С. В. Степанов
Оборудование школьного физического кабинета
6.3. Ремонт учебного оборудования
При подготовке и проведении школьных опытов учитель нередко сталкивается с необходимостью настройки и устранения отдельных неисправностей, возникших в той или иной части учебной установки. К основным причинам выхода из строя учебного оборудования следует отнести плохое качество и несогласованность технических характеристик отдельных учебных приборов, недостаточный уровень сформированности практических умений, необходимых для работы с оборудованием, у учителя и школьников, небрежное обращение и плохо организованное хранение приборов.
Наиболее часто встречающиеся неисправности связаны с механическим повреждением корпусов, ручек управления, соединительных гнезд и других деталей, к которым прикасаются при проведении опыта. Сюда же следует отнести потерю герметичности емкостей, электрического контакта в соединительных проводах, порчу отклоняющих систем электроизмерительных приборов, перегорание отдельных элементов электрических цепей.
Обобщая те приемы, которыми обычно пользуются для определения места поломки, можно выделить следующие методы диагностики неисправностей в учебных приборах: визуальный осмотр, поэлементная проверка, метод гипотез, метод сравнения, метод «вольтметра» и метод «омметра».
При визуальном осмотре неработающей экспериментальной установки или прибора определяют соответствие смонтированной схемы установки с принципиальной. Внешними признаками неправильной сборки является отсутствие тока в цепи, зашкаливание стрелок измерительных приборов. Так находят ошибки, приведшие к отсутствию нужных соединений, появлению лишних соединений, неправильной полярности подключения источника электропитания или измерительных приборов.
Внешним осмотром можно выявить механические повреждения, из-за которых прибор плохо работает. Например, излишне большое трение в осях тележки, чрезмерно растянутую пружину динамометра, нарушение соосности элементов оптической схемы, ненадежное соединение деталей прибора.
Суть метода поэлементной проверки отдельных частей заключена в его названии. Проиллюстрируем применение этого метода примером.
Предположим, что при проведении опыта оказалось, что прибор для демонстрации газовых законов не «держит» давление. Прибор состоит из гофрированного металлического сильфона и мановакуумметра, соединенных шлангом из вакуумной резины. Неисправный узел будет обнаружен, если последовательно проверить на герметичность сильфон, места соединений резинового шланга, краны мановакуумметра, сам мановакуумметр.
Метод гипотез состоит в том, что при появлении неисправности предполагают виновной в ней какую-то деталь, например соединительный провод. Заменяют провод, вызвавший сомнение, на заведомо исправный. Если это не помогает, заменяют следующую деталь и так до тех пор, пока не получат положительного результата. Метод отличается своей простотой, однако его эффективность высока лишь при ремонте уже работавших приборов при условии, что они содержат небольшое количество деталей.
Другие методы из названных выше используют, как правило, для обнаружения неисправностей в приборах, содержащих в своей конструкции электрические или электронные схемы. Поиск поломок в таких приборах затруднен, поскольку процессы, протекающие в электрических цепях, непосредственно на органы чувств человека не действуют. Экспериментатор не видит, где произошел обрыв токоведущей жилы внутри изолированного провода, не видит, движутся ли в данном проводнике электрические заряды или нет, не может без приборов оценить значение напряжения на участке цепи. О причинах неисправностей в рассмотренных случаях судят по последствиям, к которым они приводят, например, по отсутствию показаний измерительных приборов при обрыве провода, по появлению запаха горелой изоляции при пробоях в обмотках трансформатора, перегреву корпуса детали схемы.
Уверенное владение методами поиска неисправностей в электрических цепях необходимо учителю в силу того, что в последние годы происходит интенсивная «электрификация» и «электронизация» учебного оборудования. Более половины учебных приборов, выпускаемых для школьного кабинета физики, имеют в своем составе электрические цепи.
Для использования метода сравнения необходима предварительная подготовка. В заведомо исправном приборе заменяют в нескольких ключевых точках схемы величины напряжений и токов, записывают их на схеме и полученные данные сохраняют. При появлении у прибора признаков неисправности проверяют вновь значения токов и напряжений в тех же точках и, сравнивая результаты, находят место повреждения.
Если собранная без ошибок схема все же не работает, то определить место повреждения можно с помощью метода «вольтметра».
Суть его в том, что с помощью этого прибора определяют скачок электрического потенциала в том месте цепи, где произошел обрыв. Практически поступают так. Собранную схему подключают к источнику питания. Щуп вольтметра подсоединяют к полюсу источника. Вторым щупом поочередно касаются концов всех проводников, начиная с ближайшего к этому полюсу, и отмечают показания прибора. Они должны соответствовать ожидаемым. Так, если между щупами оказался проводник, то, поскольку на исправном проводнике падение напряжения будет пренебрежимо малым, стрелка вольтметра не должна отклониться. Если же между щупами оказались проводник и сопротивление, то в соответствии с законом Ома показание вольтметра изменится на величину падения напряжения на этом сопротивлении. При обрыве цепи на этом участке вольтметр покажет напряжение, равное ЭД С источника. Достоинство этого метода в том, что с его помощью можно отыскать обрыв в схеме, не тратя время на ее разборку.
В случае если нужно найти место повреждения в схеме, не подключая ее к источнику напряжения, используют «метод омметра». Если схема разветвленная, то ее разбирают на отдельные ветви, состоящие из последовательно соединенных элементов. Омметр подсоединяют одним щупом к началу последовательной ветви, а вторым касаются поочередно мест соединений элементов схемы, начиная от ближайшего к первому щупу. При этом сравнивают показания омметра с ожидаемым значением сопротивления данного участка ветви.
Работая с омметром, нужно помнить, что на его щупы подается напряжение от внутреннего источника питания. Это ограничивает использование метода для проверки приборов, чувствительных к малым токам. Кроме того, следует иметь в виду, что сопротивление некоторых элементов схем, например полупроводникового диода, зависит от знака приложенного напряжения, то есть от того, какой конкретно щуп подключен к катоду и аноду.
После определения неработающего узла или детали решается вопрос их замены. При этом нередко используют аналогичную деталь из списанного прибора. Естественно, что перед установкой необходимо проверить ее работоспособность.
Значительная часть оборудования современного кабинета физики содержит в себе электронные схемы. При эксплуатации этого оборудования чаще всего приходится сталкиваться и устранять неисправности в блоках питания электронных приборов или в источниках питания электрических цепей. Поэтому приведенные ниже рекомендации по определению исправности того или иного элемента схемы касаются в первую очередь именно тех элементов, которые чаще всего выходят из строя в выпрямителях и стабилизаторах. Для их проверки в условиях физического кабинета можно использовать омметр.
Перед проверкой трансформатора нужно отключить все его нагрузки. Вначале прозванивают обмотки на обрыв, а также на отсутствие замыканий между ними. Затем проверяют обмотки на наличие в них межвитковых замыканий. Для этого замеряют напряжение на обмотке на холостом ходу. На отсутствие замыканий указывает то, что напряжение холостого хода будет на 5–10 % больше по сравнению со значением при номинальной нагрузке. Кроме того, трансформатор не должен нагреваться выше 30 °C. Температура трансформатора под нагрузкой не должна превышать 60 °C. Ремонт трансформатора производят после разборки магнитопровода путем перемотки неисправной обмотки. Гудение устраняют усилением стяжки магнитопровода.
Вышедший из строя постоянный резистор иногда можно определить визуально по почернению слоя краски или нарушению его целостности. Окончательное заключение о его исправности можно сделать, замерив сопротивление омметром.
Переменные резисторы чаще выходят из строя из-за нарушения цепи между подвижным контактом и токопроводящим слоем. Для такой неисправности характерно нарушение плавности изменения сопротивления. Работоспособность такого резистора можно восстановить, если токопроводящий слой и контакт протереть спиртом или одеколоном.
Исправность электролитических конденсаторов проверяют, подключая их с учетом полярности к омметру, на котором установлен самый высокоомный предел измерения. При исправном конденсаторе стрелка резко отклонится в сторону нулевой отметки шкалы, затем вернется в исходное положение. Время возвращения стрелки пропорционально емкости конденсатора.
При большом токе утечки или неправильной полярности стрелка в исходное положение не вернется, показывая величину сопротивления утечки. При замене конденсатора, кроме емкости, следует обратить внимание на величину предельного напряжения, на которое он рассчитан.
Проверяя полупроводниковые диоды, учитывают, что их прямое сопротивление составляет десятки Ом, а обратное колеблется от сотен кОм у германиевых до 1 МОм у кремниевых.
Биполярные транзисторы, используемые в блоках питания, наиболее часто выходят из строя из-за обрыва или пробоя между эмиттером и коллектором. Исправность транзистора проверяют, замеряя прямые и обратные сопротивления переходов база – эмиттер и база – коллектор. Для проверки переходов транзисторов структуры p-n-p в прямом включении к базе подсоединяют отрицательный щуп омметра, для структуры n-p-n – положительный. У исправных транзисторов прямое сопротивление переходов не превысит сотни Ом. Обратное сопротивление зависит от материала и мощности транзистора. У маломощных германиевых транзисторов оно около 1 МОм, у кремниевых – на порядок выше. В мощных германиевых десятки кОм, а у кремниевых – сотни.
Транзистор можно проверить и не выпаивая из схемы. Для этого отключают источник питания коллекторной цепи и замыкают базу то с коллектором, то с эмиттером, контролируя омметром сопротивление между эмиттером и коллектором. При исправном транзисторе прибор в первом случае покажет малое сопротивление, а во втором – десятки или сотни кОм.
Другой способ определения исправности элементов электронной аппаратуры основан на наблюдении с помощью осциллографа вольтамперной характеристики испытуемого элемента.
Для реализации этого способа достаточно собрать приставку к осциллографу, схема которой изображена на рис. 6.12.
Рис. 6.12. Схема приставки к осциллографу
Если осциллограф имеет ручку для усиления сигнала со входа Х, то переменный резистор R3 из схемы можно исключить. Приставку подключают к осциллографу, который переводят в режим с внешней синхронизацией, и подают на нее переменное напряжение величиной около шести вольт. На экране при этом появится горизонтальная линия. Нажимают кнопку «кн. 1» и, вращая ручки «Усиление по У» и «Усиление по Х» (а при ее отсутствии сопротивлением R3), добиваются того, чтобы в центре экрана появилась прямая линия, наклоненная под 45 градусов к горизонтальной оси. Длину линии устанавливают в половину диаметра экрана. Испытуемый элемент подключают к гнездам приставки. Если внутри элемента имеется короткое замыкание или обрыв, на экране будет видна соответственно либо вертикальная, либо горизонтальная линия. В общем случае характер изображения определяется зависимостью сопротивления испытуемого элемента от величины и полярности подводимого к нему напряжения. Если к гнездам подключить исправный диод, то линия на экране изогнется под прямым углом примерно с равными сторонами, вершина которого расположится в правой нижней части экрана. При неправильной полярности включения диода вершина угла окажется в верхней левой части. Таким способом можно не только определять качество диодов, но и устанавливать их цоколёвку (разводку выводов), если она не известна.
При подключении исправного резистора на экране будет видна наклонная прямая, причем угол наклона будет тем больше, чем меньше его сопротивление. Таким методом можно оценить величину сопротивления резистора, если ее значение лежит в пределах от 100 Ом до 100 кОм. В этих целях удобно использовать специальный трафарет со шкалой. Его вырезают из прозрачной пленки и накладывают на экран трубки.
Подключая к приставке исправный конденсатор, на экране получают эллипс. Причем по соотношению большой и малой оси можно оценить величину емкости конденсатора. На экране возникнет эллипс и в том случае, если к приставке подключить исправную обмотку трансформатора. Если индуктивное сопротивление обмотки на частоте 50 Гц равно сопротивлению резистора R1, то эллипс преобразуется в круг. Таким образом по отношению осей эллипса можно оценить величину индуктивности обмотки.
Так как осциллограф с описанной приставкой реагирует на короткое замыкание между ее гнездами, то ею можно пользоваться вместо омметра для проверки предохранителей и соединительных проводов.
6.4. Освоение нового учебного прибора
В освоении нового учебного прибора можно выделить следующие основные этапы: приобретение прибора, подготовка его к работе и ввод в эксплуатацию, то есть непосредственное использование прибора для создания учебных экспериментальных установок.
Приобретение нового прибора производится на основании плана развития школьного кабинета физики. Знакомясь с образцом нового прибора с целью его приобретения, необходимо установить тип этого прибора, то есть выяснить, для проведения какого вида учебного эксперимента он предназначен, а также его функциональное назначение в экспериментальной установке, то есть принадлежит ли он группе приборов-измерителей, приборов для наблюдения и изучения явлений и устройств или является вспомогательным прибором.
Затем определяют, насколько новый образец удовлетворяет общим требованиям, предъявляемым к учебным приборам, и тем требованиям, которым должен соответствовать прибор данного типа и группы.
Уточняют, для проведения каких конкретно экспериментов новый прибор можно использовать. Устанавливают, потребуется ли для приведения в действие прибора какое-то дополнительное оборудование. Выясняют, имеется ли это дополнительное оборудование в кабинете физики.
Если для кабинета необходимо несколько экземпляров таких приборов, нужно оценить возможность приобретения требуемого количества.
Обращают внимание на наличие в кабинете условий для эффективного использования прибора на уроках (наличие затемнения, подводки к столу учителя электроэнергии, воды, газа и т. п.) и его хранения.
Иногда завод-изготовитель поставляет в торговую сеть прибор, укомплектованный различным количеством вспомогательных блоков, то есть прибор может продаваться в различных вариантах комплектации. Особенно это касается изделий, представляющих собой наборы или комплекты. Например, набор приставок к гальванометру содержит основной блок – усилитель и несколько сменных модулей. Причем в некоторых вариантах поставки отдельные модули могут отсутствовать. Варианты, по которым может комплектоваться прибор, можно узнать из его паспорта. Приобретая прибор, следует уточнить у представителя торгующей организации, по какому варианту он укомплектован.
Если имеется возможность выбора прибора из нескольких, аналогичных по назначению, то предварительно целесообразно провести сравнительную оценку их достоинств и недостатков, исходя из соответствия требованиям к таким приборам, их дизайна и стоимости.
После доставки прибора в школу начинается следующий этап его освоения – подготовка к работе. Прибор распаковывают, проводят его расконсервацию (удаляют защитную смазку, снимают упаковку с отдельных частей, собирают прибор в таком виде, в котором он будет храниться в кабинете). В соответствии с комплектностью проверяют наличие всех съемных частей и запасных деталей. Выделяется место для его хранения, для лабораторного оборудования – укладочный ящик.
Сведения о приборе заносят в книгу учета оборудования. Прибору присваивают инвентарный номер и наносят его на корпусе. На этом этапе детально изучается инструкция по работе с прибором.
Анализ текста инструкций к школьным приборам позволил выделить в них ряд недостатков, затрудняющих быстрое освоение нового прибора и его последующее активное применение на уроках.
Во-первых, в инструкциях нередко представлена не вся информация, необходимая для работы с ним.
Во-вторых, не все сведения, приводимые в инструкциях, достоверны. Причин для этого несколько. Могут быть приведены усредненные для всей партии приборов технические данные, в то время как конкретный прибор может заметно отличаться по отдельным характеристикам. Например, в заводских данных на лабораторный вольтметр ВЛ-2,5 указано, что его внутреннее сопротивление составляет примерно 900 Ом, однако испытания этих приборов дают иногда значения менее 700 Ом. Характеристики некоторых приборов после длительной эксплуатации также могут сильно меняться (например, у приборов с электронными лампами и электронно-лучевыми трубками). Характеристики в заводских инструкциях иногда приводятся с «запасом», для облегчения прохождения выходного контроля.
Так у осциллографа для лабораторных работ ОМШ-ЗМ дается предельное значение полосы пропускания в 25 кГц, но контрольные испытания показывают, что она может достигать значения 200 кГц.
В третьих, из-за специфики технических терминов и нечеткого изложения иногда трудно определить нужное значение характеристик. В руководстве по эксплуатации на демонстрационный источник питания ИПД-1 приводится такая фраза: «постоянный электрический ток с плавно регулируемым напряжением от 12,6 В до 0,5 В; сила тока 2 А при напряжении от 12,6 В до 8 В». Возникает вопрос: «Можно ли получить от этого источника силу тока в 1 А при напряжении 9 В?»
Главная из причин приведенных здесь недостатков в том, что руководство по эксплуатации на прибор в составе комплекта других нормативно-технических документов разрабатывается в конструкторских организациях или конструкторских отделах заводов – изготовителей учебных приборов. Причем нередко к их разработке привлекаются специалисты, которые не знают специфики применения школьного оборудования, уровня технической подготовки учителя физики, тех проблем, которые приходится решать учителю при создании установок для проведения опытов. По этой причине не только раздел инструкции «Технические характеристики» не всегда содержит нужные сведения, но и примеры использования прибора, приведенные в этом документе, нуждаются в критической оценке.
Таким образом, нацеливаясь на освоение нового прибора, учитель должен иметь в виду, что такую информацию, как полное название прибора, последовательность подготовки его к работе, комплектность и способы устранения наиболее вероятных причин отказов в работе, можно определить только из заводского описания. Технические характеристики прибора представлены в инструкции для обеспечения работы с прибором по прямому назначению, без учета возможного совершенствования прибора силами учителя и его учеников. Некоторые из приведенных характеристик нуждаются в уточнении. Описания опытов, приводимые иногда в руководствах по эксплуатации, следует рассматривать как примеры, поясняющие работу с прибором, но не как методические рекомендации по его использованию в учебном процессе.
Наряду с изучением инструкции, следует произвести тщательный осмотр прибора и всех принадлежностей к нему.
В итоге учитель должен получить полное представление о возможностях прибора и области его применения в школьном физическом эксперименте. Необходимо твердо усвоить основные эксплуатационные характеристики, правила подготовки прибора к работе, расположение и назначение органов управления, диапазон возможного изменения рабочего режима, порядок устранения наиболее вероятных неисправностей, специфику условий хранения, необходимость профилактического обслуживания и его периодичность.
Последний этап освоения прибора – ввод в эксплуатацию – начинается с пробного включения с целью проверки его работоспособности. При этом проверяют соответствие его характеристик тем значениям, которые приведены в инструкции, влияние органов управления на работу прибора, оценивают время, необходимое прибору для выхода в рабочий режим (особенно это касается приборов с электронными лампами).
Затем определяют режим работы, в котором прибор предполагается использовать. Делают это с учетом особенностей того вида эксперимента, в котором прибор будет задействован, а также эксплуатационных характеристик приборов, которые будут работать с ним в одной установке.
После этого собирают установки и проводят пробные опыты с целью выяснить, насколько прибор оказался согласован с другим оборудованием, определяют последовательность подготовки и методику использования установки во время урока. Разрабатывают план урока, где предполагается использовать собранную установку.
Если уроки с применением нового прибора дали тот результат, на который рассчитывал учитель, приобретая прибор, то освоение прибора можно считать завершенным.