Конструктор электрических схем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструктор электрических схем

Содержание

Введение

Глава 1. Обоснование разработки изделия

1.1 Учебная техника для исследования законов постоянного тока

1.2 Возможности игровых электроконструкторов для обучения

1.3 Общее устройство и особенности проектируемого изделия

Глава 2 Проектирование, изготовление изделия

2.1 Проектирование и изготовление макетного образца наборного поля

2.2 Проектирование и изготовление блока защиты от перегрузок и КЗ

2.3 Проектирование и изготовление корпуса, перемычек, сборка изделия

Глава 3 Применение изделия для исследования законов постоянного тока

3.1 Порядок работы с электроконструктором

3.2 Проверка закона Ома для участка цепи с резистором

3.3 Последовательное соединение проводников. Резисторный делитель напряжения

3.4 Параллельное соединение проводников. Резисторный сумматор токов

Заключение

Библиографический список

Введение

Данная работа выполнена по заданию: "Создание школьной учебной техники для исследования законов постоянного тока" в объеме курса физики за 8 класс. напряжение проводник ток

Электричество, электрический ток, электроприборы - эти понятия настолько вошли в нашу жизнь, что мы относимся к ним как к чему-то постоянному, естественному. Наш мир без преувеличения можно назвать электрической цивилизацией. Для обеспечения работы огромного количества электрооборудования необходимы грамотные специалисты, обладающие не только теоретической подготовкой, но и хорошими практическими навыками. Начальные базовые знания электротехники даются именно в средней школе, где ученик начинает задумываться о своей будущей профессии. Однако школьное лабораторное оборудование для углубленных самостоятельных практических занятий не предназначено. А серийно выпускаемые игровые электроконструкторы ненадежны и имеют ограниченные возможности для обучения.

Поэтому актуальным является создание электроконструктора с широкими функциональными возможностями, так как он позволяет не только на практике убедиться в справедливости законов электрофизики, но и научиться работать самому - исследовать разные интересные радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, диоды, герконы, реле…), читать схемы, понимать их, придумывать, собирать и испытывать.

Использование электроконструктора на уроках физики и на факультативных занятиях сделает их яркими и интересными. Возможно, некоторые из учеников впоследствии свяжут свою жизнь с техническими специальностями и станут теми специалистами, которые так необходимы нашей промышленности.

Объект исследования: электричество, постоянный электрический ток.

Предмет исследования: учебная техника для лабораторных работ по теме: "Законы постоянного тока"; игровые конструкторы электрических схем.

Цель исследования: создание конструктора электрических схем, позволяющего не только просто и наглядно выполнять школьные опыты по электричеству, но и пригодного для самостоятельного творчества.

Цель работы обусловила необходимость решения следующих взаимосвязанных задач:

- ознакомиться с типовой учебной техникой для выполнения лабораторных работ по разделу "Электричество" и доступными игровыми конструкторами: ("Юный электрик", "Знаток"), выявить их возможности, достоинства и недостатки;

- предложить свой вариант электроконструктора, недорогой, но превосходящий аналоги по простоте, наглядности и возможностям;

- разработать схему и конструкцию макетного образца наборного поля изделия;

- обеспечить защиту блока питания от перегрузок и короткого замыкания;

- разработать корпус для хранения, транспортировки и работы с изделием;

- подобрать электропровода, радиодетали, материалы, приборы и инструменты;

- выполнить сборку, электромонтаж и наладку наборного поля и блока защиты;

- изготовить корпус для хранения, транспортировки и работы с изделием;

- подготовить схемы для проверки основных физических законов по теме:

- "Законы постоянного тока", варианты их сборки и демонстрации;

- выполнить практическую проверку основных физических законов по теме:

- "Законы постоянного тока" путем сборки схем на наборном поле изделия.

Практическая значимость работы заключается в том, что электроконструктор позволяет решать широкий круг задач - от проверки и демонстрации выполнения законов физики для электрических цепей постоянного тока, до самостоятельного изучения свойств радиоэлементов и сборки схем разных электрических устройств - от фонарика до сложных схем автоматики.

На защиту выносится проект, сопровождаемый презентацией и макетным образцом электроконструктора.

Глава 1. Обоснование разработки изделия

1.1 Учебная техника для исследования законов постоянного тока

Рассмотрим продукцию ведущих фирм, которые производят школьную учебную технику в нашей стране.

Лабораторный набор: "Электричество" (выпускает НПО "Росучприбор") предназначен для исследования основных закономерностей, изучаемых в разделах "Электрические явления" и "Законы постоянного тока" школьного курса физики, формирования практических умений по сборке электрических цепей, определению характеристик элементов, развитию навыков работы с измерительными приборами.

В набор входят: ключ, кювета с электродами, лампа (2 шт.), проволочные резисторы (2 шт.), переменный резистор, электродвигатель, проволочные катушки (2 шт.), магниты (2 шт.), пружинные зажимы (2 шт.), компас, соединительные провода, металлическое рабочее поле.

Элементы закреплены на подставках, в их основаниях запрессованы магниты. При сборке схем их размещают на металлическом рабочем поле 310х 200 мм.

Для работы необходимы лабораторные приборы: вольтметр и амперметр, а также источник питания 4-6 В или батарейка.

Перечень экспериментов:

- Измерение напряжения и тока

- Зависимость силы тока от напряжения

- Зависимость силы тока от сопротивления

- Измерение сопротивлений

- Устройство переменного резистора (реостата)

- Последовательное соединение проводников

- Параллельное соединение проводников

- Определение мощности электрического тока.

- Действие плавкого предохранителя

Демонстрационный набор: "Электричество 1" выпускает Лаборатория "L - микро" для демонстрации опытов на уроках физики. Элементы набора и цифровые измерительные приборы крепятся магнитами к металлической классной доске.

Достоинство наборов "Электричество" - простота и наглядность.

Недостатки:

- набор трудно расширить - для каждого нового элемента нужна дополнительная магнитная подставка с клеммами;

- возможно короткое замыкание источника питания или батарейки;

- приборы имеют только один диапазон измерения;

- цена слишком высока (около 4500 рублей).

Вывод: эти наборы для самостоятельных практических занятий не подходят.

Набор: "Электричество. Пассивные электроцепи" выпускает НКТБ "Парсек" при Тольяттинском Государственном университете для проведения лабораторных работ в техникумах и ВУЗах.

Набор имеет единый конструктив с встроенным в него наборным полем, цифровым индикатором, измерительными приборами и радиоэлементами. К нему прилагается источник питания и комплект перемычек-соединителей. На его наборном поле много гнезд, к которым подключены выводы электродеталей.

Сами детали находятся внутри корпуса, а видны только их изображения.

Чтобы собрать схему, надо правильно соединить гнезда перемычками.

Достоинства набора - компактность и многофункциональность.

Но и этот набор имеет много недостатков.

Во-первых, хочется собирать схему из настоящих деталей, а не из картинок.

Во-вторых, когда выполняешь сборку, хочется, чтобы макет был похож на схему. Но наглядности не получается - здесь положение деталей изменить нельзя.

В-третьих, измерительные приборы (вольтметр и амперметр), которые входят в набор, имеют только один предел измерения. Они не могут точно измерить маленькие токи и напряжения, поэтому некоторые лабораторные задания выполнять трудно.

И самое главное: добавить новые элементы в состав набора невозможно.

Вывод: и этот набор для самостоятельных творческих занятий не подходит.

1.2 Возможности игровых электроконструкторов для обучения

Электронный конструктор "Знаток" от ООО "Знаток Плюс" вышел в новой версии "Для школы и дома".

Это 21 практическое занятие для школы и множество схем для дополнительных игр и занятий.

Практические занятия согласуются с существующей школьной программой и учебниками физики 8-11 классов. Они могут выполняться при изучении следующих тем и разделов: "Механические колебания и волны. Звук", "Основы электроники", "Интегральные микросхемы", "Цифровая техника. Логические схемы", "Электрические явления. Постоянный ток", "Электрический ток в различных средах. Полупроводниковые компоненты", "Электромагнитные явления", "Электростатика".

Это игра, которая объединяет в себе знания о физическом мире, удовольствие и практическую полезность. Игра с таким конструктором учит различать элементы электронных схем, знакомит с их схематическими обозначениями, дает возможность получить практические навыки, связанные с областью физики и электроники.

В схемах используется ручное, магнитное, световое, водяное, звуковое, электрическое, а также сенсорное управление.

Сборка схем не требует пайки или каких-либо сложных манипуляций. Соединение деталей схемы происходит по принципу конструктора ЛЕГО: каждая из деталей схемы смонтирована в отдельном блоке, а блок, в свою очередь, имеет соединительный ключ с другим блоком. Электронные блоки соединяются в соответствии со схемой и их номерами (пронумерована каждая деталь).

Достоинства набора - простота, наглядность, многофункциональность, разумная цена (около 3000 рублей), компактность: размер 51х 39х 5,5 см, вес 1,8 кг.

Но есть и недостатки.

Соединения (типа металлических кнопок на одежде) затрудняют сборку своих схем из деталей конструктора, если не до конца продуман порядок сборки.

Некоторых компонентов явно недостает. Например, не хватает реле, переключателей, совсем нет логических элементов. Однако расширение набора не предусмотрено.

Набор разработан в России, а производится в Китае. Поэтому в интернете много жалоб на некачественно изготовленные компоненты.

Не предусмотрена защита от короткого замыкания батареек.

Многие компоненты легко повредить неправильным соединением, а заменить их нечем - запчасти к конструктору отдельно не продаются.

В наборе нет измерительных приборов, поэтому результаты школьных опытов можно оценить только качественно. Значит, необходим еще и мультиметр.

Вывод: набор подходит для самостоятельных творческих занятий и для школьных опытов. Но в нем нет измерительных приборов, элементы имеют низкую надежность, а запчасти не выпускаются. Кроме того, испытав какую-либо схему при помощи игрового конструктора, хочется собрать её из настоящих деталей и применить в жизни. Поэтому лучше разработать свой электроконструктор - он будет проще и надежнее, а его возможности - шире.

1.3 Общее устройство и особенности проектируемого изделия

Из всех рассмотренных выше наборов самыми широкими возможностями для практических занятий по физике обладает набор "Электричество. Пассивные электроцепи", разработанный в НКТБ "Парсек" при Тольяттинском Государственном университете. Выберем его в качестве прототипа.

Набор характеризуется:

- наличием упаковки в виде чемодана;

- наличием источника питания;

- наличием наборного поля;

- наличием контактных гнезд на наборном поле;

- наличием электрических модулей и деталей;

- наличием измерительных приборов.

Проектируемый электроконструктор (рисунок 1), также содержит корпус 1, защищенный блок питания 2, наборное поле 3, комплект перемычек и кабелей 4, два мультиметра 5 и 6, комплект электронных компонентов 7.

Рисунок 1 - Состав проектируемого электроконструктораОсобенности электроконструктора - в оригинальном исполнении составных частей.

Корпус задуман в виде чемоданчика с ручкой для переноски и съемной передней крышкой (на схеме не показана). Внутри корпуса предусмотрен специальный пенопластовый вкладыш с ячейками для фиксации составных частей набора. Такой корпус позволяет не только хранить и транспортировать изделие, но и работать с ним, не вынимая из упаковки.

Собрать такой электроконструктор после урока легко: надо просто надеть на него крышку.

Для питания набора можно взять аккумуляторную батарею. Но её надо иногда заряжать. Поэтому лучше применить сетевой адаптер с выходным напряжением +12В. Оно не опасно и применяется в автомобилях. Это позволит исследовать не только радиоэлементы, но и автоэлектрику.

Выходное напряжение такого блока питания не стабильно - его величина незначительно меняется в зависимости от тока, потребляемого схемой. Но напряжение на входе схемы всегда легко измерить мультиметром.

Для защиты блока питания от перегрузки и короткого замыкания (КЗ) обычно используют предохранители. В случае КЗ предохранитель перегорает, и его заменяют новым. Это неудобно. Лучше применить специальный блок защиты, который при перегрузке или КЗ отключает питание от схемы и включает звуковую и световую сигнализацию. Чтобы снова подать питание на схему, блок защиты достаточно выключить, исправить схему, а затем снова его включить.

Наборное поле проектируемого электроконструктора содержит гнезда для подключения электропитания, кнопки, тумблеры, переменный резистор и несколько рядов приборных гнезд, объединенных между собой по три для удобства соединения элементов исследуемой схемы. Последнее гнездо в каждой тройке - это приборная клемма с зажимом для подключения электродеталей. В промежутках между рядами - прочная клейкая лента. К ней можно прикреплять миниблоки с электронными компонентами, собранные на отдельных панельках. Это гораздо проще и удобнее, чем использовать магниты, как в наборе "Электричество".

На таком наборном поле можно собирать схемы из настоящих деталей. Причем их расположение будет соответствовать принципиальной схеме, если она не слишком сложна.

Проектируемый электроконструктор гораздо проще выбранного прототипа. Поэтому дешевле и надежнее. Однако он позволяет выполнить эксперименты в рамках темы "Законы постоянного тока" и предоставляет широкие возможности для самостоятельного творчества.

Это не готовое законченное изделие, а "полуфабрикат". Его легко адаптировать к новым задачам по мере изучения школьного курса физики, добавляя новые детали, радиоэлементы, микросхемы, блоки и приборы.

Выводы по первой главе

Изучив качественные характеристики основных предлагаемых электроконструкторов мы пришли к следующим выводам:

- Лабораторные наборы для исследования законов постоянного тока ведущих российских фирм, выпускающих школьную учебную технику, соответствуют своему назначению. Однако для самостоятельных творческих занятий по конструированию электрических схем они не годятся;

- Игровой электронный конструктор "Знаток", предназначенный для самостоятельных творческих занятий, можно использовать и для школьных опытов по физике. Однако в нем нет измерительных приборов, элементы имеют низкую надежность, а запчасти не выпускаются;

- Проектируемый электроконструктор позволяет не только исследовать законы постоянного тока - его можно адаптировать и для практических работ по другим темам школьного курса физики, добавляя новые детали, радиоэлементы, микросхемы, блоки и приборы. Он легко транспортируется и обеспечивает широкие возможности для самостоятельного творчества.

Глава 2 Проектирование, изготовление изделия

2.1 Проектирование и изготовление макетного образца наборного поля

В проектируемом наборном поле для подключения электродеталей применяются приборные клеммы, а для коммутации - миниатюрные приборные гнезда, в которые вставляются штекеры перемычек.

На наборном поле, кроме гнезд и клемм, удобно установить кнопки, тумблеры и переменный проволочный резистор - реостат.

В качестве конструктива для макетного образца наборного поля мы взяли пластиковую коробку от металлического конструктора с прозрачной крышкой из оргстекла.

Только в макете прозрачная крышка расположена снизу, чтобы был виден монтаж, конструкция кнопок и тумблеров, а также устройство переменного резистора.

Внешний вид лицевой панели наборного поля изображен на рисунке 2. Детали размещены в узлах решетки, столбцы которой обозначены буквами, а строки - цифрами, как на шахматной доске. Это позволяет легко указать любой элемент по его буквенно-цифровым координатам.

На лицевой панели расположены: клеммы и гнезда электропитания, две кнопки, два тумблера, переменный резистор и 6 рядов гнезд по 9 штук в каждом ряду.

Гнезда в каждом ряду соединены между собой по три. Последнее гнездо в каждой тройке - приборная клемма с зажимом. В зажимы можно вставлять выводы электродеталей.

В промежутках между рядами приклеена прочная клейкая лента (обувная "липучка"). К ленте удобно прикреплять детали, собранные в виде миниблока на отдельной панели, или крупные детали (реле, микродвигатели) - надо только приклеить к ним ответную часть ленты.

Каждый вывод кнопок, тумблеров и переменного резистора подключен к отдельному гнезду наборного поля, между которыми изображены условные графические изображения этих элементов. Пунктиром показано механическое воздействие от нажатия кнопки или перемещения рычажка тумблера на подвижные элементы переключателей.

Уменьшенный шаблон лицевой панели наборного поля изображен на рисунке 3.



Рисунок 2 - Внешний вид лицевой панели наборного поля

Рисунок 3 - Шаблон лицевой панели наборного поля

Порядок изготовления макетного образца наборного поля следующий:

1. Выравниваем дно пластиковой коробки от конструктора шлифовальной шкуркой.

2. Выводим шаблон на лист бумаги, обрезаем по контуру и крепим к коробке скотчем.

3. Сверлим центры всех отверстий ручной дрелью (диаметр сверла - 2 мм).

4. Рассверливаем отверстия под клеммы (диаметр сверла - 4 мм).

5. Рассверливаем отверстия под гнезда (диаметр сверла - 6 мм).

6. Рассверливаем отверстия под кнопки и тумблеры (диаметр сверла - 8,5 мм).

7. Рассверливаем отверстие под реостат (диаметр сверла - 10 мм).

8. Удаляем часть внутренней перегородки (она мешает установить реостат).

9. Удаляем шаблон, зачищаем неровности шкуркой; коробку моем, протираем, сушим.

10. Выводим шаблон на лист самоклеющейся пленки. Клеим на него скотч (защищаем рисунок).

11. Обрезаем шаблон по контуру и, постепенно удаляя бумагу, аккуратно приклеиваем к коробке.

12. Прорезаем отверстия, вырезаем по контуру и удаляем 3 прямоугольные полоски.

13. Вырезаем 3 кусочка клейкой ленты-"липучки" и вклеиваем их на место удаленных полосок.

14. Вставляем в отверстия приборные гнезда и клеммы, ориентируем и закрепляем гайками.

15. Устанавливаем и закрепляем реостат, ориентируем и одеваем ручку регулятора.

16. Устанавливаем и закрепляем кнопки и тумблеры.

17. Соединяем пайкой гнезда и клеммы в соответствии с рисунком на лицевой панели одножильным проводом без изоляции.

18. Подключаем выводы кнопок и тумблеров к соответствующим гнездам лицевой панели одножильными проводами с цветной изоляцией (так удобнее различать назначение выводов).

19. Подключаем выводы реостата к соответствующим гнездам лицевой панели через резисторы 24 Ом, 2W для защиты от возможной перегрузки в крайних положениях регулятора.

20. Устанавливаем упоры на выводы угловых клемм.

21. Одеваем прозрачную крышку, высверливаем в ней отверстия напротив упоров, крепим ножки.

Наборное поле готово.

2.2 Проектирование и изготовление блока защиты от перегрузок и КЗ

В качестве источника питания выбран сетевой адаптер БПН 12-0.5.

Его выходное напряжение +12 В, а максимальный рабочий ток равен 0.5 А.

Адаптер является простейшим источником питания. Его выходное напряжение зависит от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Можно собрать специальную схему стабилизатора, но пока в этом нет необходимости - при проведении лабораторных работ напряжение на входе схемы всегда легко измерить мультиметром.

Для защиты сетевого адаптера от перегрузки и короткого замыкания (КЗ) обычно используют предохранители (тоненькая проволочка в стеклянном или керамическом корпусе). Если проходящий через неё ток превысит допустимый, то проволочка перегорает. Тогда предохранитель заменяют новым. Это неудобно - не всегда удается собрать схему без ошибок, и запасные предохранители быстро кончаются.

В современной аппаратуре (например, в блоках питания компьютеров) применяют "самовосстанавливающиеся предохранители". Их принцип действия основан на резком увеличении сопротивления при превышении порогового тока, протекающего через предохранитель. Увеличение сопротивления сопровождается нагревом предохранителя примерно до 80 градусов по Цельсию. После отключения питания предохранитель остывает и уменьшает своё внутреннее сопротивление - самовосстанавливается.

Принципиальная схема блока защиты сетевого адаптера изображена на рисунке 4а, а его лицевая панель - на рисунке 4б.

а) б)

Рисунок 4 - Блок защиты сетевого адаптера

В качестве самовосстанавливающегося предохранителя выбран элемент MF-R017.

Его данные: максимальное рабочее напряжение: 60 В; максимально допустимый ток: 40 А; максимальное время срабатывания: 3 секунды; минимальное начальное сопротивление равно 2.0 Ом; минимальный ток, приводящий к срабатыванию (скачку сопротивления): 0,34 А.

Реле выбрано миниатюрное: РЭС-80 с двумя переключающими контактами. Его рабочее напряжение: 6…36 В, ток около 0,01 А, время срабатывания не более 5 мс.

Блок защиты работает следующим образом.

В исходном состоянии сетевой адаптер вставлен в розетку, обе сигнальные лампы выключены, напряжение Uпит на выходные клеммы не поступает.

При нажатии кнопки "ВКЛ" срабатывает реле К 2, его сердечник притягивает контактную группу, замыкающий контакт К 2.2 шунтирует кнопку "ВКЛ", а переключающий контакт К 2.1 включает реле К 1, контакт К 1.1 которого шунтирует контакт К 2.1. На выход схемы поступает напряжение Uпит, после отпускания кнопки "ВКЛ" оба реле остаются включенными, зеленая сигнальная лампа "ВКЛ" светится.

При перегрузке или КЗ сопротивление предохранителя F1 возрастает, а выходное напряжение падает. Реле К 2 отключается, контакт К 2.2 размыкается, отключая питание от нагрузки. Контакт К 2.1 замыкает цепь аварийной сигнализации, включается звуковой сигнализатор и загорается красная сигнальная лампа "ВЫКЛ". Реле К 1 остается включенным.

При нажатии кнопки "ВЫКЛ" схема переходит в исходное состояние.

Принципиальная схема звукового сигнализатора изображена на рисунке 5.



Рисунок 5 - Схема звукового сигнализатора

Сигнализатор собран на микросхеме 561 ЛА 7.

Резисторы: R1, R2 - 130к; R3 - 1,8к; R4 - 130 Ом.

Конденсаторы: С 1 - 1,0 мкФ; С 2 - 7,5 нФ.

Транзистор VT1 - КТ 315Б. Рисунок 6 - Шаблон

Динамик BA1 - капсюль телефонный ТК-67-Н. лицевой панели блока защиты

Порядок изготовления макетного образца блока защиты от перегрузок и КЗ следующий.

1. Вырезаем прямоугольный кусок пластика размером 130х 75 мм.

2. Выводим шаблон на лист бумаги, обрезаем, клеим к заготовке.

3. Сверлим центры всех отверстий дрелью (диаметр сверла - 2 мм).

4. Рассверливаем отверстия под клеммы (диаметр сверла - 4 мм).

5. Рассверливаем отверстия под кнопки и лампы (диаметр - 8,5 мм).

6. Надежно крепим заготовку к деревянному бруску, вставляем в дрель

7. фрезу диаметром 40 мм и рассверливаем отверстие под капсюль.

8. Удаляем шаблон, зачищаем неровности шкуркой, моем, сушим.

9. Вставляем в отверстие телефонный капсюль, приклеиваем.

10. Собираем на макетной плате схему звукового сигнализатора.

11. Подключаем телефонный капсюль к сигнализатору.

12. Собираем на второй макетной плате схему защиты от перегрузки и КЗ.

13. Подключаем кнопки, сигнальные лампы, звуковой сигнализатор и клеммы питания.

14. Подаем на вход схемы питание. Схема не требует наладки. Если все собрано правильно,

15. она будет работать в соответствии с описанием.

16. Закрепляем макетные платы, сворачиваем и аккуратно укладываем провода.

17. Распечатываем на самоклеющейся бумаге надписи, "ламинируем" их скотчем,

18. вырезаем и наклеиваем на лицевую панель в соответствии с проектом.

19. В крышке подходящей картонной коробочки прорезаем отверстие 120х 60мм.

20. Оклеиваем коробку цветной самоклеющейся пленкой.

21. Вставляем в отверстие коробочки собранный макет блока защиты, проклеиваем по контуру.

Блок защиты готов.



2.3 Проектирование и изготовление корпуса, перемычек, сборка изделия

Полный состав набора "Конструктор электрических схем" изображен на рисунке 7.

В отличие от прототипа, набор укомплектован стрелочными мультиметрами, так как на них удобно демонстрировать магнитное действие электрического тока.



Рисунок 7 - Состав макетного образца набора "Конструктор электрических схем"

Комплект перемычек изготовлен из цветных гибких проводов.

Наконечниками являются штекеры для миниатюрных приборных гнезд.

Подобраны и оклеены цветной самоклеящейся пленкой картонные коробочки для сетевого адаптера, блока защиты и комплекта перемычек.

Для хранения радиодеталей взят футляр из-под масляных красок.

В качестве корпуса применена упаковка от офисного сканера.

Пенопластовый вкладыш изготовлен из упаковочного пенопласта.

Ячейки для составных частей набора вырезаны ножом по месту.

Вкладыш и коробочки оклеены цветной самоклеящейся пленкой.

Макет электроконструктора в сборе выглядит так:



А на этом фото изображен конструктор в работе: исследуется схема диодного моста.

Выводы по второй главе

В ходе проектирования и изготовления изделия мы пришли к следующим выводам:

- в качестве источника питания выбран простейший сетевой адаптер постоянного тока с выходным напряжением +12 В и током до 0.5 А;

- для защиты сетевого адаптера от перегрузки и короткого замыкания разработан и изготовлен блок защиты со звуковым сигнализатором на базе самовосстанавливающегося предохранителя;

- корпус набора изготовлен из упаковки от офисного сканера и подручных материалов;

- для изготовления изделия использовались бытовые материалы, инструменты и приборы.

Таким образом, показано, что изготовление электроконструктора по силам любому старшекласснику в домашних условиях.

Глава 3 Применение изделия для исследования законов постоянного тока

3.1 Порядок работы с электроконструктором

В исходном состоянии сетевой адаптер вставлен в розетку, обе сигнальные лампы выключены, напряжение Uпит на выходные клеммы не поступает.

Порядок работы с набором следующий.

· придумать схему, которую собираешься макетировать;

· подобрать нужные элементы из набора радиодеталей;

· вставить выводы элементов в зажимы клемм на наборном поле;

· соединить перемычками выводы элементов в соответствии со схемой;

· включить питание кнопкой "ВКЛ" на блоке защиты;

· если блок защиты запищит и загорится красная лампочка, надо нажать на кнопку "ВЫКЛ", исправить схему и снова включить питание.

Пример. Сборка схемы фонарика

Простой фонарик состоит из следующих деталей: батарейки, выключатель, лампочка, провода.

Мы соберем схему посложнее - с регулятором яркости лампочки.

Источник тока, выключатель и реостат уже есть на наборном поле.

Поэтому для сборки нужны только лампочка и перемычки.

Зажимаем выводы лампочки в отверстиях клемм и соединяем детали перемычками, как показано на рисунке. Включаем питание, убеждаемся, что схема работает, яркость лампочки регулируется.

3.2 Проверка закона Ома для участка цепи с резистором

Закон Ома для участка цепи с резистором:

сила тока, проходящая через проводник, пропорциональна напряжению на его концах:

I = U/R

Схема для проверки закона Ома:

На наборном поле её легко собрать, как показано на рисунке:

Если менять сопротивление переменного резистора R, то напряжение на реостате R и ток в цепи будут меняться, но их отношение U/I = R всегда остается постоянным.

Это легко проверить делением показаний вольтметра на показания амперметра для разных величин угла поворота ручки реостата.

3.3 Последовательное соединение проводников. Резисторный делитель напряжения

Схема для деления на части напряжения, поступающего от источника питания - это последовательно соединенные резисторы.

Собрать её на наборном поле очень легко:

Поочередно измерим напряжения UR1, UR2, UR3 на резисторах R1, R2 и R3 и сложим их друг с другом. Убедимся, что их сумма равна напряжению питания:

Uпит = UR1 + UR2 +UR3

Последовательная цепь содержит только 1 контур - путь, по которому идет ток. Так как ток на любом участке одинаков (в этом легко убедиться, измерив ток амперметром), то:

UR1 = I*R1, UR2 = I*R2, UR3 = I*R3.

Тогда Uпит = I*R1+ I*R2+ I*R3 = I*(R1+R2+R3).

Поэтому сопротивление цепи равно сумме сопротивлений её частей:

Rобщ = R1 +R2 +R3

3.4 Параллельное соединение проводников. Резисторный сумматор токов

Рассмотрим двухконтурную схему из трех резисторов.

В схеме через резистор R3 протекает в одном направлении два тока - I1 и I2. Ток I через резистор R3 равен сумме этих токов:

I = I1 +I2

Соберем эту схему на наборном поле, заменив амперметры перемычками:

Поочередно измерим токи I1, I2, I как показано на слайде предварительно отключив соответствующую сиреневую перемычку(то есть вместо перемычки включаем амперметр).

Убедимся, что сумма токов равна току в неразветвленной части цепи: I1 +I2 = I.

То есть проводимость (величина, обратная сопротивлению) параллельного участка выше, чем каждой ветви в отдельности. Она равна сумме проводимостей в каждой ветви:

g = 1/R= g1 +g2;

Так как g1 +g2 = 1/R1 +1/R2; то 1/R = 1/R1 +1/R2;

Тогда сопротивление участка цепи с параллельно соединенными резисторами:

R = R1*R2/(R1+R2).

Вычислим сопротивление участка цепи с параллельно соединенными резисторами по этой формуле (сопротивления R1 и R2 нам известны).

Определим сопротивление участка цепи с параллельно соединенными резисторами (R) опытным путем. U1||2 - напряжение на участке цепи с параллельно соединенными резисторами. По закону Ома: R = U1||2 / I. Проверим и убедимся, что вычисленное и экспериментальное значения совпадают.

Выводы по третьей главе

Собрав изделие и проверив его в работе, мы пришли к следующим выводам:

- изделие функционирует в соответствии с заданием, безопасно и удобно в использовании;

- сборка схем на наборном поле изделия выполняется быстро, элементы закрепляются прочно, соединения перемычками надежны;

- расположение элементов на наборном поле соответствует их изображению на принципиальной схеме;

- практическая проверка основных физических законов по теме: "Законы постоянного тока" проста, наглядна и затруднений не вызывает.

Таким образом, показано, что макетный образец изделия работоспособен и может быть использован в качестве учебного пособия как на уроках физики, так и для домашнего творчества.

Заключение

В результате проведенного исследования показано, что школьное лабораторное оборудование для углубленных самостоятельных практических занятий не предназначено.

Выявлено, что серийно выпускаемые игровые электроконструкторы ненадежны и имеют ограниченные возможности для обучения.

Предложен свой вариант электроконструктора, недорогого, но превосходящего аналоги по простоте, наглядности и возможностям.

Разработана схема и конструкция макетного образца наборного поля изделия.

Обеспечена защита блока питания от перегрузок и короткого замыкания.

Разработан и изготовлен корпус для хранения, транспортировки и работы с изделием.

Подобраны электропровода, радиодетали, материалы, приборы и инструменты.

Выполнена сборка, электромонтаж и наладка наборного поля и блока защиты.

Подготовлены схемы для проверки основных физических законов по теме:

"Законы постоянного тока", варианты их сборки и демонстрации.

Выполнена практическая проверка основных физических законов по теме:

"Законы постоянного тока" путем сборки схем на наборном поле изделия.

Таким образом, в ходе практических испытаний макетного образца электроконструктора подтверждены широкие функциональные возможности изделия, так как он позволяет не только на практике убедиться в справедливости законов электрофизики, но и научиться работать самому -читать схемы, понимать их, придумывать, собирать и испытывать.

Кроме того, показано, что изготовление такого электроконструктора по силам любому старшекласснику в домашних условиях.

Библиографический список

1 Перышкин А. Физика 8класс - М, "Дрофа", 2011.

2 Ройтбург Ю.С., Долгов Ю.П. Учебное пособие и методические рекомендации к набору ЭЛИК "01.ЭЛ. Электричество. Пассивные электроцепи" - Тольятти, НКТБ "Парсек", 2003.

3 Ройтбург Ю.С., Долгов Ю.П., Цецулин С.Н., Чепелев В.И., Ерохина Л.А. Электронный интеллектуальный конструктор. Патент на промышленный образец РФ. Номер: 51750. Класс: 14-02, 19-07. Дата публикации: 16.01.2003.

4 Сайт: "Производители и поставщики учебного оборудования": http://www.opprib.ru/main/find.php

5 Сайт НПО "Росучприбор": http://www.rosuchpribor.ru/russian/school/phys-school/phys-lab/elektr1.html

6 Сайт Лаборатории "L - микро", набор "Электричество 1": http://l-micro.ru/index.php?pribor=96&kabinet=1&s=1

7 Сайт ООО "Знаток Плюс": http://www.znatok.ru/56.html

8 Сайт ООО "Фабрика разума": http://fa-ra.ru/12-elektronnyj-konstruktor-znatok-na-999-sxem.html

Размещено на Allbest.ru

...