Елементи радіоелектроніки в технічній творчості школярів

 

Однією з найбільш гнучких та ефективних форм опанування теоретичних знань радіоелектроніки i набуття практичних навичок школярами є фізико-технічний гурток або факультатив, що пєеднує науково-природничу підготовку з набуттям ремісничих навичок та трудовим виробничим навчанням, опанування базових i профільних компонентів фізико-технічних знань й умінь. Радіоелектронна технічна творчість завжди була для школярів найпривабливішою з ycix видів конструювання та моделювання. Навіть інші види моделювання, такі як aвia-, авто-, судномо-делювання, передбачають у сучасних умовах використання радіоелектроніки у вигляді пристроїв радіокерування, автоматики, програмних, обчислювальних та інших пристроів.

Організація роботи факультативу або гуртка радіоелектроніки в загальноосвітній школі має свої специфічні особливості. Вони, по-перше, полягають у складності проблеми, оскільки відповідні теми з фізики за програмою учні починають вивчати лише наприкінці десятого класу, а інтерес до радіотехнічної творчості в них з'являється десь на межі шостого - сьомого класів. По-друге, існують об'єктивні труднощі, не тільки економічні, забезпечення комплектувальними деталями, мікросхемами, матеріалами, вимірювальними приладами. Тому при виборі об'єктів технічної творчості основну увагу слід приділяти тому, щоб виготовлювані конструкції були корисними, конструктивно завершеними, цікавими та доступними у виготовленні для учнів відповідного віку в шкільних умовах, знаходили практичне застосування, давали змогу здобувати нові теоретичні знання і розвивати необхідні практичні ремісничі навички, а також бути повністю забезпечені комплектувальними та конструкційними матеріалами. Отже, матеріаломісткість і номенклатура комплектувальних елементів мають бути обмеженими та визначеними заздалегідь на перспективу, а складність виготовлюваних конструкцій має поступово зростати.

З самого початку практична діяльність, пов’язана з виготовленням об'єктів технічної творчості, поєднується з теоретичними заняттями і виконанням лабораторного практикуму, який на таких заняттях не просто бажаний їхній компонент. Він є обов'язковою складовою частиною програми роботи факультативу чи гуртка, інтегрує процес навчання, робить його більш унаочненим, створює сприятливі умови для самостійної роботи учнів, які можуть у міру потреби неодноразово звертатися до окремих робіт практикуму для експериментального відпрацювання елементів майбутніх власних конструкцій. Практикум значно підвищує інтерес учнів до практичної діяльності, особливо на перших етапах, де переважна більшість робіт стосується старшого оброблення конструкційних матеріалів.

Промисловість не випускає доступного для школи лабораторного обладнання для організації такого практикуму. Отже, цілком логічно розпочати технічну творчість школярів саме з самозабезпечення лабораторним обладнанням, яке відповідає зазначеним вище критеріям. Розглянемо один із можливих варіантів побудови обладнання для практикуму у вигляді модульного радіоконструктора.

Основними технічними і дидактичними вимогами до обладнання практикуму є:

•системний підхід до формування змісту практикуму та до обладнання, яке його забезпечує;

•обладнання практикуму складається з уніфікованих за конструкцією й електричними параметрами модулів, які можуть використовуватись у вигляді конструктора;

•набір модулів має бути функціонально повним;

•номенклатура дискретних елементів і мікросхем, що входять до складу модулів, має бути мінімізована за типами та номіналами і складатися з найпоширеніших

 

 

Рис. 12.1. Модуль коливального контуру

 

дешевих та малогабаритних комплектувальних елементів серед своїх типів;

•модулі мають бути відкритими, наочними, містити суміщені стан дартні умовні графічні позначення і матурні деталі та мікросхеми;

•модулі повинні мати дидактичну і технічну надмірність, яка перед бачає автономне виконання експериментів з окремими їхніми елемента ми, варіації номінальних значень та режимів роботи, приєднання зовнішніх елементів, модулів, приладів;

•допоміжні і другорядні елементи, що не є об'єктами для вивчення, на передніх панелях не показують;

•пристрої введення-виведення інформації та приєднання вимірювальних приладів для їх спрощення реалізують у вигляді кнопок, стандартних гнізд, світлодіодів тощо.

 

Рис. 12.2. Модуль підсилювача на біполярному транзисторі з показаними на ньому габаритними і приєднувальними розмірами

 

За основою приготування конструктора прийнято загально технічні принципи блочної побудови технічних пристроїв з функціонально самостійних каскадів або модулів. Як показано в попередніх главах, радіоелектроніка вирішує три основні технічні завдання: фільтрацію електричних сигналів, їх підсилення та перетворення. Решта функцій радіоелектроніки є похідними названих вище. Тому мінімальний функціональний набір навчальних модулів складається з селекторів (фільтрів), підсилювачів і перетворювачів електричних сигналів.

Для створення мінімального функціонального завершеного набору радіоконструктора селектор сигналів будуємо на коливальному контурі з конденсатором змінної ємності (рис. 12.1), підсилювач — на біполярному транзисторі (рис. 12.2), для найпростішого нелінійного перетворення частоти сигналів використовуємо діодний детектор (рис. 12.3), а для логічного перетворювача сигналів — діодні та транзисторні логічні елементи (рис. 12.4)

Усі ці модулі відповідають зазначеним вище технічним і дидактичним вимогам, у кожному з них передбачено технічну та дидактичну надмірність, яка забезпечується введенням додаткових гнізд й елементів схеми. Так, коливальний контур має два входи для приєднання до генераторів імпульсних (WА) і гармонічних (R_г) коливань та два виходи для повного (U_вих) І неповного (0,5 U_вих) вмикання в схеми.

Завдяки двом додатковим гніздам передбачено введення в нього додаткового опору втрат R_k, а введення котушки зв'язку L_зв дає можливість використовувати модуль у поєднанні з підсилювачем для побудови автогенератора й амплітудного модулятора.

Нарешті, завдяки розриву в з'єднанні між котушкою і конденсатором паралельний контур легко перетворити на послідовний, а вибір центральної частоти діапазону близько 200 кГц забезпечує використання його при складанні найпростіших радіоприймачів кілометрового діапазону в поєднанні з амплітудним детектором та підсилювачем. Крім того, з цим модулем можна виконувати лабораторні завдання, пов'язані з вимірюванням індуктивності котушки, а також ємності конденсатора. Модуль підсилювача (див. рис. 12.2) завдяки введенню додаткових гнізд і розривів кола забезпечує практично необмежену надмірність: крім найпростішого аперіодичного підсилювача, в якому додаткова наочність і дидактичні можливості забезпечуються приєднанням міліамперметра для контролю положення РТ транзистора (гнізда 1... 5 мА), з використанням цього модуля можна досліджувати властивості аперіодичних підсилювачів з різними способами стабілізації положення РТ транзистора, різними внутрішніми та зовнішніми навантаженнями, частоти властивостями, послідовними і паралельними негативними 33. Схема може перетворюватись на емітерний повторювач сигналів, схему із спільною базою й навіть на парафазний підсилювач. У поєднанні з коливальним контуром на основі цього модуля можна досліджувати резонансний підсилювач, помножувач частоти, автогенератор, амплітудний модулятор, а в поєднанні з аналогічним модулем ще й мультивібратор. Крім того, з цим модулем можна виконувати лабораторні завдання, пов'язані з дослідженням властивостей транзистора, зняттям і побудовою всіх його характеристик.

Модуль амплітудного детектора (див. рис. 12.3) має лише чотири додаткових і гнізд і один діод у порівнянню з моделлю амплітудного детектора, що вивчається традиційно в загальноосвітній школі. Проте завдяки такій технічній надмірності значно розширюються дидактичні можливості моделі, які дають змогу, крім послідовного детектора, вивчати властивості паралельного детектора та детекторного помножувача (подвоювача) напруги, а приєднанням конденсаторів різної ємності й вимиканням конденсатора забезпечується дослідження впливу ємності фільтра на якість детектування сигналів. Крім того, з цим модулем можна виконувати лабораторні завдання, пов'язані з дослідженням властивостей і ВАХ напівпровідникових діодів.

У модулі діодних і транзисторних логічних елементів (рис. 12.4) технічна надмірність полягає в тому, що в нього введено по два елементи І й АБО. Проте завдяки цьому на лабораторних заняттях забезпечується можливість додатково до основних експериментів складати не тільки моделі базових логічних елементів І - НЕ, АБО - НЕ, а й тривходових логічних елементів, пів-суматорів, мультиплексорів, демультиплексорів, деяких інших найпростіших логічних автоматів, що значно розширює рівень лабораторних завдань і можливості творчої практичної діяльності учнів.

Рис. 12.3. Модуль амплітудного детектора

 

 

Рис. 12.4. Модуль діодних і транзисторних логічних елементів

Розглянутий мінімальний, функціонально повний набір навчальних модулів для зручності використання слід доповнити ще допоміжними модулями. Наприклад, при дослідженні властивостей підсилювачів та інших схем, безумовно, можна брати окремі дискретні резистори і конденсатори Проте зручніше мати впорядкований за якоюсь ознакою комплект цих деталей.

Такий комплект можна об'єднати в самостійний уніфікований модуль «Блок КС» (рис. 12.5), а як критерій впорядкування вибрати кратність одиниці номінального значення опору та ємності, тобто 100 Ом, 1 кОм, 10 кОм тощо. По-перше, такі числа легко розрахувати; по-друге (і це головне), якщо взяти по дві деталі кожного номіналу, то взаємним з'єднанням двох резисторів (наприклад, опором по 1 кОм) дістанемо 0,5; 1 і 2 кОм, що дає змогу з точністю до 20 % перекрити весь номінальний ряд Е3. Аналогічне стосується конденсаторів. А цє дає можливість в завданнях найвищого рівня планувати учням розрахункову частину тип виконується і потім перевіряється експериментально. (Скажімо, розрахувати підсилювач із заданим коефіцієнтом підсилення, скласти, настроїти його і перевірити розрахунок експериментом.) Крім того, цей модуль дає змогу додатково складати та досліджувати різноманітні аперіодичні фільтри, диференціювальні й інтегрувальні кола.

 

 

Рис. 12.5. Модуль комплекту резисторів і транзисторів

 

Для дослідів з логічними елементами потрібні джерела логічних сигналів, яких у шкільному кабінеті фізики немає, а використовувати кілька джерел постійного струму незручно. Тому зручно ввести в набір окремий модуль джерел логічних сигналів (рис. 12.6), в якому передбачено формування чотирьох двійкових сигналів за допомогою прихованих під платою тригерів, що вмикаються кнопками. Індикація стану сигналів здійснюється світлодіодами.

Нарешті, багато хто з учнів ще до початку вивчення фізики знайомляться з мікросхемами. Тому доцільно ввести в набір модуль базових логічних елементів (рис. 12.7), в якому показати спрощену внутрішню структуру мікросхеми та по одній мікросхемі базових елементів І - НЕ та АБО - НЕ. Це дає змогу складати і досліджувати різні схеми тригерів як елементів електронної пам'яті, а також ускладнити досліди з електронними автоматами.

Згодом, із набуттям досвіду роботи можна розробити та виготовити розширений набір модулів, включивши в нього різноманітні схеми підсилювачів (підсилювача на польовому транзисторі, підсилювача потужності, мікросхему ОП), комбінаційних операційних мікросхем (суматорів, перетворювачів кодів), послідовнісних операційних мікросхем (регістрів, лічильників) тощо.

 

Рис. 12.6. Модуль джерел логічних сигналів

 

Конструктивно радіоконструктор для практикуму доцільно побудувати у вигляді уніфікованих за габаритними і приєднувальними розмірами прямокутних паралелепіпедів, складених із прямокутних деталей з органічного скла завтовшки 4...5 мм на текстолітовій або гетинаксовій основі за допомогою гвинтових з'єднань М2,5 х 10 мм. Деталі модуля та їхні розміри показано на рис. 12.2. На лицьовий бік фольгованої плати для друкованого монтажу наклеюють виконану згідно зі стандартами схему моделі, що вивчається. Координатна сітка для друкованого монтажу має крок 2,5 мм. Конденсатори па принципових схемах треба розміщувати під їхніми умовними графічними позначеннями, вигинаючи виводи в бік сполучних ліній під кутом 90°. Резистори, транзистори, діоди, мікросхеми слід розмішувати в межах їхніх умовних графічних позначень.

Для побудови радіоконструктора можна використати досить поширені компоненти: транзистори КТ315, КТ361, КПЗОЗВ та їхні аналоги; діоди Д9, Д220, КД104, АЛ310 та їм подібні; мікросхеми серії К155; малогабаритні резистори номіналами 0, 1, 1, 10, 100, 510 кОм; малогабаритні конденсатори в межах ємностей від 100 пФ до 100 мкФ за таким самим номінальним рядом, що й опори резисторів; феритову антену кілометрових хвиль і конденсатор змінної ємності від будь-якого малогабаритного радіоприймача. Приєднувальні гнізда повинні мати внутрішній діаметр 4 мм для узгодження із стандартними штирями вимірювальних приладів та з'єднувальних провідників. Такими, наприклад, є гнізда типу ГИ-4 промислового виконання.

 

 

Рис. 12.7. Модуль базових логічних елементів

 

Із набуттям певного досвіду практичної діяльності під час виготовлення простих модулів радіоконструктора для практикуму потрібно орієнтувати учнів на розроблення і виготовлення більш складних конструкцій, наприклад саморобних електронних приладів, придатних для демонстраційного фізичного експерименту й описаних в літературі.

Вважаємо, що тематика технічної творчості учнів, пов'язана з розробленням та виготовленням навчального обладнання, близька і значуща для них та вчителя. Тому подальшим кроком її розвитку можуть бути лабораторні моделі для фронтальних лабораторних робіт, різні радіофіковані й автоматизовані навчальні стенди, пристрої тощо. Крім того, для більшого залучення учнів до роботи слід передбачити розроблення і виготовлення різноманітних радіоіграшок, моделей ігрових та промислових автоматів, комп'ютерних ігрових приставок.

На етапах початкового ознайомлення з радіоелектронікою треба вибирати такі об’єкти для виготовлення, які не потребують значного механічного оброблення матеріалів й особливо високої точності та побудовані на основі аперіодичних підсилювачів, мультивібраторів, логічних елементів, найпростіших мікросхем. Ці об'єкти не потребують також ретельного настроювання і застосування складної контрольно-вимірювальної апаратури. Крім того, ремісничі навички на цих етапах в учнів ще недостатньо сформовані; тому малий обсяг спрощеного механічного оброблення матеріалів не знижує їх інтерес саме до радіотехнічної творчості.

У цьому відношенні запропонований вище радіоконструктор для практикуму є майже ідеальним об'єктом. Його конструкція досить технологічна, а більшість операцій механічного оброблення можна механізувати (виконати на шкільних фрезерних верстатах або за шаблонами). Крім того, тут можливий раціональний розподіл праці між учнями різних віку і досвіду роботи.

Згодом, після набуття певного досвіду, теоретичних знань і ремісничих умінь можна поступово переходити до розроблення власних конструкцій та виготовлення пристроїв для радіоспорту, побутової радіоелектроніки, радіо- і світломузичних та інших пристроїв, різноманітні конструкції яких описано в численних посібника для журналів технічної творчості.