Конкурсная работа «Микросхемы...»

Рецензия к исследовательской работе учащегося 9 класса МБОУ «Приволжская ООШ» Мариинско-Посадского района ЧР Русина Романа «Микросхемы…».

            В своей исследовательской работе автор продемонстрировал своё мастерство и умение применять теорию на практике. Он с 7 класса проявляет интерес к предмету «Физика». На уроках очень активный. В ходе изучения темы «Последовательное и параллельное соединение проводников» он собрал в домашних условиях три микросхемы. И  ознакомил с ними своих одноклассников. Выступил на районной научно-практической конференции в секции «Физика. Астрономия»  в 2011 году и занял 2 место. В 2012 году изготовил два прибора: электродвигатель и блок питания с регулируемым напряжением.

            Актуальность темы вполне очевидна, каждый школьник должен уметь собирать простейшие электрические схемы и уметь применять их на практике. Они должны разбираться в простейших схемах электроприборов. Первые шаги Романом уже сделаны в мир радиотехники и электротехники.

            Центральным вопросом работы, где автор добился наиболее существенных результатов, является изготовление печатной платы в домашних условиях и сборка самих микросхем, используя программу Sprint-Layout 5.0 для создания двухсторонних и многослойных печатных плат, микросхемы серии К176 ЛА7, интегральную схему  вида NE 555 и логический элемент 2 И-НЕ. Схемы, рассмотренные в данной исследовательской  работе, служат для практических целей. С ними можно заняться самостоятельным экспериментированием, заменяя различные компоненты. А также можно демонстрировать их на уроках физики. На миниэлектродвигателе можно продемонстрировать принцип работы электродвигателя. Блок питания с регулируемым напряжением применяется в качестве источника при проверке и налаживании различных конструкций. Таким образом, рассматриваемая работа заслуживает оценки «Отлично». Автор проявил умение работать самостоятельно, вовлёк в свою работу своих одноклассников. Систематизировал материал и обобщил его. Автор безусловно углубляет наше представление об электрических схемах.

             Работа состоит из введения, основной части, заключения. Содержит источники информации и электронное приложение. Работа изложена грамотно и логически правильно, соблюдены логическая структура работы и требования к оформлению конкурсной работы. Автор, безусловно, имеет право принять участие в работе районной и республиканской научно-практических конференциях школьников.

Рецензент:

 учитель физики МОУ «Приволжская ООШ»

 Мариинско – Посадского района ЧР

 Алексеева Олимпиада Васильевна

17 февраля 2012 г.

Тезисы к исследовательской работе «Микросхемы…» учащегося  9 класса МБОУ «Приволжская ООШ» Мариинско-Посадского района ЧР Русина Романа

1.      Введение.

            Автором собраны две микросхемы: электродвигатель, блок питания с регулируемым напряжением. Это первые шаги автора в мир радиотехники и электротехники. В прошлом учебном году на районной конференции Роман продемонстрировал свои три работы: мигалку; полупроводниковый лазер; пищалку(звуковой сигнализатор). Сначала выбирается понравившаяся электрическая схема. Затем изготавливается печатная плата, что позволяет повысить ее надежность, а также упростить сборку. Несложно научиться делать печатные платы своими руками. Из фольгированного стеклотекстолита вырезается заготовка печатной платы. К заготовке закрепляется рисунок топологии. По рисунку с помощью  шила намечаются отверстия для выводов радиоэлементов и крепления платы. Сверлить отверстия, сняв бумагу. Плату травят раствором хлорного железа, который можно изготовить в домашних условиях. Детали устанавливаются так, чтобы они не касались друг друга.

2.      Основная часть.

            Для создания двухсторонних и многослойных печатных плат используется простая программа Sprint-Layout 5.0. В сборке деталей использованы микросхемы серии К176 ЛА7, пайку этих микросхем рекомендуется начинать с выводов питания, предварительно включив временно между проводами питания на плате резистор сопротивлением. Одним из наиболее широко применяемых радиолюбителями в своих конструкциях является логический элемент 2 И-НЕ, с помощью которых можно реализовать любую логическую операцию. Также использована интегральная схема  вида NE 555. Блок питания с регулируемым напряжением применяется в качестве источника при проверке и налаживании различных конструкций. На микроэлектродвигателе демонстрируется принцип действия электродвигателей.

Заключение.           

            Схемы, рассмотренные в данной исследовательской  работе, служат для практических целей. С ними можно заняться самостоятельным экспериментированием, заменяя различные компоненты. А также можно демонстрировать их на уроках физики.

Текст выступления Русина Романа.

Меня зовут Русин Роман. Я представляю Приволжскую ООШ, учусь в 9 классе. В свободное время я собираю микросхемы. Как и в прошлом году  я хочу вынести на ваш суд мои две новые работы: электродвигатель и блок питания с регулируемым напряжением. Эти две микросхемы я собрал самостоятельно в течение месяца. Часть деталей  куплена в магазинах, а часть – из кабинета физики. Научным руководителем является учитель физики Алексеева Олимпиада Васильевна. Исследовательскую работу я назвал «Микросхемы…».

         Целью работы является сборка электрических схем несложной конструкции, для этого решаются следующие задачи:

• изучить теоретические основы изготовления печатных плат в домашних условиях;
• изучить теоретические основы работы электрических двигателей;
• собрать электрические схемы миниэлектродвигателя и блока питания с регулируемым напряжением из журнала «Радио»;
• найти их применение.

Объектом исследования являются электрические схемы, предметом исследования -сборка этих схем в домашних условиях. Применены следующие методы исследования: изучение теоретических основ для сборки электрических схем из литературы и интернет - ресурсов, обобщение изученного, демонстрация готовой продукции на уроках физики. Использованы журнал «Радио», №7 за 1999 год, интернет-сайты. Актуальность работы выражается в том, что каждый школьник должен разбираться в электрических схемах и уметь применять их на практике.  На сегодня в моей копилке пять  готовых продукций: полупроводниковый лазер; мигалка; звуковой сигнализатор (пищалка); миниэлектродвигатель, блок питания с регулируемым напряжением.

1. Блок питания с регулируемым напряжением.

Блок питания применяется в качестве источников при проверке и налаживании различных конструкций. Собрал их по описаниям в радиолюбительской литературе - в журнале «Радио» №7-1999 г. Он позволяет питать нагрузку током до 1 А. Кроме того, выходное напряжение в нем можно контролировать вольтметром PV1 со шкалой на 15 В. Понижающий трансформатор Т1 - самодельный. Для него понадобится Ш-образный магнитопровод сечением примерно 5 см². Обмотка I должна содержать 1380 витков провода ПЭВ-1 0,12, обмотка II -135 витков ПЭВ-1 0,55. Можно также использовать и готовый трансформатор, обеспечивающий на вторичной обмотке напряжение 15... 18В при токе нагрузки около 1,5А. Чтобы мощные транзисторы (П213А и КТ805А) не перегревались, их необходимо установить на имеющиеся в продаже ребристые теплоотводы или изготовить самим из пластины алюминия толщиной 2...3мм и размерами примерно 100х100мм. Сначала нужно изготовить печатную плату. Для этого из фольгированного стеклотекстолита вырезается заготовка печатной платы (ножовкой, резаком или ножницами по металлу). К заготовке закрепляется рисунок топологии (липкой лентой или пластырем). По рисунку с помощью  шила намечаются отверстия для выводов радиоэлементов и крепления платы. Затем плату помещаем в ванночку с раствором хлорного железа. Весь процесс травления займет около часа, но если мы хотим его ускорить, то раствор должен быть слегка теплым и при травлении иногда его помешивают (время зависит и от концентрации раствора хлорного железа в воде). После окончания травления заготовку промываем под струёй воды и отверткой соскабливаем лак с платы (его можно также растворить, например ацетоном, но это дольше и создает больше грязи). Для удобства монтажа, проводники платы необходимо облудить припоем ПОС-61 с использованием жидкого спирто-канифольного флюса (для лучшей пайки плату можно слегка зачистить мелкой шкуркой. Флюс легко можно сделать самостоятельно, растворив кусок канифоли в спирте в пропорции примерно 1:10. При пайке элементов, чтобы их не перегревать, паяльником с припоем на жале касаются выводов не более чем в течение 3 секунд. Сами элементы при этом удобно придерживать пинцетом. Для лучшей пайки выводы деталей полезно до установки на плату предварительно облудить. Некоторые детали (диоды, стабилитроны, электролитические конденсаторы и др.) имеют полярность, и ее необходимо соблюдать при монтаже. Для создания двухсторонних и многослойных печатных плат используется простая программа Sprint-Layout 5.0. В сборке деталей использованы микросхемы серии К176 ЛА7. Одним из наиболее широко применяемых радиолюбителями в своих конструкциях является логический элемент 2 И-НЕ, с помощью которых можно реализовать любую логическую операцию. Также использована интегральная схема вида NE 555. 

2.      Миниэлектродвигатель - это устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую. В основе этого преобразования лежит магнетизм. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты,     кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства. Электродвигатели используются повсюду. На этом  приборе можно продемонстрировать принцип действия электродвигателя и показать на уроках физики.

    Выводы: Схемы, рассмотренные в моей работе, служат для практических целей. С ними можно заняться самостоятельным экспериментированием, заменяя различные компоненты. В конце работы приводится список литературы и источников. Спасибо за внимание.

«EXCELSIOR – 2012»

Cекция ФИЗИКА Астрономия

МИКРОСХЕМЫ…

Русин Роман Александрович, МБОУ «Приволжская ООШ» Мариинско-Посадского района ЧР, 9 класс

Научный руководитель:

Алексеева Олимпиада Васильевна, учитель физики МБОУ «Приволжская ООШ» Мариинско – Посадского района Чувашской Республики

Введение.

            Для исследовательской работы автором выбрана тема «Микросхемы…». Целью работы является сборка электрических схем несложной конструкции, для этого решаются следующие задачи:

• изучить теоретические основы изготовления печатных плат в домашних условиях;
• изучить теоретические основы работы электрических двигателей, блока питания с регулируемым напряжением;
• собрать электрические схемы электродвигателя, блока питания с регулируемым напряжением  из журнала «Радио»;
• найти их применение.

Объектом исследования являются электрические схемы, предметом исследования -сборка этих схем в домашних условиях. Применены следующие методы исследования: изучение теоретических основ для сборки электрических схем из литературы и интернет - ресурсов, обобщение изученного, демонстрация готовой продукции на уроках физики. Использованы журнал «Радио» №7 за 1999 год, интернет-сайты , http://www.chipinfo.ru/literature/radio/,

http://radiofan2006.narod.ru/radio1.htm, http://library.espec.ws/books/polschem/CHAPTER1/1.htm,

coolelectrics.ru, http://lib.qrz.ru/node/28821

            Актуальность работы выражается в том, что каждый школьник должен разбираться в электрических схемах. Чтобы овладеть всеми вопросами теории и практики применения электроприборов, надо уже в школьные годы их изучать, строить и применять на практике. Я люблю в свободное время собирать микросхемы. Детали покупает отец в магазинах. Часть деталей взята из кабинета физики. На сегодня в моей копилке имеются следующие  готовые продукции: полупроводниковый лазер, мигалка, звуковой сигнализатор (пищалка), (о них я рассказал в прошлом году на конференции); блок питания с регулируемым напряжением и электродвигатель.

            Сегодня я хочу продемонстрировать вам последние две мои работы, которые  я собрал в течение месяца. Я каждый раз, перед тем, как начать собирать ту или иную схему,  сначала выбираю понравившуюся мне электрическую схему. Всё собирается на печатных платах, что позволяет повысить ее надежность, а также упростить сборку. Несложно научиться делать печатные платы своими руками, тем более что особых секретов в технологии нет. Итак, выбрана нужная схема и приобретены необходимые детали. Теперь можно приступать к разводке топологии печатных проводников, учитывая реальные габариты деталей. Удобнее это делать на миллиметровой бумаге, но можно взять и обычный лист в клеточку. Рисуем контуры платы, габариты которой будут определяться с учетом размещения ее в каком-то готовом корпусе, что наиболее удобно, так как изготовление самодельного потребует много времени и не каждый сможет его сделать аккуратно и красиво. Разводку топологии платы выполняют карандашом, отмечая места отверстий для выводов радиоэлементов и пунктиром контуры самих элементов. Линии соединения элементов выполняются в соответствии с электрической схемой по кратчайшему пути при минимальной длине соединительных проводников. Входные и выходные цепи схемы должны быть разнесены друг относительно друга по возможности дальше, что исключит наводки и самовозбуждение схем усилителей. Наилучшее размещение элементов с первой попытки, как правило, не получается, и приходится пользоваться ластиком при изменении компоновки деталей. После размещения всех элементов необходимо еще раз проверить соответствие топологии платы электрической схеме и устранить все выявленные ошибки. Теперь можно приступать к изготовлению платы. Для этого из фольгированного стеклотекстолита вырезается заготовка печатной платы (ножовкой, резаком или ножницами по металлу). К заготовке закрепляется рисунок топологии (липкой лентой или пластырем). По рисунку с помощью  шила намечаются отверстия для выводов радиоэлементов и крепления платы. Сверлим отверстия, сняв бумагу, сверлом диаметром 0,9...1,5 мм для радиоэлементов и 3...3,5 мм — для крепления платы. После сверления мелкой наждачной шкуркой (нулевкой) слегка зачищаем фольгу, чтобы снять заусенцы и окисную пленку, — это ускоряет процесс травления. Перед нанесением рисунка топологии плату нужно обезжирить техническим спиртом или ацетоном (протерев поверхность смоченной тряпкой), подойдут и многие другие растворители. Для выполнения рисунка проводников используется любой быстро сохнущий лак, например женский лак для ногтей или мебельный (его можно подкрасить пастой от шариковой авторучки, чтобы было хорошо видно на плате). Очень удобно рисовать печатные соединения тонким водостойким маркером (не каждый тип подойдет). Для нанесения рисунка можно воспользоваться двумя методами: берется рейсфедер или перо (или маркер) и рисуются проводники от отверстия к отверстию (рис. а) в соответствии с рисунком топологии; во втором методе покрывается лаком вся поверхность платы и при его подсыхании очищаются лишние участки лака при помощи скальпеля и линейки, оставляя закрашенными только токопроводящие дорожки (рис. б). Первый метод более быстрый, и чаще используется именно он, а второй иногда необходим для изготовления различных высокочастотных схем и схем с очень высокой плотностью монтажа. После нанесения рисунка, когда лак подсохнет, топологию проводников можно подретушировать и скорректировать, аккуратно соскоблив скальпелем лишние участки лака.

Затем плату помещаем в ванночку с раствором хлорного железа. Если плата двухсторонняя, чтобы заготовка не легла рисунком проводников на дно, необходимо в крепежные отверстия вставить диэлектрические клинья или любым другим способом обеспечить зазор. Весь процесс травления займет около часа, но если мы хотим его ускорить, то раствор должен быть слегка теплым и при травлении иногда его помешивают (время зависит и от концентрации раствора хлорного железа в воде). После окончания травления заготовку промываем под струёй воды и отверткой соскабливаем лак с платы (его можно также растворить, например ацетоном, но это дольше и создает больше грязи). Для удобства монтажа, проводники платы необходимо облудить припоем ПОС-61 с использованием жидкого спирто-канифольного флюса (для лучшей пайки плату можно слегка зачистить мелкой шкуркой). Прикосновения паяльника должны быть легкими и недолгими, иначе медная фольга дорожек начнет отслаиваться. Остатки канифоли после облуживания удаляют с платы ацетоном или спиртом. На этом процесс изготовления печатной платы считается законченным и можно приступать к монтажу элементов на ней. Существует способ изготовления печатной платы без использования химических реактивов. При этом зазоры между контактными дорожками выполняются резаком при помощи металлической линейки, но этот метод требует больше сил и определенных навыков, так как резак может соскочить и порезать нужные участки фольги. Поэтому этим методом обычно пользуются очень редко, когда топология очень простая, а хлорного железа нет под руками. Хлорное железо нетрудно изготовить самостоятельно. Для этого берется соляная кислота с концентрацией около 9% (ее можно приобрести в хозяйственных магазинах) и железные опилки (или тонкие листовые кусочки). Опилки заливаем кислотой и оставляем в открытой емкости на несколько дней. Если кислота имеет низкую концентрацию, то ее берется 25 частей на 1 часть объема опилок для получения водного раствора хлорного железа сразу нужной плотности. По окончании реакции получается светло-зеленый раствор, который, постояв еще несколько дней, становится желто-бурым. Сборку печатной платы начинают с установки элементов, требующих механического крепления. При этом приходится иногда расширять отверстия и пазы, а делать это с уже установленными деталями неудобно. Все устанавливаемые детали не должны иметь на корпусе царапин, трещин, вмятин или каких-то других механических повреждений. Детали устанавливаются так, чтобы они не касались друг друга. Паяльник лучше использовать с заземляемым жалом, а температура жала должна быть около 270°С. Если она значительно выше, то припой на жале быстро выгорает и приобретает серый цвет, а при нормальной температуре расплавленный припой не теряет зеркального блеска, который остается и после его остывания. Такая пайка обеспечивает качественное электрическое соединение. Для ускорения пайки используют жидкий спирто-канифольный флюс—он разрушает окисную пленку на поверхности выводов деталей. Флюс легко можно сделать самостоятельно, растворив кусок канифоли в спирте в пропорции примерно 1:10. При пайке элементов, чтобы их не перегревать, паяльником с припоем на жале касаются выводов не более чем в течение 3 секунд. Сами элементы при этом удобно придерживать пинцетом. Для лучшей пайки выводы деталей полезно до установки на плату предварительно облудить. При установке элементов их выводы загибаются так, чтобы была видна маркировка. Это пригодится, когда будете настраивать устройство и разбираться в ошибках монтажа. Некоторые детали (диоды, стабилитроны, электролитические конденсаторы и др.) имеют полярность, и ее необходимо соблюдать при монтаже. После окончания пайки выступающие выводы деталей укорачиваем и растворителем смываем остатки канифоли, что позволит проконтролировать качество монтажа: на плате не должно остаться капель припоя и междорожечных замыканий. [http://radiofan2006.narod.ru/radio1.htm].

Основная часть.

            Для создания двухсторонних и многослойных печатных плат используется простая программа Sprint-Layout 5.0. Программное обеспечение включает в себя многие элементы, необходимые в процессе разработки полного проекта. В нее включены такие профессиональные возможности, как экспорт Gerber- файлов или HPGL-файлов, в то время как основа программы Sprint-Laout была сохранена. Sprint-Layout позволяет наносить на плату контакты, SMD-контакты, проводники, полигоны, текст и так далее. Контактные площадки могут быть выбраны из широкого набора.
Существует два слоя - меди и компонентов - для каждой стороны платы. Дополнительно можно использовать слой формы платы, а также 2 внутренних слоя для многослойных плат. Дополнительные особенности - маска по олову, SMD-маска, металлизация, контроль и т.д. Интегрированный автотрассировщик может быстро проложить проводники. Фотовид позволяет увидеть плату в почти реальном виде. Это помогает найти ошибки в создании платы. Библиотека имеет возможность добавления компонентов. Программа предоставляет возможность выбора вариантов изменения печати. [http://radiofan2006.narod.ru/radio1.htm].

         Для изготовления блока питания с регулируемым напряжением я собрал плату по вышеназванной технологии. Блок питания применяется в качестве источников при проверке и налаживании различных конструкций. Собрал их по описаниям в радиолюбительской литературе - в журнале «Радио» №7-1999 г. Он позволяет питать нагрузку током до 1 А. Кроме того, выходное напряжение в нем можно контролировать вольтметром PV1 со шкалой на 15 В. Понижающий трансформатор Т1 - самодельный. Для него понадобится Ш-образный магнитопровод сечением примерно 5 см². Обмотка I должна содержать 1380 витков провода ПЭВ-1 0,12, обмотка II -135 витков ПЭВ-1 0,55. Можно также использовать и готовый трансформатор, обеспечивающий на вторичной обмотке напряжение 15... 18В при токе нагрузки около 1,5А. Чтобы мощные транзисторы (П213А и КТ805А) не перегревались, их необходимо установить на имеющиеся в продаже ребристые теплоотводы или изготовить самим из пластины алюминия толщиной 2...3мм и размерами примерно 100х100мм.           

Миниэлектродвигатель - это устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую. В основе этого преобразования лежит магнетизм. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства. Электродвигатели используются повсюду. На этом  приборе можно продемонстрировать принцип действия электродвигателя и показать на уроках физики.

Заключение.

            Я делаю пока только первые шаги в мир радио- и электротехники. Схемы, рассмотренные в моей работе, служат для практических целей. С ними можно заняться самостоятельным экспериментированием, заменяя различные компоненты.. С моей работой ознакомлены мои одноклассники на уроке физики

Литература. Источники.

http://www.chipinfo.ru/literature/radio/,

http://radiofan2006.narod.ru/radio1.htm,

 http://library.espec.ws/books/polschem/CHAPTER1/1.htm,

coolelectrics.ru,

http://lib.qrz.ru/node/28821

журнал «Радио», №7, 1999 г.