КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПОМЕХ В ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМАХ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ МЕАНДРА
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Гимназия №5» города Юбилейного Московской области
mega2301ivan@yandex.ru
Создание электронных схем происходит соединением необходимых блоков. Каждый блок электронного устройства имеет своё назначение. Одним из основных блоков во многих электронных устройствах является генератор меандра [1]. Важность этого сигнала доказывается, например использованием его во всех компьютерах, потому что в них есть задающий генератор. Во многих осциллографах имеется генератор меандра для наладки электронной аппаратуры. Меандр – это колебательный сигнал из прямоугольных импульсов со скважностью 2. Это означает, что прямоугольный сигнал продолжается такое же время, какое вслед за ним длится пауза. Частота меандра может быть различной, от нескольких гигагерц в задающих генераторах компьютеров до десятых и сотых долей герц в рекламных осветительных приборах.
Если требуется генератор меандра, то обычно никто не задумывается, берёт готовую схему на транзисторах или на микросхеме и устанавливает её в устройство. Потом выполняется наладка собранного устройства и выпускается отчёт о его изготовлении и работе. При этом обычно не задумываются о помехах, которые есть в генераторе меандра. Даже если генератор очень хороший, то после установки его в устройство всё равно получаются помехи из-за соединений различных устройств. Эти помехи могут быть большими, изменить работу созданного устройства. Чтобы устройство работало надёжно, его надо проверить на помехи, в том числе на помехи в задающем генераторе меандра. Такая проверка должна выполняться после сборки устройства, когда все блоки соединены и влияют друг на друга.
Целью работы было определение помех в генераторе меандра двух конкретных устройств. Одно устройство – это измеритель критической частоты слияния мерцаний для рефлексотерапии в виде отдельного блока на микросхеме. Второе устройство – это приставка к ноутбуку для этой же цели. Оба устройства изготовлены в школьном кружке, их начали испытывать в Московском авиационном институте. Однако никто не определил помехи, которые появляются в этих устройствах при генерации меандра.
Для количественного измерения помех в электронных устройствах сначала применяли аналоговые осциллографы типа С1-94, С1-77. Потом перешли на осциллограф С1-82 с лупой времени 1:10. Лупа времени очень удобна для изучения помех, потому что позволяет растянуть горизонтальную ось и более детально изучить осциллограмму. Недостатком этих осциллографов является фиксирование сигнала без запоминания. Для запоминания сигнала применили электронный осциллограф – приставку к компьютеру типа ВМ8020. Он подключается к USB-порту и превращает компьютер в двухканальный осциллограф с помощью специальной программы. Такая приставка позволяет изучать сигналы с частотой до 10 кГц, что вполне достаточно для исследования предложенных устройств.
Когда запоминающий осциллограф подключили непосредственно к выходу устройства, к мерцающему светодиоду, то сигнал оказался не совсем прямоугольным. Сразу же были выделены несколько типов помех меандра. Во-первых, фронт сигнала оказался наклонённым, а не вертикальным. Во-вторых, спад сигнала тоже был не вертикальным. В-третьих, в четырёх угловых точках меандра наблюдались колебательные процессы. Светодиод типа АЛ102БМ работает при напряжении питания 2,4В, а скачки напряжения при колебательных процессах достигали 2,8В. Это очень существенное превышение напряжения питания, которое уменьшает срок службы светодиода. На рисунке приведена записанная осциллограмма возмущённого сигнала без лупы времени и участок этой же осциллограммы с лупой времени.
Лупа времени позволила более детально рассмотреть участок колебания сигнала. Период колебаний равен 790 мкс; частота колебаний равна 1266 Гц. Амплитуда колебаний помехи равна 140мВ, 6% (в спаде); 400мВ, 17% (в пике). Это очень большое колебание для светодиода АЛ102БМ. Такое колебание напряжения быстро выведет светодиод из строя, его придётся заменить. Прибор с такой помехой не будет надёжным, на него будут жаловаться потребители. С помощью лупы времени на запоминающем осциллографе изучили величину наклона фронта и спада сигнала в меандре. Они не строго вертикальные. Фронт запаздывает на 360 мкс, а спад на 530 мкс. Суммарное запаздывание равно 890 мкс. Это означает, что максимальная частота мерцаний светодиода не превысит 1124 Гц. Реально это величина намного меньше, не более 500 Гц. Созданный прибор работает при меньшей частоте. Поэтому не чувствует такую помеху.
Выводы.
Количественное изучение помех идеальным сигналом в электронных схемах позволяет оценить надёжность аппаратуры и определить рабочий диапазон прибора. Без учёта помех некоторые радиодетали могут выйти из строя, а прибор может начать работать в нерасчётном режиме, например, светодиод перестанет мерцать.
Литература
1. Иванов начинающего радиолюбителя. Описания практических конструкций. М.: Патриот. 1992. 416 с.
2. Балибалов цифрового осциллографа – приставки к компьютеру для изучения помех в схемах. Материалы XXIV Международной конференции «Применение инновационных технологий в образовании». – Троицк, Московская область. 25-28 июня 2013 (сборник утверждён для печати).
3. Интернет-ресурс: Балибалов цифрового осциллографа – приставки к компьютеру для изучения помех в схемах. Материалы XXIV Международной конференции «Применение инновационных технологий в образовании». – Троицк, Московская область. http://tmo. ito. edu. ru/2013/section/211/96167/ (Дата обращения: 16.06.2013).
РАЗДВОЕНИЕ ТОКОВЕДУЩЕГО КАНАЛА В ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Гимназия №5» города Юбилейного Московской области, Центр дополнительного физико-математического образования Московского авиационного института (ЦДФМО МАИ)
*****@***ru
При наблюдении электрического разряда на школьной установке было замечено несколько дуг между электродами. Установка работает в импульсном режиме. Сразу же появился вопрос: что мы наблюдаем? Несколько разрядов один за другим, которые нам кажутся множеством дуг? Или это всё-таки одна дуга, которая потом может раздвоиться? И вообще, может ли дуговой канал раздвоиться?
Для ответа на эти вопросы дуга была сфотографирована много раз. Фотография на Рис.1 доказала, что дуга может раздвоиться. Рассуждали следующим образом. Не нужно определять выдержку фотоаппарата. Выдержка фотоаппарата – это продолжительность открытия объектива для съёмки одного кадра. Если бы выдержка была большой, больше времени следования разрядов, которое называется периодом, то никогда не получится фотография без дуги. В большой промежуток времени в кадр обязательно попадёт и дуга и пустое пространство, а на фотографии будет дуга. Отсутствие дуги на фотографии первого рисунка доказывает, что выдержка фотоаппарата маленькая, меньше периода разрядов. Маленькая выдержка позволяет получать фотографии как дуги, так и пустого пространства между электродами.
На Рис.2 показана фотография почти идеальной прямой дуги. Разряд происходит по самому короткому расстоянию между электродами. Это дуговой искровой разряд [1]. Но не всегда дуга прямая. Она искривляется то в одну, то в другую сторону. Искривление дуги происходило вниз, вверх, вперёд и назад. Дуга постоянно дрожала, как верёвка скакалки.
На Рис.3 видно искривление дугового разряда, с которого начинается раздвоение дуги. Направление искривления бывает любым.
Рис.4 доказывает, что искривление дуги – это начало её раздвоения. Верхняя часть дуги искривлена очень сильно, а разряд происходит по самому короткому расстоянию между электродами. Верхняя часть дуги светится, но появляется нижняя часть дуги, почти прямая. Маленькая тёмная полосочка между дугами доказывает, что это две дуги, а не одна. Эта фотография самая ценная, потому что показывает момент начала раздвоения дуги.
На Рис.5 показан момент расхождения дуговых каналов. Каналы отталкиваются друг от друга, потому что в них электрический ток течёт в одном направлении. Дуговой канал похож на провод, а провода с токами в одном направлении отталкиваются друг от друга [2].
Рис.6 показывает последний момент существования двух дуг. Две дуги светятся слабее, чем одна, потому что энергия передаётся по двум каналам.
После выполнения фотосъёмки дуговых разрядов появились вопросы для следующих исследований. Во-первых, как часто происходит раздвоение дуги? Для этого была выполнена видеосъёмка. Но для ответа на этот вопрос нужна быстрая видеосъёмка, пока нет возможности её сделать. Во-вторых, почему только на одном, на левом, электроде появилось голубое свечение? На другом электроде, на правом, такого света нет или он очень слабый. В-третьих, почему дуга искривляется? Разряд должен проходить по самому короткому расстоянию, но тогда не будет искривления канала.
Меня очень заинтересовала эта работа. Мне было интересно наблюдать за движением электрических дуг. Дуга холодная, чтобы убедиться в этом, мы подносили лист бумаги к дуге, бумага не горела, на ней образовались лишь дырочки, было слышно потрескивание, дуга бело-голубого цвета. Во время работы я с нетерпением ждала раздвоения канала. Я долго работала с фотоаппаратом, были и неудачные кадры. Мне было интересно разобраться в поведение этих святящихся «червячков». Теперь хочу научиться управлять их поведением, заставить их всегда раздваиваться или даже разделяться на много частей.
Рис.1. Время между разрядами.
Рис.2. На прямом канале раздвоения нет.
Рис.3. Раздвоение начинается с искривления канала.
Рис.4. Зарождение раздвоения канала.
Рис.5. Второй канал сначала спрямлён.
Рис.6. Каналы отталкиваются друг от друга.
Литература
1. Ландсберг учебник физики. Том 2. Электричество и магнетизм. Изд. 13-е. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. Стр.216-219.
2. , , Уздин . Кн.3. Строение и свойства вещества. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. Стр.263.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ ПИЛООБРАЗНЫХ СИГНАЛОВ
МОУ «Гимназия №5» города Юбилейного Московской области
Birykova1996@mail.ru
Цель работы – исследование свойств треугольных сигналов для их практического применения.
Новизна работы – замена аналоговых гармонических или прямоугольных цифровых сигналов треугольными с сохранением преимуществ каждого вида сигналов.
Актуальность исследования обусловлена практическим приближением гармонических или прямоугольных радиосигналов к частотному пределу в радиотехнике и в вычислительной технике.
Практическая значимость работы доказана созданным модулятором треугольных сигналов с новым принципом частотной модуляции на основе нештатной работы микросхемы.
Для ответа на вопрос, о причине возникновения пилообразного сигнала при нештатном питании, пришлось связаться с производителями микросхем [1]. Оказалось, что проще наладить связь с иностранными производителями, чем с российскими. Фирма Renesas Electronics Europe GmbH рекомендовала ссылку (www. renesas. eu) с топологией микросхемы 74LS04. В этой микросхеме каждый из шести инверторов содержит 6 биполярных транзисторов типа n-p-n. Каждый транзистор шунтирован диодом Шоттки между базой и коллектором. Диод Шоттки открывается раньше p-n перехода коллектор-база и предотвращает выход транзистора в насыщение. Предложено этот режим работы микросхемы исследовать дополнительно более детально и включить в паспорт микросхемы. Не требуется создавать новые генераторы пилообразного напряжения, достаточно применить старую микросхему. Не все возможности созданной техники использованы, есть большие резервы, которые практически не требуют дополнительных затрат для их реализации.
Другое направление – практическое применение нового режима работы микросхемы [2]. Для этого сначала потребовалось теоретически изучить свойства треугольных сигналов. Доказаны четыре важные теоремы, которые выражают свойства треугольных сигналов, как возмущённых по фронту запаздыванием 
, так и не возмущённых.
1. Энергия 
любого треугольного сигнала с амплитудой 
на одном периоде 
не зависит от запаздывания фронта и равна 
, где 
- сопротивление нагрузки.
2. Действующее значение 
напряжения любого треугольного сигнала при любом указанном типе возмущения-запаздывания фронта сигнала зависит только от амплитудного значения напряжения и равно 
.
3. Продолжительность 
детектирования любого треугольного сигнала приёмником на одном периоде зависит только от периода сигнала и равна 
.
4. Скважность 
любого треугольного сигнала постоянна 
.
Эти теоретические выводы сразу же нашли практическое применение в рефлексотерапии, где потребовалось создать прибор для измерения критической частоты слияния мерцаний – стробоскоп с очень жёстким требованием по устойчивости скважности. Даже меандр не всегда удовлетворял медиков из-за наклона фронтов [3]. Одновременно была продолжена работа по созданию логопедического визуального метронома на треугольных сигналах для отработки правильного дыхания у заикающихся детей. Он оказался очень удобен для восстановления дыхания спортсменов после больших нагрузок. Другое практическое направление – создание частотного модулятора треугольных сигналов. По устойчивости к помехам треугольные сигналы занимают промежуточное положение между телеграфной модуляцией (азбука Морзе) и амплитудной. Модулятор создан, испытан, его схема приведена на рисунке.
Для передачи информации с помощью модулированного сигнала несущая частота должна во много раз превосходить частоту передаваемого информационного (звукового) сигнала. Опыты с треугольными сигналами показали, что разность частот можно уменьшить. Например, сигнал звуковой частоты 400 Гц устойчиво выделялся на несущей частоте 2 кГц. Различие частот всего в 5 раз.
Таким образом, в работе теоретически и практически доказаны преимущества треугольных импульсов по сравнению с другими типами сигналов.
Литература
1. Бирюкова пилообразного напряжения при нештатном питании микросхем // Сборник Тезисов Первой Всероссийской Интернет-конференции «Грани науки 2012». – Электронный ресурс. – ISSN 2227-8389 (CD-ROM). – Казань: 2012. – С. 222-223.
2. Бирюкова информации частотной модуляцией пилообразной несущей частоты / Всероссийский межотраслевой молодёжный научно-технический форум «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики – 2012» // Конкурс научно-технических работ и проектов. Аннотации работ. – М.: Московский авиационный институт (НИУ). - ISBN 978-5-905176-15-9. - С.70-71.
3. , Бирюкова возможности микросхем при нештатном питании // Материалы Международной школы-семинара «Физика в системе высшего и среднего образования России» –М.: АПР, 2012.– ISBN 978-5-904761-31-8. - С.73-74.
ПРИСТАВКА К НОУТБУКУ – ИЗМЕРИТЕЛЬ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ СЛИЯНИЯ МЕРЦАНИЙ ДЛЯ РЕФЛЕКСОТЕРАПИИ
МОУ «Гимназия №5» города Юбилейного Московской области
*****@***ru
В рефлексотерапии в последние 10-20 лет всё более широко применяется метод измерения критической частоты слияния мерцаний (КЧСМ). Это такая частота, при которой стробоскопические мелькания перестают восприниматься зрением человека как чередующиеся вспышки, сливаются в единое свечение источника [1]. Для здоровых людей КЧСМ составляет приблизительно 40-60 Гц. Показатель КЧСМ очень устойчивый, он изменяется только при каких-то воздействиях на организм. В невралгии это свойство организма человека стали применять для оценки правильности назначенных процедур лечения. Любая процедура – это вмешательство в организм, которое может быть как безвредным, так и негативным. При отрицательном воздействии процедур КЧСМ изменяется, не принимает строго определённого значения. Следовательно, измеряя КЧСМ пациента, врач получает возможность контролировать правильность назначенных процедур лечения или реабилитации. Кратковременно отклонение КЧСМ от установившегося значения – это нормальное явление при любой процедуре, но длительные колебания – это причина для возможно отмены назначенного курса лечения, для перехода к другим процедурам, пусть даже менее эффективным.
Цель работы заключается в создании упрощённого измерителя КЧСМ как для практикующих врачей, так и для обычных людей, который может быть рекомендован для розничной продажи в аптечных магазинах [2]. Актуальность – многообразие современных методов лечения затрудняет выбор правильного метода или методики процедур, трудно предсказывать последствия этих процедур, не удаётся оперативно оценить состояние здоровья и самочувствия работников ответственных направлений (лётчиков, моряков и т. д.). Новизна работы – это использование широких возможностей компьютерной техники, в частности, ноутбуков, которые в настоящее время распространены очень широко, имеются практически в каждой семье. Практическая значимость работы – это возможность как врачам, так и обычным людям контролировать правильность назначенного курса лечения подобно тому как они измеряют температуру тела при подозрении на заболевание. Новое направление применения предлагаемого прибора – авиационная медицина, где состояние здоровья и самочувствия пилотов можно определять оперативно, практически непосредственно перед вылетом. Решаемая задача – отработка измерителей КЧСМ в условиях работы практикующих врачей в клиниках на первом этапе исследования с постепенным переходом к индивидуальным измерителям на следующих этапах. Для решения поставленной задачи сначала были проанализированы суть и методы измерения критической частоты слияния мерцаний. Для этого пришлось ознакомиться с основами нервной системы человека. Прежде всего потребовалось изучить медицинские основы зрения человека. Зрительный нерв очень короткий и толстый, непосредственно идёт от сетчатки глаза в гипоталамус. Это связано с наибольшей сенсорной нагрузкой на зрение, через которое человек получает более 70% информации. Именно поэтому зрение и связанные с ним рефлексы, в том числе КЧСМ, – это показатель здоровья человека.
Экономическая цель работы – занять свободное место на рынке, устранить конкурента путём снижения цены прибора, получить сначала повышенную прибыль, направить её на организацию производства и сбыта, затем обеспечить устойчивое производство с прибылью 30-50% в условиях насыщения рынка.
Техническая сторона задачи – это варианты схемы построения измерителя КЧСМ. Это может быть как автономный прибор, так и приставка к компьютеру, к ноутбуку. Автономный прибор не так желателен, как его рекламируют. Измерения КЧСМ имеют практическое значение на длительных промежутках времени, но тогда появляется задача обработки массивов данных, с чем автономный прибор не справляется или превращается в тот же компьютер.
Социальная сторона задачи – это востребованность, актуальность прибора.
Прибор для измерения КЧСМ был создан и испытан [2]. Но в процессе работы появилось новое направление совершенствования прибора. Это направление связано с большими возможностями компьютера. В компьютере есть все необходимые для измерителя КЧСМ процессоры, можно разработать соответствующую программу для их работы. Нужно только заставить светодиод мерцать с заданной частотой, регулировать эту частоту в пределах 30-70Гц и измерять её с точностью до 0,5Гц. Светодиод будет мерцать, если его подключить к звуковому выходу компьютера. Первый же эксперимент доказал правильность этого технического решения. Во втором эксперименте отказались от отдельного блока питания, воспользовались USB-разъёмом, в котором есть напряжение +5В, с избытком достаточное для работы светодиода. Электрическая схема приставки для измерения КЧСМ на звуковом выходе компьютера с питанием от USB-разъёма показана на рисунке.
Звуковой сигнал слабый для светодиода, поэтому пока применяется предварительный усилитель в виде отдельного блока. В последующем этот усилитель будет заменён транзистором. Программа на языке ПАСКАЛЬ, но тоже требует улучшения.
Литература
1. Боровская информационные приборы в логопедии и в медицине // Материалы XXIII Международной конференции «Применение информационных технологий в образовании». – Троицк, Московская область. – 27-28 июня 2012. – ISBN 978-5-89513-280-7. – С.347-348.
2. Боровская прибор для измерения критической частоты световых мерцаний / Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии НМТ-2012» // Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – М: МАТИ – Российский государственный технологический университет им. . – 20-22 ноября 2012. – ISBN 978-5-93271-675-5. – С.208-209.
ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА В СТЕРЖНЕ ОТ ЛАЗЕРНОГО ПЯТНА С ПАРАБОЛИЧЕСКИМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ
Московский государственный строительный университет (НИУ)
katryna.m_i_k@mail.ru
Задачей исследования было определение нестационарного температурного поля в строительной балке при возмущении нагревом одного из её концов. Такая ситуация часто встречается в практике при нештатной работе, например, систем обогрева зданий и сооружений. Одна часть балки может находиться в штатных, расчётных условиях, а другая часть будет подвержена неожиданному воздействию.
При решении этой задачи было введено теоретическое допущение о воздействии нагрева на правую половину стержня, который моделирует строительную балку. Распределение температуры предполагалось симметричным в правой половине стержня. Форма распределения графика температуры параболическая, что очень часто встречается в лазерных пятнах. Такая форма была выбрана по причине планируемого натурного эксперимента.
Для теоретического решения задачи о нестационарном температурном поле в стержне было записано параболическое уравнение в частных производных для одномерного случая [1]. Предполагались краевые условия первого типа, то есть фиксировалась температура на концах стержня. В простейшем случае эта температура обычно предполагается нулевой, что не уменьшает общности задачи. Начальные условия задаются тепловым воздействием в нулевой момент времени, о котором было упомянуто ранее.
Задача решалась традиционным методом Фурье [2]. Решение дифференциального уравнения в частных производных было записано в виде ряда Фурье, коэффициенты которого определены по формулам Эйлера. Полученный ряд Фурье не позволяет иллюстративно оценить динамику температурного поля в стержне. Для выполнения иллюстраций была применена программа MathCAD-14. Эта программа позволяет строить трёхмерные графики и исследовать их особенности. Для построения трёхмерного графика требуется ввести функцию двух переменных в программу. Пример такой функции представлен ниже. Этот результат получен при решении соответствующей задачи математической физики.
Температурное поле в стержне зависит от двух величин – от координаты и от времени, поэтому график необходим трёхмерный. Правильность решения задачи контролируется совпадением сечения графика в начальный момент времени с заданной формой начальных условий задачи Коши. Если в представленной формуле вместо символа t в показателе экспоненты набрать число 0, то получится распределение температуры в стержне в начальный момент времени. Это начальные условия, с которыми решение должно полностью согласовываться. При решении задачи совпадение оказалось полным.
После проверки правильности полученного решения был проведён анализ температурного поля стержня во времени. Правая часть стержня постепенно остывает из-за теплопроводности к левому концу, потому что его температура ниже и поддерживается постоянной.
Если рассмотреть сечение графика по времени, то получится экспоненциальная зависимость, что тоже хорошо согласуется с теорией теплопроводности.
Коэффициент температуропроводности стержня предполагался небольшим, всего 0,01, что соответствует строительным теплоизоляционным материалам. Характерная продолжительность теплообмена оценивается промежутками времени от 2 часов до суток. Именно за такое время температурное поле возвращается к исходному после нештатного воздействия на стержень.
Проведённые исследования показали, что для получения результата удовлетворительной точности достаточно записать от 1000 до 100000 членов ряда Фурье. Большее количество не желательно из-за резкого возрастания продолжительности вычислений.
Программа MathCAD накладывает аналогичные ограничения на сетку представления трёхмерных графиков. Мелкая сетка точно также может резко увеличить продолжительность расчётов.
На рисунке представлены результаты решения первой краевой задачи, когда температура стержня на концах поддерживается постоянной. В результате исследований были решены ещё три краевые задачи с таким же начальным распределением температуры, но с другими краевыми условиями. Были рассмотрены случаи теплоизоляции обоих концов стержня, теплоизоляции и термостатирования концов стержня в различных комбинациях. Различные краевые условия соответствуют различным конструктивным вариантам закрепления и теплоизоляции строительных балок.
Таким образом, применение аналитических методов в виде формализма ряда Фурье совместно с вычислительными средствами позволяет качественно, иногда и количественно, изучить особенности процесса перераспределения тепла в строительных конструкциях при нештатных воздействиях.
Литература
1. , Самарский математической физики. М.: НАУКА. 5-е изд. стереотипное. 1977. 742 с.
2. Очан задач по методам математической физики. М.: ВЫСШАЯ ШКОЛА. 1967. 196 с.
ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР НА МИКРОСХЕМЕ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Гимназия №5» города Юбилейного Московской области
*****@***ru
Цель работы заключается в изготовлении школьной лабораторной установки для демонстрационных опытов с ультразвуком.
В школьном кружке случайно была найдена книга [1]. В ней рассказано, как сделать простую установку для получения ультразвука. Надо изготовить магнитострикционный излучатель из ферритового стержня, соленоида и постоянного магнита. В кабинете физики есть школьный генератор сигналов низкой частоты ГЗШ. К нему можно подключать излучатель и проводить опыты с ультразвуком. Потом рекомендует сделать генератор на транзисторах МП42 и П210. Такую установку сделали. Она работает лучше, чем генератор ГЗШ. Во время работы сразу же появилось много вопросов. Во-первых, МП42 перегревался из-за неточности в схеме, которую исправили подбором резисторов. Во-вторых, П210 – это история. В кабинете физики нашли две коробки транзисторов КТ803А, они обратной проводимости, а характеристики приблизительно те же, только рабочая частота больше. Подключили на вход нового мощного транзистора маломощный звуковой генератор Г3-36 и добились коллекторного тока до 4А. Мощность излучателя оказалась такой, что ферритовый стержень сразу сломался. Уменьшили мощность и стали решать следующую задачу. Всё время носить с собой даже маленький генератор Г3-36 нельзя, не говоря о тяжёлом генераторе ГЗШ. Нужен отдельный задающий генератор.
Почему-то в школе информатику изучают как программирование без элементной базы. Старая микросхема К155ЛА3 позволила внедрить информатику в ультразвуковой генератор. Транзистор надо долго настраивать, подбирать ток базы, иначе он не откроется. Цифровые схемы настраивать не надо, они сразу выдают информационный сигнал в виде логических нулей и единиц. Мультивибратор на микросхеме заработал с первого раза. Но просто так его сигнал на излучатель не подать, напряжение всего 5В при токе не более 30-50мА. Коэффициент усиления по току транзистора КТ803А не превосходит 70, но обычно равен 20-40. Этого явно мало для коллекторного тока 5-10А. Цифровой сигнал надо усилить. Цифровой сигнал настолько слаб, что не получилось открыть мощный транзистор КТ803А. Был найден транзистор КТ904, который хорошо открывался цифровым сигналом микросхемы. Этот транзистор поставили в первый каскад усилителя, сигнал с него подали на второй каскад с мощным транзистором. Появилась очередная задача питания схемы. Микросхема требует 5В, а транзисторы работают до 20В и даже более. Решение нашли в микросхеме КРЕН5В или зарубежном аналоге 7805. Если на вход подавать напряжение от 6В до 15В, то на выходе всегда будет 5В, которые подаются на К155ЛА3. Более 15В подавать не надо. При 26В все микросхемы перегорели, их пришлось заменять. При повышенном напряжении перегорает сначала микросхема-стабилизатор напряжения КРЕН5В, а затем высокое напряжение поступает на микросхему К155ЛА3 и выводит её из строя. Для облегчения замены при перегорании микросхему К155ЛА3 удобно установить в панельку DIP14. Все транзисторы надо охлаждать. С этим проблем нет, если устройство разместить в перегоревшем компьютерном блоке питания. Вентилятор в нём работает, а всё остальное надо убрать. Вентилятор питается входным постоянным напряжением. Три реостата позволяют точно подобрать частоту резонанса. Если на входе установить диод, то схему можно питать переменным током, но ёмкости фильтрующих конденсаторов малы для сглаживания пульсаций даже двухполупериодного выпрямителя. Удобно сделать отдельный трансформатор с выпрямителем на 12В, чтобы питание было универсальным. Диод желательно заменить диодным мостом с ёмкостным фильтром для сглаживания пульсаций.
Электрическая схема собранной и испытанной установки показана на рисунке.
Следующая задача – изготовить ламповый генератор. Уже начаты работы [2] с пентодом ГУ-81М, но пока рекомендовано их отложить из-за анодного напряжения 6-7кВ. Не хочется повторять известную [1] и устаревшую схему на 6П6С. В планах применить две самые надёжные лампы ГУ-50 с анодным напряжением 800-1000В.
Целевое назначение ультразвукового генератора с магнитострикционным излучателем – это отдельная работа. Сейчас можно с уверенностью говорить, что это не только школьная демонстрационная установка, но и распылитель топлива в тепловых двигателях различного типа [3]. Распылитель позволит увеличить полноту сгорания топлива.
Вывод. Применение цифровой техники позволяет существенно облегчить изготовление лабораторных установок. Для этого надо взять известные цифровые блоки и обеспечить их согласование с аналоговыми приборами. В этом заключается аппаратная часть школьного курса информационных технологий.
Литература
1. Майер опыты с ультразвуком. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1978.
2. . Практика накала мощного пентода ГУ-81М // Конференция «Гагаринские чтения-39». Сборник трудов. Т.3. – М.: РГТУ-МАТИ им. , 2013.- С.25-27.
3. Интернет-ресурс: Коровянская топлива в двигателях двойным резонансом ультразвука / Всероссийский конкурс инновационных проектов и разработок в сфере умной энергетики // http://gridology. ru/projects/136 (Дата обращения: 16.06.2013).
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ФОРСУНКА С ДВОЙНЫМ РЕЗОНАНСОМ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Гимназия №5» города Юбилейного Московской области
Nasti96@bk.ru
Первоначально цель работы заключалась в изготовлении школьной лабораторной установки для демонстрационных опытов с ультразвуком. Но после первых удачных опытов определилось важное практическое направление установки для распыления топлива в тепловых котлах и двигателях различного типа – создание ультразвуковой форсунки. Более полное распыление топлива увеличивает полноту сгорания, повышает коэффициент полезного действия, уменьшает количество вредных выбросов. Эти факторы повышают энергоэффективность, ресурсосбережение тепловых котлов и двигателей, улучшают экологическую ситуацию при их работе.
В школьном кружке случайно была найдена книга [1]. В ней рассказано, как сделать простую установку для получения ультразвука. Надо изготовить магнитострикционный излучатель из ферритового стержня, соленоида и постоянного магнита. Излучатель с генератором были изготовлены [2,3]. Были проведены опыты по распылению этим излучателем воды и ацетона. Сначала работали с генератором малой мощности, поэтому капля воды не всегда распылялась. Случайно было обнаружено явление двойного резонанса ультразвука [4]. Чтобы капли воды не разлетались по столу, ферритовый стержень сверху накрывали лабораторной колбой. Заметили, что в колбе капля воды распыляется лучше. Усиление распыления воды объясняется двойным резонансом ультразвука. Один резонанс – это колебания ферритового стержня, на котором вибрирует капля воды. Второй резонанс – это колебания воздуха в колбе, который тоже заставляет каплю вибрировать. Явление двойного резонанса иллюстрируется представленной схемой. Капля жидкости на торце магнитострикционного стержня находится в области двух пучностей двух стоячих волн. Одна пучность от стоячей волны в ферритовом стержне магнитострикционного излучателя, вторая пучность от стоячей волны во внутренней среде сферы.
При теоретическом исследовании явления двойного резонанса надо учитывать следующие факты. При переходе волны из одной среды в другую частота и период колебаний не изменяются, а изменяется скорость волны и длина волны. Частота колебаний в ультразвуковой волне одинакова как в феррите стержня, так и в воздухе колбы. Однако скорость звука и длина волны различна в различных средах. Совместное одновременное действие указанных двух резонансов в научной литературе не найдено. Задача исследования заключается в определении условий, при которых появляется двойной ультразвуковой резонанс, усиливающий распыление топлива для более полного его сгорания. Экономический и другой полезный эффект, несомненно, имеет место. В этой работе предлагается часть энергии ультразвуковой волны направлять обратно в рабочий объём теплового двигателя для более полного распыления топлива с целью более полного его сгорания. Показано, какие характеристики должен иметь простейшей формы сферический объём и излучатель ультразвука, чтобы наступил двойной резонанс для увеличения интенсивности распыления топлива. И в излучателе, и в рабочем объёме должно укладываться одновременно целое число полуволн ультразвука.
.
Для примера был исследован двойной резонанс для ферритового стержня длиной 250 мм. Для него требуется колба диаметром 32 мм. Двойной резонанс удалось заметить, потому что случайно взяли колбу диаметром около 40 мм. В колбе диаметром 100 мм такое явление не наблюдается.
.
Ультразвуковая форсунка может устанавливаться на любые типы тепловых двигателей, которые работают на жидком топливе. Она может устанавливаться на входные патрубки двигателей внутреннего сгорания и двухтактных, и четырёхтактных. Это может быть дизель. Для двигателей внутреннего сгорания предлагается три варианта реализации ультразвукового распылителя топлива.
1) Установка ультразвукового распылителя топлива на входной патрубок двигателя сразу после карбюратора или инжектора. Распылитель уменьшает размер капелек топлива в горючей смеси, обеспечивает более полное сгорание топлива.
2) Установка ультразвукового распылителя топлива на свечу зажигания предотвратит заливание свечи топливом, зажигание горючей смеси в рабочем объёме цилиндра станет более надёжным. Свеча зажигания всегда будет сухой.
3) Установка ультразвукового распылителя топлива непосредственно в цилиндр двигателя внутреннего сгорания для увеличения распыления топлива перед его сгоранием.
Литература
1. Майер опыты с ультразвуком. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1978.
2. Коровянская накала мощного пентода ГУ-81М // Конференция «Гагаринские чтения-39». Сборник трудов. Т.3. – М.: РГТУ-МАТИ им. , 2013.- С.25-27.
3. , Лебедев блок для ультразвукового магнитострикционного излучателя // Материалы XXIV Международной конференции «Применение инновационных технологий в образовании». Троицк-Москва. 26-27 июня 2013. Стр.750-751. (Электронный вариант издания http://www. educom. ru/ru/news/img/27_06_2013/28_06_2013p. pdf. Дата обращения 29.06.2013).
4. Интернет-ресурс: Коровянская топлива в двигателях двойным резонансом ультразвука / Всероссийский конкурс инновационных проектов и разработок в сфере умной энергетики // http://gridology. ru/projects/136 (Дата обращения: 16.06.2013).
