи мощности от электродвигателя к кабине. Один из них (рис. 3.13.5) ис-
пользует редукторную коробку с колесами и резиновыми жгутами. Колеса мо-
гут быть изготовлены из дискет и прикреплены к коробке от компакт-диска. Это
очень простое решение, взятое на вооружение многими студентами, которые
строили этот подъемник.
Можно 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. Редукторная коробка,
изготовленная из резиновых жгутов
и дискет в качестве колес
Рис. 3.13.6. Дифференциальный блок на
знспвримектальном подъемнике
^iatallaus^
Проект 13. Мехонотрож w подъемник 217
Как строить
Основной схемой проекта подъемника является принципиальная схёма, пока-
занная на рис. 3.13.7. Управление PWM такое же, что и в проекте 3. Для получе-
ния более подробной информации вы можете обратиться к соответствующему
разделу.
SW4 I
Рис. 3.13.7. Электронная принципиальная схема подъемника
Мы рекомендуем применять электродвигатели постоянного тока на 6 В с
мощностью, достаточной для перемещения подъемника. Такие небольшие элек-
тродвигатели, запитываемые от батареек размера АА, могут перемещать грузы
весом максимум 50 г.
Кроме того, перемещение груза зависит от максимальной скорости и пере-
даточного отношения, обеспечиваемых механическими частями. Используя
эти небольшие двигатели, питание также можно получать от четырех батареек
размера С или D.
Фактически датчики являются язычковыми переключателями, установлен-
ными на разной высоте конструкции башни и активируемыми небольшим маг-
нитом, 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 движе-
ние без отклонений, должна быть пристроена к конструкции башни.
218 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
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
подъемнике с источником питания включительно
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC.
2. Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD136 PNP-типа (могут
быть использованы эквиваленты, такие как TIP32 или TIP42).
3. DI, D2, D3 - кремниевый выпрямительный диод 1N4002.
4. Rl, R2, R3 - резистор 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
5. Р1 - потенциометр на 100 кОм.
6. С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,22-1 мкФ.
7. С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 12 В.
8. СЗ - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
9. 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.
10. К1 - реле на 6 В х 50 мА SPST.
11. SW1, SW2, SW3 - нормально разомкнутый язычковый переключатель.
12. SW4 - кнопка (нормально разомкнутая).
13. SW5 - двухполюсный переключатель DPDT (см. Уекст).
14. SW6 - двухполюсный переключатель SPST (вкл./выкл.).
15. Ml - электродвигатель постоянного тока на 6 В (см. текст).
16. F1 - плавкий предохранитель на 500 мА (и держатель).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, провода, пластмассовая ко-
робка для управления, механические части для конструкции башни и подъем-
ника, небольшой магнит, припой и т.п.
Проверке и использование
Первый этап - проверка электронного управления электродвигателем без под-
ключения 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 ем-
кость конденсатора С1. В зависимости от электродвигателя, уменьшение емко-
сти может вызвать проблемы на высоких скоростях, а увеличение емкости мо-
жет 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, удос-
товерьтесь, обладает ли электродвигатель достаточной мощностью для переме-
щения кабины.
^ataiiausitk
Проект 13. Мехонотронный подъемник 219
Подстройте потенциометр Р1 к наиболее приемлемой скорости. Избегайте
очень быстрого перемещения подъемника. Убедитесь, что резиновые жгуты пра-
вильно подогнаны к колесам в редукторе и не проскальзывают при вращении.
После проверки вы можете продемонстрировать свое детище или усовер-
шенствовать его с помощью технических решений, предложенных в следую-
щем разделе.
Идеи для экспериментов
Кроме постройки основного проекта, можно реализовать следующие интерес-
ные идеи.
Использование коробки передач
Использование коробки передач - очень эффективный метод увеличения мощ-
ности и понижения скорости вращения электродвигателей постоянного тока.
Много различных коробок передач продается в специализированных магази-
нах. Вы можете использовать коробку передач в конструкции подъемника, за-
менив ее на механическую систему с резино-
выми жгутами. В этом случае можно взять
обычную коробку передач (рис. 3.13.8).
Используя коробку передач, вы должны
зйать, что представляет собой передаточное
число (отношение), которое обеспечивает-
ся механической системой*.
Передаточное число - фактор, при помо-
щи которого скорость снижается, а мощ-
ность увеличивается. Например, в коробке
передач с передаточным числом 1:100 крутя-
щий момент электродвигателя увеличивает-
ся в 100 раз и в той же пропорции понижает-
ся скорость вращения.
Рис. 3.13.8. Обычная коробка
передач
Для нашего подъемника рекомендуются коробки передач с фактором пони-
жения 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 (обратно-
го хода) электродвигателя в конечных точках пути, к механотронному подъемни-
ку может быть добавлено много других автоматических устройств.
‘ Передаточное число - отношение числа зубьев колеса к числу зубьев шестерни в зубчатой пере-
даче (или коробке передач). Всегда больше или равно 1. - Прим. науч. ред.
220 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Начинающий гений, который уже имеет некоторый опыт в работе с элект-
ронными 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 управле-
ния) для того, чтобы подъемник выполнял заранее запрограммирован-
ные действия;
• подсоедините датчики для обнаружения нарушения спрямления какой-
либо детали подъемника;
• сконструируйте цифровой индикатор отображения номера этажа, на ко-
тором находится подъемник.
Управление подъемником при помощи компьютера
Для компьютерного управления подъемником может быть использован про-
стой 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 програм-
му для управления подъемником 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 элек-
тродвигатель в механотронных проектах. Этот тип электродвигателя лучше
^lataHaus^
Проект 13. Мехонотронный подъемник 221
всего применять в точных устройствах. Другим преимуществом шагового элек-
тродвигателя 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 породам
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 ко-
лес в коробке передач.
Рис. 3.13.10. Расчет коробок передач 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).
222 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.13.11. Расчет дифференциальных блоков
Соревнование среди подъемников
Кто может построить лучший подъемник? Соревнования устраиваются для выяв-
ления подъемника с лучшими рабочими характеристиками. Правила устанавлива-
ются, 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. Не-
сколько схем, использующих компоненты общего назначения, предложены нами
в следующем разделе.
Использование линейного управлении
Вы можете заменить управление при помощи широтно-импульсной модуляции
(PWM) на управление электронный потенциометром, описанным в проекте 7.
9latatt.aus,^i
Проект 13. Механотронный подъемник 223
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 мо-
мент и скорость также могут изменяться под воздействием поднимаемого гру-
за, поэтому требуется более тщательная регулировка.
Добавление таймера
Простой таймер (рис. 3.13.12) можно использовать для остановки подъемника
на каждом этаже в заданном промежутке времени. Когда сигнал на входе (вы-
вод 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 некото-
рого промежутка времени, подстроенного потенциометром Р1. Этот промежу-
ток времени зависит также и от конденсатора С1 и может изменяться в соот-
ветствии с требованием проекта.
Рис. 3.13.12. Добавление простого таймера для остановки подъемника на каждом этаже в
течение заданного промежутка времени
Перечень элементов и компонентов схемы
с добавлением таймера
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. Q1 - транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
3. D1-диод общего назначения 1N4148.
4. Р1 - потенциометр с точной подстройкой на 100 кОм.
5. R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
6. R2 - резистор на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
7. R3 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
8. С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
224 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
9. С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 12 В.
10. 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 мостике Н
Другая схема, которая может быть использована для изменения направления
вращения электродвигателя на конечной точке движения, - это мостик Н. Мо-
стик Н состоит из четырех транзисторов, которые проводят ток в режиме че-
редования. Таким образом, в зависимости от включенного в данное время тран-
зистора, ток протекает через электродвигатель в обратном направлении.
Когда в схему (рис. 3.13.13) включены транзисторы Q1 и Q4, электродвига-
тель 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, изготавливае-
мый из язычкового переключателя и подсоединенный ко входу. При низком ло-
гическом 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 пита-
ние подаваться от 6-вольтового источника.
Перечень элементов и компонентов схемы
реверсирования при помощи мостика Н
1. Ql - Q5 - транзисторы средней мощности BD135 NPN-типа.
2. Rl - R5 - резисторы на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
3. IC-1 - интегральная микросхема 4011 или 4001, комплементарный метал:
лооксидный проводник (CMOS IC [КМОП]).
NalaHausii
Проект 13. Мехонотронный подъемник 225
4. Ml - электродвигатель постоянного тока на 6 В (один из используемых в
проекте).
5. 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 задей-
ствована 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 микросхеме реагирует электродвигатель и осуществляет другие
функции по управлению подъемником
Начиная с момента, когда реле выключено, импульс прикладывается к датчи-
ку, который запускает микросхему 555 и создает прямоугольные импульсы в тече-
ние промежутка времени, определенного резистором R2 и конденсатором С2.
Применяя эту схему, важно время от времени регулировать датчики для лик-
видации асинхронности их работы, чтобы схема работала устойчиво.
Прямоугольный импульс, создаваемый микросхемой 555, прикладывается ко
входу одной из триггерных схем D-типа микросхемы 4013.
126 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Эти двухпозиционные триггерные микросхемы включают реле. Для отключе-
ния 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
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. IC-2 - интегральная триггерная микросхема 4013 D-типа (CMOS IC
[КМОП]).
3. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN типа.
4. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
5. R1 - резистор на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
6. R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
7. R3 - резистор на 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
8. R4 - резистор на 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, красный).
9. С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,1 мкФ.
10. С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,47 мкФ.
11. СЗ - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
12. К1 - реле с контактами, приспособленными для конкретного применения.
13. 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 широ-
ко. 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
1. Начав с основного проекта подъемника, сконструируйте конвейер для
перемещения небольших деталей.
2. Используя принципы, описанные в этом проекте, создайте машину для
перемещения грузов наподобие поточной линии (рис. 3.13.15).
3. Сконструируйте подъемник, управляемый микропроцессором (PIC, ВОС51
или другим).
ftalaHaus',
Проект 13. Мехонотронный подъемник 227
Рис. 3.13.15. Машино для перемещения грузов, использующая вращающуюся гайку (муфту)
Проект 14.
Управление шаговым электродвигателем
Шаговые электродвигатели могут быть использованы для движения, позицио-
нирования и многих других ситуаций, где требуется точное управление валами,
осями, рычагами или другими подвижными частями. Цель этого проекта - обу-
чить 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 электродви-
гателем для создания роботов, транспортных средств и других автоматических
приборов. Этот проект может быть использован и для выполнения эксперимен*
тов по физике, и как кросс-тема, да и просто для Ознакомления с работой шаго-
вых электродвигателей.
Задачи
1. Обеспечить элементами для монтажа простого управления шаговым элек-
тродвигателем.
2. Объяснить, как использовать шаговый электродвигатель в роботах и ав-
томатических устройствах.
3. Ознакомить с принципом работы шагового электродвигателя.
4. Выполнить эксперименты по физике, используя шаговый электродвига-
тель.
5. Разработать идеи для практического применения шаговых электродвига-
телей в бытовых домашних приборах и устройствах и механотронных
проектах.
Как работает шаговый электродвигатель
Принцип действия шагового электродвигателя ненамного отличается от прин-
ципа действия обычного электродвигателя постоянного тока, подобного элек-
тродвигателям, которые мы применяли во всех ранее описанных проектах.
Шаговые электродвигатели состоят из обмоток и магнитов и имеют враща-
ющийся вал, который начинает движение, когда к системе прикладывается нуж-
ное напряжение. Разница заключается в том, как этот вал вращается. В шаго-
вых электродвигателях вращение вала происходит при приложении энергии к
разным обмоткам в заранее заданной последовательности (по шагам).
Проект 14. Управление шаговыммектродвиготелем 229
Попросту говоря, шаговый электродвигатель используется не там, где тре-
буется непрерывное вращение вала, а там, где вал должен повернуться на шаг,
или на определенный градус, то есть где необходимо точное управление и ко-
личество шагов в секунду имеет большое значение. Другая важная особенность
шагового электродвигателя заключается в том, что он может укрепиться в оп-
ределенной 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. Четырехфсэный
актовый алектродвипатель
Рис. 3.14.2. Еще один четырехфааный
актовый злекгродвигетель
Шаговые электродвигатели существуют трех типов: с постоянным магни-
том, с переменным магнитным сопротивлением и гибридные. Способ, которым
сконструированы обмотки внутри электродвигателя, определяет его работу.
Наиболее распространенный тип - четырехфазный шаговый электродвига-
тель, который имеет четыре обмотки (рис. 3.14.3).
3 Обычный 4
Рис. 3.14.3. Условный зной и конструкция обмотки четырехфазного актового электродвигателя
230 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
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 поворачива-
ется на некоторую долю оборота. Для того чтобы вал повернулся вперед или
назад на полный оборот, нужно подать к обмоткам импульсы в заранее задан-
ной 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 - примене-
ние импульсов ВКЛ./ВЫКЛ. в последовательности, показанной на рис. 3.14.5.
Рис. 3.14.5. Управление электродвигателем с применением последовательности импульсов ВКЛ/ВЫКЛ.
Проект 14. Упровление шаговым электродвигателем 231
^atatlaus^k
Обычный шаговый электродвигатель может получать питание от 5-, б- или
12-вольтового источника. Потребление тока зависит от типа энергии, подавае-
мой на вал (крутящий момент).
Многие электродвигатели, которые можно приобрести в магазинах запчас-
тей, 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 приблизи-
тельно два-три оборота в минуту. Это означает, что шаговый электродвигатель -
двигатель с более низкой скоростью вращения и более слабым крутящим мо-
ментом, 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 про-
ектов с одним или двумя такими электродвигателями.
Шаговый электродвигатель должен управляться импульсами, последователь-
но приложенными к обмоткам. Поэтому необходимо создать схему, генерирую-
щую импульсы для внешних команд, то есть для таких элементов, как переклю-
чатели, джойстики, датчики или даже параллельные порты компьютеров.
Итак, мы собираемся описать проект, образованный двумя блоками: сило-
вым 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:
1. Работа вручную - использование переключателей или джойстика. Импульс мо-
жет создаваться переключателями или джойстиком, позволяя оператору
232 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
устанавливать вал шагового электродвигателя точно в желаемую пози-
цию. Этот тип можно использовать для создания дистанционно управля-
емой роботизированной руки или другого автоматического устройства.
2. Последовательная работа с использованием импульсного генератора. В этом слу-
чае схема создает импульсы, которые приводят во вращение вал. Схема
может быть применена в автоматических устройствах, где импульсы по-
ступают от датчиков.
3. Автоматическая работа с использованием генератора-осциллятора. Несинхро-
низированный генератор-осциллятор используется для вращения элект-
родвигателя. Частота генератора определяет скорость вращения вала и
последовательность направления. Электродвигатель может быть исполь-
зован для создания движения. При помощи схемы можно конструировать
роботы и сложные автоматические устройства.
Кок он работает
Силовой блок образуется из четырех транзисторов средней мощности BD135
NPN-типа, непосредственно подключенных к обмоткам шагового электродви-
гателя. Каждый транзистор работает как переключатель, включаясь тогда, ког-
да 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 про-
стого компьютерного интерфейса может быть использован для запуска этого кас-
када. 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 после-
довательность для вращения вала электродвигателя вперед или назад в соответ-
ствии с импульсами, генерируемыми датчиками или переключателями. Это
идеальный вариант для наглядной демонстрации работы шагового электродви-
гателя. Он также используется в различных типах автоматических приборов.
Третий блок управления представляет собой генератор низкой частоты, ис-
пользуемый для последовательного генерирования шагов и вращения электро-
двигателя вперед и назад.
Тенератор имеет частоту, подстраиваемую потенциометром, но помимо это-
го 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 отрица-
тельным температурным коэффициентом (NTC).
Проект 14. Упроале^ме шаговым электродвигателем 233
Как 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-типа
Схема может быть смонтирована на небольшой печатной плате РСВ, а тран-
зисторы установлены на теплоотводящие радиаторы.
На рис. 3.14.8 предлагается монтажный рисунок печатной платы, на кото-
рой должна быть смонтирована схема.
Транзисторы для замены, эквивалентные BD135:
• BD137, BD139 с потреблением тока до 500 мА. Не требуют внесения из-
менений в проект;
• TIP31, А, В или С с потреблением тока до 2 А. Транзистор должен быть пре-
образован, 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 та-
кое же, как и для TIP31.
Источник питания обеспечивает напряжение, необходимое для запуска ша-
гового электродвигателя. Для питания можно использовать батарейки или сеть
переменного тока.
234 ЧЯСТЬ 3. Могнитные приборы
Электродвигатель
Рис. 3.14.8. Печатная плата для силового каскода
Рис. 3.14.9. Ручное управление шаговым электродвигателем, использующим переключатели вКЛУ
6ЫКЛ., джойстик или датчик
Перечень элементов и компонентов силовой схемы
1. QI, Q2, Q3, Q4 - транзисторы средней мощности BD135 или TIP31 (см.
текст).
2. Rl, R2, R3, R4 - резисторы на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, крас-
ный).
Проект 14. Управление шаговым электродвигателем 235
3. С1 - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
4. Ml - 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 переключате-
ли ВКЛ./ВЫКЛ., датчики или джойстик.
Эта схема последовательно генерирует импульсы каждый раз, когда датчик
замкнут. Создаются импульсы, продолжительность которых определяется по-
тенциометром Р1, вызывая поворот вала электродвигателя на 1 шаг при каж-
дой активации схемы.
Поскольку потребность схемы в токе очень низка, в качестве датчиков мож-
но использовать язычковые переключатели. Подстройте потенциометр Р1 на
время, необходимое для запуска электродвигателя.
Перечень элементов и компонентов схемы
управления шаговым электродвигателем
1. S1 - однополюсный переключатель ВКЛ./ВЫКЛ. SPST или датчик.
2. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
3. IC-2 - интегральная микросхема с транзисторно-транзисторной логикой
(TTL) 74LS194IC.
4. IC-3 - интегральная микросхема стабилизации напряжения 7805IC.
5. R1 - резистор на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
6. R2, R3 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
7. Р1 - потенциометр точной подстройки.
8. Cl, С2 - керамические или полиэфирные конденсаторы на 0,1 мкФ.
9. 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 инвер-
тирована 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 скорос-
ти, используйте конденсаторы с более низкой емкостью. В этом случае рекомен-
дуется емкость 0,047-0,47 мкФ.
Переключатели между логической схемой и генератором позволяют настра-
ивать схему при помощи внешнего управления. Этот переключатель очень ва-
жен, когда схема выставляется для демонстрации. Последовательность, использу-
емая для изменения направления вращения на противоположное, генерируется
инвертирующей схемой.
9 Создание роботов в дом. усл.
236 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
Рис. 3.14.10. Последовательные генератор для правления шаговым электродвигателем
Логический блок может получать питание 5-15 В от того же источника, ко-
торый 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
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. IC-2 - интегральная микросхема с транзисторно-транзисторной логикой
(TTL) 74LS194IC.
3. Rl, R2 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
4. Р1 - потенциометр на 1 мОм.
5. С1 - электролитический конденсатор от 10 до 220 мкФ х 12 В.
6. С2 - керамические или полиэфирные конденсаторы на 0,1 мкФ.
7. СЗ - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
Силовой модуль, печатная плата или плата, не требующая пайки, провода,
источник питания и т.п.
Nataliaus;^*
Проект 14. цюговым электродвигателем 237
Проверка и использование
Последовательный блок подключается к силовому блоку для того, чтобы управ-
лять шаговым электродвигателем и выполнять главные операционные тесты
(рис. 3.14.11).
Рис 3.14.11. Проверка управлений шаговым электродвигателем
в основном варианте проекта
Осторожно подключайте электродвигатель, не перепутав положения прово-
дов в соответствии с их цветностью. Если провода перепутать, то электродви-
гатель не будет работать. Подайте питание на схему и замкните переключатель
S1 для генерирования последовательности импульсов. При подстройке потен-
циометра Р Г электродвигатель будет вращаться в соответствии с направлени-
ем, 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 (пе-
реключатели, датчики, джойстик и т.п.), то следует проверить эту схему снова.
Следующий этап - найти иное применение для вашего управления. Вы мо-
жете 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 го-
лова заговорила и имитировала бы движения рта при помощи сплава с памя-
тью конфигурации (SMA) или соленоидов.
238 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.14.12. Управление движением мехонотронной головы
Идеи для экспериментов
Много механических проектов может быть построено на основе шагового элек-
тродвигателя. Точное движение вала шагового электродвигателя может быть
использовано в наиболее ответственных частях механотронных проектов, та-
ких как механические руки, роботы и автоматизированные устройства. Допол-
нительные 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 зави-
симости от мощности, необходимой для движения руки, шаговый элект-
родвигатель должен быть подсоединен к коробке передач;
Рис. 3.14.13. Роботизированная, или мехонотронной, рука, использующая
два шаговых электродвигателя
• плоттер (графопостроитель). Другая идея для воплощения в проекте с ис-
пользованием шаговых электродвигателей - плоттер, показанный в упро-
щенном виде на рис. 3.14.14.
Два электродвигателя управляют движением ручки по осям X и Y. Элект-
родвигатели могут быть управляемы компьютером, а программа должна
быть настроена, чтобы передать изображение на плоттер. Это очень
Проект 14. Управление шаговым электродвигателем 239
^alaHausjgii
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 исполь-
зуется один шаговый электродвигатель, то видеокамера может вращать-
ся в горизонтальной плоскости. Если используется два электродвигателя,
то видеокамера может двигаться вверх и вниз, налево и направо.
Управление
Рис. 3.14.15. Управление видеокамерой
Управление лазерным лучам
Лазерное перо или лазерный модуль могут управляться одним или двумя шаго-
выми 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,
240 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
чтобы продемонстрировать их на факультативных занятиях по оптике, механи-
ке и другим разделам физики. Вот только несколько идей по кросс-темам:
• цветное колесо Ньютона: такой же эксперимент, как и в проекте 12 (элект-
родвигатели с сенсорным управлением); можно выполнить с применени-
ем шагового электродвигателя. При использовании шагового электродви-
гателя 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 созда-
ния стоячих волн в проводе.
Рис. 3.14.16. Создание стоячих волн
Подстройте потенциометр Р1 на такую скорость, которая генерирует же-
лаемое количество полных волн в проводе;
• зубчатые передачи и движение, точное управление скоростью и положение
вала шагового электродвигателя может быть использовано на уроках фи-
зики 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 ис-
пользованы в силовом каскаде в схеме (рис. 3.14.17).
Эти транзисторы могут управлять током до 1,25 А, некоторые из них, при-
надлежащие 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 яв-
ляется то, что для управления электродвигателем требуется более слабый ток
на входе.
Проект 14. Управление шаговым электродвигателем 241
Рис. 3.14.17. Использование транзисторов Дарлингтона
Перечень элементов и компонентов силового
каскада Дарлингтона
1. Ql - Q4 - кремниевые силовые транзисторы Дарлингтона TIP110, TIPI 11
и TIP112 NPN-типа.
2. Rl - R4 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранже-
вый).
Теплоотводящие радиаторы для транзисторов, провода, печатная плата или
плата, не требующая пайки, припой и т.п.
Использование интегральной микросхемы
Интегральные микросхемы иЬЫ2001Аили МС1411 специально сконструирова-
ны для управления мощными нагрузками соленоидов, электродвигателей, реле
и шаговых электродвигателей.
Эти интегральные микросхемы хорошо согласуются с логикой комплемен-
тарных металлооксидных проводников (CMOS) и транзисторно-транзисторной
логикой, облегчая конструирование схем управления.
Интегральная микросхема (рис. 3.14.18) зачастую применяется для управле-
ния шаговым электродвигателем. Эта схема может заменить транзисторный
каскад, описанный в основном варианте управления, и запускать электродвига-
тели с потреблением тока до 500 мА.
242 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
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
му 4017.
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 на-
пряжением при условии, что схема будет получать питание от отдельного ис-
точника с напряжением до 12 В.
Рис. 3.14.19. Схема последовательного управления на интегральной микросхеме 4017 CMOS IC
Проект 14. Управление шаговым электродвигателем 243
Перечень элементов и компонентов другой
последовательной схемы
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC.
2. IC-2 - интегральная счетная микросхема 4017 CMOS IC.
3. IC-3 - интегральная силовая микросхема драйвер (пускатель) ULN2001A
или МС1411.
4. XI - шаговый электродвигатель 6-12. В.
5. Р1 - потенциометр на 1 мОм (линейный или логарифмический).
6. Rl, R2 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
7. С1 - электролитический конденсатор на 47 мкФ х 12 В.
8. 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 бы-
товых приборах. Компьютеры, например, используют шаговые электродвига-
тели во многих периферийных устройствах. Постоянная скорость вращения
дисковода или жесткого диска тоже обеспечивается шаговыми электродвигате-
лями. 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 углубленного изучения темы
1. Сконструируйте автоматизированные приборы, использующие шаговый
электродвигатель.
2. Найдите информацию в Интернете, касающуюся двухфазных шаговых
электродвигателей.
3. Сконструируйте механотронную руку, достаточно точную, чтобы рабо-
тать с небольшими предметами, используя шаговые электродвигатели.
Проект 15.
Машино с магическим движением
Движущиеся фигурки, установленные на многих декоративных изделиях, час-
то получают питание от батареек. Многие часы украшены танцующими фигур-
ками, 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 ук-
рашения помещений в аниматронике (ответвлении механотроники) или про-
сто для демонстрации механотронных изделий.
Электронная схема проста, использует части и компоненты общего назна-
чения, 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.
Задачи
1. Смонтировать простую схему для управления движущейся фигуркой.
2. Сконструировать схему, обеспечивающую хаотическое движение.
3. Создать автоматические и механотронные проекты, работающие по од-
ному принципу.
Проект
Этот проект нужно рассматривать как усовершенствование проекта 5 - экспе-
риментального гальванометра. Мы добавляем электронную схему, генерирую-
щую электрические импульсы, и заменяем иглу гальванометра на движущуюся
фигурку, такую как балерина, клоун или что-либо подобное.
Питание проект должен получать от батареек размера АА с длительным сро-
ком 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 самодель-
ное декоративное изделие, чтобы все могли оценить ваше мастерство в меха-
нотронике.
^laiaMaus^
Проект 15. Машино с магическим движением 245
Рис. 3.15.1. Декоративное изделие, изготовленное для проекта по созданию магического движе»*»
Кои 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 интер-
вальные 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 квазиустойчивыми состояниями
Временной интервал, в течение которого выход схемы имеет высокий уро-
вень потенциала, зависит от четырех составляющих схемы: сопротивления Ra
(Rl + Pl), сопротивления Rb (R2), емкости (Cl) и формулы, которая связывает
их вместе:
246 ЧАСТЬ 3, Магнитные приборы
th = 0,693 х Cl х (Ra + Rb);
tl = 0,693 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 +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 преобразо-
ванию), то решение заключается в возбуждении ее импульсами с низким уров-
нем интегральной микросхемы 555. Это можно осуществить транзистором
PNP-типа, запускающего нагрузку. А транзистор управляется импульсами низ-
кого уровня с микросхемы 555. Поэтому схема прикладывает импульсы к нагруз-
ке с регулярными интервалами времени, определяемыми подстройкой потен-
циометра Р1 (рис. 3.15.3).
Рис. 3.15.3. Осциллограмма сигналов, приложенных к нагрузке
Наш транзистор является транзистором средней мощности, который запуска-
ет 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 им-
пульсов, 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 мед-
ленным для бегуна.
Проект 15. Машино с магическим движением 247
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 электрон-
ной схемы и механической части.
Электронная схема
Электронная схема импульсного генератора использует интегральную микро-
схему 555 IC (рис. 3.15.4).
Рис. 3.15.4. Принципиальная схема импульсного генератора
Схема может быть смонтирова ла на плате, не требующей пайки, как изобра-
жено 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 пи-
тание от батареек размера АА напряже-
нием 3-6 В, но начинающий мастер мо-
жет предусмотреть питание и от сети
переменного тока.
Механическая часть
Рис. 3.15.5. Схема для эксперимента,
смонтироз -1' ’ >. на плате, не требующей
пайки
Механическая часть изготавливается из катушки и движущейся фигурки. В на-
шем основном проекте катушка делается путем навивки 50-100 витков эмалирован-
ного провода сортамента от 28 до 32 AWG на форму из картона (рис. 3.15.6).
248 ЧИСТЬ 3» Магнитные приборы
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 неболь-
шой 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 све-
тоизлучающий диод. Каждый раз, когда дирд вспыхивает, фигурка должна сде-
лать 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 дви-
жение фигурки все-таки получилось.
Перечень элементов и компонентов основного
проекта машины магического движения
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD136 PNP-типа.
3. LED1 - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
4. Р1 - потенциометр точной подстройки на 1 мОм или обычный линейный
или логарифмический потенциометр.
5. R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
6. R2 - резистор на 15 до 47 кОм х 1/8 Вт (коричневый, зеленый, оранже-
вый для 15 кОм).
'^latattaus
Проект 15. Мошино с магическим движением 149
7. R3, R4 - резисторы на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
8. С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
9. С2 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
ГО. S1 - однополюсный переключатель SPST с функцией ВКЛ./ВЫКЛ. (на-
личие не обязательно, но желательно).
11. В1 - четыре батарейки размера АА на 6 В (и держатель) J
12. 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 преобразо-
вания и сохранения энергии. Вот некоторые идеи для изучения смежных с про-
ектом 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 интерес-
ные декоративные изделия или модели для демонстрации. Способ, при помо-
щи которого магнитное поле прикладывается к движущейся фигурке, может
быть изменен. Реализуя идеи, заложенные в основном проекте, мы можем зас-
тавить 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 ка-
тушки и размеры картонного атлета определяются экспериментально.
250 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Дополнительные схемы и идеи
Генерирование импульсов для проекта с волшебным движением можно произ-
водить различными способами. Ниже мы познакомим вас с некоторыми допол-
нительными 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 ре-
зистор R2 определяет время, в течение которого выход схемы находится на низ-
ком уровне потенциала, а настройка потенциометра Р1 и резистора R1 опреде-
ляют 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 генераторе, использующего
интегральную микросхему 4093IC
1. IC-1 - интегральная микросхема 4093, комплементарный металлооксид-
ный полупроводник (CMOS IC [КМОП]).
^atallaus^
Проект 15. Машино с магическим движением 251
2. DI, D2 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
3. Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD136.
4. Р1 - потенциометр точной подстройки или обычный линейный или ло-
гарифмический потенциометр.
5. R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
6. R2 - резистор на 15 кОм х 1/8 Вт (коричневый, зеленый, оранжевый).
7. R3 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
8. С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
9. С2 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
10. S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
11. В1 - четыре батарейки размера АА на 6 В (и держатель).
12. XI - катушка (такая же, как и в основном проекте).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, пластмассовая коробка, про-
вода, припой и т.п.
Генератор хаотических импульсов
Схема (рис. 3.15.9) создает хаотические импульсы, производимые тремя разны-
ми генераторами. Резисторы R2, R4 и R6 определяют момент, когда каждый из
генераторов находится на высоком уровне потенциала. Поэтому, сочетая вмес-
те различные временные промежутки, схема генерирует импульсы в произволь-
ном порядке (рис. 3.15.10).
СЗ
1 до 22 pF
D1 до D9= 1N4148
Рис. 3.15.9. Этот генератор создает хаотические импульсы
252 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Вывод 10
Х1
Рис. 3.15.10. Генератор хаотических импульсов на интегральной микросхеме 4093IC
Перечень элементов и компонентов генераторе
хаотических импульсов
1. IC-1 - интегральная микросхема 4093, комплементарный металлооксид-
ный полупроводник (CMOS IC).
2. QI - кремниевый транзистор средней мощности BD139 NPN-типа или
эквивалент.
3. D1-D9 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148.
4. Rl, R3, R5 - резисторы на 15 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оран-
жевый).
5. R2 - резистор на 220 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
6. R4 - резистор на 330 кОм х 1 /8 Вт (оранжевый, оранжевый, желтый).
7. R6 - резистор на 470 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, желтый).
8. R7 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
9. R8 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
ГО. Cl, С2, СЗ - электролитический конденсатор от 1 до 22 мкФ х 12 В (в со-
ответствии с частотой).
11. С4 - электролитический конденсатор на 1 мкФ х 12 В.
12. XI - катушка (как и в основном проекте).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, источник питания, прово-
да, припой и т.п.
Современные технологии
Лучшим примером применения принципа, заложенного в этом проекте, являются
часы с волшебным движением, производимые, главным образом, японской про-
мышленностью и популярные во всем мире. Часы выпускаются разных размеров и
модификаций, с одной или несколькими движущимися фигурами. Во многих до-
мах они являются самым красивым декоративным элементом интерьера.
^laiatLaus^.
Проект 15. Мошино с алогическим движением . 253
Идем для углубленного изучения темы
• Можно сконструировать другие модели, основываясь на законе магнито-
движущей 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 Интер-
нете.
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 электрон-
ных 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 прин-
ципом работы трансформатора.
Конечно, для начинающего гения, который уже знает, как паять, этот про-
ект 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 жела-
ния подшутить над ним, однако если при этом будет гарантирована полная бе-
зопасность. (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 воздей-
ствие не будет продолжаться дольше нескольких секунд, мы считаем, что удар
будет безвреден и никого не испугает.
Задачи
1. Получить достаточно высокое напряжение с помощью батареек.
2. Изучить, как работает трансформатор.
3. Изучить технологию пайки.
4. 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 дол-
жен пронести петлю над изгибами провода, не задев его.
Проект 16. Проверьте воши нервы 255
Неверное движение или дрожание рук - и петля касается провода, включа-
ется 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 скру-
чиваний провода. Во время игры подсчитывается количество ударов, получен-
ных 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, задействую-
щий больше ресурсов и элементов механотроники.
Как он работает
Сердцем проекта является небольшой трансформатор с первичной обмоткой,
получающий питание от сети переменного тока с напряжением 117 В, и вто-
ричной обмоткой, рассчитанной на напряжение 6-9 В и ток 250-500 мА.
В нормальном рабочем режиме трансформатор получает от сети напряже-
ние 117 В и преобразует его в низкое напряжение 6-9 В в соответствии с запи-
тываемым компонентом. В этом проекте мы покажем, что трансформатор мо-
жет работать и в обратном порядке - в режиме инвертирования. Вторичная
обмотка принимает низкое напряжение величиной 6-9 В от батарейки, а пер-
вичная 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, им-
пульсы могут нанести электрический удар, но поскольку их продолжительность
очень коротка, а сила тока очень низка, то это не опасно! (рис. 3.16.1)
Т рансформатор
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.
256 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Поэтому во вторичной обмотке не присутствует постоянно высокое напря-
жение, даже если провода продолжать удерживать в контакте. Изменение силы
тока требуется для создания мгновенного высокого напряжения, и это достига-
ется только в те моменты, когда провода замыкаются и размыкаются.
Во втором варианте мы собираемся использовать небольшой электродвига-
тель постоянного тока для работы в режиме переменного быстродействующе-
го Переключателя. Небольшой электродвигатель постоянного тока имеет щет-
ки, которые, вращаясь, работают в качестве переключателей. Они замыкают и
размыкают обмотки, создавая в схеме переменный ток. Главная идея заключа-
ется в подключении небольшого электродвигателя в последовательную цепь с
трансформатором, чтобы помочь ему в генерировании переменного тока.
Предмонтажные эксперименты
Прежде чем начать монтаж, вы можете продемонстрировать принцип действия
проекта «Проверьте ваши нервы» при помощи простых и интересных экспери-
ментов.
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 кон-
тур.
Перечень компонентов для контура удара
1. Т1 - любой трансформатор с первичной обмоткой, рассчитанной на 117 В
от сети переменного тока, и низковольтной вторичной обмоткой на 4,5-
9 В.
2. В1 - батарейка размера D х 1,5 В.
Эксперимент
Пригласите друзей встать в круг, взявшись за руки (рис. 3.16.2). Попросите лю-
дей, стоящих напротив друг друга, взять в руки провода от высоковольтной
обмотки трансформатора.
Прикасаясь проводами от первичной обмотки к батарейке, они спровоциру-
ют электрический удар, который почувствуют все стоящие в круге. Этот при-
мер 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).
^iaiattaus^
Проект 16. Проверьте воши нервы 257
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 длп схемы со свечением
флуоресцентной ломпы
1. 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 пре-
дыдущих проектах).
2. 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).
2 58 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.16.3. 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.
Как 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. 8.16.4) является трансформатор, который преобразует
напряжение 1,5 В постоянного тока в высоковольтные импульсы - в некоторых
случаях до 800 В! Фотография смонтированной схемы показана на рис. 8.16.5.
Рис. 3.16.4. Схема проекта для варианта 1
^ataHau<3*
Проект 16. Проверьте ваши нервы 2 59
Все компоненты могут быть разме-
щены в небольшом пластмассовом ящи-
ке. Провод для петли и волнообразный
провод должны быть длиной не менее
2-8 фута, чтобы игрок их случайно не
выдернул, когда, реагируя на электри-
ческий удар, отшатнется назад.
Оставьте изоляцию между точками,
которых игрок касается волнообразным
проводом. Два подсоединенные друг к
другу провода должны быть параллель-
ного типа или скручены. Используйте
провода разного цвета, дабы не перепу-
Рис. 3.16.5. Все компоненты проекта
тать соединений.
Волнообразный провод изготовлен из голой медной проволоки, часть кото-
рой 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 8-9 В. Потребление тока ко-
леблется 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 не-
избежно 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 ваши
нервы - вариант 1»
1. Т1 - любой трансформатор с первичной обмоткой на 117 В от сети пере-
менного тока и низковольтной вторичной обмоткой (см. текст).
2. В1 - 1,5 В энергии (батарейка размера D).
8. ^X1 - петля (см. текст)
4. Х2 - волнообразный провод (см. текст)
Провода, припой, пластмассовая коробка и т.п.
260 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Проверьте ваши нервы - вариант 2
Принципиальная схема варианта 2 показана на рис. 8.16.6.
В этом варианте мы подключаем небольшой электродвигатель в последова-
тельную цепь со вторичной обмоткой трансформатора. Щетки работающего
электродвигателя создают быстрые импульсы, которые индуцируют высокое
напряжение в трансформаторе. Схема окончательного варианта показана на
рис. 8.16.7.
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 использование
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.
Проект 16. Проверьте ваши нервы 261
Перечень компонентов схемы «Проверьте ваши
нервы - вариант 2»
1. Т1 - любой трансформатор с первичной обмоткой на 117 В от сети пере-
менного тока и вторичной обмоткой на 5-9 В с током 200-500 мА.
2. М - небольшой электродвигатель постоянного тока.
3. В1 - две батарейки размера С или D напряжением 3 В.
4. 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 сохра-
нения энергии (физика). Объясните разницу между током и напряжени-
ем, а также почему нельзя создать энергию из ничего. Вы не можете зас-
тавить 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 пере-
дана из одного места в другое через магнитное поле;
• электрический удар (биология). Найдите информацию о воздействии элек-
трического 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 яв-
ление 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 добавле-
на электронная схема для увеличения напряжения. Такие схемы называются
инверторами и применяются во многих устройствах.
Использовоние язычкового переключотеля
Магнит, прикрепленный к валу электродвигателя, может запускать язычковый
переключатель (рис. 3.16.8), замыкая и размыкая схему и генерируя высокое
напряжение в трансформаторе.
262 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.16.8. Использование поворачивающегося магнита для быстрого переключения
Использование реле в качестве инвертора
Реле может быть использовано в качестве вибратора (прерывателя) для вклю-
чения и выключения тока, протекающего через первичную обмотку транс-
форматора, генерируя тем самым высокое напряжение во вторичной обмот-
ке (рис. 3.16.9). Характеристики конденсатора С1 должны согласовываться с
характеристиками реле, чтобы схема функционировала оптимально.
Рис. 3.16.9. Испольэооанис реле в качестве вибратора
Перечень компонентов схемы, использующей реле в
качестве вибратора
1. К1 - реле на 6 В х 50 мА.
2. Т1 - трансформатор (как в основном проекте).
3. В1 - четыре батарейки размеров С или D на 6 В (и держатель).
4. XI, Х2 - провода (как в основном проекте)
5. С1 - полиэфирный конденсатор на 0,01-0,47 мкФ (см. текст).
Провода, припой, пластмассовая коробка.
NatdHausiiilk
Проект 16. Проверьте ваши нервы 263
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 волно-
образный 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 генериро-
вания высокого напряжения.
Рис. 3.16.10. Транзисторный инвертор
Перечень элементов и компонентов схемы
высоковольтного генероторо
1. Q1 - кремниевый транзистор средней мощности BD135 NPN-типа или
эквивалент.
2. Т1 - любой небольшой трансформатор (см. текст).
3. Р1 - потенциометр точной подстройки на 4,7 кОм.
4. R1 - резистор на 220 Ом х 1/8 Вт (красный, красный, коричневый).
5. С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,022 мкФ.
6. С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
7. В1 - 2 батарейки на 3 В размера АА, С или D (с держателем).
8. 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
264 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
технологий. Такие приборы называются инверторами или конвертерами пере-
менного/постоянного тока и используют транзисторы, интегральные микро-
схемы и другие современные компоненты для запуска трансформаторов с фер-
ритовым сердечником или других видов трансформаторов с целью повышения
напряжения источника.
Есть прибор, который работает по этому принципу для повышения напря-
жения автомобильного аккумулятора, рассчитанного на 12 В, до117В сети
переменного напряжения или до мощности бытовых приборов, таких как неболь-
шие телевизоры и флуоресцентные лампы. Эти инверторы могут быть использо-
ваны в летних лагерях или местах, где недоступна сеть переменного тока.
Углубленное изучение темы
Для усовершенствования созданного вами прибора и для ознакомления с допол-
нительной информацией:
• используйте две батарейки, подключенные друг к другу последовательно,
для повышения напряжения в первом варианте;
• выполните эксперименты с трансформаторами разных размеров и элек-
трохарактеристик;
• найдите в Интернете сведения о том, как Фарадей изобрел трансформа-
тор;
• составьте перечень бытовых устройств и приборов в вашем доме, кото-
рые имеют в трансформатор. Можете ли вы. определить, какую функцию
выполняет трансформатор в каждом из них?
• ознакомьтесь с правилами безопасности при работе с электричеством.
^ataHaus^.
Проект 17.
Робот с датчиками
В описываемой ниже конструкции очень простого робота используются меха-
нические датчики для обнаружения препятствий. Если препятствие обнаруже-
но, 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 ресурса-
ми. Это прекрасный проект для развития смекалки и воображения школьников,
которые должны хорошо подумать, чтобы определить технологию сборки.
Можно организовать состязание роботов, в котором победителем объявля-
ется тот, чей робот проткнет резиновый баллон, прикрепленный к роботу не-
приятеля.
Задачи
1. Постройте автономный робот (на батареях), использующий бамперные
датчики.
2. Составьте программу соревнований роботов.
8. Изучите, как работают датчики.
4. Изучите материал о роботах и коробках передач.
5. 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 движе-
ния. В передней части робота расположе-
ны два бамперных датчика (рис. 8.17.1).
Датчики похожи на усики насекомых, они
воздействуют на простые микропереклю-
чатели, которые используются в недоро-
гих проектах.
Когда один из датчиков активирует-
ся препятствием, то запускается схема,
Рис. 3.17.1. Основной вид робота
266 ЧЙСТЬ 3. Магнитные приборы
образованная двумя моноустойчивыми блоками. Схемы управляют направлени-
ем вращения электродвигателей, которые и двигают робот (рис. 3.17.2).
Электродвигатель 1
Электродвигатель 2
Рис. 3.17.2. Два 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 направ-
ление снова. В результате робот поворачивается и, когда оба электродвигателя
возвращаются к нормальному движению вперед, робот едет уже в другом на-
правлении.
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 усо-
вершенствовать его: например, добавить другие датчики, световые и звуковые
эффекты и оружие (если вы строите боевой робот). Робот получает питание от
^latatiaus^!.
Проект 17. Робот с датчиками 267
Рис. 3.17.4. Установка основных агрегатов но шасси
обычных батареек. Если робот легкий, то обычных щелочных батареек разме-
ра АА вполне достаточно. Но если робот получился тяжелым, то для него луч-
ше 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: механи-
ческую и электронную.
Электронной схема
Начнем с принципиальной схемы электронной части (рис. 3.17.5). Схема мо-
жет получать питание от любого источника напряжением 5-12 В.
10 Создание роботов в дом. усл.
268 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
Рис. 3.17.5. Принципиальная схема электронной части робота
Выбирайте источник питания в соответствии с электродвигателем. Помни-
те, что размеры электродвигателей и коробка передач будут определять мощ-
ность, развиваемую роботом, и вес, который он сможет транспортировать.
Применяемые реле должны быть двухрядного типа (DIL). Если будут приме-
няться другие реле, то следует изменить печатный монтаж на печатной плате.
При монтаже особое внимание должно быть уделено положениям поляри-
зованных компонентов, таких как интегральные микросхемы, диоды, транзис-
торы, электролитические конденсаторы и источник питания. Датчики изготав-
ливаются из микропереключателей. Антенны, похожие на усики насекомых,
должны быть сделаны из неизолированного провода. Можно использовать эк-
вивалентные замены для транзисторов. Может быть использован любой крем-
ниевый транзистор общего назначения NPN-типа.
Механическая часть
Для шасси можно взять любой кусок дерева или пластмассы нужного размера
(рис. 8.17.6).
Коробки передач приделываются к задней части, а к передней приделывает-
ся свободное колесо. Такой вид колес широко применяется в офисной мебели,
например в креслах. Выберите коробки передач с передаточным числом, обес-
печивающим роботу надлежащую скорость и крутящий момент.
ftalallaus'isk
Проект 17. Робот с датчиками 269
Рис 3.17.6. Пример шасси для робота
Бамперные датчики изготавливаются из микропереключателей, как упоми-
налось ранее. Важно достичь гарантированного замыкания контактов микро-
переключателей после столкновения с препятствием. Время замыкания долж-
но 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 движе-
ние по прямой линии. Если один или два электродвигателя вращаются в обрат-
ном направлении, поменяйте местами их соединения.
При столкновении с препятствием электродвигатели должны изменить на-
правление вращения, заставляя робота податься назад. Подстройте потенцио-
метры 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 датчиками
1. IC-l, IC-2 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. QI, Q2 - кремниевый транзистор средней мощности ВС548 NPN-типа.
3. DI - D4 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148.
4. Rl, R2 - резисторы на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, оранжевый).
5. R3, R4 - резисторы на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
6. R5, R6 - резисторы на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
7. Pl, Р2 - потенциометр точной подстройки.
8. KI, К2 - двухполюсное перекидное реле на 6 В х 50 мА (DPDT).
.
270 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
9. XI, Х2 - бамперные датчики (см. текст).
10. S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
11. В1 - четыре батарейки на 6 В размера АА, С или D (с держателем).
12. 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 преподава-
ния 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
модуляции 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 управ-
лением 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. Про-
чтите описание проекта 3 еще раз более внимательно.
К1 и К2
Рис. 3.17.7. Подключение к проекту управления скоростью при помощи РШМ
ftatatlaus^l
Проект 17. Роботе датчиками 271
Световые датчики
Световой датчик может быть добавлен к схеме для остановки и изменения на-
правления движения робота, с фонарем в качестве дистанционного передатчи-
ка. 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, по-
казанную на рис. 3.17.9.
Рис. 3.17.9. Сеемо таймера
Схема, управляющая источником питания, приводит к остановке основной
схемы на несколько секунд с регулярными интервалами. Создается впечатле-
ние, что робот останавливается, чтобы подумать, а куда же он идет. Резистор
R2 применяется для регулировки времени остановки робота.
272 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
Перечень элементов и компонентов схемы
с добавлением таймера
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа или
эквивалент.
3. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
4. Р1 - потенциометр точной подстройки на 100 кОм.
5. R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
6. R2 - резистор на 10 до 47 кОм х 1/8 Вт (см. текст).
7. R3 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
8. С1 - электролитический конденсатор на 1 мкФ х 16 В.
9. С2 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
10. 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 датчи-
ков, а также звук с падающей частотой - в интервале между временем отката и
остановкой робота.
Вывод 3
интегральной
микросхемы D1
Вывод 3
интегральной D2 ^-г—
микросхемы 47 pF
IC-2
+ 6V
D1/D2= 1N4148
Рис. 3.17.10. Схеме со звуковым эффектом
NataHausiii
Проект 17. Робот с датчиками 273
Перечень элементов и компонентов схемы
с добавлением звуковых эффектов
1. Q1 - транзистор общего назначения ВС558 NPN-типа.
2. Q2 - транзистор общего назначения ВС548 PNP-типа.
3. DI, D2 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148.
4. SPKR - небольшой громкоговоритель номиналом 4-8 Ом (2,5-5 см).
5. Rl, R2 - резистор на 15-47 кОм х 1/8 Вт (см. текст).
6. R3 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
7. С1 - электролитический конденсатор на 47 мкФ х 12 В.
8. С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
9. 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 най-
ти в игрушечных магазинах и купить через Интернет. Датчики могут быть про-
стыми, 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, конеч-
но, не ограничится и изобретет модификации с дополнительными схемами, не
описанными в книге.
Идеи для 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 помо-
щью 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 транс-
формации), то он имеет очень низкое сопротивление и очень легко может быть
подвергнут деформации. Однако, если материал нагревается выше уровня тем-
пературы трансформации, его кристаллическая структура подвергается изме-
нениям. Это изменение заставляет принять его первоначальную форму. Если
сплав SMA подсоединен к схеме с любым сопротивлением, он может генериро-
вать чрезвычайно большие силы, обеспечивая уникальный механизм для дис-
танционного 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 роботизиро-
ванной 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
1. Построить роботизированную руку, используя SMA.
2. Изучить, как работает SMA.
. 3. Провести расчеты для надлежащего использования частей, изготовлен-
ных из сплава SMA, в механизированных проектах.
4. Определить характеристики сплава SMA.
Как сплавы SMA работают
Наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления
SMA, является сплав никеля и титана, называемого нитинолом. Этот сплав име-
ет 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
^aiaHaus,^.
Проект 18. Экспериментальной роботизированная рука с «эффектом памяти» 275
на квадратный дюйм (psi), многократно возвращаться к своей первоначальной
форме. Она также обладает свойствами, которые позволяют ей активировать-
ся 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 комнат-
ной 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 соответ-
ствии 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).
Пределы переходной зоны
Рис. 3.18.1. Гистерезисная характеристика SMR
Когда температура достигает точки As, проволока начинает укорачиваться.
Точка полного сжатия наступает, когда температура достигает Af. Процесс ос-
тывания проволоки соответствует левой кривой снизу справа, которая проходит
через точки Ms h Mf. Ms - точка, где проволока начинает релаксировать (ослаб-
ляться), a Mf - точка, в которой проволока почти полностью расслаблена.
Сплавы SMA могут применяться в устройствах, где требуется короткое напря-
жение (растяжение) или давление (нажим). Они могут считаться мускульной
* Гистерезис - запаздывание изменения физической величины состояния тела от изменения дру-
гой физической величины, определяющей внешние условия (напряженность магнитного и элек-
тромагнитного полей). - Прим. науч. ред.
276 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
Рис. 3.18.2. Роботизированная рука действует при помощи проволоки SMR
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 дви-
жется. 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 тща-
тельно выбирать в соответствии с требованием проекта.
При конструировании устройства с применением SMA необходимо учиты-
вать еще одну немаловажную характеристику: механическую усталость. Эта ха-
рактеристика определяет, сколько раз можно сжать и разжать проволоку SMA,
прежде чем она разорвется.
Схема, необходимая для провода SMA, должна также иметь специальные харак-
теристики. Ток, необходимый для высвобождения силы, может оказаться избыто-
чен для проволоки SMA и разорвать ее, а тока меньшей силы, чем требуется для
генерирования необходимого тепла, может оказаться недостаточно для достиже-
ния температуры перехода, и поэтому проволока не изменит своей длины. Поэто-
му необходимо проверять спецификации производителя для определенного сор-
тамента 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 сопро-
тивление должна иметь проволока для изменения формы:
R = V/Z, 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, что-
бы иметь расчетное сопротивление. В некоторых случаях мы должны учиты-
вать, что сопротивление SMA изменяется при нагреве (сопротивление увели-
чивается, поэтому поток тока снижается).
^aiaHaus^.
Проект 18. Экспериментальной роботизированная рука с «эффектом памяти» 277
L = R/ Р, 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 паде-
ние напряжения в источнике. Если источник напряжения выдает более высо-
кое напряжение, чем требуется для деталей SMA, длина которых изменяется,
то можно применить электронный потенциометр (см. проект 7) или управле-
ние при помощи широтно-импульсной модуляции (PWM) для подстройки мощ-
ности, приложенной к SMA.
S1
ф
Элементы
или
батарея
SMA
ф
Рис 3.18.3. Питание SMA от элементов и батарей
Источник постоянного токо
Для хорошей работы устройства с использованием SMA рекомендуется приме-
нение источника постоянного тока.
Этот вид схемы обеспечивает подачу постоянного тока через схему, незави-
симо от ее сопротивления или напряжения на входе. Простой источник посто-
янного 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 1М350Т
278 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Эта интегральная микросхема подводит к нагрузке ток силой до 3 А. Сопро-
тивление 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,
I— 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 спе-
цификации информацию о величине внутреннего эталонного напряжения и
подставьте ее в формулу вместо 1,25.
Напряжение в SMA зависит от сопротивления SMA или напряжения, необ-
ходимого для его запуска.
Если нам известно сопротивление SMA и ток, протекающий через него, мы
можем рассчитать напряжение, необходимое для привода SMA, используя за-
кон Ома:
V = R х 2, где
V - напряжение, приложенное к SMA, в вольтах,
Rjma “ сопротивление SMA в омах,
I - ток в амперах.
Напряжение на входе (V.n) должно быть, по крайней мере, на 2-3 В выше,
чем напряжение SMA (V ).
Просит
Основной проект представляет собой простую роботизированную руку, приво-
димую в движение при помощи SMA. Роботизированная рука выполняет толь-
ко одно движение, поднимая и опуская небольшой предмет (рис. 3.18.5).
Рис. 3.18.5. Основной проект роботизированной руки
^iataltaus^k
Проект 18. Экспериментальной роботизированная руно с «эффектом памяти» 279.
Конечно же, начинающий гений волен усовершенствовать проект, добавляя
другие детали, такие как электромагнит для притягивания небольших металли-
ческих объектов или захват, приводимый в действие соленоидами. Другим до-
полнением будет второй мускул SMA для создания горизонтального движения.
Механическая часть проекта очень проста. Электронная же часть формиру-
ется при помощи источника постоянного тока, потому что это критическая точ-
ка 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.
Каи строить
Проект делится на две части: электронную схему и механическую руку.
Электронная схема
Электронная схема, используемая для привода SMA, показана на рис. 3.18.6. Ин-
тегральная микросхема устанавливается на теплоотводящий радиатор, а потен-
циометр Р1 должен быть проволочного типа, потому что весь ток, протекаю-
щий через SMA, проходит через потенциометр. Р1 подстраивает переходную
точку SMA.
Рис. 3.18.6. Источник постоянного токо для привода 5ЛЛЯ
180 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.18.7. Небольшие элементы
и компоненты могут быть припаяны
к оконечной полоске
Поскольку используется источник по-
стоянного тока, нет необходимости рассчи-
тывать длину проволоки SMA. Благодаря
этому вы можете использовать много ти-
пов SMA, а следовательно, изготовить руку
разных размеров.
Само собой разумеется, что сила тока, уп-
равляемого микросхемой, ограничена до 3
А. Однако на практике мы рекомендуем не
выходить за пределы 2 А. Компоненты так-
же рассчитываются и с учетом минимально-
го 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.
Перечень зламвнтов и компонентов мактранной
схемы с роботизированной рукой
1. IC-1 - интегральная микросхема стабилизатора напряжения LM350TIC.
2. DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды.
3. 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.
4. С1 - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 25 В.
5. R1 - проволочный резистор на 0,56 Ом х 5 Вт.
6. SMA - любой SMA с током 150 мА - 2 А.
7. F1 - плавкий предохранитель на 500 мА (и держатель).
8. S1 - кнопка (нормально разомкнутая).
Провода, оконечная полоска, силовой шнур, припой, оконечная полоска с
винтами и т.п.
Механическая рука
Опорой для механической части может послужить картонное, деревянное или
пластмассовое основание (рис. 3.18.8).
Рука имеет только одно сочленение. Однако конструкцию руки можно усо-
вершенствовать. Сочленение может быть выполнено с применением просто-
го 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 приме-
няется такой способ.
ftalaffausi
Проект 18. Эксперименгольнсм роботизированное рука с «эффектом памяти» Z81
Рис. 3.18.8. Рука
Длина проволоки SMA зависит от размера руки. Помните, что при возбуж-
дении проволока SMA сжимается на 10% от длины. Это изменение определяет
общую траекторию движения руки, в которой произойдет высвобождение энер-
гии для передвижения груза.
Испытание и использование
Необходимо повышенное внимание к проволоке SMA при тестировании робо-
тизированной 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 нач-
ните делать другие настройки. Нажав и отпустив кнопку S1, поверните потен-
циометр Р1 немного назад до тех пор, пока не заметите, что проволока S1 сжи-
мается.
В этот момент прекратите поворачивать потенциометр Р1 - теперь схема
подстроена. Вы не должны дальше увеличивать ток.
282 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рука готова к действию. Выберите не очень тяжелый предмет для перемеще-
ния, потому что проволока имеет ограничения относительно силы, которую
она может высвободить.
Кросс-томы
Исследуйте процесс расширения твердого тела при нагревании. Используйте
как пример разницу между обычными металлами и сплавами SMA. Проект мо-
жет 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 при-
вода SMA.
Источник постоянного токо, 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. Напря-
жение на входе должно быть в пределах 6-12 В, а максимальный ток для прово-
локи SMA - около 1 А.
Рис. 3.18.10. Источник постоянного токо, использующий тронзистор
^awttaus,^.
Проект 18. Экспериментольноя роботизироаонноя руко с «эффектом памяти» 283
Перечень элементов и компонентов схемы
с постоянным источником питания
1. Q1 - силовой кремниевый транзистор TIP32 PNP-типа.
2. Z1 - стабилитрон от 386 до 487 х 400 мВт.
3. R2 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
4. RL - проволочный резистор на 0,1 Ом х 1 Вт.
5. Р1 - проволочный потенциометр на 10 Ом.
Печатная плата или оконечная полоска, теплоотводящий радиатор для тран-
зистора, провода, припой и т.п.
Престон 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 эффектив-
на, как схема с источником тока. Схема подобна схеме, описанной в проекте 7.
Снова подстроим потенциометр Р1 на минимальную точку напряжения, на-
чиная с которой выполним дальнейшие подстройки.
Величина напряжения на входе может быуь 5-12 В, а максимальный ток на
выходе - около 1 А.
Рис. 3.18.11. Линейный источник нолряжения (электронный потенциометр),
используемый для привода SMR
Перечень элементов и компонентов схемы
с простым источником напряжения
1. Q1 - силовой кремниевый транзистор TIP31 NPN-типа.
2. Р1 - проволочный потенциометр на 1 кОм.
3. R1 - резистор на 220 Ом х 10 Вт (красный, красный, коричневый).
Оконечная полоска, теплоотводящий радиатор для транзистора, провода,
припой и т.п.
.
284 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
Источник импульсов
При использовании источника импульсов или источника с управлением при
помощи широтно-импульсной модуляции (PWM) средняя величина тока, про-
текающего через проволоку SMA, может быть подстроена рабочим циклом на-
пряжения на выходе. Управление PWM менее чувствительно к изменениям на-
пряжения в источнике питания. Вы можете использовать схему управления
PWM для электродвигателей (см. проект 3) для определения надлежащей рабо-
чей точки напряжения для SMA. На рис. 3.18.12 показано подключение схемы
PWM к SMA.
Эта схема обеспечивает проволоку SMA импульсным током. Средняя продол-
жительность импульсов определяет ток, и таким образом может быть подстро-
ена точка перехода. Схема может быть использована для привода SMA при по-
мощи токов до 1 А.
о
Рис. 3.18.12. Использование управления РШМ, описанного в проекте 3
Перечень элементов и компонентов схемы источника
импульсов
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. Q1 - силовой кремниевый транзистор TIP32 PNP-типа.
3. Rl, R2 - резисторы на 2,2 кОм х 1,8 Вт (красный, красный, красный).
4. R3 - резистор на 1 кОм х 5 Вт (коричневый, черный, красный).
5. Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 100 кОм.
6. 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 при-
меняется пока в специальных устройствах, таких как изделия робототехники и
^aiattaus,^.
Проект 18. Экспериментальная роботизированная рука с «эффектом памяти» 285
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 меха-
ническом 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 сплавав SMA
Если у вас есть проволока SMA определенной длины, но вы не знаете характе-
ристик сплава, воспользуйтесь схемой на рис. 3.18.13.
Источник питания рассчитан на ток напряжением 2 В или более, в зависи-
мости от исследуемого материала SMA.
Если вы располагаете только мультиметром, то можете определить ток, на-
строив его вначале на положение А, и затем, найдя напряжение перехода, на-
строив в положение В.
Рис. 3.18.13. Схема для определения характеристик сплавов SMR
Методика
Для определения характеристик сплавов SMA выполните следующие шаги:
1. Подстройте выход источника питания на нуль при помощи потенциомет-
ра Р1.
286 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
2. Крутите ручку потенциометра Р1, медленно повышая выход напряжения
и одновременно наблюдая за SMA.
3. При достижении тока перехода сплав SMA будет изменять свою форму и
приводить в движение испытуемую руку.
4. Увеличьте немного напряжение, но не более чем на 10% выше предыду-
щего значения.
5. Снимите значение тока в положении В.
6. При помощи этих значений вы можете определить:
- сопротивление сплава SMA;
- ток, необходимый для привода SMA 1(b);
- удельное сопротивление сплава SMA.
7 ? = V(a) / 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.
Проект 19.
Позиционный датчик
В некоторых случаях механотронным проектам требуется позиционный дат*
чик. Этот вид датчика может быть применен для наблюдения за положением
рычага, зубчатой передачи, ручки, камеры или другой движущейся части устрой-
ства. Для наблюдения за положением объекта существует много решений. Одна-
ко самое простое решение, вероятно, будет то, которое предлагается ниже.
Преобразователь представляет собой простой потенциометр, вращающий-
ся 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» че-
ловека.
Другое применение - соединение электронной схемы с роботом или меха-
нотронным автоматическим прибором для воспроизводства обратной связи
с его работой (направлением, положением рук и т.п.). Схема может быть ис-
пользована в экспериментах на уроках физики или в научных лабораториях, для
получения точной информации о положении движущихся объектов.
Задачи
1. Сконструируйте схему, которая чувствует положение удаленного объекта.
2. Добавьте обратную связь в состав роботизированных и механотронных
объектов.
3. Объясните, как работает потенциометр.
4. Используйте схему в играх и экспериментах.
Каи ан работает
Идея проста. В электрической схеме, образованной потенциометром, источни-
ком напряжения и амперметром, поток тока через амперметр зависит от сопро-
тивления потенциометра. Поскольку сопротивление зависит от положения
ползунка, мы можем по положению ползунка потенциометра судить об интен-
сивности тока (рис. 3.19.1).
На практике можно добавить дополнительные компоненты, а некоторые
моменты, касающиеся точности и диапазона применения, должны быть записаны.
288 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.19.1. Принцип действия позиционного индикатора
Во-первых, потенциометр имеет пределы возбуждения. Поэтому расстояние
между определенными точками зависит от угла поворота движка потенциомет-
ра или длины шкалы, по которой он двигается. Роторный и ползунковый по-
тенциометры 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 потенциомет-
ре положение ползунка имеет логарифмическую зависимость от положения
(рис. 3.19.3).
Для целей данного проекта рекомендуются линейные потенциометры, по-
скольку они представляют сопротивление, которое имеет прямое отношение к
положению ползунка. Схема также чувствительна к напряжению источника
питания, 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 прово-
дов между датчиком и индикатором компенсируется при помощи подстройки.
Это позволяет использовать провода длиной в 100 м.
^ataflaus^k
Проект 19. Позиционный датчик 289
Рис. 3.19.3. Кривые обычного потенциометра
Каи 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. Принципиальная схема позиционного индикатора
Индикатор является аналоговым измерителем с полной шкалой, отградуиро-
ванной от 100 мкА до 1 мА. В случае применения аналогового амперметра в 1 мА
сопротивление чувствительного потен-
циометра должно быть снижено до 2к2
или 4к7, чтобы получить оптимальные
эксплуатационные характеристики.
При монтаже необходимо соблю-
дать надлежащую полярность измери-
теля. Положительная клемма должна
быть подключена к той же стороне по-
ложительной линии. В противном слу-
чае показания индикатора будут иметь
тенденцию двигаться в сторону отри-
цательного тока. Если это произойдет,
то конструктор будет знать, что ему
следует инвертировать измеритель.
Рис. 3.19.5. Монтаж производится
на оконечную полоску
290 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Механическая часть
Датчик может быть подсоединен к потенциометру таким образом, чтобы кон-
струкцию 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
Испытания 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 конт-
рольную точку в качестве основания системы отсчета. Если провода чересчур
длинные, то подстройка на нуль должна быть произведена с помощью поста-
новки потенциометра Р1 в положение минимального сопротивления.
^alallausjffli
Проект 19. Позиционный дотчик 291
Перечень элементов и компонентов механической
части позиционного индикатора
1. Р1 - линейный потенциометр на 10 кОм (ползункового или роторного
типа, см. текст).
2. R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
3. Р2 - потенциометр точной подстройки на 10 кОм.
4. Ml - аналоговый амперметр на 100 мкА - 1 мА.
5. В1 - две или четыре батарейки размера АА на 3 или 6 В.
6. S1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
7. S2 - кнопка с подстройкой нуля, нормально разомкнутая (наличие необя-
зательно, 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 разнообраз-
нейших научных экспериментах. Схема может быть подключена к системе, чув-
ствующей положение руля в эксперименте с водяным потоком (рис. 3.19.8).
Рис. 3.19.8. Использоеоние индикатора в научных экспериментах
Еще один эксперимент может быть проведен студентами, изучающими гума-
нитарные науки.
Идея в том, чтобы подсоединить датчик к картине, которая может двигать-
ся по стене. Человек должен установить рисунок надлежащим образом в соот-
ветствии со своим чувством равновесия (рис. 3.19.9).
Используя индикацию схемы, как контрольную точку, можно продемонстри-
ровать, 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.
292 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
Рис. 3.19.9. Тест но равновесие
Дополнительные схемы и идеи
Простая электронная схема, описанная в этом проекте, может быть усовершен-
ствована начинающим гением, который уже знаком с более продвинутой элек-
троникой. Некоторые идеи приводятся ниже.
Использование аналогового или цифрового
мультиметра 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
^laiatiaus^
Проект 19. Позиционный дотчик 293
Запуск рала в запрограммированное положение
Другое усовершенствование схемы состоит в добавлении к ней компаратора
(сравнивающего устройства) для запуска реле, когда датчик проходит опреде-
ленное положение. Эта схема использует один из четырех имеющихся в нали-
чии компараторов (рис. 3.19.11).
Положение, в котором датчик запустит схему, программируется потенцио-
метром Р2, а потенциометр Р1 является датчиком. Когда значения напряжения
на ползунках потенциометров Р1 и Р2 совпадают, компаратор запустит и при-
ведет в действие реле.
Рис. 3.19.11. Использование компаратора для запуска реле
Перечень элементов и компонентов схемы запуска
реле в запрограммированное положение
1. IC-1 - интегральная микросхема LM339IC.
2. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа.
3. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
4. Pl, Р2 - линейные потенциометры на 10 кОм.
5. R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
6. 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
294 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
окна (рис. 8.19.12) 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
1. IC-1 - интегральная микросхема компаратора LM339IC.
2. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС559 PNP-типа.
3. DI, D2, D3 - кремниевые диоды общего назначения 1N4148.
4. К1 - реле на 6 или 12 В х 50 мА в соответствии с величиной напряжения
источника питания.
5. R1 - резистор на 2,2-47 кОм х 1/8 Вт (см. текст).
6. R2 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
7. Pl, Р2, РЗ - линейные потенциометры на 10 кОм.
Печатная плата, трехжильный кабель, источник питания, провода, припой
и т.п.
Проект 19. Позиционный дотчик 295
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 установ-
лены, а современные лайнеры используют сложные позиционные датчики в
технологиях автоматического полета. Принципиально иной позиционный дат-
чик - глобальная система позиционирования (GPS), которая использует радио-
сигналы 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 объек-
та на плоскости, задавая координаты объекта по осям X и Y;
• сконструируйте аналогово-цифровой преобразователь для передачи по-
ложений объекта в компьютер;
• используйте принципы, описанные в проекте аналогового компьютера
(см. проект 11), для вычисления положений двух объектов, опознанных
потенциометрами.
Проект 20.
Дистанционное управление при помощи
светового луча
Дистанционное управление, описанное ниже, может быть использовано во мно-
гих 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. Пе-
редатчик - 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 усло-
виях вы можете управлять моделью, установленной на расстоянии до 10 м.
Задачи
1. Управлять моделями и автоматическими приборами, используя световой
луч.
2. Изучить, как работают фотодатчики.
3. Сконструировать проекты, которые чувствительны к свету или темноте,
такие как ловушки, детекторы внедрения или другие автоматизирован-
ные приборы.
4. Использовать схему для этих автоматизированных приборов, чтобы про-
вести 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 сопротивле-
ние порядка многих мегаомов падает до сотен или даже десятков омов, позво-
ляя току протекать через них.
Уа1аИаи$7йЬ
Проект 20. Дистанционное упроаление при помощи светового лучо 297
Они очень чувствительны при обнаруже-
нии таких незначительных количеств света,
что даже человеческий глаз не способен об-
наружить его в нормальных условиях. Однако
при всей чувствительности они не обладают
таким быстродействием, как другие элект-
ронные детекторы, например фотодиоды .и
фототранзисторы. Для наших целей они иде-
альны, потому что недороги, доступны и
удобны в эксплуатации.
Рис. 3.20.1. Обычные
фоторезисторы
Проект
В нашем основном проекте схема запускает реле, когда световой луч фокусиру-
ется на датчике (LDR). Усовершенствованные варианты будут согласовывать по
времени действие реле или обеспечивать действие с двумя устойчивыми состо-
яниями. Несомненно, начинающий гений выберет наиболее подходящий вари-
ант 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.
Как монтировать
На рис. 3.20.2 показана принципиальная схема для основного проекта дистан-
ционного управления, использующего световой луч.
Реле выбирается в соответствии с источником напряжения. Рекомендуются
типы реле с токами обмотки до 50 мА или более. Простой монтаж осуществля-
ется на плате, не требующей пайки (рис. 3.20.3).
Рис. 3.20.2. Принципиальная схема дистанционного упрааломя
298 ЧАСТЬ 3. Могнигные приборы
Рис. 3.20.3. Схема может быть смонтирована но гшюте, не требуощей 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 выво-
дами. Если же вы используете другой тип реле, то необходимо будет разобрать-
ся 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 мате-
риала. 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 сформиро-
ван четырьмя батарейками АА, С или D. Загляните в спецификации производи-
телей батареек и элементов, чтобы выбрать такое же питание для схемы и ос-
тального проекта.
Трубка
Рис. 3.20.4. Подключение линз
Испытание и использование
Работу дистанционного управления легко проверить. Включите схему и замк-
ните потенциометр Р1 (поставьте его в положение минимального сопротивле-
ния). Затем направьте фоторезистор в сторону темного места.
Теперь, увеличивая сопротивление с помощью потенциометра Р1, вы услы-
шите, как замкнутся контакты. Действуя потенциометром Р1 в обратную сторо-
ну, снова разомкните контакты. Затем, фокусируя свет фонаря на фоторезисто-
ре, вы услышите, как реле замкнет контакты.
ftaiatLausfiiii'
Проект 20. Дистанционное упроаление при помощи светового луча 299
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 вре-
мени, когда датчик принимает поток света.
К1
Рис. 3.20.5. Использование светоизлучающего диода для регулировки чувствительности
Перечень элементов и компонентов схемы,
использующей светоизлучающий диод для
регулировки чувствительности
1. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
2. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
3. LDR - любой фоторезистор или кадмиево-сульфидный элемент (см. текст).
4. Р1 - потенциометр точной подстройки.
5. С1 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
6. К1 - реле на 6 или 12 В х 50 мА.
Печатная плата или плата, не требующая пайки, источник питания, прово-
да, припой и т.п.
Кросс-темы
Дистанционное управление со световым лучом может быть использовано в ка-
честве вспомогательного прибора для проведения экспериментов. Управление
может быть использовано для активирования приборов на расстоянии, вклю-
чая 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 робоЧов в дом. усл.
300 ЧЯСТЬ 3. Магнитные приборы
вариант с выдержкой времени
Простой вариант с выдержкой времени использует интегральную микросхему
555IC (рис. 3.20.6).
Рис. 3.20.6. Вариант с выдержкой времени, использующий интегральную микросхему 555IC
В этой схеме потенциометр Р1 подстраивает чувствительность в соответ-
ствии с источником света и освещенностью пространства. Потенциометр Р1
подстраивает время, в течение которого реле включено. Время включения мо-
жет быть рассчитано по следующей формуле:
t = 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 выдержкой времени
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа или
эквивалент.
3. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
!\alallaus^k
Проект 20. Дистанционное управление при помощи светового луча 301
4. Pl, Р2 - потенциометры с точной подстройкой на 1 мОм.
5. R1 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
6. R2 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
7. R3 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
8. С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
9. С2 - электролитический конденсатор на 10-1000 мкФ х 12 В.
10. СЗ - электролитический конденсатор на 1000 мкФ х 12 В.
11. LDR - любой обычный фоторезистор.
12. К1 - реле на 6-12 В х 50 мА (в соответствии с источником питания).
13. В1 - батарейки на 6-12 В или источник питания (в соответствии с реле).
Печатная плата или плата, не требующая пайки, источник питания, прово-
да, припой и т.п.
Вариант с двумя 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. Вермонт с двумя устойчивыми состояниями, использующий
интегральную микросхему 4013 CMOS IC
Потенциометр Pl подстраивает чувствительность, а реле должно соответ-
ствовать напряжению источника питания, а именно 5-12 В.
Схема может быть смонтирована на печатной плате или плате, не требую-
щей пайки (макете). Обратите внимание на направленность поляризованных
компонентов, таких как интегральные микросхемы, электролитические кон-
денсаторы, транзистор и источник питания.
302 ЧАСТЬ 3. Москитные приборы
Перечень элементов и компонентов схемы с двумя
устойчивыми состояниями
1. IC-1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. IC-2 - интегральная микросхема, 4013CMOS, триггерная, D-типа.
3. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения BD548 NPN-типа или
эквивалент.
4. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
5. К1 - реле на 5-12 В (в соответствии с величиной напряжения источника
питания).
6. LDR - любой круглый обычный фоторезистор.
7. R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
8. R2, R3 - резистор на 100 кОм х 1 /8 Вт (коричневый, черный, желтый).
9. R4 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
10. Р1 - линейный или логарифмический потенциометр (чувствительность)
на 1 мОм.
11. Cl, С2 - керамические или полиэфирные конденсаторы на 1 мкФ.
12. 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).
Проект 20, Дистанционное управление при помощи светового луча 303
Потенциометр Р1 подстраивает чувствительность, а принцип действия схе-
мы 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
1. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа.
2. Q2 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа.
3. D1 - кремниевый диод общего назначения 1N4148.
4. К1 - реле на 6 В х 50 мА.
5. Р1 - потенциометр точной подстройки на 1 мОм.
6. R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
7. LDR - любой круглый фоторезистор или кадмиево-сульфидный элемент
(см. текст).
8. 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), применяе-
мых и в бытовых и в промышленных устройствах, работают при помощи инф-
ракрасных или радиочастотных сигналов. В этих видах дистанционного управ-
ления используется передовая технология, так что каждый пульт ДУ управляет
одним соответствующим приемником.
Микропроцессоры и другие средства используются в целях получения милли-
онов различных кодов, чтобы управлять многообразными функциями приемника.
Представленное в книге простое дистанционное управление надежно, мо-
жет быть смонтировано каждым любителем и состоит из нескольких простых,
недорогих частей.
Идеи для углубленного изучения 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 21.
Мехонотронноя лодка с воздушным
винтом
Рис. 3.21.1. Мехонотроммый
корабль, построенный студентами
Это очень простой проект, основанный
на тех же принципах, что и проект с го-
ночным автомобилем (см. проект 1).
Воздушный винт с лопастями (про-
пеллер) используется в качестве движите-
ля. Лодки с пропеллерами находят приме-
нение в заболоченных местностях.
Поскольку все применяемые компо-
ненты и части надежны, а также недо-
роги и доступны, то этот проект весьма
приемлем в качестве кросс-темы в сред-
ней школе. Студенты Colegio Mater Ama-
bilis построили такие лодки и принима-
ли участие в соревнованиях (рис. 3.21.1).
Для усовершенствования лодки предлагается несколько схем, например дис-
танционное управление, таймер и специальные световые и звуковые эффекты.
Задачи
1. Построить небольшую экспериментальную лодку с воздушным винтом.
2. Организовать соревнование лодок.
3. Изучить закон Ньютона в качестве кросс-темы.
4. 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
^atatfaus^!.
Проекг21.Махаклроннояло9косеоэдушнымвинтом 305
равновесие лодки. Если тяжелые части, такие как батарейки, были установле-
ны ненадлежащим образом, то лодка может утонуть (рис. 3.21.2).
Конструкция корпуса лодки также имеет большое значение. Например, вы-
сота лотка должна быть такой, чтобы гарантировалась мореходность лодки.
Осадка лодки и высота ее над водой с надстройками зависит от тяжести комп-
лектующих частей. Другим важным фактором является киль, прикрепленный к
днищу лодки для обеспечения движения по прямой линии.
Рис. 3.21.2. Тяжелые части должны быть правильно распределены на латке
И наконец, необходимо учесть еще и коэффициент полезного действия вен-
тилятора. 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 сорев-
нованиях важно, чтобы все лодки имели одинаковый источник питания.
Как строит*
На рис. 3.21.3 показана электрическая схема для лодки. Переключатель для
включения и выключения электродвигателя не обязателен. Вы можете запус-
тить электродвигатель, просто установив батарейки в держатель.
Рис. 3.21.3. Электрическая схема лодки
306 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
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. Опо-
рой для электродвигателя должна служить небольшая пластиковая коробка, к
которой электродвигатель приклеивается. Вы можете использовать небольшой
кусок дерева или даже картона. Киль изготавливается из куска пенополистиро-
ла 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 различ-
ные модели. Максимальный рекомендуемый диаметр составляет 10 см.
Испытайте балансировку своей лодки в ванне, прежде чем найдете правиль-
ное месторасположение всех частей.
Рис. 3.21.4. Конструкция лодки
Перечень компонентов электрической схемы
1. В1 - две или четыре батарейки размера АА на 3 или 6 В (и держатель).
2. 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 уверен-
ности, что на корпусе все части распределены правильно.
После того как все части обретут свое место, можно приступить к испытани-
ям 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 дви-
гается по прямой линии, измените расположение держателя батареек или про-
пеллера. Теперь вы уже можете участвовать в соревнованиях или начать усовер-
шенствовать свой проект.
Проект 21. Мехонотронноя лодко с воздушным винтом 307
Усовершенствование проекта
Первоначальная конструкция лодки может быть усовершенствована многими
способами. В зависимости от размера дополнительных компонентов вам при-
дется увеличить размеры лодки.
Предлагаем свои идеи:
• широтно-импулъсная модуляция или линейное управление. В варианте с 6-воль-
товым электродвигателем могут быть использованы управление PWM и
электронный потенциометр (см. проекты 3 и 7). Вы можете заменить по-
тенциометр 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-разно-
му. Можно приспособить для этого водные резервуары, сделав их из кус-
ка пластмассы или брезента. Они могут быть размещены в деревянном
ящике (рис. 3.21.6).
Резервуар достаточно заполнить водой на 10-15 см. Этого хватит, чтобы лод-
ки свободно плавали. Вы можете сделать дорожки для каждой лодки, применив
деревянные планки (рис. 3.21.7).
308 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.21.7. Гоночные дорожки, сделанные при помощи деревянных планом
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 управ-
ляться двухканальным дистанционным управлением.
Электродвигатель 1
Рис. 3.21.8. Использование двух электродвигателей и системы дистанционного управления
^iatalfaus^ii
Проект 21. Мехонотронноя лодко с воздушным винтом 309
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, вра-
щающегося более медленно;
дистанционное у правление рулем. При помощи соленоида можно управлять
рулем, установленным на лодке (рис. 3.21.9). Соленоид может быть воз-
бужден с использованием одноканального дистанционного управления.
При помощи дистанционного управления лодку можно поворачивать впра-
во и влево;
Рис. 3.21.9. Простое одноканальное дистанционное управление рулем
управление при помощи светового луча. Простое дистанционное управление
может осуществляться с помощью фонаря (рис. 3.21.10). Подробнее о та-
ком управлении читайте в проекте 20.
Это простое управление может быть использовано для запуска соленои-
да, соединенного с рулем. Применяя световой луч фонаря, начинающий
гений сможет изменять направление движения лодки.
Рис. 3.21.10. Использование дистанционного управления со световым лучом
310 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
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 дат-
чик. Проблема возникнет только тогда, когда лодка поворачивается и на
датчик уже нельзя направить фонарь;
• (У/кыление схемы со звуковым эффектом. Схема (рис. 3.21.11) производит звук,
напоминающий звук парохода.
Рис. 3.21.11. Электронная схема со звуковым эффектам лодки
Схема должна получать питание от источника напряжением 3-6 В. Громко-
говоритель 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 изготавливает-
ся из картона. Потенциометр Р1 подстраивает звук. Можно найти тембр, похо-
жий на звук пароходного гудка. Эту схему можно монтировать, используя око-
нечную полоску в качестве шасси (рис. 3.21.12).
Перечень элементов и компонентов схемы
со звуковым эффектом
1. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN-типа или эк-
вивалент.
2. Q2 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа или
эквивалент.
3. R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
4. R2 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
5. Р1 - потенциометр точной настройки на 1 мОм.
6. С1 - полиэфирный конденсатор на 1 мкФ.
7. С2 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
8. SPKR - небольшой громкоговоритель на 4 или 8 Ом (2,5-5 см).
*
Оконечная полоска или печатная плата, пластмассовая коробка, провода,
припой и т.п.
^laldllau^fk
Рис 3.21.12. Электро»**» схема за^ю&ого эффекта лодки монтируется с помощью оконечной полоски
Современные технологии
Пропеллеры используются в конструкциях многих транспортных средств. В пу-
стыне и на льду пропеллеры помогают продвигаться автомобилям, а в болотис-
той местности они являются движителями судов. Однако этот тип движителя
имеет ряд недостатков, потому что мощность передается непосредственно на
колеса.
Идеи для экспериментов
1. Сконструируйте турбину, поместив пропеллер в трубку, чтобы создать
корабль с реактивным движением (турбовентиляторный двигатель).
2. Поэкспериментируйте с различными типами пропеллеров и разным ко-
личеством лопастей для определения оптимальных эксплуатационных ха-
рактеристик вашей лодки.
3. Сконструируйте пропеллер, используя небольшой вентилятор, подобный
тому, что применяется в компьютерах для охлаждения микропроцессоров.
Проект 22.
Подбрасыватслъ монеты
Мы знаем, что соленоиды - важные компоненты механотронных проектов.
Начинающий гений, обладающий воображением космического масштаба, мо-
жет создать бесконечно много проектов, используя соленоиды в качестве ос-
новных элементов.
В книге было рассказано о многих проектах с применением соленоидов, та-
ких как пушка, гальванометр, магический маятник и проекты, выполненные
при помощи лазерных фигур Лиссажу. Ниже мы познакомим с другим примене-
нием соленоидов: это простой проект, в котором монета подбрасывается вверх
совершенно произвольным образом, без каких-либо трюков или манипуляций
со стороны оператора.
Задачи
1. Построить проект с соленоидом в качестве основы.
2. Узнать больше сведений по соленоидам.
3. Использовать подбрасывание монеты для принятия простого решения
типа «Да/Нет».
Каи аи работает
Основная идея очень проста: при возбуждении магнитное поле, создаваемое со-
леноидом, 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 мож-
но 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 катуш-
ку, 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 об-
разом, разницы в весе сердечника и размере соленоида вам необходимо будет
перепроверить проект.
ftatattausfiilk
Проект 22. Подбросывотель монеты 313
Как 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).
Пластмассовая чашечка
3-4 см
1-2 см
2" х1/8’
Рис. 3.22.2. Конструкций подбросыеотеля монет
Катушка наматывается на картонную или пластмассовую бобину в соответ-
ствии 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.
314 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Имейте в виду, что когда схема отключится, сердечник должен находиться
частично в бобине. Вам нужно отрегулировать положение, когда сердечник втя-
гивается внутрь катушки при ее возбуждении.
Испытания и использование
Отрегулируйте положение сердечника внутри катушки, как было рекомендова-
но ранее. Нажмите на кнопку S1 и проверьте, насколько быстро сердечник вдви-
гается 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 подбросывотеля монет
1. L1 - катушка (см. текст).
2. S1 - кнопка (нормально разомкнутая (No)).
3. 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 тео-
рии 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.
Схема с разрядом ионденсатора
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 включает-
ся 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 вы-
бирать емкостью 4700-22000 мкФ. Сила толчка будет зависеть и от катушки.
^ataUausii
Проект 22. Подбросывотель монеты 315
Рис. 3.22.3. Электронной 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 катушка-
ми, может достигать 40 А или более. Проведите испытания, чтобы найти наи-
лучшую катушку и наилучший коденсатор для подбрасывания монеты с желае-
мой силой.
Методика такая же, как и в проекте с пушкой. Во-первых, зарядите конден-
сатор, 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 конденсаторе
1. SCR - кремниевый управляемый выпрямитель TIC106 или эквивалент.
2. D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4004.
3. LED - обычный светоизлучающий диод (любого цвета).
4. 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.
5. R1 - резистор на 150 Ом х 1 Вт.
6. R2, R3 - резисторы на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранже-
вый).
7. R4 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
8. С1 - электролитический конденсатор на 4700-22000 мкФ х 40 В.
9. XI - катушка (см. текст).
10. S1 - переключатель (ВКЛ./ВЫКЛ.).
12 Создание роботов в дом. усл.
316 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
11. S2, S3 - (нормально разомкнутые (No)).
12. 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.
Катапульта
Другой способ подбросить монету - сделать это при помощи катапульты
(рис. 3.22.4).
Количество витков провода для катушки и механическая система для запус-
ка монеты должны быть рассчитаны вами самостоятельно. Поэкспериментируй-
те, чтобы согласовать силу соленоида и вес монеты для достижения оптимальной
работы. Супермощная катапульта может быть создана с применением электрон-
ной схемы разряда емкости.
Рис. 3.22.4. Использование катапульты
Современные технологии
Запуск объектов при помощи магнитной силы соленоида - метод, применямый
во многих бытовых приборах. Мы уже обсудили этот аспект применения соле-
ноидов в других проектах книги, таких как пушка и машина с магическим дви-
жением.
Модификации проекта
Основной проект можно модифицировать, чтобы использовать в других уст-
ройствах. 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.
Вызов мехонотронного таймера
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 ме-
ханической 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.
Задачи
1. Постройте механический таймер, который запускает электронную схему
в точном промежутке времени.
2. Найдите решения для достижения самой высокой точности работы.
3. Изучите движение механических частей.
4. Поучаствуйте в соревнованиях, чтобы отточить мастерство в создании
механотронных проектов.
5. Используйте схему для изучения кросс-тем в программах высшей и сред-
ней школ.
6. Задействуйте основную схему при создании других автоматических при-
боров.
Как ан работает
Этот проект, подобно многим другим, может быть разделен на две части: меха-
ническую и электронную.
Механика
Основная идея заключается в запуске схемы с использованием магнита с язычко-
вым переключателем. Механические части должны двигаться таким образом,
чтобы магнит притягивало к язычковому переключателю. В результате схема бу-
дет включаться в течение заранее заданного промежутка времени (рис. 3.23.1).
Сложность заключается в том, чтобы сконструировать механическую систе-
му, которая позволит магниту приблизиться к язычковому переключателю толь-
ко в течение предварительного запрограммированного промежутка времени.
Существует много решений, и некоторые из них показаны на рис. 3.23.2.
318 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.23.1. Принцип работы механотронного таймера
(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 по-
плавок 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 перио-
ду времени. Другое интересное решение, использующее шаговую вращающую-
ся 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 при-
водом от пружины и так далее.
Проект 23. Вызов механотронного таймера 319
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 выпрямите-
ля (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 сигна-
лизации, электронную сирену, реле или даже небольшой электродвигатель,
приводящий в движение другое устройство. Для сброса схемы выключите пе-
реключатель 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 ре-
комендуется 9-вольтовый источник питания.
Как строить
Принципиальная схема электрического таймера показана на рис. 3.23.3. Все
компоненты надежны, и начинающий гений волен вносить изменения в перво-
начальный проект. Поскольку схема очень проста, то для монтажа компонен-
тов 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, электродвигате-
ли и соленоиды. Лампы и электронные схемы в диоде не нуждаются.
330 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.23.4. Монтаж компонентов производится на оконечной полоске
Проверка и использование
Испытания тоже очень простые. Установите батарейки в держатель и включи-
те схему, нажав на кнопку SW1. Нагрузка остается включенной.
Теперь поместите магнит вблизи датчика. Запустится кремниевый управля-
емый выпрямитель, и нагрузка включится. Для сброса (отключения) схемы уда-
лите магнит и поместите его подальше от датчика. Затем включите и выключите
кнопку SW1 снова. Если все функционирует правильно, схему можно с уверенно-
стью эксплуатировать.
Перечень элементов и компонентов схемы
электрического таймера
1. SCR- кремниевый управляемый выпрямитель TIC106, С106 или MCR106,
обычные SCR.
2. D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4148 (только для индуктив-
ной нагрузки).
3. R1 - резистор на 22 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
4. SW1 - однополюсный переключатель SPST (ВКЛ./ВЫКЛ.).
5. Нагрузка - любая нагрузка на 6 или 12 В (в соответствии с напряжением
источника питания).
6. В1 - четыре или восемь батареек размера АА или питание от сети пере-
менного 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 ма-
тематики. Предлагаются следующие конкретные разделы:
маятник;
измерение времени;
^ataHaus^i
Проект 23. Вызов мехонотронного таймера 321
• 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 тай-
мера.
Тональный генератор
Простой тональный генератор с запуском от кремниевого управляемого вып-
рямителя (SCR) при замкнутом датчике показан на рис. 3.23.5. Схема может
быть легко собрана на оконечной полоске в качестве шасси. Обратите внима-
ние на правильность установки поляризованных компонентов, таких как тран-
зисторы и линии источника питания.
Рис. 3.23.5. Тональный генератор
Перечень элементов и компонентов тонального
генератора
1. Q1 - кремниевый транзистор общего назначения ВС548 NPN^rnna.
2. Q2 - кремниевый транзистор общего назначения ВС558 PNP-типа.
3. Р1 - потенциометр точной настройки на 100 кОм.
4. R1 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
5. R2 - резистор на 1 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, красный).
6. С1 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 12 В.
7. С2 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
8. SPKR- небольшой громкоговоритель на 4 или 8 Ом (диаметром 2,5-10 см).
Оконечная полоска, коробка, провода, припой и т.п.
322 ЧАСТЬ 3. АЛогнитные приборы
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 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 дат-
чик также подсоединен к сети переменного тока, поэтому должен быть полно-
стью защищен от случайного контакта с выводами. Схема очень проста и мо-
жет быть смонтирована с помощью оконечной полоски (рис. 3.23.7).
R1
Рис. 3.23.7. Схема, смонтированная но оконечной полоске
Перечень элементов и компонентов схемы
с запуском лампы переменного тока
1. 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.
Проект 23. Вызов мехонотронного тоймеро 323
2. D1 - кремниевый выпрямительный диод 1N4004.
3. Rl, R2, R3 - резисторы на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оран-
жевый).
4. 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, представ-
ляют собой механические приборы, но большинство высокоточных таймеров
все же являются электронными. Механические или электромеханические тай-
меры, 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 механиз-
ма. Другой наиболее распространенный тип - обычный таймер, который ис-
пользует 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 устано-
вив язычковый переключатель (один или несколько) на дверь или окно.
Проект 24.
Экспериментальный контроллер
с программируемой логикой
I
Контроллер с программируемой логикой (PLC), в первую очередь, использует-
ся для управления промышленными технологическими процессами. PLC пред-
ставляет собой небольшую коробку или ящичек, установленный на машину или
станок, в котором записана вся программа выполнения технологических опе-
раций 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 про-
сто перенастраивает программу PLC на выполнение новой задачи.
Роботы и механотронные изделия могут быть управляемы PLC, поскольку
включают в себя запрограммированные операции. Недорогие PLC могут при-
меняться в составе экспериментальных роботов или же могут использовать
специальный язык для программирования роботов. Однако мы не будем по-
гружаться в сферы, сложные для понимания, и предложим постройку очень
простого PLC, чтобы познакомить вас с принципом работы PLC и их исполь-
зованием для управления небольшими механотронными автоматизированны-
ми приборами.
Схема не требует от вас самостоятельного программирования и знания спе-
циального компьютерного языка, поскольку имеется стандартная программа для
определенного аппаратного обеспечения. Количество выполняемых операций
ограничено, но все же их достаточно для изготовления интересных приборов.
Задачи
1. Изучите, как работает PLC.
2. Используйте PLC для управления элементарными функциями.
3. Создайте автоматические операции, управляемые PLC.
Как ои работает
Настоящий PLC - небольшой блок, имеющий в своем составе микроконтрол-
лер, а также входные и выходные каскады (рис. 3.24.1).
Ко входному каскаду PLC проводами подключены датчики или коммутаци-
онная панель, которые посылают оперативную информацию на PLC о текущей
ситуации во время работы программы.
ftataHausTisk
Проект 24. Экспериментальный ионтроплер с программируемой логикой 325
Рис. 3.24.1.
Обычный Р1С
Микроконтроллер получает эту информацию, и пока
программа работает, PLC определяет следующий техно-
логический этап, который нужно будет выполнить. На-
пример, он может быть запрограммирован на то, чтобы
выключить электродвигатель, если рычаг находится в
нижнем положении, или включить электродвигатель,
если рычаг находится в верхнем положении.
Решения зависят от многих переменных величин.
Электродвигатель включается, когда рычаг находится в
нижнем положении, но электродвигатель также может включиться при помо-
щи 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 на-
стоящее время существует много языков программирования, принятых в раз-
личных типах PLC. PLC генерирует сигналы для срабатывания датчиков, кото-
рые активируются в соответствии с программой.
Наиболее важным свойством PLC является то, что он может быть использо-
ван для управления любым процессом. Поскольку мы знаем заранее, что хо-
тим от машины, то можем запрограммировать действия в PLC. PLC может
быть использован для управления буквально всем, начиная от управления бы-
товыми 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 PLC
Входной блок управляет простым генератором, который может быть зап-
рограммирован для определения скорости процесса. Этот блок использует
326 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
интегральную микросхему 555IC, а конденсатор С1 определяет пределы скоро-
стей для PLC. Рекомендованная емкость конденсатора - 10-1000 мкФ. Исполь-
зование конденсатора на 1000 мкФ позволяет времени исполнения каждой
строки программы равняться примерно 15 мин, когда потенциометр Р1 нахо-
дится в состоянии максимального сопротивления.
Генератор управляется внешним датчиком и имеет два дополнительных по-
ложения 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 вы-
ходами, активируемыми в рабочих режимах от 1 до 10.
В схеме используется интегральная микросхема 4017IC, определяющая раз-
мер 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 по-
вышению уровня логики в первом и втором выходах, то просто подсоедините
диоды (рис. 3.24.3).
Рис. 3.24.3. Программирование диодной мотрицы
Итак, номера диодов и их позиции определяют, когда каждый выход акти-
вируется одной из программных строк. Диоды смонтированы на небольшой
^atallaus^k
Проект 24. Экспериментальный контроллер с программируемой логикой 327
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 соот-
ветствии с нагрузками, управляемыми выходами. Но помните, что выходы ди-
одной 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.
Кок монтировать
Принципиальная схема PLC (рис. 3.24.5) может быть смонтирована на печат-
ной 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
328 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Рис. 3.24.5. Принципиальной схема экспериментального контроллера
с программируемой логикой (Р1С)
Рис. 3.24.6. Схеме может быть смонтировано но печатной плате
Карта (плата) памяти
Поле (участок)
выполнить на них различные программы для PLC. Схема может получать пита-
ние от батареек АА или источника питания с напряжением 5-12 В. На рис. 3.24.7
показана печатная плата для реле.
ftatalfaus^k
Проект 24. Экспериментальный контроллер с прогролмлирделлой логикой 329
Рис. 3.24.7. Печатная плата для реле
При монтаже обратите внимание на направление таких поляризованных
компонентов, как интегральные микросхемы, диоды, электролитический кон-
денсатор и источник питания.
Проверка и использование
Для испытания PLC вы можете подключить экспериментальную схему, сформи-
рованную 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. Светоиз-
лучающие диоды будут светиться в соответствии с составленной для них про-
граммой. Как только вы проверите работу PLC, то сможете с уверенностью
использовать его для управления приборами.
Рис. 3.24.8. Тестовая сеема со светоизлучающими диодами
Перечень элементов и компонентов
экспериментального контроллера
с программируемой логикой Р1С
1. IC1 - интегральная микросхема 555IC - таймер.
2. IC - интегральная микросхема, комплементарный металлооксидный по-
лупроводник CMOS IC (КМОП).
3. Dl-Dn - кремниевые диоды общего назначения 1N4148 (см. текст).
330 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
4. Р1 - потенциометр точной настройки на 1 мОм.
5. Rl, R2 - резисторы на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
6. R3 - резистор на 100 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, желтый).
7. С1 - электролитический конденсатор на 10-1000 мкФ х 12 В.
8. С2 - электролитический конденсатор на 470 мкФ х 16 В.
9. В1 - четыре батарейки размера АА или другой источник питания с сум-
марным 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 заня-
тий по механотронике. Суть в том, чтобы ознакомиться с простым автоматизиро-
ванным процессом, который может быть легко понят даже неспециалистами.
Поэтому вы можете использовать PLC при изучении следующих кросс<гем:
• изучите, как протекает автоматизированный процесс;
• изготовьте автоматизированные приборы для демонстраций;
• изучите применение цифровой логики.
Дополнительные схемы и идеи.
Добавление переключателя с активированным
датчиком
1енератор можно модифицировать для работы в режиме моноустойчивого при-
бора, 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
ftalallausfik
Проект 24. Экспериментальный контроллер с прогролмлируеллой логикой 331
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 дру-
гим приборам, управляющим PLC.
Входы для датчиков
Выход
Рис. 3.24.10. Росширение логики
Расширение объема памяти
Для получения более чем 10 линий программной памяти в вашем PLC исполь-
зуйте соединение двух или более интегральных микросхем 4017 (рис. 3.24.11).
Рис. 3.24.11. Росширение 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.
332 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
Некоторые из этих устройств имеют большой объем памяти для хранения про-
грамм, 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 цдей, которыми вы можете воспользоваться:
• используйте счетчик двоично-кодированного десятичного числа (BCD) и
дешифруйте выходы для того, чтобы иметь 16 программных линий в ва-
шем PLC;
• используйте счетчик, интегральную микросхему 4020 (16 К), таким обра-
зом, чтобы вы могли иметь 16000 строк программы. Само собой разуме-
ется, что вам понадобится блок декодификации;
• попытайтесь использовать память прямого доступа (RAM) вместо диод-
ной матрицы и составьте для нее компьютерную программу;
• разработайте автоматизированный прибор, управляемый вашим PLC.
Попробуйте подключить его к автономному роботу (см. проект 17), что-
бы придать ему немного интеллекта.
Проект 25.
Мехонотронной говорящая голове
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 одновремен-
но получает звук от радиоприемника. В данном случае звук будет исходить от
вас или вашего товарища, говорящего в микрофон. В тот момент вы будете на-
дежно 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 настоя-
щую. Электронная схема использует только радиоприемник ЧМ-диапазона и
микрофон. Голова 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 голо-
вы к компьютеру и заставьте ее говорить согласно программе. Измените свой
голос таким образом, чтобы он был похож на металлический голос компьютера
или робота.
Задачи
1. Постройте говорящую экспериментальную голову.
2. Поработайте со схемой, которая преобразует звук в движение или свет.
3. Создайте говорящую куклу.
4. Сконструируйте ужасный призрак для праздника Хэллоуин.
5. Изучите движение и звуки.
Каи аи работает
На рис. 3.25.1 показана блок-схема этого проекта. Звуковые сигналы, принима-
емые микрофоном, передаются на небольшой портативный ЧМ-приемник, уста-
новленный внутри головы. Звуковые сигналы распространяются на определен-
ной 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).
334 ЧАСТЬ 3. Москитные приборы
Рис. 3.25.1. Блок-схема для механотронмой говорящей головы
а) Звуковой сигнал
—е Подстройка
Ь) Выход
Рис. 3.25.2. Запуск SCR но пике сигналов
Это означает, что изменения уровня голоса человека, говорящего в микро-
фон, заставят SCR включаться и выключаться. А лампа, подключенная к SCR,
будет мерцать в такт голосу. Это и есть одно из применений схемы - преобразо-
вания звука в свет.
Но мы хотим добиться от головы совсем не этого. Вместо лампы мы собира-
емся управлять соленоидом, 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. Насколь-
ко 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 чувствитель-
ны и могут запускаться непосредственно сигналами от микрофона.
^alaUaus'ji
Проект 25. Механотронной говорящая голова 335
Как строить
И снова мы собираемся поделить наш проект на две части: электронную и меха-
ническую.
Электроника
Принципиальная электронная схема механотронной говорящей головы пока-
зана на рис. 3.25.3.
Громкоговоритель
80
D1/D2=1N4002
(*) см. текст
Рис. 3.25.3. Принципиальная схема 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 пере-
менного тока. Применяется развязывающий трансформатор, поэтому необхо-
димо 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 ди-
оды, будьте внимательны. Поскольку SCR не питает большую нагрузку, то нет
необходимости устанавливать его на теплоотводящий радиатор. Лампы - низ-
коваттные, 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
316 ЧАСТЬ 3. Могнитные приборы
Рис 3.25.4. Монтаж аыполнйетсй но оконечную полоску в качестве шасси
150-500 мА. Этот трансформатор не применяется по своему прямому назначе-
нию, 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 наи-
лучшие 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, со-
гласованную 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-радиопри-
емника. Обычно это бывает моноразъем, но если приемник имеет стереовыход,
то необходимо изготовить переходник (рис. 3.25.5).
220
Рис. 3.25.5. Использование стереородиоприамника
ftaiaHausfiik
Проект 25. Мехонотронной говорящею голоео 337
Механика
Рис 3.25.6. Основная конструкция
мехомотрамюй говорящей головы
Основная механика устройства очень проста. Имея необходимые навыки, вы
можете усовершенствовать этот вариант. Например, приспособить пластмассо-
вую или резиновую маску какой-нибудь знаменитости, а затем присоединить к
ней механизм привода нижней челюсти для при-
ведения ее в движение. На рис. 3.25.6 показано
очень простое решение для механотронной го-
ворящей головы с использованием картона, де-
рева и других обычных материалов.
Сердечник соленоида приводит в движение
нижнюю челюсть головы. Точная точка сопряже-
ния соленоида и челюсти зависит от мощности
соленоида. Вам нужно будет поэкспериментиро-
вать для определения точного положения точки
сопряжения, чтобы получить наилучшие эксплу-
атационные характеристики.
Очень важно подобрать пружину для закрытия
челюсти в те моменты, когда соленоид не возбужден (звук не поступает). Альтер-
нативой пружине, зависящей от мощности соленоида, является резиновый жгут.
Проверка и использование
Рис. 3.25.7. Тестирование и
робота
На рис. 3.25.7 показан способ соединения компонентов схемы.
Во-первых, настроим ЧМ-радиоприемник, найдя свободное место на шкале
диапазона. Теперь подстройте ЧМ-радиомик-
рофон на прием сигнала. Настройте радио-
приемник на среднюю громкость таким обра-
зом, чтобы слушатель и зритель мог слышать
голос говорящей головы громко и четко. Те-
перь, говоря в микрофон, подстройте потен-
циометр Р1 на схеме, чтобы соленоид и меха-
низм привода привели в действие нижнюю
челюсть головы. Схема готова к работе.
По необходимости отрегулируйте солено-
ид 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
1. SCR - кремниевый управляемый выпрямитель TIC 106 (117 В сети пере-
менного тока) или TIC106B (220/240 В сети переменного тока).
2. DI, D2 - кремниевые выпрямительные диоды 1N4002 или эквиваленты.
338 ЧАСТЬ 3» Магнитные приборы
3. Т1 - трансформатор с первичной обмоткой на 117 В от сети переменно-
го тока и вторичной обмоткой на напряжение 5-12 В и ток 150-500 мА
(см. текст).
4. Т2 - трансформатор с первичной обмоткой на 117 В от сети переменно-
го тока (или в соответствии с линией источника питания) и вторичной
обмоткой на 12 В от сети переменного тока (или в соответствии с соле-
ноидом) и током 500-800 мА (или в соответствии с соленоидом).
5. Р1 - линейный или логарифмический потенциометр на 10 кОм.
6. R1 - резистор на 2,2 кОм х 1/8 Вт (красный, красный, красный).
7. R2 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, оранжевый).
8. С1 - керамический или полиэфирный конденсатор на 0,047 мкФ.
9. С2 - электролитический конденсатор на 100 мкФ х 16 В.
10. L1 - миниатюрная лампа накаливания на 117 В от сети переменного
тока х 5 Вт.
11. XI - небольшой соленоид с частотой толчков 12-24 (см. текст).
12. 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. Предлага-
ем 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
^atallaus^k
Проект 25. Мехонотронной говорящая голова 339
Для активирования головы можно использовать любой усилитель с мощнос-
тью 100 мВт или выше. Необходимые соединения показаны на рис. 3.28.8.
Тщательно выбирайте резистор, ограничивающий мощность для подключе-
ния 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 реаль-
ной мощностью выхода (RMS), а пиковой мощностью (РМРО).
Таблица 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 Вх 2 Вт
Использование роторного соленоида или небольшого
электродвигателя постоянного тона
с зубчатой передачей
Роторные (вращающиеся) соленоиды и небольшие электродвигатели с зубча-
той передачей могут быть использованы для привода нижней челюсти голо-
вы (рис. 3.25.9).
На рис. 3.25.9 показано, как вращение вала электродвигателя может быть
преобразовано в линейное возвратно-поступательное движение нижней челю-
сти, открывающей и закрывающей рот.
Роторный соленоид
или электродвигатель
постоянного тока
с коробкой передач
Рис. 3.25.9. Использование роторных соленоидов или электродвигателей
постоянного токо с зубчатыми передачами
340 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
Использование электродвигателя постоянного тока
иа117В
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 дина-
мика (рис. 3.25.10).
Вы можете использовать выход, подсоединенный ко входу низкочастотного
усилителя, о котором упоминалось ранее, и усилитель запустит схему. Вы може-
те записать на компьютере фразы, которые должна сказать голова, и даже при-
внести некоторые звуковые эффекты для имитации, например, «компьютерно-
го 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 пе-
редатчика, чтобы использовать вместо микрофона, вы можете смонтировать
его. На рис. 3.25.11 показана схема передатчика с одним транзистором, кото-
рый может передавать сигналы на небольшой ЧМ-радиоприемник на рассто-
янии до 50 м.
На рис. 3.25.12 показана печатная плата для проекта.
Катушку L1 можно изготовить, намотав четыре витка эмалированного про-
вода 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.
^alattaus,^.
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. Печатная плата для передатчика
342 ЧАСТЬ 3. Магнитные приборы
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-псрсдвтчиком
1. Q1 - кремниевый транзистор BF494 NPN-типа или эквивалент.
2. MIC - электрический микрофон с двумя выводами.
8. R1 - резистор на 4,7 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый,, красный).
4. R2 - резистор на 10 кОм х 1/8 Вт (коричневый, черный, оранжевый).
5. R3 - резистор на 5,6 кОм х 1/8 Вт (голубой, зеленый, красный).
6. R4 - резистор на 47 кОм х 1/8 Вт (желтый, фиолетовый, черный).
7. С1 - электролитический конденсатор на 10 мкФ х 12 В.
8. С2 - керамический конденсатор на 4700 пФ.
9. СЗ - керамический конденсатор на 47 пФ.
10. С4 - керамический конденсатор на 0,1 мкФ.
11. CV- конденсатор с точной подстройкой (15-40 пФ максимальной емкости).
12. В1 - две или четыре батарейки размера АА суммарным напряжением 3 или
6 В (и держатель).
13. L1 - катушка (см. текст).
14. 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 слушате-
ли, даже когда передатчик расположен далеко;
• создать ужасного говорящего призрака для праздника Хэллоуин, приме-
няя принципы, заложенные в этом проекте;
• создать управляемого компьютером говорящего робота.
Предметный
указатель
А Дорожка
Американский кабельный сортамент 41 токоведущая 12
В И Импульсный источник питания,
Вентилятор 20 Выпрямитель кремниевый управляемый xix, 87 управление 59 К
Г Клемма высоковольтная 77
Гальванометр 94 Генератор низкой частоты 172 тональный 321 эоловый 136 Колесо зубчатое 27 Компакт-диск 21 Компьютер аналоговый 179 Контроллер с программируемой логикой 324 Коробка передач 55
д Кривая насыщения 22 Крутящий момент 20
Датчик световой 271 Двигатель ионный 70 Диод кремниевый для переменного тока 88 светоизлучающий xix, 114 Дистанционное управление инфракрасное 39 радиочастотное 39 Л Лампа ксеоновая 77 неоновая 77 флуоресцентная 80 Лезвие вибрирующее 171 Лестница Якоба 80
344 Предметный унозотель
м С
Микросхема интегральная xix, 15, 83 интегральная PNP-типа 60 Модуляция широтно-импульсная 57 Мультиметр 292 Соленоид 170 Сплав с памятью формы 274 Схема мостовая Н 53 принципиальная 15
о т
Отвод центральный 77 Отношение передаточное 32 Таймер 35 Технология поверхностного монтажа 7
п Транзистор Дарлингтона 21
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 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
Р Шов паяльный 13
Резистор переменный 115 Реостат 115 Робот боевой 38 дистанционно управляемый 38 работник 2 э Электродвигатель постоянного тока 65 шаговый 170 шпиндель 28
Предметный укозотель 345
Элемент
кадмиево-сернистый 154
поверхностного монтажа 8
Эффект
облачковый 71
точечный 71
С
Colegio Mater Amabilis xviii
€
Editora Saber xviii
Electronica Total xviii
M
Mecatronica Atual xviii
Mecatronica Facil xviii
P
PC&CIA xviii
Popular Electronics xviii
ft
Revista Saber Electronica xviii
Ньютон Брага
Создание роботов
в домашних условиях
Главный редактор Захаров И. М.
zim@ntpress.ru
Научный редактор
Ответственный редактор
Верстка
Графика
Дизайн обложки
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 участии
ООО «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 РУКАМИ
Ньютон С. Брага
СОЗДАНИЕ
РОБОТОВ
В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
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 одно-
временно позабавиться и узнать много нового и интересного. Извест-
ный писатель Ньютон Брага, много пишущий в области электроники,
представляет на ваш суд новую книгу «Создание роботов и сопутс-
твующих им устройств», в которой, как опытный гид, поведет вас че-
рез 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, дистан-
ционное управление при помощи светового луча и провести 20 дру-
гих развлекательно-позновательных экспериментов, раскрывающих
необъятные дали механотроники и высоких технологий.
Часы, проведенные вместе с книгой, дадут весьма солидные знания
о механотронике - сердцевине робототехники, в которой очень орга-
нически сливаются электроника, механика и другие науки. Выполняя
эксперименты самостоятельно, руководствуясь этой книгой, вы полу-
чите практическое понимание механотроники, сможете демонстри-
ровать другим сделанные вами впечатляющие проекты!
Мс
Gravu
NT
PRESS
Издательство приглашает
к сотрудничеству
как начинающих,
так и пишущих авторов,
специализирующихся на
бизнес- компьютерной
и радиоэлектронной
тематиках.
Пишите: zim@ntpress.ru
Звоните: (495) 737-3252
По вопросам оптовой
покупки книг
издательства «НТ Пресс»
обращаться
по адресу:
Москва, Звездный бульвар,
дом 21, 7-й этаж
Тел. 615-43-38, 615-01-01,
615-55-13