План моего курса по основам аналоговой электроники в школе
- воскресенье, 16 марта 2025 г. в 00:00:14
Эти занятия на правах предмета по выбору я веду в одной из местных школ с 2006 года. Их цель — дать представление юным знатокам — любителям ардуин — некоторое представление о том зачем светодиоду резистор, не говоря уже о пользе транзисторов‑конденсаторов и прочих чудес :-) Занимаемся в основном на макетных платах, впрочем об организационной стороне дела лучше написать потом отдельно.
Такой список занятий с картинками (!) может быть полезен как тем кто захочет провернуть что‑то подобное в собственной школе (но затрудняется с чего начать) — так и тем кто сам захочет немного освежить понимание всех этих «аналоговых фокусов». Прилагаю и ссылочки на накопившиеся «электронные конспекты» по соответствующим темам. В принципе они годятся и для самообразования:‑)
Занимаюсь со школьниками 8–10 классов. Считаю что материал по большей части доступен и 5–6-классникам (все вычисления в основном на уровне арифметики начальных школ) — но у нас в школе набор только с 8 классов, да и школьники нынче иные чем в «старые добрые времена»:‑)
Спецкурсы проходят после основных занятий (4я пара или 7–8 часы) и школьники предсказуемо уже утомлённые, поэтому обычный режим — 15–20 минут теории, после чего практическая часть — сборка какой‑нибудь крохотной схемы демонстрирующей обсуждаемый эффект.
Отличие от кружка — в том что занятия проводим в обычной аудитории 1 раз в неделю. На 1 раз в неделю оборудовать специально лабораторию на 20 посадочных мест никто не будет — поэтому «всё своё ношу с собой», ну точнее ящик с инструментами, платами и батарейками храню в школе, а компоненты ношу. Об организационной стороне если надо расскажу отдельно.
Другой нюанс — ребята из разных классов и с разным уровнем подготовки. Поэтому существуют «конспекты» которые я выкладываю после занятий для желающих — ну и при самих объяснениях нужно пытаться всем донести суть. Впрочем ситуацию упрощает то что электроники почти никто не знает, а то что знают — мало куда годится.
Например, один из первых «парадоксов» который я предлагаю — убедиться что «Закон Ома не работает!» — поскольку школьники у нас с углублённым изучением физики, они слегка выпадают в осадок «как, да ведь на олимпиадах задачи решаем...» — я привожу практический пример:
смертельным током для человека является примерно 0.1 А
сопротивление человека (попросим добровольца подержать щупы мультиметра) - 50-200 кОм
попрошу нескольких желающих поделить 220-230 Вольт на это сопротивление и убедиться что совать пальцы в розетку, "согласно закону Ома", абсолютно безопасно (недоверчивый смех)
Здесь конечно дело не столько в самом законе сколько в его правильном применении к человеку и переменному току...
Выше сказал, что работаем на макетных платах - но на самом деле 2-3 занятия в семестр стараюсь устроить более "практическими" - такими что в результате школьники делают какую-нибудь штуку которую уносят домой (и с гордостью могут показать родным... ну хоть младшим братьям-сёстрам).
Самое первое занятие в последние годы проходит в таком же ключе. Сначала упоминаю основные законы (конспект) с которыми нам придётся сталкиваться.
Потом в качестве примера компонента соблюдающего закон Ома привожу резистор, а в качестве компонента не соблюдающего данный закон - неоновую лампочку. Изображаю на графике нелинейный характер ВАХ у лампочки, поясняю как на графике же складываются напряжения.
Для данного занятия приходится закупить собственно неонки, резисторы и обычные сетевые вилки. Несколько отвёрток и ножей в качестве инструментов куплены уже давно - но прошу кому не лень захватить и собственные на занятие. То что нужно сделать выглядит приблизительно так:
Громко и угрожающе заявляю что проверять поделки самим нельзя — пусть приносят мне. Обычно из 15–20 человек у кого‑нибудь да «бумкнет». С учётом автоматов это в целом неопасно зато поучительно. Сам, естественно, включаю соблюдая всякие предосторожности и через удлинитель имеющий дополнительную защиту (такие как для компьютеров, «пилоты»).
Работает примерно так:
Конечно это довольно примитивно‑несерьёзно, но с учётом того что половина школьников не знают в какую сторону завинчиваются винтики — не говоря уж о том что вилок в жизни не разбирали — воспринимается очень позитивно. Да и в хозяйстве полезный навык:)
Объясняю что диоды вообще и светодиоды в частности — это элементы которые тоже не подчинены закону Ома. Рисую ВАХ, объясняю почему приходится ставить токоограничительный резистор. Конспект.
С некоторыми это безнадёжно — они до конца семестра будут периодически втыкать без резистора и уж тем более повторить расчет тока в этой простой схеме даже на зачете — огромная проблема:)
Для практической части раздаю штук 5 светодиодов и предлагаю проделать такие эксперименты:
поставить последовательно несколько светодиодов (с одним резистором) и убедиться что напряжения батарейки может не хватить на них всех - т.е. ВАХ действительно такая как обсуждали
включить два светодиода "антипараллельно" (плюс резистор) и убедиться что при переключении полярности батарейки горит то один то другой (наверняка будут путать выводы светодиодов - ну вот и попрактикуются)
собрать "светодиодный мост" и убедиться как ток проходит разными путями при переключении полярности.
На последние 2 пункта есть отдельная страничка конспекта.
Объясняю что транзистор - усилительный элемент. Рассказываю про коэффициент усиления по току. Прошу научиться рисовать транзистор и запомнить название ног. Распиновку прошу загуглить самостоятельно (просто в качестве упражнения - т.к. у всех телефоны).
Рисую и объясняю расчет в схеме с общим эмиттером. Она будет повторяться и в некоторых других занятиях. Про другие способы включения не рассказываю т.к. к этому моменту информация перестаёт помещаться в головах ребят :) Лучше по мере необходимости к этому прийти позже. Конспект.
Практическая часть состоит в воспроизведении на макетной плате схемы с ОЭ, как на данной фотографии. Тут отмечу что ряд красивых фото наших "поделок" были выполнены ученицей тогда 9 класса Аней Михайловой, за что ей большое спасибо. В этой схеме доступны два-три простых эксперимента:
включаем светодиод в цепь с резистором базы - и убеждаемся что он горит очень тускло - т.е. через базу действительно течёт очень слабый ток, который заставляет гораздо более ярко гореть светодиод в коллекторной цепи
прошу вынуть резистор (и светодиод) из базовой цепи, и вместо них замкнуть цепь собственными пальцами (мы ведь замеряли сопротивление мультиметром) - и убедиться что этого может быть достаточно для того чтобы транзистор открылся (мы используем обычно BC549 у них довольно большой коэффициент усиления).
если удаётся закупиться фоторезисторами подходящего сопротивления, можно немного модифицировать схему (перенести резистор в коллекторной цепи под эмиттер) и сделать "автомат управления освещением" - вот страничка в конспекте - там два варианта т.к. раньше вместо фоторезисторов пользовались фотодиодами (сейчас они подорожали) - в общем, исходите из того с какими компонентами работаете.
С конденсаторами много нюансов - они довольно разнообразные и применения у них разнообразные. К тому же чёткое понимание их требует представления о динамических процессах, но интегралами даже простыми пугать школьников ни к чему. Поэтому объясняю заряд и разряд RC цепочки рисуя обратную экспоненту, объясняю про постоянную времени - и почему конденсатор в этом смысле не похож на батарейку (обязательно спросят все равно). Для начала стараюсь сосредоточиться на этом. Фильтры рассказывать перестал хотя в принципе это возможно. Реактивное сопротивление краем можно будет затронуть чуть позже (см. NE555). Конспект тут - к сожалению сам график кривых я кажется до сих пор туда не добавил, нужно будет исправиться.
Практическое задание незамысловатое:
сперва попробуем разрядить конденсатор через резистор и светодиод (резонно подобрать ёмкость которая на данном резисторе даст достаточную по длительности вспышку - вспоминаем про tau=RC
)
теперь собираем снова схему с ОЭ как на прошлом занятии - но верхний конец резистора в базовой цепи не подключаем к питанию - а разряжаем через него конденсатор - теперь светодиод светится гораздо дольше и можно грубо сравнить RC со временем угасания.
Пришла пора когда стоит сделать схему имеющую минимальный практический смысл (если ещё не делали автомат управления освещением, как выше - можно и его вынести в отдельное занятие). Довольно осмысленной вещью является генератор - т.к. они в самых разных схемах в электронике в качестве составных частей присутствуют.
Объясняю что создать периодический процесс оказывается не так просто. Поскольку можно убедиться что даже 5-6 компонент по схеме соединить правильно ребятам бывает на удивление сложно - то в целях минификации взял эту схему, которую можно было встретить в советских книжках и брошюрах в разных вариантах - её характерная особенность в том что заряд происходит за время определяемое резистором - а вот время разряда не обязательно контролируемое. Как следствие она достаточно чувствительна может быть к выбору светодиода и транзисторов. В советские времена как минимум один транзистор был германиевым и это несколько меняло дело (т.к. германиевый транзистор пропускает достаточно заметный ток даже без управляющего воздействия).
Страничка в конспекте. Я не готов утверждать что школьников обязательно нужно знакомить с этой схемой - дальше мы будем делать более надёжные генераторы. С другой стороны он может быть использован там где период должен контролироваться одной RC-цепочкой. Или там где в схеме нарисован генератор на однопереходном транзисторе (классический пример - стилофон).
Резистор можно для демонстрации заменить (или добавить) фоторезистором.
Это вещь классическая - генератор из двух симметричных частей на транзисторах (или с другой точки зрения - двухкаскадный усилитель охваченный обратной связью). Имеет смысл в качестве практики работы с макетной платой (в нём аж 10 компонент), либо если не делали предыдущую схему, а также в качестве подготовки к "новогодней поделке" (см ниже).
Конспект содержит объяснения и даже анимацию - но в последние годы я в объяснения не впадаю. Всё равно по большей части это "вылетит из другого уха" - да и обычно нам проще сконструировать более надёжные, простые и управляемые схемы генераторов.
Особо усердным можно предложить собрать ту же схему с 3 секциями вместо двух. Такая обычно использовалась для "бегущих огней".
Обычно тут как раз проходят осенние каникулы и после них мы собираемся вновь чтобы начать заниматься с микросхемами.
Расспрашиваю кто что помнит о логике (логические функции и т.п.), пугаю что в электронике все может быть сложнее и страшнее (например что высокий уровень может быть слаб по току "слабая истина" или вывод может находиться в high-Z состоянии). Тут не всем легко устаканить что 0 это соединение с минусом питания а не просто отсутствие сигнала. Часть конспекта об общих темах связанных с логическими чипами.
Объявляю что сегодня мы будем делать оперативную память для суперкомпьютера будущего. Каждый сделает 1 бит. Поясняю что достаточно нетривиальным кажется вопрос как схема может запомнить какое-то состояние.
Будем делать RS-триггер - достаточно микросхемы типа К555ЛА3 или ЛА4 - или иноземного аналога (7400) - но желательно чтобы ТТЛ(Ш) а не CMOS, поскольку нам желательно чтобы неиспользованные входы были "подтянуты к плюсу" внутри. Объясняю этот момент отдельно (на неиспользованных входах - логическая единица - это нам ещё пригодится).
Сам RS-триггер вещь незамысловатая - микросхема, пара светодиодов и резисторов. Проводки для обратной связи и отдельный проводок которым тыкать (от GND) во входы чтобы переключать его. Тут отдельная страница конспекта.
Временно отклонимся от чисто-логических микросхем, т.к. таймер на NE555 удобно использовать и в других поделках. В рассказе про него есть два аспекта:
повторить заряд-разряд RC-цепочек, т.к. здесь это очень наглядно
подробно рассказать о внутреннем устройстве (хотя и необязательно) - т.к. там есть RS-триггер, правда ещё и компараторы.
Вот конспект. В практическом смысле интересно не только сам таймер запустить, но сделать каскадное включение. Например один таймер с более длительным периодом может управлять вторым, у которого период более короткий. На анимации ниже красный управляет зелёным (по-моему через 4-ю ногу). Также в качестве ведомого может выступать таймер с пьезо-пищалкой вместо светодиода. Или вышеупомянутый генератор на транзисторах разной структуры.
Обращаю внимание на "упрощённую" схему (когда RC-цепочка прямо к выходу подключается) - минимум элементов, но заметно что время проблеска и паузы неодинаково - как демонстрация про неравноценные низкий и высокий уровни выхода.
UPD: чуть не забыл - выше в занятии о конденсаторах упоминалось что можно демонстрировать прохождение переменного тока через конденсатор - вот это на NE555 я как раз предлагаю школьникам посмотреть: частоту выбираем несколько сот герц (как для "пищалки" а не "мигалки") - а на выход ставим два антипараллельных светодиода к которым последовательно вместо резистора подключен конденсатор, скажем, 0.1 мкФ. Светодиоды светятся (хотя обращаю внимание школьников, что по 1-му закону Кирхгоффа ток через конденсатор идти не может) - но если выдернуть один - второй тоже погаснет - это выглядит почти как маленькая уличная магия для ребят :)
Здесь мы используем микросхемы типа К555ТМ2 - в них 2 D-триггера и можно собрать счётчик-делитель на 4.
Объясняю что неудобство RS-триггера в том что разные сигналы нужно подавать на разные входы. Показываю как с его помощью собрать D-триггер с сигналом Enable (D-latch) а потом предлагаю использовать выделитель фронта (X & ~X
) на этом управляющем входе, чтобы срабатывало только по фронту.
Когда это утряслось в голове, показываю как охватить Д-триггер отрицательной ОС чтобы получился делитель на два - и предлагаю соббрать двухкаскадную версию (т.к. в микросхеме триггеров двое).
Здесь будет нюанс - вручную тестировать правильность переключения довольно сложно т.к. срабатывает "дребезг". Поэтому желательно заодно собрать таймер на NE555 и завести сигнал с него. Если светодиоды есть на выходе таймера и на выходе обоих каскадов - очень наглядно что они переключаются с кратной частотой.
Важно объяснить что подобный счетчик может быть основной целой кучи измерительных устройств (выдаём импульсы - со счетчика Гейгера - или с осциллятора управляемого напряжением) - считаем их за время задаваемое каким-нибудь медленным генератором на NE555 - и выводим хоть в двоичной системе - хоть через десятичные делители и преобразователи в семисегментный код.
Конспект из 2 частей: Д-триггер и Счетчик.
Их я даю опционально, если хватает занятий в семестре и т.п. С одной стороны это очень важный и удобный "кирпичик" в схемотехнике, не всё стоит пытаться на транзисторах лепить. С другой стороны тема обширная (если вспомнить количество схем на ОУ). С третьей значительная часть схем для ОУ связаны с фильтрами чего мы не касались. С четвёртой питание ОУ часто оставляет сумбур даже в головах опытных электронщиков, поэтому насчет школьников я особых иллюзий не питаю.
В то же время рассказать в общих чертах и хотя бы объяснить и попробовать построить схему неинвертирующего усилителя с однополярным питанием - довольно полезно. Поэтому вот конспект.
В качестве практики неплохая схема с неинвертирующим усилителем у которого на выходе светодиод, на входе же микрофон через дифференцирующий RC-фильтр. Можно сделать его двухкаскадным (тогда легче выбрать подходящий коэффициент усиления). Получается очень наглядно - реакция на щелчок, хлопок или свист визуализируется миганием светодиода. Ниже представлена картинка когда эту схему мы воплотили в рамках коллективной работы по созданию этаких демонстрационных модулей. Можно было подключить его к одновибратору и дальше к счетчику и преобразователю с семисегментным индикатором - и считать щелчки.
Итак я описал десяток занятий и схем. Это по-моему не все - но обычно в семестр умещается как раз 9-10 подобных занятий, т.к. есть ещё зачёт и 1-2 "паяльных" занятия.
Вообще много про что наверное имело бы смысл упомянуть если именно делиться опытом организации и ведения занятий в школе - и закупку компонентов и инструментов, и индивидуальные проекты или коллективные работы на 2й семестр, есть также у нас чисто "лекции" по истории радио и пр. Пара походов в музеи. Эксперименты с микроконтроллерами на низком уровне. Но это всё где-то нудно, а где-то не очень важно в смысле непосредственно электроники. Поэтому наверное лучше оставить на вопросы - если нужно что-то дополнить или просветить - спрашивайте, пожалуйста!
Вообще замечу что преподавание электроники в обычной школе - это постоянная необходимость что-то придумывать, импровизировать - а порой и выкручиваться из сложных ситуаций. На фото ниже - забавный момент из 2020 года, когда нас атаковала пандемия и пока обычные занятия в школе ещё проводились изолированно по классам, наши опциональные курсы уже переехали в онлайн - но компоненты-то надо было раздать - и я сказал ребятам чтобы по 1-2 человека зашли в лабораторию и забрали уже расфасованные по пакетикам детальки :) Магический девайс справа - самодельная лампа из светодиодной ленты - работа одной из девятиклассниц для конференции школьников.