Юный техник, 2010 № 08

ШАГ 10. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧИ

Если есть возможность создать модель задачи, сделайте это. Моделирование — полезный инструмент для понимания происходящих процессов. Его можно проводить путем рисования, представлением на мониторе компьютера или даже макетированием объекта из бумаги…

Изображать проблемную ситуацию (задачу) или ее отдельные узловые моменты лучше в различных ракурсах, в виде структурных, иерархических схем, чертежей, разверток. Помогают делу и диаграммы Исикавы — Серебрякова, при которых получается графическая форма, похожая на елку. Ее ветви, с одной стороны, отражают факторы, необходимые для достижения главной цели, а с другой стороны — те факторы, что им препятствуют.

Любое моделирование поможет полнее представить взаимодействие объектов (узлов, блоков, элементов) в проблеме, их связи между собой и внешним миром, оценить их значимость и понять роль и значение всех действующих механизмов в исследуемом объекте.

Можно рисовать конкретные действующие объекты и их связи как в обобщенном виде, так и в виде взаимодействия вещества и поля. Последнее, кстати, подробно описано в книге Гасанова А.И. и других авторов «Рождение изобретения», (Москва, Интерпракс, 1995).

Наглядность позволяет представить задачу полнее и тем самым учесть даже, казалось бы, незначительные факторы при поиске решения.

ШАГ 11. АНАЛИЗ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА НА S-ОБРАЗНОЙ КРИВОЙ

Известно, что любая система — техническая, биологическая, социальная и т. д. — развивается по единой S-образной кривой (рис. 1.).

Она характеризует жизненный цикл любой системы. При этом по оси ординат отражаются показатели системы (мощность, скорость, частота и т. п.).

Кривая имеет несколько характерных участков: I — отражает рождение (юность) системы; II — отражает активное развитие системы и ее составных частей; III — этап завершения жизненного цикла системы; IV — характеризует конец существования системы.

Поэтому, начиная решать задачу, следует прежде всего посмотреть, на каком участке кривой она находится.

Это необходимо для того, чтобы определить, какие шаги предпринять для ее решения. При этом, кстати, может выясниться, что анализируемая задача себя уже полностью изжила, все существенные усовершенствования сделаны, остались лишь косметические, так что не стоит особо и стараться.

Нахождение исследуемой системы на III и IV участках говорит о том, что не следует тратить время и ресурсы на модернизацию, а нужно искать принципиально новое решение, альтернативную систему (пунктирная линия на рис. 1). Именно на это и стоит нацелить свои усилия.

ШАГ 12. ПОИСК АНАЛОГОВ

Перед началом работы советуем просмотреть соответствующие тематические разделы патентного фонда, информацию в Интернете, чтобы выявить аналогичные решения в других областях науки, техники или в природе.

Следует также поинтересоваться, не решал ли кто-либо подобную задачу в других областях техники. И если отыщется близкое к проблеме решение, воспользуйтесь им. Не стоит изобретать велосипед заново.

ШАГ 13. ВЫСКАЖИТЕСЬ ВСЛУХ

При анализе задачи можно представить, что перед вами кто-то сидит, и ваша задача — подробно объяснить ему суть дела, рассказывать все, что вы о нем знаете. Высказавшись вслух, вы скорее всего заметите некие не совсем ясные моменты в анализируемой ситуации. Это позволит уловить ошибки в логике рассуждения и умозаключениях.

(Продолжение следует)

ВЕСЕЛЫЕ САМОДЕЛКИ

ЗАДАЧА О ТРЕХ СПИЧКАХ

Приготовьте спички и нож.

Расколите слегка конец одной спички, заострите конец другой и соедините их между собой так, чтобы они образовали острый угол. Поставьте их углом вверх и подоприте третьей спичкой, как показано на рисунке.

Когда приготовления будут окончены, предложите кому-либо из присутствующих четвертую спичку и попросите его с помощью одной этой спички поднять сооруженную пирамиду из трех спичек.

Подсказка: для этого достаточно четвертой спичкой слегка подпереть две первые, чтобы третья могла упасть на ту, которую вы держите. Опустите руку, чтобы эта третья спичка могла проникнуть внутрь угла, образованного первыми двумя спичками. Теперь поднимите вверх спичку, которую вы держите в руках, и на ней, как верхом на лошади, будут держаться первая и вторая спички с одной стороны и третья — с другой.

Вся пирамида повиснет в воздухе.

КОНСТРУКЦИИ ИЗ КАРТОНА

Приготовьте: тонкий картон, стеклянный стаканчик, нож, ножницы.

Из тонкого картона можно вырезать и складывать очень изящные безделушки. Вот как сделать красивый бокал.

Вырежьте фигуры, изображенные на рисунке. Высота бокала — 10 см. Наружный диаметр верхнего кольца — 6 см, внутренний диаметр — 5 см. Диаметры нижнего кольца (рис. 4) — 35 и 25 мм. Диаметры основания бокала — 5 см и 13 мм. Колечко ножки — 13 и 5 мм. Расстояния между шестью кольцами бокала по 1 см. Размеры средних колец вы можете определить сами, так же как и профиль частей 1 и 2, которые совершенно одинаковы, за исключением вертикальных прорезов ножки.

Все прорезы по ширине должны быть равны толщине картона, ширина стенок частей 1 и 2, так же как ширина колец, — 5 мм, глубина надрезов — 2,5 мм.

Помните, что надрезы на верхнем кольце расположены на внутренней стороне, а на всех других кольцах — на внешней.

Кольцо ножки и кружок основания имеют косой поперечный прорез; толщина его определяется шириной лезвия ножа или ножниц. Когда все части вырезаны, можно приступить к сборке.

Сперва нужно соединить части 1 и 2 так, чтобы вертикальные прорезы вошли один в другой. Потом сложите их так, чтобы у них совпали надрезы на ножке и на основании. Вслед за тем наденьте на них кольца 5 и 6 (через косые прорезы этих колец) и разверните части 1 и 2, чтобы они опять заняли взаимно перпендикулярное положение; тогда косые прорезы сожмутся и не будут заметны.

После этого примитесь за установку колец, начиная с самого маленького.

В готовый бокал можно вставить маленький стеклянный стаканчик для воды. В итоге у вас получится красивый бокал-ваза для цветов.

ЦЕПОЧКИ ИЗ ВИШНЕВЫХ КОСТОЧЕК

Приготовьте: косточки черешни или вишни, острый нож.

Эта работа требует большого терпения и умелых рук.

На рисунке 1 изображена хорошо вымытая косточка черешни. Узкое ребрышко разделяет косточку на две половинки. Косточка не так тверда, как кажется. Осторожно можно срезать у нее один бочок (рис. 2), потом второй (рис. 3) так, чтобы осталось узкое колечко с ребром посередине.

Когда вы приготовите несколько таких колец, положите одно из них на стол и концом ножа прорежьте в нем щелку. Косточка достаточно упруга для того, чтобы можно было, чуть-чуть раздвинув колечко, пропустить в него другое кольцо. И первое тотчас же сомкнется так плотно, что самый зоркий глаз не приметит щелки.

В одно расщепленное кольцо можно вдевать два целых.

Вы, скорее всего, испортите немало косточек и колец, прежде чем научитесь делать такие цепочки, но терпение и труд все перетрут!

БУМЕРАНГ

Приготовьте: тонкий картон, книгу, линейку, пробку, шпильку для волос или отрезок проволоки, нож, карандаш.

Бумеранг, как известно, — метательное оружие австралийских охотников. Запущенный умелой рукой, он возвращается к ногам охотника, вычертив в воздухе сложную кривую.

Мы сделаем сейчас маленький бумеранг из тонкого картона; он будет отлично нас слушаться.

Наш бумеранг должен иметь форму буквы Г, его углы мы слегка закруглим. Положим бумеранг на переплет книги так, чтобы один его конец чуть-чуть выступал, и, держа книгу под небольшим наклоном, резко ударим по ребру этого конца линейкой или просто дадим по нему сильный щелчок. Бумеранг взовьется, вращаясь, опишет почти замкнутый эллипс и упадет у наших ног.

Из пробки и шпильки для волос можно изготовить специальный прибор для метания бумеранга. Сделаем выемку в пробке, как показано на рисунке, в ней будет двигаться свободный конец шпильки. Другой конец укреплен в пробке крючком. Два-три оборота проволоки вокруг карандаша — и средняя часть шпильки завита в пружину. Согнем еще кусочек проволоки под прямым углом и воткнем его в пробку около выемки. Этот крючок будет придерживать короткий конец бумеранга.

Длинный конец, по которому должен прийтись удар, ляжет поперек выемки.

Держа пробку наклонно, оттянем свободный конец шпильки, потом сразу его отпустим. Бумеранг сорвется с пробки, пролетит 3–4 м и, вычертив плавную кривую, послушно вернется назад.

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Блоки питания

В переносных аппаратах блок питания — это отсек, куда вставляются батарейки или аккумуляторы. В сетевых приборах есть уже настоящий блок питания (БП). Он служит для преобразования сетевого напряжения (220 В, 50 Гц) в постоянное, подходящее для питания транзисторов и микросхем. В ряде случаев напряжения на отдельных выходах стабилизированы, то есть практически не изменяются при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки.

Немаловажная функция БП — гальваническая изоляция питаемого аппарата от проводов электросети. Это необходимо для безопасности как людей, так и самого прибора. В то же время повышается помехоустойчивость аппаратуры, поскольку сеть является источником огромного количества помех, распространяющихся по ее проводам на большие расстояния.

В ламповую эру аппараты с питанием и от сети, и от батарей были редкостью. Теперь это становится правилом, и многие радиоприемники, например, могут работать и от сети, и от батарей. В связи с этим большое распространение получили «сетевые адаптеры» — те же БП, но оформленные в виде сетевой вилки и «висящие» прямо на сетевой розетке в стене. Их выход — уже постоянный ток низкого напряжения, служащий для питания приемника или плеера, подзарядки аккумуляторов сотового телефона.

Любопытно, что их часто выбрасывают, меняя, например, модель сотового телефона на более современную. Конечно, это непозволительное расточительство, и любой такой адаптер может еще отлично послужить в радиолюбительской практике.

Использование сетевых адаптеров. БП нам необходим, поскольку на любительскую экспериментальную работу «батареек не напасешься» — и дорого, и непрактично. Но вот вам в руки попал адаптер. Нужно прежде всего разобраться, что он может и каковы его параметры. Оказывается, совсем не обязательно для этого вскрывать корпус, да часто он и неразборный. Однако о типе устройства можно судить по его весу и форме корпуса. Бывают БП с малогабаритным сетевым трансформатором. Они довольно увесистые, кубической формы. Именно такой у меня и оказался.

Кое-что проясняет надпись на корпусе, например: АС/DC adapter 6V/ 150mA (преобразователь переменного тока в постоянный 6 В, 150 мА). Не спешите ей верить, лучше посмотрим упрощенную типовую схему подобных БП (см. рис. 1).

Трансформатор Т1 понижает сетевое напряжение обычно до 6… 15 В, его первичная обмотка содержит много витков тонкого провода, а вторичная — гораздо меньше, и более толстого. Коэффициент трансформации равен отношению чисел витков, то есть U₂ = U₁∙n₂/n₁. Вторичное низкое напряжение поступает на выпрямитель (диоды VD1 — VD4), собранный по мостовой схеме. Реже применяют обычную двухполупериодную схему выпрямления. В ней средние два диода исключены, а «минусовый» вывод подключен к среднему выводу вторичной обмотки. Далее включен «сглаживающий» конденсатор С1 большой емкости (тысячи микрофарад). Он заряжается на пиках положительной и отрицательной полуволн переменного напряжения и разряжается на нагрузку при переходе переменного напряжения через нуль, когда диоды закрыты.

Имейте в виду: для переменных напряжений обычно приводят эффективное значение, а мгновенное напряжение на пиках в 1,4 раза больше. Поэтому без нагрузки постоянное выпрямленное напряжение больше напряжения на вторичной обмотке. Например, если последнее равно 10 В (эффективное значение), то на конденсаторе С1 получится около 13,5 В (примерно пол вольта «упадут» на диодах). Под нагрузкой, естественно, выходное напряжение будет снижаться. При этом возрастают пульсации выходного напряжения с удвоенной частотой сети 100 Гц.

Для устранения этих недостатков служит стабилизатор DA1. Теперь его чаще выполняют в виде одной микросхемы всего с тремя выводами, по виду он неотличим от обычного транзистора. Имейте это в виду! Напряжение на выходе стабилизатора существенно меньше, чем на входе, и часть мощности БП он просто переводит в тепло, снижая тем самым общий КПД. Стабилизатор чаще всего выходит из строя в сетевых адаптерах, но никто не мешает исключить его из схемы, замкнув выводы 1 и 3 и отсоединив вывод 2. Останется простой нестабилизированный БП.

Не всегда DA1 стабилизирует напряжение — в некоторых адаптерах, предназначенных для зарядки аккумуляторов, он стабилизирует зарядный ток.

Выяснить все эти вопросы помогает нагрузочная характеристика БП. Включив БП в сеть, замерьте выходное напряжение на холостом ходу. У меня оказалось более 20 В. Далее надо снять несколько точек характеристики, подключая разные нагрузки. Удобно использовать мощные резисторы и лампочки накаливания. С резисторами, сопротивление которых известно, можно обойтись одним вольтметром. Так, с резистором 180 Ом напряжение БП оказалось 16 В, следовательно, ток — около 90 мА.

С лампочкой (на напряжение, не меньше ожидаемого!) надо измерить напряжение, а затем, переключив тестер в режим амперметра и включив щупы последовательно с лампочкой, ток через нее. После снятия всех точек очень полезно построить график нагрузочной характеристики (синяя линия на рис. 2).

Из него сразу видно, что в данном БП вообще нет никакой стабилизации, а при номинальном токе 150 мА выходное напряжение составляет 12 В.

Вскрытие корпуса показало, что микросхема стабилизатора там есть, но выводы 1 и 3 замкнуты. Что ж, этот БП вполне годится как 12-вольтовый, для питания устройств с током до 0,15 А, а также для подзарядки 12-вольтовых аккумуляторов. Использовать его при меньших напряжениях и больших токах вряд ли следует, поскольку он будет сильно нагреваться.

Теперь проверим адаптер Siemens, 230V- 50/60Hz (это относится к сети и нам подходит), 5V = 0,4А (это относится к выходной цепи и вызывает некоторые сомнения, поскольку на корпусе стоит: made in China).

Эксперимент занял всего несколько минут: измеренное цифровым тестером напряжение на выходе без нагрузки оказалось 8,3 В. Нагружать БП удобно лампочками накаливания, разумеется, на напряжение большее или равное U_xx. Среди моих запасов нашлась пара на 12 V, 1,5 cd (cd — это кандел, свеча, единица силы света). Говорят, что 1 свеча примерно соответствует 1 Вт мощности, но это не так. Эта лампочка при номинальном напряжении 12 В потребляла 0,23 А, что дает 2,8 Вт. Подсоединенная к БП, эта лампочка горела не в полный накал и потребляла 0,17 А.

Напряжение при этом упало до 7,6 В. Две лампочки параллельно потребляли 0,3 А, напряжение стало 6,5 В. Вполне вероятно, что при токе 0,4 А напряжение упадет до указанных 5 В. Еще большим током нагружать БП не следует. Однако очень хотелось дать в статью исчерпывающую информацию, даже пожертвовав этим адаптером! Переключив тестер на предел 10 А, померил ток короткого замыкания (КЗ). Оказалось 0,5 А. Это немного, значит, БП имеет защиту от КЗ. Действительно, он остался жив, но держать его долго в режиме КЗ все-таки не следует.