Электронные качели игрушка своими руками
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.
Столичный центр образовательных технологий г. Москва
Получите квалификацию учитель математики за 2 месяца
от 3 170 руб. 1900 руб.
Количество часов 300 ч. / 600 ч.
Успеть записаться со скидкой
Форма обучения дистанционная
МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ГОРОД ОКРУЖНОГО ЗНАЧЕНИЯ НИЖНЕВАРТОВСК
ПРОЕКТНАЯ РАБОТА
«Электромагнитные качели»
Автор: Ермолин Даниил,
ученика 4 «Б» класса
Руководитель: Громовая Светлана Ивановна
В прошлом году я принимал участие в фестивале исследовательских наук, меня очень увлекло изучение электричества, поэтому я продолжил изучение по данной теме. Оказывается, существует электромагнитное поле. Благодаря нему можно двигать предметы. И я задумался, а можно ли своими руками создать какую-либо игрушку с помощью этого поля, да такую игрушку, чтобы она двигалась как можно дольше! Мои качели во дворе меня натолкнули на мысль: Создать вечно движущие качели для своих игрушек. И только я бы мог управлять такими качелями.
Мною был продуман план работы по изготовлению электромагнитной качели. Я изучил литературу, научился читать схемы. Сам спаивал детали паяльником. И качели получились славными. Благодаря проделанной работе я узнал для себя, что такое электромагнитное поле и как его создать с пользой для себя.
1. Проверить, правда ли можно сделать электромагнит с помощью катушки и электричества?
2. Изготовить электронные качели.
3. Рассказать одноклассникам о работе.
1. Познакомиться с литературой об электромагнитном поле.
1. Поиск информации с помощью достоверных источников по данной теме.
2. Проведение опытов для создания условий движения качели.
3. Анализ результатов проделанной работы.
Объект исследования : качели
Предмет исследования : электричество, электромагнитное поле
Гипотеза : что если качели можно не раскачивать, они раскачиваться будут с помощью электромагнита – возможно ли это?
Практическая значимость работы :
Зайка на качелях - может быть игрушкой, сувениром или украшением стола.
II Основная часть.
1.1 Теоретическая часть.
Прежде чем представить изготовленные мною электромагнитные качели разберемся в понятиях «электрическое поле», «магнитное поле» и «электромагнитное поле».
Электрическое поле создается любым наэлектризованным телом. Если тело имеет заряд, то вокруг него существует электрическое поле. Поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Взаимодействие заряженных тел происходит через электрическое поле. Если же заряды приходят в упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток, то создается магнитное поле. Увидеть поля невозможно, их можно только обнаружить по их действию. Магнитное поле действует на магнитную стрелку, а электрическое поле на заряд. Вокруг постоянных магнитов тоже существует магнитное поле.
Если электрическое поле меняется во времени, то оно порождает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле. В совокупности эти меняющиеся во времени поля и представляют собой электромагнитное поле.
До начала XIX в. электричество и магнетизм считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.
В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.
Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем.
В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции — возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.
В моей работе важным является то, что с помощью движущегося магнита можно в замкнутом проводнике получить электрический ток, или магнит может покоится, а проводник будет двигаться. Не нужно источника тока для того, чтобы появился электрический ток.
В работе я также использую такие приборы как, транзистор и диод. Принципа действия этих приборов пока я не знаю, но могу пояснить, для чего они предназначены.
Транзистор это устройство которое служит для регулирования электрического сигнала, а диод это устройство которое пропускает ток только в одном направлении. Ток одного направления называется постоянным током, а ток, который меняет свое направление называется переменным.
1.2 Практическая часть.
Для изготовления качели мне необходимо было составить
ПЛАН РАБОТЫ:
- Прочитать схему электронного соединения.
- Изучить правила техники безопасности с химическими веществами.
- Изучить правила ТБ в работе с паяльником.
- Создать плату.
- Подобрать транзистор, диод, катушку.
- Провести опыты.
- Собрать качели.
- Подобрать игрушку для увеличения амплитуды качения.
- В случае успеха продемонстрировать работу одноклассникам.
Этап 1 - Прочитать схему электрического соединения.
Электромагнитная
Выключатель
Источник питания
Прочитать схему – это значит изучить электрические детали, способ их соединений и последовательность.
Этап 2 - Изучить правила техники безопасности с химическими веществами.
Для создания качели мне предстояло поработать с хлорным железом при вытравливании платы. Поэтому я предварительно нашел с помощью Internet правила ТБ и изучил их:
1. При попадании хлорного железа на кожу могут появиться ожоги, поэтому при работе с этим продуктом необходимо использовать индивидуальные средства защиты. В частности, рекомендуется использовать защитные очки, резиновые перчатки и респираторы.
2. Если в процессе работы с хлорным железом оно попало на руки, их нужно сразу вымыть водой с мылом.
3. При попадании в глаза их также необходимо сразу же обильно промыть водой.
4. В помещениях, где хранится железо хлорное, должна быть вентиляционная система. (работать при открытой форточке). После проведения работ с хлорным железом помещение необходимо проветрить.
5. Хлорное железо - пожаробезопасная и взрывобезопасная продукция, поэтому ее нужно хранить в плотно закрытой таре, предохраняя от попадания прямых солнечных лучей.
Вывод: Прочитав технику безопасности, я понял, что работу лучше проводить под контролем родителей.
Этап 3 - Изучить правила ТБ в работе с паяльником.
С помощью Internet правила ТБ с паяльником были мною изучены и папе я рассказал чего надо остерегаться в работе:
- Следить за тем, чтобы нагретая часть паяльника не прикасалась в ходе пайки к электрическому проводу. Жало обладает очень высокой температурой. (чтобы не было замыкания).
- Перед началом работы проверить целостность проводки и штепсельной вилки. Повреждения могут привести к тому, что ток замкнет непосредственно на вас.
- При работе с горячим паяльником необходимо использовать подставку из деревянного бруска и металлических держателей.
- Как канифоль, так и сам припой при плавлении выделяют большое количество вредных веществ. Работать в респираторе никто не принуждает, но проветривать помещение после каждой пайки просто жизненно необходимо. Через каждые 30 минут делать небольшие перерывы со сквозным проветриванием помещения и не забывать при этом отключать паяльник.
- Держать паяльник только за ручку.
Вывод: паять вместе с папой.
Этап 4 - Создать плату.
Есть много способов сделать плату. Я выбрал лазерно-утюжный способ.
Берём фотобумагу и вставляем её в принтер, печатаем схему, но для этого нужна компьютерная программа Sprint - Layout .
С помощью программы я набрал будущее расположение деталей и их соединений, а так же свои данные, чтобы подтвердить авторство работы. С программой мне помогал работать мой папа.
Далее схему выкладываем на стеклотексталит и греем утюгом. При этом краска с бумаги переносится на нашу будущую плату. Затем аккуратно удаляем бумагу.
Теперь нам понадобится хлорное железо, это оранжевые кристалы, им мы и будем вытравливать плату.
Работать нужно в перчатках и в хорошо проветриваемом месте.
Помещаем плату в раствор хлорного железа. Надо немного подождать. Раствор разъест всю неокрашенную медь.
Надо немного подождать. Берём спирт и смываем тонер ( чем красил дорожки платы).
И наконец лудим (покрываем) дорожки оловом при помощи паяльника. Вот что должно получиться:
Этап 5 - Подобрать транзистор, диод, катушку.
Мною были выбраны для работы:
- Транзистор VT 1- МП 42, аналог. МП 41.2.
- Диод VD 1-Д9А.
Этап 6 – Провести опыты
1 опыт: «слишком мало топлива»
Я взял батарейку от телефона- 3.7 вольт и подключил её к качелям, но
они не работают, потому что напряжение было маленькое и силы электромагнита недостаточно, чтобы раскачать качели.
Вывод: напряжение питания должно быть 9 вольт!
2 опыт: «перевёрнутый магнит»
Вдруг мне в голову пришла мысль, что если магнит развернуть на 90 градусов, но
качели не работали, потому что они могут качаться только в одном направлении.
Вывод: магнит должен располагаться вдоль направления движения качели.
3 опыт: «увеличиваем дистанцию»
Я подвесил магнит на нити и начал удалять от катушки, и чем дальше я удалял, тем слабее раскачивался магнит.
Вывод: расстояние между магнитом и катушкой должно быть минимальным.
Этап 7 - Собрать качели.
На сборку качели ушло немного времени.
Каркас я выполнил из медной проволоки, потому что она не намагничивается.
Этап 8 - Подобрать игрушку для увеличения амплитуды качения.
Я испробовал мелкие игрушки и мягкие и пластилиновую, сделанную своими руками, но лучше всего подошла игрушка от Киндер – Сюрприза, именно она способствовала увеличению амплитуде качения.
Я сделал вывод, что это зависит от веса игрушки и её расположения.
Этап 9 - В случае успеха продемонстрировать работу одноклассникам.
Мои качели двигались, и я смог ими управлять. Когда я продемонстрировал свою работу одноклассникам, они все были удивлены. Их удивило, что я своими руками сумел изготовить игрушку с помощь электромагнита. Многие одноклассники даже не знали об этих понятиях.
Но одноклассники дали мне совет: придать игрушке более красивый вид.
III Заключение.
Благодаря проделанной работе:
- С помощью литературы я понял – как создать электромагнит и доказал это на практике.
- Научился работать с паяльником, вытравливать плату, как взрослый.
- Поработал с новой компьютерной программой и понял, что компьютер хороший помощник в развитии, если его использовать не только для игр.
- Из проведенных опытов я понял, что если подать меньшее напряжение, то качели работать не будут. Что магнит должен располагаться правильно относительно сердечника катушки.
- Гипотеза о возможности сделать электромагнит подтвердилась.
- Я в очередной раз удивил своим исследованием одноклассников.
Данная работа так меня увлекла и теперь я планирую создать новое исследование электроники. Меня интересует следующий вопрос: Можно ли укротить молнию?
Рассказ пойдет, конечно не о настоящих качелях, а о модели-игрушке. Как и настоящие качели, наша игрушка действующая, в Движение ее приводит… электрический ток. А раскачиваться на них будет, скажем, фигурка медвежонка.
Обратите внимание на принципиальную схему качелей, приведенную на рисунке 1. На транзисторе Т1 собран электронный ключ, через который подается питание на обмотку катушки L2 электромагнита. Управляющий сигнал на ключ поступает с обмотки катушки L1, размещенной на том же каркасе, что и L2.
При замыкании выключателя SA1 на транзистор будет подано напряжение питания. Транзистор окажется закрытым, поскольку его база соединена с эмиттером через катушку индуктивности L1 и напряжение смещения на базу отсутствует. В эмиттерной цепи транзистора будет протекать сравнительно небольшой обратный ток коллектора.
Но стоит приблизить к сердечнику электромагнита постоянный магнит (скажем, северным полюсом), как в обмотке катушки L1 начнет наводиться электродвижущая сила (ЭДС). На базе Транзистора появится отрицательное напряжение смещения, которое будет увеличиваться с приближением магнита. Транзистор откроется, и через катушку L2 потечет ток. Вокруг сердечника электромагнита образуется магнитное поле, которое начнет притягивать постоянный магнит. Наибольшее напряжение смещения будет тогда, когда постоянный магнит окажется над сердечником электромагнита. При дальнейшем же его продвижении над сердечником окажется другой полюс магнита, и ЭДС изменит свое направление. На базе транзистора появится положительное напряжение, а транзистор закроется. Ток через обмотку электромагнита прекратится.
Итак, при определенном положении постоянного магнита относительно сердечника электромагнита появляется сила, подталкивающая магнит. Она и будет раскачивать игрушечные качели.
Диод VD1, шунтирующий обмотку катушки Ц2, предупреждает возникновение в ней колебаний с частотой, определяемой индуктивностью электромагнита, ёмкостью монтажа и транзистора. Дело в том, что при открывании транзистора возникает колебательный процесс, который из-за сильной связи между базовой и эмиттерной цепями может быть незатухающим. Управляющее действие постоянного магнита может прекратиться, и качели остановятся. Диод же, срезая положительную полуволну уже первого колебания, препятствует возникновению этого явления.
Транзистор может быть любой из серий МП39— МП42, диод — любой из серий Д9, Д226. Источник питания на напряжение 4, 5 В или на напряжение 9 В — в зависимости от силы используемого постоянного магнита. Совсем не обязательно ставить выключатель питания SA1, поскольку, когда постоянный магнит находится против сердечника электромагнита (качели остановлены), транзистор закрыт и устройство потребляет незначительный ток.
Катушки наматывают на каркасе (рис. 2, а), склеенном из плотного картона или выточенном из подходящего изоляционного материала. Обмотки наматывают одновременно (рис. 2, б), сложив вместе два провода ПЭЛ, ПЭВ или ПЭЛШО диаметром 0, 1… 0, 15 мм, до заполнения каркаса. Внутрь каркаса вставляют сердечник (рис. 2, в), выточенный из мягкой стали, и приклеивают его к каркасу. Чтобы улучшить магнитные свойства сердечника и предупредить его остаточную намагниченность, заготовку сердечника желательно отжечь (нагреть, например, в пламени горелки газовой плиты), а затем охладить при комнатной температуре.
Детали электронной схемы размещают внутри небольшого корпуса (рис. 3), а качели укрепляют на его верхней панели. Электромагнит крепят к панели 3 (рис. 4) так, чтобы сердечник 4 был вровень с поверхностью панели или немного выступал над ней. Для крепления качелей к этой же панели прикрепляют две стойки, а между ними устанавливают перекладину. В перекладину вбивают две проволочные скобки и пропускают через них отрезки толстых швейных ниток. Концы ниток привязывают к доске 2 качелей, на которую усаживают фигурку медвежонка.
Снизу к доске приклеивают небольшой постоянный магнит 1. Учтите: чем сильнее магнит, тем лучше работает электронный ключ. Магнит можно составить из двух магнитов от негодного микроэлектродвигателя — их склеивают так, чтобы северные полюса были в середине. Подойдет магнит от магнитной защелки (такие защелки используются в современной мебели) или от других устройств. Если имеющийся магнит велик, не пытайтесь расколоть его ударами молотка, иначе он размагнитится. Отделить часть магнита можно, либо сжимая его в тисках, либо отламывая без удара.
Магнит прикрепляют к доске так, чтобы при остановленных качелях он находился точно напротив сердечника электромагнита и на расстоянии 2… 3 мм от него (это расстояние регулируют с помощью нитяных подвесок доски).
Включив питание игрушки, качните доску с медвежонком. Если она вскоре остановился, вероятная причина — неправильное включение обмотки катушки 1. 1 электромагнита. Поменяйте местами ее выводы.
Работу электронного ключа можно проверить и так. Выключив питание, подключите параллельно выводам выключателя (иначе говоря, в цепь коллектора транзистора) миллиамперметр на 100 мА. При раскачивании доски или приближении постоянного магнита к сердечнику электромагнита стрелка миллиамперметра будет резко отклоняться. Если она отклоняется слабо, установите более сильный -постоянный магнит или увеличьте напряжение питания.
Эту игрушку можно переделать в качели-перекладину (рис. 5) с двумя фигурками животных или куклами. Понадобятся два постоянных магнита, вмонтированных в раскачивающуюся перекладину, и два электромагнита, расположенных в корпусе — основании качелей.
Пока электромагниты не питаются постоянным током, один из постоянных магнитов притягивается к сердечнику «своего» электромагнита. Когда же в обмотку электромагнита поступает ток, возникающее вокруг сердечника магнитное поле взаимодействует с полем постоянного магнита и отталкивает магнит от сердечника. Перекладина как бы получает толчок и переходит в другое состояние. Спустя некоторое время через обмотки электромагнитов вновь протекает ток, и перекладина возвращается в первоначальное положение. При определенной частоте следования импульсов тока через электромагниты фигурки будут качаться на качелях-перекладине.
Схема игрушки приведена на рисунке 6. На транзисторах VT1 и VT2 собран мультивибратор, вырабатывающий импульсы прямоугольной формы. Частота их следования зависит от номиналов деталей CI, R2 и С2, R3, R4. С помощью переменного резистора R3 частоту можно изменять примерно от 20 до 60 импульсов в минуту.
В одну из плеч мультивибратора включен усилитель тока на транзисторе VT3. С его коллекторной нагрузки (резистор R6) импульсы поступают на электронные реле, выполненные на транзисторах VT4 и VT5. Когда эти транзисторы открываются, через обмотки электромагнитов YA1 и YA2 протекает ток и вокруг сердечников электромагнитов образуется магнитное поле. Резисторы R7 и R8 служат для ограничения тока через эмиттерные переходы транзисторов, a R9 и R10—— для надежного закрывания транзисторов во время пауз между импульсами (когда транзистор VT3 открыт, но между его коллектором и эмиттером есть небольшое падение напряжения, характерное для так называемого режима насыщения данного транзистора).
Диоды, шунтирующие обмотки электромагнитов, выполняют такую же роль, что и в предыдущей конструкции: гасят электрические колебания, которые могут возникнуть из-за индуктивного характера нагрузки в коллекторной цепи транзисторов.
Вы, наверное, скажете, что можно было бы электромагниты включить параллельно и использовать только один управляющий транзистор Это верно, но тогда пришлось бы поставить более мощный и дорогостоящий транзистор. При нашем же решении используются два маломощных и дешевых транзистора.
Кроме указанных на схеме, можно применить другие транзисторы серий МП39— МП42, диоды — любые из серий Д226. Постоянные резисторы — МЛТ-0, 25 или МЛТ-0, 125, переменный — СП-1 или другой, мощностью не менее 0, 25 Вт, конденсаторы — К50-6. Эти детали, кроме переменного резистора, смонтируйте на плате (рис. 7). Монтаж наве£ной, но его нетрудно сделать и печатным, если есть односторонний фольгированный текстолит или стеклотекстолит.
Плату с деталями укрепите внутри корпуса-основания — его можно склеить из органического стекла или изготовить из фанеры. На узкой боковой стенке корпуса установите выключатель питания SA1 (например, тумблер) и переменный резистор. Внутри корпуса с помощью скобок укрепите источник питания — две последовательно соединенные батареи 3336.
Конструкция электромагнитов такая же, что и в предыдущей самоделке, но размеры иные. Так, каркас теперь должен быть высотой 38… 40 и диаметром 15… 16 мм. Внутренний диаметр каркаса 12…13 мм, диаметр щечек 28… 30 мм.
Внутрь каркаса должен быть вставлен сердечник диаметром 12… 13 и длиной 43… 45 мм из малоуглеродистой стали (можно использовать сердечники негодных электромагнитных реле типа РКН). На каркас наматывают обмотку электромагнита —2600… 2800 витков провода ПЭВ-1 или ПЭЛ диаметром 0, 24… 0, 26 мм. Сопротивление обмотки будет примерно 65 Ом.
Прежде чем устанавливать электромагниты, нужно изготовить из дерева или пластмассы стойки и перекладину качелей. На концах перекладины снизу следует выдолбить неглубокие канавки и укрепить в них постоянные магниты прямоугольного или квадратного сечения длиной по 25… 30 мм. Затем нужно вставить в перекладину ось, укрепить ее в стойках и прикрепить к концам перекладины сверху легкие (10… 15 г) и одинаковые по массе куклы или фигурки животных. Аккуратным перемещением фигурок по перекладине надо установить состояние равновесия. Кроме того, следует добиться легкого вращения перекладины вокруг оси.
Наметив места крепления стоек на крышке корпуса, ставят на крышке отметки против одноименных полюсов постоянных магнитов, обращенных к концам перекладины. В этих местах сверлят отверстия под сердечники электромагнитов и прикрепляют электромагниты к крышке снизу. Сверху крышку оклеивают декоративной бумагой или тонким изоляционным материалом, после чего укрепляют на крышке стойки с перекладиной.
Как правило, игрушка начинает действовать сразу же после подачи напряжения питания выключателем SA1. Если в каком-то положении перекладины она не отталкивается от корпуса, поменяйте полярность подключения выводов обмотки соответствующего электромагнита. Если и после этого перекладина не отталкивается, проверьте работу электронного реле, включив в цепь коллектора транзистора миллиамперметр на 150… 200 мА. Отсутствие скачков тока укажет либо на неисправность транзистора, либо на ошибку в монтаже.
Во время работы игрушки подберите переменным резистором нужную частоту качаний перекладины.
Каждому из нас знакомо украшение в китайских часах, которое выполнено в виде «вечной» вертушки или маятника. Построить подобное чудо совсем несложно и займет это не более получаса. Взглянем на схему ниже:
При подаче на схему напряжения питания выключателем SB1 транзистор VT1 окажется закрытым, поскольку его база через катушку L1 будет соединена с эмиттером. Смещения нет, транзистор закрыт, тока через L2 тоже нет. Привяжем постоянный магнит к шнурку и качнем наш импровизированный маятник в непосредственной близости от катушек L1, L2 (они намотаны на одном каркасе). При его приближении в катушке L1 начнет наводиться ЭДС, которая откроет транзистор. Чем ближе магнит, тем сильнее открывается транзистор и тем больше ток в катушке L2, которая своим магнитным полем наш магнит начинает притягивать.
В момент, когда маятник проходит как раз над катушками, эти значения максимальны, а как только маятник по инерции начнет удаляться, ЭДС сменит знак и транзистор закроется. Таким образом, притягивается маятник только в первой половине периода, во второй он идет по инерции. Прямо как настоящие качели, которые мы раскачиваем, взмахивая ногами в первый полупериод качания. Диод VD1 предотвращает генерацию, которая может возникнуть на резонансной частоте контура L1, L2.
Теперь поговорим о конструкции наших качелей. Катушки L1 и L2 наматываются одновременно проводом диаметром 0.08 — 0.1 мм на каркасе подходящих размеров. Например, на таком:
Наматываем чем больше, тем лучше, до заполнения. Чем больше витков, тем меньшего напряжения для работы потребует маятник. При соединении катушек нужно соблюдать фазировку – начало первой соединить с концом второй. В качестве сердечника подойдет обрезок любого железного болта или даже болт целиком, если он короткий. Перед использованием этот болт нужно обжечь – нагреть докрасна на газу и остудить на воздухе.
Транзистор лучше взять с максимально возможным коэффициентом передачи. Подойдет любой маломощный германиевый (у меня работал даже кремниевый) прямой (p-n-p) проводимости. Если проводимость у транзистора обратная (n-p-n), то тоже не беда – достаточно сменить полярность подключения источника питания и диода VD1.
Маятник или качели выполняйте на свой вкус. Важно только чтобы магнит, расположенный на основании маятника, проходил в нескольких миллиметрах от сердечника катушки. Сам магнит – любой, чем мощнее, тем лучше, но ничего особенного искать не придется. Отлично подойдет кусочек «черного», ферритового магнита от динамической головки или железного – от старого детского моторчика.
В качестве источника питания используется пальчиковый или любой другой гальванический элемент, которого хватит на многие месяцы работы конструкции, причем от выключателя SB1 можно смело отказаться, поскольку в спокойном положении нашего маятника транзистор закрыт и потребление тока схемой минимально. Если магнит совсем уж слабенький или качели для него тяжеловаты, то можно увеличить напряжение питания до 3 В, включив два элемента последовательно.
Еще бывают колыбели – маленькая люлька, которую удобно ставить рядом с собой, когда занимаешься чем-нибудь, а малыш бодрствует.
Еще есть кровати-манежи, китайские. Есть еще кровати-трансформеры, к ним с торца пристроен комод и пеленальный столик, и тоже есть варианты с маятником. И еще много чего экзотического есть.
Но я был настроен именно на традиционную кроватку, стандартных размеров, из березы или бука, с маятниковым механизмом качания. Ну и как «человек прогрессивный, передовых взглядов» я сразу же задумался о том, что не руками же эту кроватку качать. Наверняка, думал я, давно придуманы механизмы качания, надо просто пойти в магазин и купить.
Однако к моему удивлению обнаружилось, что никакого готового устройства в продаже нет. Зато есть советы. Например, привязать веревочку одним концом к ноге, а другим – к кровати, и, качая ногой, качать кровать. Можно при этом даже за компьютером сидеть. А можно веревочку привязать к столику CD-ROMа, и написать программку, которая будет открывать и закрывать столик с какой-нибудь периодичностью. А еще можно использовать привод дворников от старых «Жигулей». А чтобы не шумело, поместить его в соседней комнате, а веревочку из этой комнаты провести в детскую через систему отверстий, шкивов и блоков. Есть советы еще более радикальные – не качать совсем. Потому что, наверное, это вредно и вообще вот в Спарте, например, детей не качали, и всех все устраивало.
Кроме советов обнаружилось несколько патентов, однако никаких устройств по ним не производится. Был один вроде бы производитель, я бы даже купил, наверное, тогда их устройство. Но на тот момент это уже было невозможно – насколько я понял, производство, если оно и было, они свернули.
Так мне и пришла в голову мысль разработать собственное устройство для качания кроватки.
Я проанализировал все патенты и другие найденные в интернете материалы, которые могли бы мне помочь. Также пришлось разобрать детские китайские электрические качели, чтобы посмотреть, что там внутри.
- Бесшумность. Это значит – никаких моторчиков, шестеренок, редукторов быть не должно. Можно, конечно, городить звукоизоляцию, но лучше изначально обойтись без всего этого.
- Возможность дистанционного управления. А это, в свою очередь, означает способность устройства раскачать кроватку из состояния покоя.
- Простота установки на кроватку. И, как следствие, возможность установки если не на все, то хотя бы на большинство имеющихся в продаже кроваток.
Помните, одно время были популярны «настольные вечные двигатели»? Там в подставке расположена катушка, а в качающейся части – магнит. Достаточно качнуть «двигатель», и он будет качаться до тех пор, пока в нем батарейки не сядут.
Принцип работы устройства прост – магнит, пролетая над катушкой, наводит в ней ЭДС, которая меняет знак в тот момент, когда магнит начинает удаляться от катушки. Вот на этом же принципе я и решил создать свое устройство. Важный момент – в качестве датчика я решил использовать ту же самую приводную катушку (а не, например, другую катушку, оптопару или датчик Холла). Другими словами, микроконтроллер (а конструкция собрана, конечно, именно на нем) сначала «слушает» ЭДС в катушке, а потом в нужный момент времени подключает ту же самую катушку к источнику питания.
Проходя путь от идеи до готового устройства, мне пришлось решить множество вопросов. В качестве микроконтроллера подошел ATtiny24. Магнит был выбран неодимовый, в виде шайбы, диаметром 15 мм и толщиной 8 мм. Отдельная история с катушкой – ее параметры пришлось скрупулезно подбирать, используя как и некоторую теорию, так и несколько катушек-прототипов c разными размерами, диаметрами провода и количеством витков. Также варьировались геометрия и материалы сердечника. Конечно, мне хотелось сделать магнитную систему как можно более замкнутой, в идеале магнит должен двигаться с минимальными зазорами между полюсами сердечника. В этом случае достигался бы наибольший КПД устройства (а значит, и минимальное количество меди в обмотке). Однако в угоду простоты конструкции высоким КПД пришлось пожертвовать. Один из вариантов катушки (не окончательный) приведен на фотографии.
Для того, чтобы механизм качания мог сдвинуть кроватку с места, было предусмотрено некоторое смещение катушки относительно магнита в положении равновесия.
Дистанционное управление было выполнено с помощью готового китайского пульта с четырьмя кнопками (пуск, стоп, больше, меньше) и приемника к нему. Сейчас используется такой пульт:
В программе для микроконтроллера было предусмотрено шесть скоростей качания (меняется, по сути дела, длина подталкивающего импульса). Для шестой скорости алгоритм несколько сложнее – там используется серия коротких импульсов с проверкой полярности наводимой ЭДС в паузах между ними. Это позволяет достичь максимальной энергии качания.
На протяжении этих трех лет по мере возникновения новых идей программа совершенствуется. Например, был опробован (и сейчас используется) алгоритм динамического изменения длины импульсов в зависимости от периода качания кроватки. Также был создан алгоритм для плавного нарастания и плавного спада тока в приводной катушке, что определяет полную, абсолютную бесшумность устройства. Без этого усовершенствования устройство при работе все же издавало некоторый звук, похожий на тиканье часов. Есть еще идея создания ПИ-регулятора с обратной связью по амплитуде качания, но здесь пока не решена проблема определения этой самой амплитуды с помощью имеющегося «датчика».
В качестве корпуса устройства был выбран готовый корпус Gainta, через какое-то время он обзавелся красивой картинкой, выгравированной лазером.
Блок питания – готовый, 12 В, 2 А.
Еще несколько фотографий устройства:
Нестандартные крепежные детали вырезаны с помощью лазерной резки и окрашены порошковой краской.
Мы пользовались нашим устройством качания около года, жена осталась очень довольна. А потом дитя отказалось укачиваться в кроватке, и устройство оказалось неактуально для нас.
А потом оказалось, что такие устройства можно продавать. Но это уже другая история.
Если вам понравится эта статья, я могу рассказать:
— о том, как я получал патент на полезную модель, и как он оказался практически бесполезным в реально произошедшем случае нарушения моих патентных прав;
— о том, как я начал серийно выпускать и продавать устройства качания, но пока так и не разбогател;
— о том, как у устройства появился новый пульт управления с экраном от Nokia 1202, а также дополнительные функции.
Внешне эта игрушка напоминает настоящие качели, на которых вам, конечно, приходилось забавляться в парке отдыха или во дворе дома. Но если на настоящих качелях приходится раскачиваться самим, периодически "толкая" доску, прикрепленную канатами к перекладине, в игрушке эту работу выполняет. .. электрический ток.
Взгляните на принципиальную схему качелей, приведенную на рис. 1. На транзисторе VT1 собран электронный ключ, через который подается питание на обмотку катушки L2 электромагнита. Управляющий сигнал на ключ поступает с обмотки катушки L1, размещенной на том же каркасе, что и L2.
При замыкании выключателя SA1 на транзистор VT1 будет подаваться напряжение питания. Транзистор закроется, поскольку его база с эмиттером через катушку L1 и напряжение смещения на базе отсутствует. В эмиттерной цепи транзистора будет протекать сравнительно небольшой обратный ток коллектора.
Но стоит приблизить к сердечнику электромагнита постоянный магнит (скажем, северным полюсом), как в обмотке катушки L1 начнет наводиться электродвижущая сила (ЭДС). На базе транзистора появится отрицательное напряжение смещения, которое будет увеличиваться с приближением магнита. Транзистор откроется, и через катушку L2 потечет ток. Вокруг сердечника электромагнита образуется магнитное поле, которое начнет притягивать постоянный магнит. Наибольшее напряжение смещения будет тогда, когда постоянный магнит окажется над сердечником электромагнита. При дальнейшем же его продвижении над сердечником окажется другой полюс магнита и ЭДС изменит свое направление. На базе транзистора появится положительное напряжение, и транзистор закроется. Ток через обмотку электромагнита прекратится.
Итак, при определенном положении постоянного магнита относительно сердечника электромагнита появляется сила, подталкивающая магнит. Она и будет раскачивать игрушечные качели.
Диод VD1, шунтирующий обмотку катушки L2, предупреждает возникновение в ней колебаний с частотой, определяемой индуктивностью электромагнита, емкостью монтажа и транзистора. Дело в том, что при открывании транзистора возникает, колебательный процесс, который из-за сильной связи между базовой и эмиттерной цепями может быть незатухающим. Управляющее действие постоянного магнита может прекратиться, и качели остановятся. Диод же, срезая положительную полуволну уже первого колебания, препятствует возникновению этого явления.
Транзистор может быть любой из серий МП39-МП42, диод — любой из серий Д 9 , Д226. Источник питания на напряжение 4,5В или на напряжение 9 В — в зависимости от силы используемого постоянного магнита. Совсем необязательно ставить выключатель питания SA1, поскольку, когда постоянный магнит находится против сердечника электромагнита (качели остановлены), транзистор закрыт и устройство потребляет незначительный ток.
Катушки L1, L2 наматывают на каркасе (рис. 2, а), склеенном из плотного картона или выточенном из подходящего изоляционного материала. Обмотки наматывают одновременно (рис. 2, б), сложив вместе два провода ПЭЛ, ПЭВ или ПЭЛШО диаметром 0,1 . 0,15 мм, до заполнения каркаса. Внутрь каркаса вставляют сердечник (рис. 2, в), выточенный из мягкой стали, и приклеивают его к каркасу. Чтобы улучшить магнитные свойства сердечника и предупредить его остаточную намагниченность, заготовку сердечника желательно отжечь (нагреть, например, в пламени горелки газовой плиты), а затем охладить при комнатной температуре.
Детали электронной схемы размещают внутри небольшогокорпуса (рис. 3), а качели укрепляют на его верхнем основании. Электромагнит крепят к основанию корпуса 3 (рис. 4) так, чтобы сердечник 4 был вровень с поверхностью основания или немного выступал над ним. Для крепления качелей к этому же основанию прикрепляют две стойки, а между ними устанавливают перекладину. В перекладину вбивают две проволочные скобки и пропускают через них отрезки толстых швейных ниток. Концы ниток привязывают к доске 2 качелей, на которую усаживают фигурку мишки. Снизу к доске приклеивают небольшой постоянный магнит 7.
Учтите: чем сильнее магнит, тем лучше работает электронный ключ. Магнит можно составить из двух магнитов от негодного микроэлектродвигателя — их склеивают так, чтобы северные полюсы были в середине. Подойдет магнит от магнитной защелки (они используются в современной мебели) или от других устройств. Если имеющийся магнит велик, не пытайтесь расколоть его ударами молотка, иначе он размагнитится. Отделить часть магнита можно либо сжимая его в тисках, либо отламывая без удара.
Магнит прикрепляют к доске так, чтобы при остановленных качелях он находился точно напротив сердечника электромагнита и на расстоянии 2 . 3 мм от него (это расстояние регулируют с помощью нитяных подвесок доски).
Включив питание игрушки, качните доску с мишкой. Если она вскоре остановится, вероятная причина — неправильное включение обмотки катушки L1 электромагнита. Поменяйте местами ее выводы.
Работу электронного ключа можно проверить и так. Выключив питание, подключите параллельно выводам выключателя (иначе говоря, в цепь коллектора транзистора) миллиамперметр на 100 мА. При раскачивании доски или приближении постоянного магнита к сердечнику электромагнита стрелка миллиамперметра будет резко отклоняться. Если она отклоняется слабо, установите более сильный постоянный магнит или увеличьте напряжение питания.
Читайте также: