Дмитрий Мамичев - Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника
Обзор книги Дмитрий Мамичев - Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника
Мамичев Дмитрий Иванович
«Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника»
Родным и близким,
Ирине, Алёше и Ксении посвящаю…
Предисловие
Совершенство достигнуто не тогда, когда нечего добавить, а тогда, когда нечего убрать.
Антуан де Сент-ЭкзюпериВ этой книге, в отличие от предыдущих, много внимания уделено именно практическим конструкциям, их схемотехнике и концептам изготовления.
Успешность человека, имеющего хобби практической направленности, по крайней мере, внутренняя (на мой взгляд), состоит из трёх компонент: владение технологиями, знание и понимание «схемотехники увлечения» и… творческое начало личности. Добавить, пожалуй, можно желание делиться идеями и наработками с другими. Обо всех составляющих понемногу было рассказано в книгах. Рассказано на примерах конструкций игрушек, игр, сувениров. Эта книга — финал повествования.
Глава 1
ЛЕТНИЕ КОНСТРУКЦИИ
Конструкции этой главы навеяны холодно-дождливым июлем 2015 года. Лишь в последнюю неделю пришла долгожданная летняя жара. Учительское лето короткое, и его всегда так мало…
Поэтому, наверное, и конструкции этой главы простые и быстрые на реализацию. В них нет как таковых печатных плат, монтаж в основном навесной.
Страж
Игрушка, изображение которой представлено на рис. 1, имитирует преданное хранение вверенного имущества. Зоркий страж, постоянно поворачиваясь, пытливо всматривается в окрестности, защищая добро от посягательств. Выполненная в «традициях БИМов», игрушка не содержит химических источников тока. Работает конструкция от энергии солнца, используя в качестве преобразователя солнечную батарею G1 (pис. 2). Игрушка будет интересна как настольный сувенир, может стать завсегдатаем подоконников окон солнечной стороны в качестве предмета релакса.
Схема управления двигателем M1 представлена на рис. 2. Трансформатор Т1 и транзистор VT1 образуют блокинг-генератор. После помещения конструкции под яркие солнечные лучи в моменты времени, когда транзистор закрыт, импульсы тока индуцированного суммарного напряжения обмоток трансформатора через развязывающий диод VD1 заряжают конденсатор С1. Резистор R2 ограничивает импульсы тока, управляющие работой транзистора. С течением времени напряжение на конденсаторе растёт. При его значении около 11 В происходит лавинообразное открывание транзистора VT2. Через развязывающий диод VD2 заряжается конденсатор С3. Статор мотора М1 начинает вращаться. При снижении напряжения конденсатора С1 до 8–9 В транзистор закрывается, однако открывается транзистор VT3.
Происходит дальнейший разряд накопительного конденсатора С1 на обмотки двигателя. Статор с закреплённой на нём конструкцией совершает поворот на угол около 120 градусов относительно ротора-основания. Далее цикл работы схемы повторяется. Конденсатор С2 обеспечивает устойчивый «лавинный пробой» транзистора VT2.
Таким образом, схема представляет собой так называемый солнечный двигатель. Его отличие от «классического двигателя Марка Тилдена» по схеме (рис. 3) — в наличии повышающего преобразователя напряжения и иного «спускового механизма» (транзисторы VT2,VT3). За счёт зарядки накопительного конденсатора до напряжения 11В энергия разряда существенно увеличивается, что повышает «тяговые возможности двигателя».
Резистор R1 является своего рода предохранителем на случай обрыва в цепях транзисторов. В таких ситуациях он защищает конденсатор С1 от перезаряда.
Конструктивно игрушка выполнена в «вертикальном наращивании». Элементы схемы смонтированы объёмно-навесным способом монтажа. Рисунок 4 поясняет её исполнение. На вал двигателя 3 надевают пластмассовый круг-основание 2. Снизу к поверхности основания приклеено резиновое кольцо 1. К контактным лепесткам мотора через сквозные отверстия припаяна плата 4, изготовленная из односторонне фольгированного гетинакса, её диаметр 25 мм. К плате, в свою очередь, припаяна стойка 6 для крепления солнечной батареи. На неё предварительно натянута переходная муфта 5. Муфта скручена на оправке (велосипедной спице) из проволоки канцелярских скрепок. К концам муфты на заключительном этапе сборки припаивают руки стража. Таким образом, получается шарнирное соединение рук.
Солнечная батарея вырезается из газонного светильника. Чтобы не повредить рабочий слой солнечной батареи (рис. 5), удобнее при приклеивании бруска 7 предварительно закрепить на обратной стороне элемента пластмассовую планку-переходник 8, используя для крепления боковые пластмассовые бортики лицевой панели светильника. Клей лучше использовать вязкий. Стержень Г-образной стойки 6 должен входить в сквозное отверстие бруска 7 с небольшим усилием. Такая конструкция позволит регулировать угол наклона батареи G1 на солнце. Утром, когда света ещё мало, страж сможет отворачиваться даже при слабой освещённости. А для того, чтобы обеспечить стабильное вращение игрушки, можно воспользоваться зеркальцем. Солнечный зайчик, играющий на панели батареи, заставит её работать на заряд конденсатора.
Оружие стража изготовлено из пластиковой шпажки для коктейлей, глаза из шариков — пулек от пневматики. Они помещены внутрь ячеек отрезка «таблетного блистера». Сзади отрезок заклеен плотным картоном, вырезанным по контуру глаз. Нос изготовлен из отрезка резиновой трубки. В торец вставлен пластмассовый шарик (пулька детского пружинного пистолета). Лицо «приклеено» к бруску 7. Опорное резиновое кольцо 1 склеено секундным клеем из отрезка шнура скакалки. Двигатель 3 и основание 2 изъяты из DVD привода компьютера.
Настройка изделия сводится к подбору ёмкости конденсатора С1 в пределах 220-2200 мкФ для регулировки угла поворота стража. При подборе следует учесть, что с увеличением ёмкости увеличивается и время заряда конденсатора. Экземпляр транзистора VT2 на необходимое напряжение лавинного режима, возможно, придётся также подбирать.
В конструкции допустимо применение резисторов MЛT, С2-23, R2 — его номинал может быть в интервале 1…10 кОм. Транзистор С3199 заменим отечественными транзисторами КТ315Б, КТ315Г, или любым из серии КТ3102. Вместо транзистора КТ815В подойдут и транзисторы серии КТ315. Трансформатор намотан вдвое сложенным проводом ПЭЛ-0,2 (25 витков) на магнитопроводе К7х5,5х2 из феррита с проницаемостью 1000…2000. Диод Шоттки можно использовать импортный, серий 1N5818, 1N5817 или 1N5819, или заменить обычным серии Д220, Д223.
Пограничник
Концепт этого робота подробно изложен в моей книге «Роботы своими руками. Игрушечная электроника» (СОЛОН-ПРЕСС, 2015, с.87). Отличие данной конструкции состоит в существенном упрощении ходовой части и схемного решения изделия. Как и предыдущая поделка, при освещении полигона внешним источником света робот движется вдоль границы белого и чёрного полей.
Внешний вид игрушки изображен на рисунке 6. Это хорошо известная всем опорная «трёхточка». Две точки образуют валы двигателей, третья — проволочная скоба. Поочерёдно переключаясь, моторы заставляют робота двигаться по криволинейной траектории на плоскости.
Схема управления двигателями дана на рис. 7. После включения питания, в зависимости от освещённости фототранзистора VT1, включается либо мотор M1, либо мотор М2. Так, если фотодатчик находится над светлой поверхностью, сопротивление перехода фототранзистора мало, открывающий ток поступает на базу транзистора VT2. Сопротивление коллектор — эмиттерного перехода уменьшается и включается М1.
База транзистора VT2 через резистор R2 и открытый переход транзистора VT1 замкнута на «минус», поэтому транзистор закрыт и ротор двигателя М2 неподвижен. Робот начинает разворачиваться.
При заходе датчика на чёрное поле, сопротивление его возрастает до многих десятков кОм, и транзистор VT2 закрывается. База транзистора VT3 через резистор R2 и обмотку двигателя М1 оказывается подключённой к «плюсу» питания. Мотор М2 запускается, и робот разворачивается в противоположном направлении. При выходе робота на белое поле цикл повторяется. Таким образом, он движется вдоль границы раздела белого и чёрного полей. Конденсатор С1 задаёт инерционность «принятию решений» робота о развороте. При его отсутствии пограничник может замереть ровно на границе и далее не станет двигаться. Диод VD1 снижает напряжение питания двигателей, создавая иллюзию вальяжного, неспешного движения робота вдоль границы.
