Педагогічні науки/2. Проблеми підготовки спеціалістів

Юрченко О.В.

Харківський Національний педагогічний університет ім. Г.С. Сковороди, Україна

Пристрій для демонстрації та аналізу фізичних засад
роботи ємнісного сенсорного детектора

Одним з напрямків розвитку пізнавальних здібностей є вміле використання прийомів і методів, що забезпечують високу активність учнів у навчанні. Ідея формування пізнавальних інтересів учнів являється однією із самих значущих [1], а самостійна практична участь у проектах підвищує рівень пізнавального інтересу учнів також і в суміжних областях знань.

Мета роботи – підвищити зацікавленість учнів до вивчення базових фізичних явищ шляхом практичної реалізації елементів сучасних електронних пристроїв.

Аналіз роботи датчика на основі відкритого конденсатора та засади реєстрації дотику на базі фіксації цифровими пристроями зміни різниці фаз між опорним сигналом і сигналом через сенсор при передачі синфазного сигналу детально розглядалося в [2]. Сенсорний датчик для демонстраційного експерименту, який працює на таких засадах можна зібрати самостійно, спільно з учнями, на факультативних заняттях. Схема цифрового сенсора пристрою демонстрації і дослідження ефекту відкритого конденсатора представлена на рис. 1.

Особливістю при виготовленні пристрою є застосування логічних елементів CMOS(КМОП)-технології [3]. Елементи CMOS-технології управляються зміною величини напруги на вході, мають великий вхідний опір та малу вхідну ємність. Такі показники дозволяють знизити паразитний вплив розкиду параметрів, що привноситься пороговими елементами в лінії затримки R2C2 і R3(C3+CS1) для ланцюгів формування фаз сигналів Ua(t) Us(t).

Рисунок 1. Схема реалізації демонстратора роботи цифрового сенсора

Генератор G з ланцюгом R1C1, що задає час, зібрано на пороговому інверторі D1 [4]. Форма сигналу генератора G являє імпульси напруги прямокутної форми. Частота генератора повинна бути узгоджена з параметрами ліній RC, а також розмірами сенсора. Формування коливань прямокутної форми Ug(t) відбувається на пороговому інверторі D2. Опір резисторів R1, R2, R3 має бути в межах 500кΩ ‑ 1МΩ, при цьому опори R2 і R3 повинні бути рівними з мінімальним відхиленням. Сенсор S1 являє собою розширення провідника ланцюга Us(t) до якого передбачається електричне підключення різних за формою і розміром майданчиків, що покриваються ізоляційною плівкою.

Якщо дотик до сенсора відсутній, то після проходження порогових елементів D3 та D4, час затримки поширення сигналу по ланцюгах Uaf(t) і Usf(t) тотожний, що не викликає спрацьовування елемента порівняння D5 [5]. Дотик до майданчика сенсору порушує рівність фази сигналів, та викликає спрацьовування D5, що виробляє різницевий сигнал Udiff(t) , який фіксується D- триґером D6 [6].

Попереднє налаштування пристрою перед експериментом здійснюється поворотом пластин змінних конденсаторів C2 і C3, якими реалізується вирівнювання часу приходу сигналів Uaf(t), Usf(t), а також компенсується різниця параметрів вхідних ланцюгів і порогів спрацьовування елементів D3, D4. Положення пластин конденсатора C2 і C3 повинно бути таким, щоб при відсутності дотику до ізолятора сенсора S1 елемент порівняння D5 не виробляв різницевий сигнал. Сигналом наявності дотику до зони сенсору (або відмінності фаз Uaf(t), Usf(t), при настройці пристрою) є загоряння світлодіода VD1. Живлення пристрою здійснюється від одного Li-Ion акумулятора G1, наприклад, від мобільного телефону.

У процесі проведення експериментів учням пропонується дослідити реакцію сенсора в залежності від форми та розмірів майданчиків сенсора, а також від товщин і матеріалів діелектричного ізолятора, яким покривається майданчик сенсора. Аналізуючи формулу для ємності, пояснити вплив змін матеріалів і геометрії майданчика сенсора на реакцію спрацьовування і зміни чутливості пристрою.

Литература:

1. Ланина И.Я. Формирование познавательных интересов учащихся на уроках физики: Кн. Для учителя. // М.: Просвещение, 1985. – 128 с., ил.

2. Юрченко О.В. Аналіз фізичних основ роботи ємнісного сенсорного детектора [Текст]/ Юрченко О.В. // Materials of the XII international scientific and practical conference «Conduct of modern science-2016», Sheffield Science and Education LTD, 2016. - vol.7. ‑ p28-31.

3. CMOS //[електронний ресурс] режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

4. SN74LVC1G14-Q1 Single Schmitt-Trigger Inverter//[електронний ресурс] режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc1g14.pdf

5. SN74LVC1G86 Single 2-Input Exclusive-OR Gate //[електронний ресурс] режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc1g86.pdf

6. Single D-Type Flip-Flop with 3-State Output //[електронний ресурс] режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc1g374.pdf