DIY stroboskop: schéma, montáž, seřízení

V současné době má mnoho technických vzdělávacích institucí v naší zemi nedostatek laboratorních demonstračních zařízení. Ale nedostatek příležitostí prozkoumat experimentální nastavení ze všech stran do nejmenších detailů nebo s jeho pomocí prozkoumat nějakou fyzickou závislost může způsobit, že student nepochopí nebo nepochopí jemu ukázaný experiment. A pokud nedělají potíže demonstrace některých jednoduchých experimentů, ve kterých se lze snadno splést (například kontrola Ohmova zákona pro úsek obvodu, přímočarost šíření světla, kontrola Newtonových zákonů), pak jsou tu složitější věci, pro jejichž jasné pochopení je jejich demonstrace důležitá. V tomto ohledu tento článek navrhuje metodu konstrukce laboratorního stroboskopu pro demonstraci kinematických procesů a optických klamů v technických vzdělávacích institucích. Tento článek stručně popisuje princip činnosti hlavních částí navrhovaného stroboskopu. Základní schéma laboratorního stroboskopu bylo navrženo pro opakování v domácím prostředí s využitím dostupných, nikoli nedostatkových domácích elektronických součástek. Je uveden vzorec pro teoretický odhad frekvence záblesků generovaných stroboskopem. Je navržena metoda vnějšího návrhu vyvinutého stroboskopu. Je uveden seznam elektronických dílů potřebných pro jeho montáž a jejich případnou výměnu za stávající analogy. Je navržena metoda pro kalibraci stupnice laboratorního stroboskopu a stanovení jeho skutečného rozsahu frekvencí generovaných kmitů pomocí počítače jako frekvenčního generátoru.

stroboskop
kinematika
schéma zapojení
promoce

1. Wikipedie: multivibrátor [Elektronický zdroj]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Мултивибратор (datum přístupu: 05.04.2019).

2. Příručka pro amatérské rádio: Hromadná rozhlasová knihovna. Problém 394 / upravil A.A. Kulikovský. M. – L.: Gosenergoizdat, 1961. 500 s.

3. Shipovsky S. Constructions of S. Shipovsky // Radio. 2000. č. 10. S. 53-54.
4. Ivanov B. Univerzální zdroj // Mladý technik pro šikovné ruce. 1985. č. 10. S. 12-13.

5. Online generátor tónů / Tomasz P. Szynalski. [Elektronický zdroj]. URL: https://www.szynalski.com/tone-generator/ (vstup: 05.04.2019).

Laboratorní asistent ve školní fyzikální laboratoři musí často opravovat nebo vytvářet nové vybavení pro laboratorní práci vlastníma rukama, protože pro moderního školáka nejsou žádné rozpočtové prostředky. A proč kupovat drahé zařízení na běžné školní předváděcí práce? Navíc si to škola většinou nemůže dovolit. V důsledku toho fyzický experiment jako takový jednoduše „přijde vniveč“. Zejména ten obvyklý demonstrační, který má podle mých pozorování stále častěji podobu někým vedeného videoexperimentu.

Ale fyzika bez vizuálních experimentů není fyzika! Nedostatek možnosti prozkoumat experimentální nastavení ze všech stran nebo s jeho pomocí prozkoumat nějakou fyzickou závislost může způsobit, že žák nepochopí jemu ukázaný experiment. A ve specializovaných hodinách fyziky a matematiky je přítomnost experimentů a názorných demonstrací důležitější než kdekoli jinde! A pokud nedělají potíže demonstrace některých jednoduchých experimentů, ve kterých se lze snadno splést (například kontrola Ohmova zákona pro úsek obvodu, přímočarost šíření světla, kontrola Newtonových zákonů), pak jsou tu složitější věci, pro jejichž jasné pochopení je jejich demonstrace důležitá.

Například demonstrovat trajektorii pohybu objektu pod úhlem k horizontu, což je možné pouze pomocí stroboskopu.

Abyste pochopili podstatu stroboskopické metody studia fyzikálních jevů, musíte si vyrobit stroboskop a pracovat s tímto zařízením. Tomu je věnován tento článek.

Vytvoření demo stroboskopu

Dále bude článek popisovat proces vytváření demonstračního výukového stroboskopu vlastníma rukama s minimálními náklady, pro demonstraci kinematických procesů v technických vzdělávacích institucích.

Co se tedy od laboratorního stroboskopu vyžaduje? Samozřejmostí je možnost upravit a určit frekvenci záblesků s největší přesností v určitém intervalu. Důležitou vlastností je také krátká doba trvání těchto záblesků, která je nezbytná pro získání jasnějšího obrazu. Čím kratší je doba trvání záblesků, tím lepší je výsledný obraz. To ukládá určitá omezení pro jeho tvorbu. Totiž nemožnost použít jak žárovky jako zábleskové zářiče, tak elektromechanická relé jako výkonový prvek pro ovládání zdroje záblesku.

Naštěstí moderní elektronika pokročila dostatečně daleko a může nabídnout obrovský seznam rádiových součástek potřebných k sestavení stroboskopu doma. Po analýze požadavků na činnost stroboskopu byly jako zábleskový emitor vybrány konvenční LED diody (konkrétně konvenční čínská LED svítilna) a asymetrický multivibrační obvod na tranzistorech jako generátor impulsů a elektronický klíč pro LED.

Asymetrický multivibrátor na tranzistorech (obr. 1) je typickým pulzním generátorem, jehož hlavní vlastností je, že doba trvání proudových pulzů je výrazně kratší než pauzy mezi nimi. Je tak malý, že při výpočtu frekvence tohoto multivibrátoru lze zanedbat dobu nabíjení kondenzátoru.

Frekvence [1] generovaného signálu se vypočítá pomocí vzorce

kde C je kapacita kondenzátoru, R je odpor rezistoru.

Po zapnutí napájení teče malý proud z kladného pólu zdroje přes odpor R a přechod báze-emitor tranzistoru VT1 k zápornému pólu. V tomto případě je NPN tranzistor VT1 otevřený, protože jeho základna má kladný potenciál vzhledem k emitoru. Odpor přechodu emitor-kolektor otevřeného tranzistoru VT1 je nízký, takže báze výrazně výkonnějšího pnp tranzistoru VT2 má vůči emitoru negativní potenciál a tento tranzistor je také otevřený. Ze zdroje protéká přechodem emitor-kolektor otevřeného tranzistoru VT2 a LED HL poměrně velký proud, což způsobí, že LED svítí. Protože potenciál na kolektoru VT2 je větší než na emitoru VT1, proud protéká také kondenzátorem C a přechodem báze-emitor tranzistoru VT1. Kondenzátor C se rychle nabíjí. V tomto případě se kladný potenciál báze vzhledem k emitoru tranzistoru VT1 snižuje a tento tranzistor se uzavírá. Poté se tranzistor VT2 uzavře, proud přes LED se zastaví a LED zhasne. Poté se nabitý kondenzátor C pomalu vybíjí přes odpor R, LED HL a zdroj energie. Jakmile se na bázi tranzistoru VT1 vzhledem k emitoru objeví kladný potenciál, tento tranzistor se otevře a proces se bude opakovat.

Rýže. 1. Schéma zapojení asymetrického multivibrátoru na tranzistorech.

Nyní přejděme k vlastnímu obvodu laboratorního stroboskopu, vyrobeného podle principu „složil jsem to dohromady z toho, co jsem měl“ a znázorněného na obr. 2. Obvod je sestaven pomocí prvků z 80. a 90. let, takže by neměly být problémy se sháněním dílů, protože jsou všechny v dobré zásobě. Má schopnost měnit frekvenci záblesku v rozsahu přibližně 15 až 70 Hz.

Rýže. 2. Schéma laboratorního stroboskopu

Toho je dosaženo pomocí proměnného rezistoru R1 a spínače Sa1, který paralelně s C2 připojuje a odpojuje kondenzátor C1, čímž 2krát mění jejich celkovou kapacitu [2, s. 23]. Za úvahu také stojí, že při zapnutém spínači Sa1 lze nastavit frekvenční rozsah v rozsahu od 15 do 35 Hz, při vypnutém v rozsahu 35 až 70 Hz. Je pochopitelné, že s různými polohami přepínače se celková kapacita kondenzátorů mění a to 2krát, protože jejich hodnocení je stejné a jsou zapojeny paralelně k sobě.

Jedinou důležitou součástí tohoto obvodu je asymetrický tranzistorový multivibrátor [3, s. 53] VT1 (kt315) a VT2 (kt814). Je vhodné vybrat tranzistory s nejvyšším proudovým ziskem: ne méně než 150 pro VT1 a ne méně než 100 pro VT2. To je nezbytné pro stabilní provoz multivibrátoru. Pokud rozsah generovaných záblesků tohoto schématu není uspokojivý, lze pomocí vzorce (1) vypočítat další frekvenci záblesků.

Zbytek obvodu, jmenovitě napájecí zdroj [4, s. 12], může být libovolný. Není vůbec nutné přesně opakovat stabilizátor napětí na VT3 a VT4 znázorněný na schématu. Můžete jej napájet bateriemi, nebo použít starou nabíječku telefonu nebo použít stabilizátor jako k142en5b. Hlavní věc je, že napájecí napětí je 5 – 7 voltů. Jako zábleskový zářič lze použít čínskou svítilnu, určenou pro napájecí napětí 3 až 4,5 voltu.

Důležité konstrukční vlastnosti

Důležitou vlastností je, že kapacita kondenzátorů C1 a C2 musí být stejná. K tomu je vhodné je vybrat pomocí multimetru nebo použít kondenzátory s nejnižší chybou (asi 5 %).

Pro přesnou kalibraci stupnice stroboskopu navrhuji použít běžný reproduktor s výkonem 5W a více. K tomu přilepíme na jeho difuzor kus papíru se štítkem a připojíme jej k počítači přes zesilovač. Dále zadejte „online frekvenční generátor“ do vyhledávacího řádku počítačového programu [5]. Vyhledávač nám poskytuje mnoho různých stránek, kde můžeme generovat frekvenci, kterou potřebujeme. Poté při sepnutém spínači Sa1 nastavíme proměnný odpor R1 na maximální odpor. To bude odpovídat minimální frekvenci záblesků. Podle výpočtů se přibližně rovná 15 Hz.

Poté začneme měnit frekvenci kmitů difuzoru reproduktoru od nuly a osvětlíme jej světlem zářiče se zábleskovým světlem. Ve chvíli, kdy se nám zdá, že značka na papírku nalepeném na reproduktor je nehybná, frekvence záblesku bliká a vibrace difuzoru se shodují. Dále se podíváme na frekvenci, při které je toho dosaženo, a dáme značku označující tuto frekvenci na zobák rukojeti rezistoru R1. A tak zkalibrujeme celou stupnici s určitým krokem, zvyšujeme frekvenci vibrací difuzoru pomocí počítačového frekvenčního generátoru. Současně otáčíme rukojetí rezistoru R1, dokud se frekvence nevyrovnají a značka se nepohybuje.

Konstrukce stroboskopu může být libovolná. Jako pouzdro lze použít plastovou rozvodnou krabici pro vodiče. Díly se montují na povrch, desku není nutné vůbec leptat.

Díly stroboskopu a jejich případná výměna

– Výkonový transformátor Tr1: libovolný, s napětím sekundárního vinutí 7 až 12 voltů a proudem alespoň 100 mA (například ze starého čínského kazetového magnetofonu).

– Diodový můstek: jakýkoli hotový nebo diskrétní prvek navržený pro zpětné napětí nejméně 30 voltů a propustný proud nejméně 100 mA (například diody řady D7, D226 nebo 1n4007).

– Zenerova dioda D1: KS 156 nebo importované analogy.

– VT1: kt315 s písmenným indexem „b“ nebo „g“, kt 3102 s libovolným písmenným indexem.

– VT2: kt814 s libovolným indexem písmen, kt816 s libovolným indexem písmen.

– VT3: p4, p201 – p203, p213 – p217, kt814, kt816 (s libovolnými písmennými indexy),

– VT4: mp25, mp26, mp39 – mp42, kt361, kt3107 (s libovolnými indexy písmen)

– LED emitor HL: jasná LED s napětím 3 až 4,5 V nebo čínská svítilna se stejným napájecím napětím.

Závěry

Domnívám se, že tento stroboskop pro svou jednoduchou konstrukci zvládne sestavit doma i školák. Stroboskop je dobré demonstrační zařízení pro vizuální demonstraci procesů rotace v kinematice a optických iluzích.

Na závěr bych chtěl poděkovat profesorovi Ruské akademie přírodních věd V.G. za podporu tématu předložené poznámky.

Stroboskop je zařízení, které vytváří paprsek světla, který se rychle rozsvítí a zhasne. Má jednoduchý princip fungování. Používá se v nočních klubech a dalších zábavních zařízeních. Kromě toho jej využívají automobiloví nadšenci k nastavení úhlu časování zapalování neboli IAA. Seřízení umožňuje doladit chod palivových, výkonových a pevnostních prvků vozidla. Podle návodu si můžete stroboskop vyrobit sami.

Jak funguje stroboskop

Princip fungování zařízení spočívá v tom, že se objevují krátké záblesky světla s frekvencí naprogramovanou uživatelem a paprsky fixují předměty na krátkou dobu, čímž se vytváří efekt jejich nehybnosti. Název zařízení v překladu z řečtiny znamená „dívat se na neuspořádané kroužení“. Stroboskopické světlo bylo navrženo tak, aby vytvářelo opakující se jasné záblesky světla. Kromě toho můžete pomocí zařízení přenášet rychle se pohybující obrázky.

Hudební stroboskop je typ dynamické světelné instalace, která generuje záblesky s naprogramovanou frekvencí pulzní lampy. Automobilová verze zařízení funguje na stejném principu.

Jakmile pochopíte, jak stroboskop funguje, můžete si jej vyrobit sami doma. Řemeslníci vyrábějí blikající světlo pomocí LED, což snižuje náklady na zařízení a zvyšuje jeho životnost. Návrh bude vyžadovat schéma zapojení, světelné a napájecí zdroje.

Schéma zábleskového světla

K sestavení LED stroboskopu budete potřebovat schéma zapojení vytištěné na papíře v požadovaném formátu a přenesené na desku. Kromě toho budete potřebovat časovač LM555 – mechanismus, který vytváří záblesky, které jsou řízeny potenciometrem nebo proměnným rezistorem. Komponenty lze zakoupit v obchodech s rádiem a nejsou nutné drahé náhradní díly.

Pokud se dříve stroboskopická světla vyráběla z žárovek, nyní se dává přednost LED žárovkám. Pro blikající tabuli můžete použít libovolný počet LED diod (4, 8, 16, 32 atd.) a světlo může být teplé nebo studené. Deska pro malou disco blikačku dosahuje rozměrů 87 x 57 mm.

Sestavení zábleskového světla

Po zapájení obvodu stroboskopu přistoupíme ke konečné fázi montáže. Za tímto účelem je připraveno pouzdro a organické sklo, ve kterém je předem vytvořeno několik otvorů. Vypínač je připojen k držáku baterie. Aby blikačka fungovala, i když je vypnutá, můžete do zásuvky připojit DC adaptér.

Potřebné nástroje a komponenty

Pro instalační práce budete potřebovat psací potřeby, jako je značka a pravítko. Připravují se následující nástroje:

• kleště;
• šroubovák;
• nůž;
• vrtáky (1, 3, 6 a 7 mm);
• vrtačka;
• vrtačka;
• páječka.

Kromě toho budete v různých fázích práce potřebovat brusný papír, pájku a tavidlo.

Domácí stroboskop je sestaven z:

• plastový obal;
• diody;
• dráty;
• mikroobvody;
• plexisklo;
• napájení;
• odpor.

K upevnění dílů k sobě budete potřebovat:

• šrouby 8xM3;
• 2 malé šrouby pro instalaci spínače;
• kovové držáky 4×10 mm a 4×22 mm.

Diskotékový „kapesní“ stroboskop lze využít i k úpravě časování zapalování. Princip montáže autopřístroje je mírně odlišný od party zařízení, ale funguje stejně.

Montáž elektroniky

Po pájení prvků mikroobvodu je instalována elektronika. Spínač je připojen a frekvence pulsů je nastavena. Tento moment lze nastavit v již smontovaném zařízení otáčením rukojeti proměnného odporu R3 nebo jiného jeho typu.

Příprava skříně

Aby bylo možné na tělo připevnit potřebné díly, je potřeba jej připravit. V plastu jsou vyvrtány čtyři otvory a jsou vyrobeny potřebné konektory a samotný panel je nalakován v požadované barvě. Mikroobvod, napájecí a spínací prvky jsou upevněny uvnitř pouzdra.

Pro zajištění LED a plexiskla jsou použity držáky 10 mm, pro zajištění všech ostatních prvků zařízení držáky 22 mm. Aby byl zajištěn snadný přístup ke skrytým prvkům blikače, je pouzdro vybaveno zámkem, který se snadno otevírá, ale spolehlivě brání vypadnutí elektronických prvků.

Jako zdroj lze použít 12V zdroj, ale poslouží i 6V. V interiéru použijte výkonnější blesk a venku použijte blesk s nižším výkonem.

Dokončení práce

Samostatně sestavené zařízení můžete používat jak venku, tak doma. Navíc může být napájen ze všech dodávaných napájecích systémů. Někteří řemeslníci vytvářejí univerzální záblesková světla, tedy taková, která fungují jak na baterie, tak ze sítě.

Pro napájení zařízení ze sítě 220 V je nutné zajistit galvanické oddělení napětí, aby uživatel neutrpěl úraz elektrickým proudem. Pokud není k dispozici, je lepší se k zařízení během provozu nepřibližovat a nedotýkat se jej.

Nastavení

Disco stroboskopické světlo lze nastavit pomocí časovače LM555, pomocí knoflíku upravit frekvenci záblesků. Jas paprsků závisí na lampách nainstalovaných v zařízení. Pokud je zařízení naprogramováno tak, aby blikalo, pak na něm nejsou nainstalovány chladiče.

Chcete-li použít stroboskop k nastavení časování zapalování (IT), musí být vůz nastartován a ponechán na volnoběh. Je potřeba počítat s tím, že blesky musí zasáhnout všechna potřebná místa a osvětlit je. Například značka na klikovém hřídeli je brána jako bod P (pohyblivý) a značka na motoru je brána jako bod H (pevná).

Svorky stroboskopu jsou připojeny k motoru a zařízení vydává „mikroblesk“, když se v zapalovací svíčce válce vytvoří jiskra. Aby se zabránilo poruše blikače a aby se zobrazovaly správné údaje, musí být pravidelně vypínán, doba trvání těchto přestávek se musí rovnat době, po kterou zařízení pracovalo.