ENGINEERING AND IT
UDC 378.147:004.9
ОЛЕКСЮК Юрій Павлович
здобувач вищої освіти відділення дошкільної та технологічної освіти
Кременецький педагогічний коледж Кременецької обласної гуманітарно-педагогічної академії ім. Тараса Шевченка
НАУКОВИЙ КЕРІВНИК:
ЄМЕЦЬ Олександр Павлович
старший викладач кафедри теорії і методики трудового навчання та технологій
Кременецька обласна гуманітарно-педагогічна академія ім. Тараса Шевченка
УКРАЇНА
Ключові слова: проект; лабораторна установка; напівпровідниковий діод; вольт – амперна характеристика; лабораторна робота.
Актуальність дослідження та постановка проблеми. У курсі вивчення майбутніми вчителями технологій дисципліни «Основи електроніки з практикумом» значне місце відводиться розгляду електрофізичних властивостей напівпровідників та видам напівпровідникових приладів, створених на основі застосування ряду фізичних явищ.
Відомо, що поряд з іншими приладами, в сучасній техніці широко застосовують так звані напівпровідникові діоди. В даний час сфера застосування їх розширилась настільки, що практично важко назвати той чи інший вузол електронної апаратури, в якому б вони не використовувались [2].
Одним з якнайширше вживаним видом діоду являється випрямний діод. До його основних стандартизованих параметрів відносяться значення прямого струму, прямої напруги; значення зворотного струму, зворотної напруги.
Для вивчення властивостей напівпровідникових діодів з різних матеріалів, дослідження їх роботи при різних значеннях прямої і зворотної напруги тощо застосовують так звану вольт-амперну характеристику діоду. Вона є основою характеристикою діоду й являє собою графічне відображення залежності прямого струму від прямої напруги та зворотного струму від зворотної напруги.
Завданням даної статті є: проектування та виготовлення спеціалізованої лабораторної установки, яка б давала можливість здійснювати дослідження випрямних напівпровідникових діодів. Створення такої установки дозволить: знімати дослідним шляхом вольт - амперну характеристику напівпровідникових діодів; визначати справність напівпровідникових діодів; порівнювати вольт-амперну характеристику діоду германієвих та кремнієвих випрямних напівпровідникових діодів; вдосконалить вміння та навички проектанта з виготовлення дидактичного обладнання; розширить та закріпить знання студентів, пов’язані з напівпровідниковими приладами.
Виходячи із завдання, наявних можливостей, площі лабораторії електротехніки навчального закладу, потрібно спроектувати та виготовити таку спеціалізовану лабораторну установку, яку зручно було б переносити, яка б при зберіганні не займала багато місця, до якої б швидко можна було б підключати вимірювальні прилади, безпечну у використанні, максимально ефективну та якомога дешевшу.
Лабораторна установка має бути функціональна, технологічна, естетична, конструктивна, ергономічна, економічна, екологічна та безпечна в користуванні.
Функціональність лабораторної установки полягатиме у можливості застосування її для перевірки справності напівпровідникових діодів, дослідження діодів шляхом зняття вольт – амперної характеристики, використання доступних та точних вимірювальних приладів.
Технологічність лабораторної установки забезпечуватиметься застосуванням ряду технологічних операцій, які будуть підібрані так, щоб забезпечити мінімальну трудомісткість , з застосуванням доступним матеріалів, інструментів, верстатів, пристроїв в умовах навчальних майстерень та лабораторій навчального закладу.
Естетичність лабораторної установки забезпечуватиметься вдалим підбором матеріалів, їх відповідним опорядженням, доцільним поєднанням форм.
Конструктивність лабораторної установки забезпечуватиметься цілим комплексом відповідних заходів.
Ергономічність лабораторної установки обумовлює її зручність у використанні та буде забезпечено оптимальними формою, розмірами, конструкцією.
Економічність лабораторної установки буде забезпечена застосування відносно недорогих матеріалів, приладів та доцільною технологією.
Екологічність лабораторної установки буде забезпечена застосуванням матеріалів, які нешкідливі для людини; окрім цього застосуванням малої напруги дасть можливість отримати рівень напруженості електромагнітного поля в дозволених межах.
Електробезпека при використанні лабораторної установки буде забезпечена дотриманням відповідних правил охорони праці.
Формування основних параметрів і граничних вимог.
Назва об’єкту: установка для проведення лабораторної роботи з електроніки за темою «Дослідження напівпровідникового діоду».
Функція, призначення об’єкту: вивчення напівпровідникових діодів, перевірка їх справності, зняття вольт – амперної характеристики.
Габаритні розміри, вимоги до розмірів: установка повинна бути за розмірами такою, щоб могла розміщуватися на навчальному лабораторному столі та бути сумісною з іншим обладнанням лабораторії.
Вимоги до об’єкту: об’єкт повинен бути функціональним, технологічним, безпечним, естетичним, екологічним, ергономічним, надійним й відносно недорогим у виготовленні.
Потенційний користувач: студенти навчального закладу
Побажання замовника: об’єкт спеціалізований.
Орієнтовна вартість: вартість об’єкту в цінах станом на грудень – 2019 року – в межах 1000 гривень.
Конструкторський етап. Щодо просторового розміщення лабораторної установки, то робота над літературою [1] та аналіз цього аспекту призводить до думки про спробу реалізації проміжного варіанту (і не горизонтального, і не вертикального), а горизонтально – похилого. Справа у тім, що в комплект з якого складатиметься установка, необхідно ввести джерело живлення (джерело постійного струму), реостат – регулятор напруги, вимикачі-перемикачі, затискачі, напівпровідниковий діод та вимірювальні прилади.
Тому доцільно, з метою зручності й можливості застосування джерела живлення та вимірювальних приладів у інших лабораторних роботах, конструювати об’єкт з 3 – х блоків:
Перший блок: джерело живлення/
Другий блок: панель (плата) з розміщеними на ній змінним резистором для регулювання напруги, напівпровідниковим діодом, затискачами, вимикачами- перемикачами.
Третій блок: вимірювальні прилади: амперметр, міліамперметр, вольт – метр (або краще цифрові комбіновані прилади – мультиметри у вказаних режимах).
При цьому перший та третій блоки розміщуватимуться на горизонтальній площині (на лабораторному столі), а другий блок буде горизонтальним або похилим. Вирішено зробити його похилим, оскільки при експерименті це буде зручніше.
Плату (панель) найкраще виконувати з гетинаксу, текстоліту, склотекстоліту. Проте ці матеріали відносно дорогі та в умовах лабораторії цілком можуть бути замінені фанерою або твердою деревино – волокнистою плитою, що разом з тим ще дозволить спростити технологію. Для надання похилості платі (панелі) будуть застосовані опори – ніжки; зробивши їх теж з ДВП, підібравши оптимальну форму з тим, щоб забезпечивши функціональність,можна досягти ще й естетичності. З’єднання панелі (плати) з ніжками- опорами для міцності доцільно зробити, застосувавши клей «Дракон».
Для забезпечення жорсткості та міцності конструкції між опорами вмонтується дерев’яний брусок.
На фасадній поверхні плати (панелі) буде чітко нанесено принципову схему, в тіло плати буде вмонтовано потенціометр, контакти- затискачі, вимикачі – перемикачі, котрі даватимуть змогу змінювати полярність на аноді та катоді діоду, перемикати режими вимірювання (амперметр, міліамперметр), здійснювати оперативні вимикання. Сам напівпровідниковий випрямний діод буде під’єднуватись до відповідних затискачів.
Змінний резистор може бути використано у двох виглядах: реостата та потенціометра. Реостат має досить великі розміри, в даний час його не просто придбати або дістати, та й коштує на теперішній час він немало. Тому вирішено використати потенціометр, тим більше, що він дешевий, компактний й його можна отримати з демонтованої старої радіоелектронної техніки.
Перемикачі – вимикачі для включення, переключення, зміни полярності бувають тумблерного, клавішного, кнопочного; прохідного та перехідного типів. Виходячи із ціни, було вирішено використати перемикачі – вимикачі клавішного перекидного типу.
Контакти – затискачі можуть бути сталево – ебонітові, сталево – латунні, стандартні, з різьбовим кріпленням, забезпечуючи швидкий монтаж, демонтаж провідників. Про те вони досить великі й до задуманого розміру панелі (плати) не дуже будуть пасувати. Тому прийнято рішення застосувати затискач, зконструйований з набору: гвинт, шайби, гайки відповідного розміру, найкраще з різьбою М5. Верхня шайба – баранець з різьбою М5 дасть можливість, легко, зручно, швидко під’єднувати виводи приладів, джерела живлення, діода незалежно від їх форми та конструкції.
Вибір вимірювальних приладів – досить непроста справа. По-перше, якщо користуватись спеціалізованими вольтметром, міліамперметром, то їх номінали доведеться підганяти під той чи інший тип діоду. Це і не зручно і не функціонально, оскільки за нашими умовами лабораторна установка має давати можливість знімати вольт – амперну характеристику різних типів діодів. Тому прийнято однозначне рішення застосувати багатовимірні тестери (мультиметри) котрі дозволять розв’язати означену проблему.
Лінії зв’язку (з’єднувальні провідники) будуть припаяні з тильної сторони плати. При конструюванні постійно враховувалась майбутня технологія виготовлення, тому об’єкт можна зробити в умовах навчального закладу, він є досить технологічним.
Специфікація деталей виробу (табл.1).
Таблиця 1. Специфікація деталей виробу
Tехнологічний процес виготовлення радіоелектронної апаратури (надалі РЕА) складається з таких основних груп робіт: підготовчі роботи; збиральні роботи; монтажні роботи; регулювальні роботи.
Підготовчі роботи охоплюють операції, в результаті яких, у нашому випадку буде створюватись блок №2, а саме- виготовлення панелі-плати, з ніжками основами та бруском жорсткості (так зване шасі РЕА). Збиральні роботи згідно розділяються на механічний монтаж (наприклад вмонтовування в панель плату вимикачів-перемикачів) та електричний монтаж (наприклад сполучення між собою елементів лініями зв’язку – провідниками з кріпленням їх методом паяння).
Для зручності, в процесі технологічної підготовки з метою розробки технології здійснюється складання технологічний карт, на основі яких буде базуватися вся схема технологічного процесу.
На виконаній лабораторній установці було здійснено кількаразове проведення експериментів, передбачених згідно протоколу проведення лабораторної роботи. Обладнання працювало чітко.
Висновки: Спроектована й виготовлена в матеріалі установка для проведення лабораторної роботи з електроніки за темою «Дослідження напівпровідникового діоду» відповідає висунутим до неї вимогам та може бути використана для здійснення підготовки майбутніх вчителів технологій.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:
Анисимов, М. В. (1997). Елементи електронної апаратури та її застосування. Київ: Вища школа.
Федотов, В. И. (1990). Основы електроники. Москва: Высшая школа.
OLEKSIUK Yu., student at the department of Preschool and Technology Education
Kremenets Pedagogical College of the Taras Shevchenko Regional Humanitarian Pedagogical Academy in Kremenets
UKRAINE
SCIENTIFIC ADVISER:
YEMETS O., senior Lecturer at the department of Theory and Methods of Technology
Taras Shevchenko Regional Humanitarian Pedagogical Academy in Kremenets
UKRAINE
Abstract. The article is devoted to the creation and development of the laboratory work on the topic: "Semiconductor diode research" in the course of studying the technologies of the discipline "Fundamentals of electronics with a practical work" by future teachers. A laboratory unit is a set consisting of three units, namely: a power supply unit, a panel - a board, a set of measuring instruments. Power supply and measuring devices are standard. Tumbler switches - switches, semiconductor diodes, clamp construction – bought.
Keywords: project, laboratory installation, semiconductor diode, ampere characteristic, laboratory work.