Эта книга написана одним из постоянных авторов журнала РАДИО. Тематика его публикаций в разделе для начинающих электронные игры, игрушки, сувениры. Книга состоит из двух частей. В первой части изложены общие вопросы конструирования самодельных игрушек, игр, игрушечных - роботов, сувениров. Во второй части собственно даны описания конструкций, систематизированные по четырём направлениям, часть из которых ранее нигде не публиковалась. Предполагаемый круг читателей - начинающие электронщики, любители конструировать с паяльником в руках, люди увлекающиеся изготовлением подарочных игрушек-сувениров с "электронной начинкой", просто отцы кому интересны собственные дети, педагоги дополнительного образования, желающие научить детей разбираться в азах "конструирования своими руками".
Содержание
Предисловие 6
Часть 1
Глава 1. Соединяем и разъединяем… 10
Глава 2. Разработка и изготовление печатной платы конструкции под "собственные условия" 19
Глава 3. О взаимозаменяемости… 32
Часть 2
Глава 1. Сколько светодиодов в гирлянде может "зажечь пальчиковая батарейка"? 46
Светодиодный "карандаш" для рисования светом 46
Светодиодная звезда 51
Светодиодный сувенир "Сердце двоих" 56
Светодиодный ночной автономный маркер 61
Ёлка-палка 66
Светодиодная новогодняя трёхканальная гирлянда 69
Глава 2. Роботы-игрушки своими руками 73
Виброход 74
Автоматическая подсветка для виброхода 77
Виброход идёт по линии 79
Управляемый танк-виброход 83
"Пограничный" робот 87
Робот "Пилигрим" 96
Робот "Отшельник" 101
Робот с одним ведущим колесом 106
ВЕАМ робот "Солнечный ветроход" 113
Виброполигон для безмоторных виброходов 117
Глава 3. Игрушки-сувениры в подарок и просто на память 118
Игрушка-сувенир "Смерть кащеева" 118
Игрушка-сувенир "Фея оживляет сердце" 123
Ночник "Три цвета" 128
Светодиодная "свеча" 135
Паук на нити: вторая жизнь старого плейера 138
Глава 4. Электронные игры 142
Игра-тренажер "Таблица умножения" 142
Игра "Силомер" 147
Игра-уровень 151
Глоссарий или мудрёные словечки 155
Послесловие 158
Список используемой литературы 159
Вечно начинающим посвящается…
Предисловие
Я не знаю, мой читатель, сколько тебе лет, да это и не столь важно для начинающего. Начинающего что-то новое и интересное, полезное для себя или окружающих.
Развитие любой цивилизации напрямую зависит от развития науки и техники. Любая техника или полезные конструкции, в конечном счёте, призваны облегчить жизнь человека, освободить дополнительное время в ней, которое он может потратить на нечто более важное (например, на развитие той же техники).
Весь прошлый век был веком появления и бурного роста радиоэлектроники. Трудно найти область созидательной деятельности человека, где так или иначе не используются устройства радиоэлектроники. Благодаря ей машины становятся "умными", способными самостоятельно решать поставленные задачи. Но создавать и учить машины приходиться человеку. Он Бог и Творец машин.
Творчество - основа самореализации личности человека, если хотите стержень успешности в жизни. Более четверти века назад сотни тысяч "инженеров - электронщиков", ремонтников, конструкторов и сборщиков РЭА совмещали профессию с увлечением или как скажут сегодня - с хобби. Они были счастливы, потому что творили. Радиолюбительский журнал "Радио" выходил миллионным тиражом. Государство имело огромный потенциал высоквалифицированных творческих профессионалов. Сегодня у нас дефицит инженеров, мы мало что делаем руками - больше добываем и продаём. И тут вспоминаются слова академика А.Ф. Иоффе "Чтобы не остаться позади, есть только одно средство - идти вперёд!"
Путь в профессию, а иногда и в самой профессии начинается с увлечения, например техническим творчеством. Мой отец по профессии учитель увлёкся радиотехникой в начале 60-х годов прошлого века. Собирая приёмники прямого усиления по схемам В. Плотникова, М. Румянцева, В. Морозова, В. Верютина, своё увлечение он перенёс в профессию, организовав школьные радиокружки для детей.
Детство!.. - наивная пора ожидания чуда. Человек выходит из него и неминуемо, рано или поздно, вновь возвращается… Небольшой кабинет-комната, стол с ящиками. На столе разложено множество разноцветных "жучков - червячков" и инструменты для их "пыток". Папа гнёт им ножки, откусывает и расставляет по пластинке, прижигает паяльником (главное орудие пыток) - "это детали, и я их монтирую" - говорит он мне. "А зачем, им же больно?" - не унимаюсь я. "Сиди тихо, узнаешь" - отвечает он. Сижу тихо - смотрю целую вечность, как на пластинке растёт жучиный отряд. Растёт, а ничего не происходит. Скучно. Убегаю играть в сад перед домом. Вдруг слышу из комнаты через форточку чей-то чужой громкий голос. Голос о чем-то монотонно рассказывает. "Это кто?" - вбегаю в комнату и слышу, что голос звучит со стола. "Это что?" - переспрашиваю. "Это - они. Твои жучки" - улыбается отец - "Это ты их научил!?" - восторженно вопрошаю - "Нет. Они сами" - громко смеясь, отвечает он…Отца давно уже нет. А память есть. Память - она остаётся навсегда.
На все года. Чувство радости и восторга, рождённое творчеством! Любой, кто хотя бы однажды реализовывал, воплощал свой замысел, доносил до окружающих идею в конструкции, знает, о чём я говорю. В творчестве рождается уважение к труду, появляется пытливость ума, растёт желание быть полезным другим, постигать новое.
Человек с рождения осваивает мир. Первым объектом познания, конечно же, является игрушка. Любимая, неповторимая, единственная и такая разная, она приучает нас к целенаправленной, осмысленной деятельности, способствует развитию мышления, памяти, речи, эмоций. Игрушки широко используются в обучении детей, особенно для развития детского, технического и художественного творчества. Мы постоянно дарим их друг другу, иногда сооружаем игрушки своими руками, вкладывая в них некий тайный смысл и "кусочек себя".
Вот здесь ты, читатель, наверное, и спросишь - "О чём эта книга? Что в ней?" Отвечу коротко и ясно. В ней статьи - описания изготовления электронных игрушек, игрушек - сувениров, электронных игр, различных игрушечных конструкций. Все они имеют несложные принципиальные схемы, схожие "технологии" изготовления на доступной элементной и ресурсно-материальной базе. Рассчитаны на повторение начинающими радиолюбителями и способствуют активизации творчества, и надеюсь появлению приятного времяпрепровождения. Успехов и удачи!
Дмитрий Мамичев
Часть 1
Эта часть книги посвящена общим вопросам технологии повторения конструкций, её "философии". Материал, изложенный здесь лишь, обрисовывает контуры множества вопросов, которые могут возникнуть при желании сделать подобные изделия самому. Однако и ограждает тебя, читатель от ошибочных путей повторения.
Глава 1.
Соединяем и разъединяем…
Конструировать - в общем значении слова - создавать или преобразовывать сущее, то есть материальное в новые комбинации, сочетания иных свойств. Мы просто разъединяем и соединяем, многократно повторяя одно и то же, каждый раз по - новому. Почти все конструкции, описанные в этом сборнике, содержат печатные платы с радиоэлементами. Платы помещены в корпуса или футляры, в основном пластмассовые. Поэтому в первой главе кратко изложены вопросы обработки применяемых материалов резанием, пайкой и склеиванием.
Соединение элементов пайкой
Пайка используется для создания неразъемного контакта выводов элементов между собой или между выводом элемента и контактной дорожкой печатной платы с помощью припоя - сплава, имеющего более низкую по сравнению с соединяемыми элементами металла температуру плавления. Таким образом, соединение пайкой обеспечивает механическое крепление элементов при наличии надёжного электрического контакта с малым переходным сопротивлением.
При процессе пайки места соединений нагревают. Так как припой имеет температуру плавления значительно ниже, чем соединяемый металл (или металлы), то он плавится, в то время как основной металл остаётся твёрдым. На границе соприкосновения расплавленного припоя с металлом происходят различного рода физико-химические процессы. Например, смачивание металла припоем, растекание по его поверхности, заполнение пустот и зазоров между соединяемыми деталями. При этом составляющие припоя диффундируют в основной металл, граничный слой основного металла растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.
Для практической реализации процесса монтажа радиоэлементов пайкой нужно три основных предмета - электрический паяльник, расходные материалы: собственно припой (чаще всего оловянно свинцовый сплав) и флюс, в роли которого удобнее использовать канифоль. При монтаже "выводных радиоэлементов" на печатные платы с шириной дорожек 1,5-3 мм удобнее использовать "сетевой паяльник" мощностью 25-40 Вт с диаметром стержня медного жала 2-4 мм. Качество пайки во многом зависит от его температуры во время процесса и желательно предусмотреть возможность регулировки этой температуры. Для этого проще всего использовать ЛАТР на рабочее напряжение 220 В, увеличивая или уменьшая напряжение на его выходе и запитав на него паяльник можно регулировать нагрев жала.
Канифоль получают из живицы (смолистого вещества (терпентин), выделяющегося при ранении деревьев хвойных пород) выпариванием летучих веществ - скипидара. Канифоль, таким образом, аморфное хрупкое вещество, получаемое из смол хвойных деревьев. Она легко растворяется в спирте или ацетоне. Благодаря способности канифоли при нагреве до температуры порядка 150°С растворять оксиды олова, свинца и меди, она используется в качестве флюса - противоокислительного компонента, который очищает поверхность при пайке и улучшает растекание припоя, уменьшая его поверхностное натяжение. Канифоль чаще используют в двух формовидах: кусковая (дробленые кусочки размерами от нескольких миллиметров до сантиметров) или твёрдая, залитая в пластиковые контейнеры; жидкая - это спиртовой раствор. Его легко можно сделать самому, залив пузырёк с мелкокусковой - дроблёной канифолью спиртом, например медицинским. Долив через день-два спирта, можно отрегулировать вязкость раствора до желаемого.
Припои бывают в виде гранул, прутков, проволоки, порошка, фольги и даже закладных деталей. Иногда одни и те же припои в разных формовидах имеют весьма существенную разницу в цене. Легче "добыть" пруток и с помощью пассатижей и молотка преобразовать его в гранулу или проволоку, воспользовавшись мягкостью сплава. Наиболее употребительные припои серии ПОС - припой оловянно-свинцовый с числовым указанием процентного содержания олова. Текучесть этих низкотемпературных припоев даёт возможность паять поверхности сложной формы. Наибольшее использование находят припои марки ПОС-30, ПОС-40, ПОС-60. Они применяется при пайке соединительных проводов, элементов РЭА, лужения контактных дорожек.
Качество пайки (механическая и электрическая прочность соединения), кроме используемых видов расходных материалов, зависит также от технологии выполнения процесса, типа соединяемых материалов, размеров и масс выводов элементов, температуры жала паяльника. Температуру можно контролировать на куске канифоли. Она должна кипеть, но не гореть в месте касания жала. Кипящая канифоль приятно пахнет, быстро испаряется - дымит, но не оставляет на жале сгоревших остатков черного цвета.
В общем случае "технология" включает в себя следующие подготовительные и основные этапы: формовка выводов элементов РЭА нужной длины под установку на плату - реализуется с помощью миниатюрных "утконосов" или (и) "круглогубцев", кусачек; зачистка соединяемых поверхностей от окислов и посторонних примесей с помощью, например, перочинного ножа или медицинского скальпеля, мелкозернистой наждачной бумаги; "канифолинье" (этап необязательный, но желательный) - нанесение тонкого слоя канифоли (лучше спиртового раствора с помощью кисточки или тампона) на поверхности; лужение поверхностей - нанесение тонкого слоя припоя на соединяемые поверхности; собственно пайка - распределение расплава припоя вдоль границ поверхностей соединения; обеспечение неподвижности элементов относительно друг друга во время остывания и отвердевания припоя; проверка прочности соединения (визуальная или контактная). В общем, вопреки бытующему мнению, паяльник - не самое главное в процессе, потому как участвует только в двух этапах, а существенным является время прохождения этапов. С одной стороны, быстрая пайка не даёт возможности прогреть поверхности, и припой ложится неровно, с рваными краями, залипает на жало при его отрыве, после остывания отскакивает от поверхности элемента, разрушая соединение. С другой стороны, перегрев места пайки ведёт к отслоению контактной дорожки, повреждению радиоэлемента (детали), нанесению термического ожога кожи монтирующего, увеличению времени отвердевания спайки. Одним словом, опыт "паяльщика" придёт только на практике по изготовлению конкретных изделий, а предварительно по их макетированию - имеющимся набором инструментов.
В заключение изложения вопроса несколько слов о технике безопасности. Конечно, основными поражающими факторами для человека при работе с пальником является удар электрическим током и ожоги. Первый можно исключить, работая низковольтным паяльником, рассчитанным на 12 В, 24 В или 36 В, а второй исключается соблюдением технологии и использованием для фиксации выводов элементов относительно платы медицинского пинцета или, что чаще бывает, фиксацией элемента за корпус пальцами с противоположной от паяемого вывода стороны. Для соблюдения норм пожарной безопасности нужно обязательно использовать под паяльник подставку. Она может быть самодельная - из листа фанеры или ДСП прямоугольной формы размером 30 см*30 см. Приблизительно в центре на расстоянии 15-20 см (в зависимости от длины паяльника) друг от друга в неё вбиты две М - образные скобы высотой 8-10 см под жало и ручку. Скобы можно согнуть из мягкой, стальной проволоки диаметром 2-4 мм. Не надо экономить на размере подставки. Расчистив место на столе для неё, вы обезопасите себя от случайного возгорания предметов, расположенных вблизи жала паяльника (особенно сверху и сбоку).
Резание листового материала ручным лобзиком
Лобзик предназначен для криволинейного разрезания листового материала небольшой толщины. В радиолюбительской практике чаще всего таким материалом является пластмасса толщиной 2-4мм, фольгированные гетинакс, текстолит толщиной порядка 1-2мм, оргстекло. Детали, вырезанные из материалов, идут на изготовление корпусов, футляров конструкций, для заготовок печатных плат, отдельных элементов крепления в конструкциях.
Ручной лобзик состоит из дугообразной (С-образной) вытянутой стальной рамки с деревянной рукояткой и пары зажимов на винтах с гайками-барашками для крепления пильного полотна. Пильное полотно тонкое и узкое, благодаря чему возможно изменение направления пиления. Рамка огибает полотно, поэтому она может обходить края обрабатываемой детали при достаточно глубоком проникновении в материал пилки (порядка 20-25 см). При необходимости выполнить рез по линии, не выходящей за границы детали, в последней высверливается отверстие, после чего полотно снимают с рамки, продевают в отверстие и снова крепят в рамку. Для выполнения резки кроме лобзика нужна струбцина, с помощью которой, например, к столу крепят так называемый "ласточкин хвост" - прямоугольную подложку имеющею Л-образный вырез - хвост. На "хвост" кладут обрабатываемый материал и прижимают его рукой к подложке в процессе резки. Именно в вырезе во время работы и находится полотно пилки.
"Технология резки" состоит из следующих основных и вспомогательных этапов: разметка и нанесение контурных линий заготовок деталей на расходный материал; высверливание отверстий под установку пилки для вырезки по замкнутым внутренним контурам; собственно резка вдоль линий; выемка заготовок из листа (отреза материала) и обработка кромок. Таким образом, кроме лобзика, запасных пилок, "ласточкиного хвоста" и струбцины для выполнения процесса работы понадобиться шило (желательно с трёхгранной заточкой), металлическая линейка с миллиметровыми делениями, мелкозернистая наждачная бумага, набор надфилей, бархатные напильники, пассатижи (плоскогубцы).
Далее об особенностях и "нюансах" выполнения работ. При выпиливании постоянно следят, чтобы полотно пилки двигалось равномерно и перпендикулярно к плоскости заготовки с частотой колебаний приблизительно 60...80 двойных движений в минуту. Амплитуда колебательных движений полотна должна равняться не менее двум третям его длины. Зазор между линией разметки и пропилом не должен превышать 0,5 мм, с другой стороны нельзя, чтобы рез касался линии контура. Линии разметки после выпиливания будут служить границами обработки детали на последующем этапе. При наличии в заготовке внешних и внутренних контуров в первую очередь выпиливают внутренние контуры. При пилении вдоль плавных кривых линий контура - отрез материала медленно поворачивают, не прекращая движения пилки в пропиле, слегка уменьшая скорость пила (при этом допустим небольшой поворот рамки лобзика по касательной к линии пила). Когда движение полотна приобретет нужное направление, можно пилить далее вдоль линии разметки.
Во время работы необходимо, чтобы лист материала не вибрировал. Вибрации могут пагубно повлиять на заготовку, вызвать сколы, сломы тонких элементов, привести к лопанию полотна пилки, его деформации. Поэтому во время работы отрез материала с заготовкой нужно прижимать ладонью левой руки (если вы "правша") к плоскости "хвоста", отводя большой палец в сторону. Пилка при пилении должна находиться между большим и указательным пальцем на расстоянии не ближе 2 см от кожи, иначе при сломе пилки возможно травмирование руки. Если требуется замена полотна лобзика, то желательно это проделывать в следующей последовательности: ослабить барашки нижнего и верхнего зажима лобзика; удалить все обломки полотна; вставить нижний край пилки в нижний зажим на глубину порядка сантиметра и закрутить (направление расположения зубьев пилки должно напоминать расположение носа на лице человека, если смотреть в профиль); затем ослабив, барашек верхнего зажима, подтянуть к нему верхний конец пилки и поставив лобзик на подставку, с усилием нажать на него до "погружения" верхнего конца пилки на сантиметр в зажим и туго завинтить барашек (иногда можно использовать для этого пассатижи). Если нужно делать внутренний пропил, то перед завинчиванием верхнего барашка полотно продевают в отверстие возле линии разметки (диаметр таких отверстий 2-3мм).
Пилка должна быть туго натянута в рамке. Но чрезмерно сильное натяжение может привести к поломке полотна при фигурном выпиливании, к тому же результату может привести и слабое натяжении пилки. Так что поиск компромисса - дело практики. При выпиливании углов, особенно острых, свободное пространство для разворота полотна пилки делают на той части материала, которая будет идти в отход (на таких участках вероятнее всего возможен брак при изготовлении детали). Поэтому, при выпиливании контура в форме острых углов, совершают движения пилки на месте, постепенно разворачивая плоскость лобзика и заготовки по линии нужного реза.
В заключение изложения вопроса несколько слов о технике безопасности. Конечно, основными поражающими факторами при работе с ручным лобзиком являются осколки ломающихся полотен пилок и срывающийся в это время с заготовки лобзик. Синяки, ссадины, порезы и царапины могут стать реальностью, если пренебречь следующими рекомендациями: полотно нужно хорошо закреплять в рамке - гайки-барашки должны быть хорошо затянуты; при резании не следует "стучать барашками" или зажимами по листу с заготовкой; при работе не должно быть резких движений, особенно рывков полотна, его изворотов и кручений; "отделение" пилки лобзика от заготовки в любых ситуациях совершают, двигая ручку вертикально вниз-вверх и на себя; линия разметки и линия реза всегда должна быть перед глазами; не нужно пренебрегать "ласточкиным хвостом", его можно выпилить самому из фанеры толщиной 6-10 мм.
Соединение элементов склеиванием
Клей - смесь, или многокомпонентная композиция на основе соединения различных веществ, способная прочно скреплять различные материалы. В нашем частном случае это могут быть комбинации металл-пластмасса, резина - резина, чаще пластмасса-пластмасса, полистирол - полистирол, или пластмасса - полистирол, картон - пластмасса. Склеивание обусловлено образованием прочной адгезионной связи между прослойкой клея и материалами соединяемых поверхностей.
Адгезия (от латинского слова - adhaesio - прилипание) - явление сцепления поверхностей тел. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием в поверхностном слое материалов и характеризуется удельной работой, необходимой для отделения одной поверхности от другой. В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия, то есть сцепление или точнее притяжение между молекулами внутри однородного тела - материала. Тогда, при приложении внешнего разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, то есть разрыв в объёме менее прочного из соприкасающихся материалов.
В радиолюбительском конструировании, когда например, нужно сделать пластиковый футляр, удобнее пользоваться секундными клеями на основе цианакрилата. Они не содержат растворителей, не вызывают коррозии и отличаются коротким временем схватывания - от нескольких секунд до нескольких минут. Активатором отвердевания и появления механической прочности шва является влага, содержащаяся в атмосфере и в микроскопических количествах имеющаяся на склеиваемых поверхностях. Эти клеи удобны при использовании, так как являются однокомпонентными и хорошо приспособлены для склеивания мелких деталей. Наилучший результат достигается при нанесении клея на одну из поверхностей с последующим плотным сжатием. Надежное соединение обеспечивается при хорошем прилегании элементов конструкции с воздушным зазором между склевываемыми плоскостями не более 0,2-0,3 мм. Кстати, даже обычный секундный клей, если верить рекламе, способен выдерживать нагрузку до 150-200 килограммов на 1 квадратный сантиметр. Однако для склеивания деталей, находящихся под воздействием воды и сырости, цианакриловые клеи непригодны. Они не могут также склеивать полиэтилен, фторопласт и полипропилен.
В отличие от секундных клеев, полиуретановые клеи водостойкие - как например, "Момент Кристалл". В характеристики изделия записано: "Момент Кристалл особенно хорошо подходит для склеивания мягкого и жесткого поливинилхлорида, полистирола, оргстекла и других пластиков, в различных сочетаниях склеивает дерево, металл, резину, бумагу, картон, полиуретан, пробку, поролон, фарфор, керамику, стекло, кроме посуды, контактирующей с пищей". То есть в решении вопросов, связанных с реализацией задуманного внешнего вида конструкции игрушки - он первый помощник. Однако содержание ацетона в его составе делает проблематичным склеивание пенопластовых элементов конструкций, по причине их повреждения (пенопласт растворяется ацетоном).
И здесь на помощь приходят сополимеры винилацетата - основа клеев для склеивания пенополистирола (пенопласта). Водостойкие и морозоустойчивые они образуют прозрачный шов с мелкими пузырьками воздуха. Например, "Мастер Клей универсальный" можно использовать для фиксации пенопласта на металл, пластмассу, стекло, керамику, древесину. Можно надёжно защитить электрические контакты печатных дорожек от воды, влаги и сырости, залив их тонким слоем клея.
Технология применения клеев состоит из общих одинаковых этапов. Предварительная подготовка склеиваемых поверхностей - для этого их надо тщательно очистить, удалив с них грязь, пыль, жир, остатки окислов на металле, промыть водой с моющими средствами или обработать растворителями (ацетоном, спиртом) и высушить. Затем (при необходимости) зачистить поверхность мелкозернистой наждачной бумагой или напильником в зависимости от материала. Следующий этап - нанесение тонких слоёв, выдавливанием из тюбика на одну или обе поверхности вдоль будущего шва, небольшая временная выдержка. Далее - этап, на котором поверхности сильно придавливают друг к другу на насколько десятков секунд, после чего "сушат" по времени, указанному в инструкции. На окончательном этапе образовавшийся шов прочного соединения обрабатывают наждачной бумагой, удаляют излишки клея.
Для получения качественного соединения элементов (деталей) конструкции желательно соблюдение следующих общих правил работы с клеями:
1) Перед использованием внимательно ознакомиться с инструкцией по назначению и применению;
2) Выполнять этапы работы согласно рекомендациям инструкции;
3) Помнить, что прочность соединений задаётся не количеством использованного клея, а количеством "точек" соединения, их расположением в пространстве или плоскости, минимальностью зазоров заполнения клея;
4) Не экономить время на "сушке", создавая "особые условия высыхания";
5) По возможности не подвергать склеенную деталь излишним механическим нагрузкам.
В заключение изложения - несколько слов о технике безопасности при работе. Многие клеи горючи, имеют неприятные ароматы и содержат компоненты, вредные для здоровья человека. Поэтому желательно проводить все работы на свежем воздухе или в помещении с хорошей вентиляцией, вдали от открытых источников огня, избегая попадания клея на кожу, слизистые оболочки глаз или внутрь организма.
Купить книгу можно через форму заказа у нас на сайте здесь.