Урок "Простые автоматические устройства"

Цель: Познакомить учащихся с автоматическими устройствами и их структурой. Научить выполнять простые автоматические устройства. Анализировать работу выполненных устройств.

Задачи урока:

• Образовательные: Разобрать структуру простых автоматических устройств. Составить формулу автоматического устройства и собрать его на макетной плате. Проанализировать работу созданного на уроке устройства.
• Развивающие: Продолжить развитие умений навыков учащихся по конструированию макетных и монтажных плат; настройку и проверку работоспособности автоматических устройств.
• Воспитательные: Продолжить воспитание личностных качеств каждого ученика и формирование дружного коллектива.

Дидактический материал к уроку. Макетные платы, набор радиодеталей, монтажный нож, для зачистки проводов, принципиальные схемы автоматических устройств, схема автоматического устройства, компьютер, проектор.

Методы обучения:

– Словесные: вопросы, лекция, беседа.
– наглядные: макетные платы, подборка принципиальных схем, слайд-шоу с ранее выполненными работами по теме.
– практические: создание усилителя фототока, являющегося простым автоматическим устройством.

Тип урока: комбинированный.

Методы проверки ключевых компетенций учащихся:

– устный опрос;
– выполнение и анализ самостоятельной работы.

Объект труда: Фотореле на основе двухкаскадного усилителя фототока.

1. Организационная часть.
2. Актуализация знаний учащихся.
3. Формирование новых знаний.
4. Практическая работа.
5. Закрепление материала.
6. Подведение итогов урока.
7. Домашнее задание.

а) Проверка готовности к уроку.
б) Назначение дежурных, проверка отсутствующих.
в) Выдача тетрадей.

На прошлом уроке мы с Вами познакомились с основными понятиями, необходимыми для разбора принципиальных электрических схем. Помимо этого разобрались с принципом сборки простых схем на макетной плате. Повторим их: (сопровождается презентацией к уроку).

А) Что называется узлом?
(Узлом называется место соединения двух и более элементов.)

Б) Как нумеруются узлы?
(Последовательно от “минуса” источника питания до “плюса”.)

В) Каким образом нумеруем выводы элементов цепи?
(Если элемент на схеме изображен вертикально – то верхний вывод первый, нижний – второй. Если элемент на схеме изображен горизонтально, то слева первый, справа – второй. У транзистора: база – первый, коллектор второй, эмиттер третий.)

Г) Каким образом записывается формула принципиальной схемы?
(Последовательно через все узлы, начиная от “минуса” источника питания, до “плюса”, учитывая номера узлов.)

Д) Каким образом производим монтаж устройства на макетной плате?
(Выбираем на макетной плате столько клемм сколько получилось узлов в формуле. Каждая клемма определенный – узел, в котором соединяются определенные элементы. Зная формулу – соединяем элементы согласно ее.)

3. Формирование новых знаний.

Сегодня на уроке мы познакомимся с автоматическими устройствами.

А) Автоматы появились в глубокой древности. Они, например, использовались египетскими жрецами для укрепления веры в божественные “чудеса”. Сейчас нет необходимости быть умным жрецом что бы построить простой и полезный автомат такой, как электронное сторожевое устройство. Первые автоматы были механическими. Большую известность получили куклы – автоматы, искусно имитировавшие довольно сложные человеческие действия. Известны, например, механические писец и музыкант. Внутри этих автоматов находится хитроумный часовой механизм со множеством шестеренок, рычагов, пружин и других механических деталей. Интересным автоматом являются часы-ходики с “кукушкой”. В них каждый час открывается дверца домика, из которого появляется “кукушка”. Механическое устройство моделирует звуки “ку-ку”, которые являются звуковым индикатором показаний часов.

Механические автоматы и сейчас широко применяются в технике. Например, в кастрюле-скороварке клапан, выполненный виде стальной пробки, автоматически открывается, если давление превысит определенное значение. Как только оно понизиться до определенного значения, клапан закрывается автоматически регулировка давления паров в кастрюле осуществляется просто – путем подбора массы клапана.

Широкое применение имеют и электромеханические устройства автоматики, например, регулятор температуры (терморегулятор) в утюге. Чувствительным органом, реагирующим на температуру, является специальная пластинка, имеющая два слоя металла, по-разному расширяющихся при нагревании. С ростом температуры пластинка, которая называется биметаллической, начинается изгибаться так, что металл который расширяется больше, оказывается на внешней стороне дуги.

Нагреватель утюга включается в сеть через контакты, находящиеся на биметаллической пластине. По мере нагревания пластинка изгибается и при определенной температуре цепь спирали нагревателя разрывается. При охлаждении пластинка выпрямляется и замыкает цепь нагревателя. Далее процессы повторяются. Регулировка температуры заключается в предварительном изгибе пластинки, который осуществляется при повороте ручки регулятора.

Такие терморегуляторы используются в некоторых типах электрорадиаторах и электроплиток.

Б) Сравним теперь два регулятора: механический в “скороварке” и электромеханический в электроутюге. Что у них общего, В каждом есть чувствительный орган, реагирующий на регулируемую величину (датчик), задающий орган, определяющий значение регулируемой величины, и объект управления – давление пара в кастрюле и температура рабочей поверхности утюга. Подобные по назначению блоки имеются и в электронных автоматических устройствах.

Простейшие электронные автоматы – различные реле, реагирующие на освещенность, температуру, влажность, давление и другие физические величины, – состоят из трех основных частей : датчика, усилителя и исполнительного устройства. Более сложные электронные устройства, предназначенные для автоматического регулирования, содержат дополнительно следующие узлы и цепи: задающий орган, элемент сравнения, объект управления и цепь обратной связи.

Обратите внимание на схему (слайд в презентации) его. Важной частью является цепь обратной связи, благодаря которой автомат “узнает” о результатах своей “деятельности”, и, если надо, вносит коррективы.

В) Рассмотрим в качестве примера усилитель фототока.

Усилители постоянного тока (УПТ), предназначены для усиления медленно меняющих сигналов с частотой от 0 Гц и выше. Их используют для усиления сигналов от различных датчиков. Нагрузкой этих усилителей могут быть электромагнитные реле, лампы накаливания или электроизмерительные приборы.

Важнейшей характеристикой каждого усилителя являются его коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Основным элементом усилителя является транзистор.

Рассмотрим работу простейшего усилителя постоянного тока(фототока), собранного по схеме, показанной на рис 1 (доска).

Фоторезистор, включенный в цепь базы, определяет ток базы(I_б), который и является управляющим сигналом для транзистора. Изменение тока базы приводит к изменению значительно большего тока коллектора I_к в выходной цепи. В этом и состоит усиление транзистора. Оно характеризуется статическим коэффициентом передачи тока базы В. Для данной схемы включения транзистора B=I_k/I_б.

Статический коэффициент В у разных типах транзисторов может меняться от 10 до 100. Этот коэффициент не является постоянной величиной, он зависит от выбранного тока базы. Если нужно увеличить коллекторный ток, то используют второй транзисторный усилитель. В двухкаскадном усилителе постоянного тока транзистор VT2 включен по схеме, показанной на рис 2. Нагрузка – лампа накаливания – включена в цепь коллектора, ток базы.

Работает усилитель фототока следующим образом. С увеличением освещенности возрастает ток базы транзистора VT1, соответственно, увеличивается значительно большие токи коллектора и эмиттера, что приводит к возрастанию токов во втором транзисторе. Увеличение коллекторного тока транзистораVT2 приводит к постепенному нагреву нити лампы. Возможен также релейный, или ключевой режим работы усилителя, когда, начиная с какого-то определенного значения входного тока происходит резкое изменение выходного тока. В результате лампа или ярко загорается, или гаснет; промежуточных состояний, когда нить постепенно нагревается нет. Подобный режим обеспечивается введением положительной обратной связи, когда часть напряжения с выхода подается на вход, так, что происходит возрастание коэффициента усиления. Положительную обратную связь мы изучим позднее.

3. Практическая работа.

Вам необходимо собрать двухкаскадный усилитель фототока на макетной плате. Скажите, с чего начнем выполнение (сопровождается демонстрацией презентации).

1. Вначале расставим узлы (делаем это прямо на карточках, которые раздает дежурный каждому учащемуся), затем пронумеруем их и выводы каждого элемента.

2. Затем запишем формулу принципиальной схемы.

3. По полученным данным определим на макетной плате количество клемм, необходимых для сборки устройства (рис 3).

Формула схемы:

(Читается следующим образом: “”минус” первый вывод батареи соединяется в первом узле со вторым выводом ключа; во втором узле соединяются первыми выводами резисторы R1 и R3, лампа накаливания и ключ; в третьем узле соединяются второй вывод резистора R1, первый вывод резистора R2 и первый (база) вывод транзистора VT1; в четвертом узле – второй вывод резистора R3, второй (коллектор) вывод транзистора VT1, и первый вывод (база) транзистора VT2; в пятом узле – второй вывод лампы и второй вывод (коллектор) транзистора VT2; в последнем (шестом) узле соединяются второй вывод резистора R2, третьи выводы (эмиттеры) обоих транзисторов VT1 и VT2, а так же второй вывод батареи “плюс”.)

4. Предупреждаю учащихся о том, что сборку необходимо выполнять не спеша, сверяясь со схемой, стараться не допускать пересечения проводов,

5. Из набора учащиеся выбирают необходимые для сборки детали (два транзистора КТ209, два резистора сопротивлением 2 кОм, фоторезистор, ключ, миниатюрную лампу, ключ, батарею элементов).

6. Выбирают на макетной плате клеммы-узлы к которым будут присоединять детали.

7. Собирают устройство парами, помогая друг другу, согласно формуле схемы (сборка цепи на макетной плате показана в презентации).

8. Учитель совместно с учениками проверяет работоспособность собранных устройств.

9. В процессе работы учащиеся и учитель консультируют тех, у которых устройство не работает по тем или иным причинам.

10. Учащиеся делают вывод: фотореле срабатывает при затемнении фоторезистора. При затемнении сопротивление фоторезистора увеличивается, сила тока через делитель напряжения R₁, R₂ уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения на базе транзистора VT1. Транзистор VT1 закрывается, сопротивление его эмиттерно-коллекторного участка возрастает. Это и приводит к уменьшению силы тока, проходящего данный участок и резистор R₃. Напряжение на базе транзистора VT2 увеличивается, и он открывается, в результате сопротивление эмиттерно-коллекторного участка транзистора резко уменьшается. Вследствие этого сила тока через лампу накаливания увеличивается, что приводит к ее загоранию.

5. Закрепление материала.

В ходе закрепления материала с учащимися рассматриваем следующие вопросы:

1. какое устройство можно назвать автоматическим?
2. с какими автоматическими устройствами Вы познакомились на уроке?
3. из каких деталей состояли автоматы прошлого?
4. какую структуру имеет любое автоматическое устройство?
5. что такое усилитель постоянного тока? как он работает?
6. опишите работу фотореле на основе двухкаскадного усилителя.

6. Подведение итогов урока.

Предлагаю каждому учащемуся самостоятельно проанализировать проделанную им работу на уроке и выставить себе оценку.

Обобщаю урок: Сегодня вы познакомились с автоматическими устройствами, собрали простой автомат на основе усилителя фототока и проанализировали его работу. На последующих занятиях мы продолжим с вами изучение автоматических устройств и создадим некоторое из них на основе полученных сегодня знаний и умений.

7. Домашнее задание:

Подготовить доклад на тему: “Простые автоматические устройства”.

Литература

1. “Технология 9” Симоненко В.Д., Богатырев А.Н., Очинин О.П. под ред. Симоненко В.Д. М.: Вентана-Граф. 2013.
2. П.П. Головин “Радиоэлектроника в школьном кружке” Ишеевка изд-во Импульс 1997 г.
3. А.Н. Богатырев “Радиоэлектроника, автоматика и элементы ЭВМ 8-9” Мсква, изд-во “Просвещение” 1990 г.