НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

            разработка и сборка

звукоусиливающего аппарата

Шеменев Михаил Сергеевич

средняя школа № 7, г. Одинцово, 11 класс

УДК 681.5.002.2

Научный руководитель:

Власов Андрей Игоревич,

кандидат технических наук,

доцент кафедры «Проектирование и технологии производства

электронной аппаратуры»

МГТУ им. Н.Э.Баумана

В ходе выполнения проекта был разработан и собран звукоусиливающий аппарат, состоящий из источника питания и усилителя низких частот мощностью 1Вт, предназначенный для помощи слабослышащим и глухим людям, которые приобрели недуг глухоты в результате физических повреждений. Полученный образец проиллюстрирован и охарактеризован. Рассмотрен принцип работы усилителя звука, проиллюстрированный соответствующими схемами и таблицами.

Введение

Актуальность темы. Звукоусиливающий аппарат предназначен для глухих и слабослышащих преимущественно в бытовых условиях.

На данный момент существует большое количество разнообразных звукоусиливающих аппаратов, одним из которых является звукоусиливающий аппарат «ТОН-С», подобный продукт выпускает компания Siemens.

Разрабатываемый аппарат выходит очень дешевым, поэтому он доступен малообеспеченным семьям.

Цель проекта. Разработка надежного в работе импортозамещающего звукоусиливающего аппарата для проведения звуковой информации глухим и слабослышащим как по слуховому каналу, так и по тактильному каналу восприятия звука в бытовых условиях, который бы работал от сети (не требовал батарей).

Область применения. Звукоусиливающий аппарат применяется в семьях со слабослышащими или глухими людьми, которые глухи не с рождения, а с приобретенным недугом (то есть инвалиды, получившие глухоту в основном в результате травмы, заболевания).

Звукоусиливающий аппарат предназначен для использования в качестве средства индивидуального общения, а также в качестве слухоречевого тренажера. Минимальная стоимость аппарата позволит его использовать не только в специальных учреждениях реабилитации глухих, но и в семейных условиях для общения и ежедневных занятий родителей со слабослышащими детьми. Звукоусиливающий аппарат состоит из источника питания; усилителя; также к входу системы имеется возможность подключения провода, соединяющего телевизор (магнитофон) с данным прибором, а к выходу системы имеется возможность подключения наушников/тактильных вибраторов.

1. Разработка звукоусиливающего аппарата

1.1. Проектирование прибора

Общая схема аппарата представлена на рисунке 1. Для того чтобы звукоусиливающий аппарат работал правильно или вообще работал, необходимо было составить список необходимых устройств (составных частей). В этот список входили: источник питания, перечень элементов которого представлен в таблице 1, усилитель мощности низких частот мощностью 1 Вт, перечень элементов которого представлен в таблице 2, трансформатор 220/15В с током вторичной обмотки не менее 0.8А, радиатор площадью не менее 100 см².

Рис. 1. Схема работы звукоусиливающего аппарата

Также необходимы были рабочие инструменты: паяльник мощностью не более 25 Вт (паяльник большей мощности приведет к перегреву радиоэлементов), припой (желательно марки ПОС-61М, продукция этой марки достаточно качественна и популярна), канифоль (в принципе можно использовать припой с канифолью, такой припой более удобен в использовании, так как более плавкий и дополнительного количества канифоли не требует), материал для сухой очистки жала паяльника, отвертки, клещи (бокорезы), монтажные провода и другое.

Таблица 1.

Перечень элементов источника питания 12В/0,8А

Таблица 2.

Перечень элементов усилителя мощности

1.2. Выбор элементной базы

С научно-техническим прогрессом все радиоэлементы становятся меньше в размерах и увереннее в работе. Для маркировки этих радиоэлементов (в том числе и резисторов) придумывались новые, более рациональные методы кодировки. Например: обычная цифробуквенная система, рационализированная цифробуквенная система, цветокодовая система.

В обычной цифробуквенной системе величина сопротивления указывается полным числом и сокращенным обозначением единицы измерения. Например, 120 Ом, 3,6 кОм, 1,5 МОм.

Рационализированная цифробуквенная система отличалась от обычной цифробуквенной системы тем, что теперь единица измерения обозначалась одной буквой и одновременно соответствовала положению запятой. Например, К12, 3К6, 1М5.

Наиболее широкое применение нашла цветокодовая система. Ее суть в том, что на резистор наносятся цветные кольца, каждому цвету которых соответствовало определенное количество единиц измерения, т.е. Ом. Во время сборки звукоусиливающего аппарата были использованы резисторы с цветокодовой системой маркировки. Использование резисторов с цветокодовой системой кодировки позволило сократить размеры составных частей звукоусиливающего аппарата, на которые необходимо было устанавливать резисторы, ведь резисторы с такой системой кодировки примерно в полтора раза меньше своих предшественников.

Среди огромного разнообразия конденсаторов постоянной емкости особое место занимают оксидные (электролитические) конденсаторы, являющиеся, в отличие от всех остальных, полярными, т.е. допускающими подключение к цепям постоянного тока только определенной полярности. Конденсаторы именно этой группы и были выбраны для данной работы.

2. Сборка звукоусиливающего аппарата

2.1. Изготовление печатной платы

Для изготовления печатной платы требуется: односторонние фольгированные гетинакс, текстолит или стеклотекстолит толщиной 0,5; 0,75; или 1,0 мм. Желательно, чтобы кусок, из которого будет вырезаться плата, не был коробленым и не имел на фольгированной стороне трещин и задиров фольги.

На этом куске со стороны фольги надо шилом обозначить границы прямоугольника по размеру будущей платы. После этого к каждой из его сторон поочередно прикладывают стальную линейку и с помощью резака прорезать сначала слой фольги, а затем и основной материал платы приблизительно на 2/3 его глубины – до тех пор, пока с обратной стороны ясно не обозначатся следы будущего прореза.

Когда такие следы ясно обозначатся от всех четырех сторон прямоугольника, надо перевернуть лист фольгой вниз и таким же образом продолжить прорезание с обратной, нефольгированной стороны. Надрезанный таким образом прямоугольник легко выламывается из листа материала. Освобожденную заготовку платы следует опилить со всех торцов напильником или наждачной бумагой, а фольгированную поверхность зашкурить очень мелкой наждачной бумагой до получения матового блеска.

Затем необходимо наложить чертеж-выкройку (на котором изображена схема положения радиодеталей и дорожек на будущей плате) сверху на фольгированную сторону платы так, чтобы точно совпали контуры заготовки и рамка чертежа, боковые крылья загнуть на обратную сторону платы и склеить их липкой изолентой или скотчем. В результате получается конверт, внутри которого плотно, без зазоров запечатана заготовка платы.

Затем следует отметить на плате, места, которые будут просверлены для последующего монтажа радиодеталей. Это можно сделать, наложив тот же чертеж на плату и остро заточенным креном с помощью ударов молотка нанести метки для отверстий туда, где это необходимо.

После этого чертеж необходимо снять с платы и просверлить отверстия в намеченных местах. Засверленную заготовку снова зашкурить так, чтобы наощупь не чувствовались следы сверлений.

Теперь необходимо нанести на плату рисунок печатных дорожек. Для этого понадобится любая неводорастворимая краска (масляная, типографская), но все же лучше использовать нитрокраску (она быстро сохнет, легко растворяется ацетоном до необходимой концентрации, легко смывается с фольги в случае необходимости).

Затем с помощью рейсфедера на плату нужно приготовленной краской нанести дорожки, которые в завершение работы будут представлять собой  дорожки печатной платы. После этой процедуры необходимо проверить, нет ли каких дефектов на печатной плате (не пересекаются ли нарисованные дорожки, и все ли они нанесены).

Теперь можно приступить к травке платы. Для этой цели может вполне подойти хлорное железо. Его концентрация не столь важна, сколько его температура, ведь при ее повышении всего на 10 градусов может привести к усилению активности раствора в несколько раз. Поэтому желательно нагреть раствор до 60…70 градусов в специальной ванне, и тогда время процесса травки сократится до нескольких минут. Разогретый раствор надо вылить в фотокювету, взять плату и аккуратно положить на поверхность раствора рисунком вниз (необходимо, чтобы плата плавала сверху раствора, а не утонула). Приблизительно через 15…30 минут (в зависимости от температуры раствора) можно достать плату и проверить остались ли следы фольги в незакрашенных местах, если не осталось, то нужно промыть плату проточной водой, насухо вытереть и приступить к удалению краски.

2.2. Пайка и последующая сборка  звукоусиливающего аппарата

Сначала желательно установить на плату крупногабаритные радиоэлементы затем – малогабаритные, иначе, если плата небольших размеров, а количество радиоэлементов большое, то без помощи пинцета не обойтись, в худшем случае для установки более мелких радиоэлементов крупные придется отпаивать, а после установки малогабаритных элементов снова припаивать крупные, что может привести к отслаиванию дорожек на материнской плате.

Радиоэлементы монтируются на плату методом пайки. Во избежание перегрева элементов во время пайки лучше всего использовать паяльник мощностью не более 25 Вт и время пайки одного контакта не должно превышать 2-3с. Самое главное – это соблюдать полярность радиоэлементов при монтаже на плату, иначе аппарат в лучшем случае не будет работать (в худшем – будет выведен из строя).

В первую очередь был собран источник питания (так как усилитель мощности проверить без источника питания было бы весьма сложно), затем он был подключен к трансформатору. Радиатор площадью более 1200 см² был распилен и теперь составлял в ширине 9 см, а в длине 12 см (рис. 2), по неверным данным, полученным в одном из магазинов радиоэлектроники, предполагалось, что полученный  радиатор составляет по площади примерно 100 см², однако, как позже выяснилось данный радиатор по площади слишком большой и его площадь высчитывается более сложным образом нежели площадь плоского прямоугольника (правильный расчет площади радиатора следует ниже).

2.3. Расчет радиатора

Рассуждая логически, можно предположить, что при расчете площади штыревого радиатора нужно учитывать не только площадь самого радиатора, но и площадь боковых поверхностей штырей. Их площадь можно высчитать по принципу расчета площади усеченного конуса: площадь его боковой поверхности равна произведению полусуммы длин окружностей оснований на образующую. S=π(R + R1)*l, где R – это радиус усеченного конуса «снизу», R1 – это радиус усеченного конуса «сверху», l – это высота усеченного конуса. Площадь радиатора без штырей – это площадь прямоугольного параллелепипеда (сумма площадей граней фигуры): S=h*l*2+h*d*2, где h – высота параллелепипеда, l – его длина, d – ширина. При измерениях параметров радиатора и подстановки полученных результатов в формулу, мы видим, что полученный после распиливания мной радиатора, по площади оказался в шесть с половиной раз больше, чем требовалось (а ведь требовалось всего 100 см²).

S=2*120*90+3.14*(2+1.5)15*256+4*2*120+4*90*2==21600+42201.6+960+720=654.816 см².

С края иголочного радиатора была выбита одна игла, затем на этом месте было просверлено отверстие, с помощью которого радиатор можно было установить на биполярный транзистор.

Рис. 2. Чертеж радиатора

2.4. Предназначение радиатора в разрабатываемой конструкции

При обеспечении тепловых режимов радиоэлектронных изделий большое значение играют радиаторы. Они позволяют уменьшать перегрев изделий путем увеличения теплоотдающей поверхности. Для систем воздушного охлаждения используют следующие типы радиаторов: пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые, жалюзийные и петельно-проволочные. Для обеспечения теплового режима разрабатываемого аппарата был выбран игольчатый (штыревой) радиатор. Разнообразие конструктивных форм радиаторов позволило мне произвести соответствующий выбор, исходя из требований обеспечения надежности, массы, габаритов и стоимости изделия.

2.5. Завершение сборки аппарата

К источнику питания был подключен усилитель мощности, к выходам которого был подключен разъем, пригодный для подключения наушников, тактильных вибраторов – словом,  какой либо нагрузки. На вход усилителя мощности был припаян  разъем, к которому можно подключать провода, соединяющие различную аппаратуру (телевизор, плеер, музыкальный центр, видеомагнитофон и т.п.).

Катушка индуктивности была установлена в отдельный корпус-вилку, который был соединен с источником питания длинным проводом. Сам источник питания и радиатор, а также усилитель мощности были установлены в другой корпус.

В этом корпусе были просверлены два больших отверстия (рис. 3) для выхода и входа усилителя мощности. Затем разъемы были вставлены в эти отверстия и прикреплены к самому корпусу методом «холодной сварки». В корпусе также было просверлено несколько маленьких отверстий с целью прикрепить к корпусу источник питания, усилитель мощности, радиатор (в радиаторе были также просверлены два дополнительных отверстия).

Далее все платы были прикручены болтами к корпусу. Затем сбоку корпуса было просверлено небольшое отверстие для провода, идущего к трансформатору. Далее корпус был закрыт и скреплен винтами.