ساخت چرخش‌نما یا استروبوسکوپ چیست

ساخت چرخش‌نما یا استروبوسکوپ (Stroboscope) چیست ؟

استروبوسکوپ وسیله ای است که با قطع و وصل نور(یک نور چشمک زن) با فرکانس مشخص و قابل تنظیم امکان تنظیم اجسام دوار را فراهم می کند تا اشیاء مرتعش یا در حال دوران ثابت و ساکن به نظر آیند.فرض کنید یک جسم در حال حرکت داریم و می خواهیم نوشته ای که روی آن ثبت شده برای مثال شماره سریال آن را بخوانیم و یا ترک های احتمالی ایجاد شده بر روی آن را بررسی نماییم و کاهش سرعت دوران آن جسم نیز یا امکان پذیر نباشد یا اینکه بسیار پرهزینه باشد.به عنوان مثال اگر بخواهید پره ی یک توربین آبی را از حرکت متوقف کنید، باید هزینه زیادی پرداخت کنید و کل نیروگاه را از کار بیاندازید. برای خواندن این جور نوشته ها و یا مشاهده دقیق این سطوح از چرخش‌نما یا استروبوسکوپ (Stroboscope)استفاده می کنیم تا دیگر نیازی نباشد که توربین آبی و امثال آن را متوقف کنیم.
برای اینکه بتوانیم اجسام متحرک را ثابت ببینیم باید با فرکانسی معادل فرکانس حرکت آنها به صورت لحظه ای به آنها نور بتابانیم فرض کنید در داخل یک صفحه گرد دوار، یک سوراخ ایجاد کنیم. حال اگر این صفحه را در مقابل یک منبع نور (هر نوع لامپی) قرار دهیم، باهر دور چرخش صفحه، منبع نور یک بار در مقابل سوراخ قرار گرفته و دستگاه یک فلاش خواهد زد. با تغییر سرعت چرخش این صفحه می توان فرکانس این فلاش ها را نیز کم و زیاد نمود.

  استفاده از این روش ایمن ترین و ساده تر ین بوده و همچنین می توان از هر نوع لامپی به عنوان منبع نور استفاده نمود. در این پروژه نیز برای ساخت استروبوسکوپ از همین روش (روش مکانیکی) استفاده خواهیم نمود. البته این روش مزایای دیگری نیز دارد. برای مثال برای دست یابی به فرکانس های بالاتر می توان به جای یک عدد سوراخ، چند سوراخ در صفحه ایجاد نماییم.

 بهتر است در این روش از لامپ هالوژن به عنوان منبع نور استفاده نماییم زیرا نور را به صورت متمرکز و با شدت مناسب از خود خارج می کند.جنس صفحه باید به گونه ای باشد که به هیچ عنوان نور را از خود عبور ندهد و هم چنین در برابر گرمای تولید شده توسط لامپ مقاوم باشد.مناسب ترین گزینه استفاده از صفحه ی فلزی )آهنی یا آلومینیومی( می باشد. همچنین منبع نور باید تا حد امکان به صفحه دوار نزدیک باشد تا نور بتواند با شدت مناسب از سوراخ خارج شود.در ساخت این دستگاه برای قطع و وصل نمودن نور، از یک صفحه مدور سوراخ دار استفاده می نماییم و لامپ را دایما روشن خواهیم گذاشت.هر بار که سوراخ موجود بر روی صفحه از جلوی منبع نور عبور کند، دستگاه یک فلش می زند.چون دستگاه باید قادر باشد نور را با فرکانس بالا قطع و وصل نماید، لذا بهتر است از موتورهای عادی برای چرخاندن صفحه استفاده کنیم تا دستگاه بتواند در فرکانس های بالا نیز کار کند.چون سرعت چرخش موتور باید قابل تنظیم باشد، لذا نیاز داریم موتور دستگاه از نوع DC یا جریان مستقیم انتخاب گردد.

ساخت صفحه دوار:

همان گونه که اشاره شد، صفحه مدور باید از استحکام بالایی برخوردار باشد و حرارت تولید شده توسط منبع نور به آن آسیب وارد نکند.مناسب ترین گزینه برای ساخت صفحه مدور استفاده از صفحه آلومینیومی می باشد  

پس از ساخت صفحه گرد، باید سوراخی برای عبور نور در آن ایجاد نمایید. چون منبع نور ما لامپ هالوژن است، بهتر است قطر سوراخ برابر قطر لامپ هالوژن باشد. برای ایجاد سوراخ بهترین راه ایجاد سوراخ های متناوب بر روی محیط دایره مورد نظر می باشد.

 اتصال صفحه دوار به موتور:

برای نصب صفحه به شافت موتور هرگز از چسب استفاده نکنید زیرا به دلیل ارتعاشات ایجاد شده پس از کمی چرخیدن، صفحه از موتور جدا خواهد شد. برای اتصال صفحه به موتور باید از قطعه ای مانند شکل زیر استفاده نمایید.

 در این قطعه شافت موتور داخل سوراخ شماره 1 وارد می شود و توسط پیچ شماره 2 به شافت موتور به قطعه محکم می شود. صفحه دوار را نیز می توان به سادگی به وسیله پیچ به قسمت شماره 3 متصل نمود.

 
 
بالانس کردن دستگاه

حال موتور را در دست بگیرید و به آن برق 12 ولت وصل کنید. از آن جایی که هنوز منبع تغذیه دستگاه را نساخته اید، برای تست دستگاه از آداپتور استفاده نمایید. پس از روشن شدن موتور، لرزش زیادی در دست خود حس خواهید نمود. این لرزش با افزایش سرعت موتور بیشتر خواهد شد.دلیل این لرزش بالانس نبودن صفحه دوار می باشد. چون ما یک دایره به عنوان محل عبور نور داخل آن سوراخ نمودیم، کمبود وزن سوراخ ایجاد شده باعث ایجاد لرزش می گردد. برای حل این مشکل باید این کمبود وزن را جبران نمایید. ساده ترین راه اینست که سوراخی دیگر به صورت قرینه سوراخ اول نسبت به مرکز دایره در صفحه دوار ایجاد نمایید تا سیستم بالانس شود.راه دیگر اینست که به وسیله چند وزنه کوچک (مثلا چند عدد پیچ و مهره) که در اطراف سوراخ ایجاد شده نصب می کنید، این کمبود وزن را جبران نمایید.
 

ساخت جعبه:

پس از ساختن صفحه مدور و نصب آن بر روی موتور، جعبه اصلی دستگاه را ساخته و منبع نور، موتور و صفحه دوار را درون آن نصب نماییم.ساده ترین و مطمئن ترین راه برای ساخت جعبه، استفاده از چوب می باشد. با توجه به دلیل شرایط کاری دستگاه، نئوپان گزینه مناسبی برای ساخت جعبه می باشد.
وجه بالایی درب دستگاه می باشد و لازم است به صورت متحرک نصب گردد تا امکان دسترسی به داخل جعبه برای انجام تعمیرات و یا … فراهم گردد.پس از ساخت جعبه، باید مجموعه موتور و صفحه دوار را بگونه ای داخل جعبه نصب نمایید که صفحه موازی با وجه جلویی دستگاه باشد و با آن حدود 1 سانتی متر فاصله داشته باشد.

 
 
نصب موتور :

موتور را به نحوی نصب نمایید که صفحه در حال چرخش با وجه جلویی موازی باشد و از آن حدود 2 سانتی متر فاصله داشته باشد.پس از نصب موتور و صفحه دوار، باید سوراخی برای خروج نور از دستگاه تعبیه نمایید. صفحه دوار را به گونه ای قرار دهید که سوراخ آن در بالاترین حالت قرار گیرد، در این حالت سوراخ خروجی نور از جعبه باید هم راستا و هم اندازه سوراخ موجود بر روی صفحه دوار باشد.پس از تعیین موقعیت و اندازه این سوراخ آن را بر روی وجه جلویی جعبه ایجاد نمایید.
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                      اره گرد بر

نصب منبع نور:

آخرین مرحله نصب منبع نور )لامپ هالوژن( می باشد. لامپ نیز باید با سوراخ موجود بر روی جعبه و سوراخ موجود بر روی صفحه دوار، هم راستا باشد و با صفحه دوار حدود نیم تا 1 سانتی متر فاصله داشته باشد.
 
 مدارات الکترونیکی از وصل کردن چندین قطعه الکترونیکی به هم و با ترتیبی خاص حاصل می شوند .لازم است برای عملکرد صحیح یک مدار، کلیه قطعات آن طبق نقشه خاصی و با دقت به هم متصل شوند. نقشه مدار در حقیقت نحوه اتصال قطعات را به هم مشخص می کند و توسط طراح مدار تهیه می شود.
در شکل زیر یک نمونه نقشه مدار را مشاهده می کنید.
شکل زیر نیز یک نمونه مدار الکترونیکی ساخته شده را نشان می دهد.
 
برای حل این مشکل می توان از نوارهای نازک مسی که بر روی فیبر حک شده اند برای اتصال دادن پایه های مورد نظر به هم استفاده نمود. این نوارها پایه های کلیه اجزاء مدار را طبق نقشه به هم متصل می نمایند.با استفاده از این روش خطر اتصالی کردن سیم ها یا فراموش کردن اتصال دادن پایه ها به هم برطرف خواهد

 
البته روش های دیگری برای ساخت مدارات الکترونیکی وجود دارد مانند استفاده از اسپری positive، روش لامینت، روش رایانه ای و …

انواع جریان ها

به طور کلی در صنعت دو نوع جریان داریم:جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC)
جریان مستقیم یا DC، تنها در یک جهت و با شدت ثابت برقرار می باشد مانند باطری ها و آداپتورها.
 ولی در جریان های متناوب یا AC، شدت و جهت جریان با زمان تغییر می کند و جریان فرکانس 60 هرتز (60 بار در ثانیه) جهت خود را تعویض می کند مانند برق شهر یا برق تولید شده به وسیله ژنراتورها.

برخی از موتورهای الکتریکی برای عملکرد به جریان DC و برخی به جریان AC نیاز دارند. مدارهای الکترونیکی نیز معمولا با جریان DC کار می کنند. با این که جریان DC بسیار پرکاربرد است، منبع انرژی الکتریکی برق شهر که در دسترس ما است، AC می باشد، لذا باید این جریان را به DC تبدیل نماییم.البته علاوه بر تبدیل کردن AC به DC، باید ولتاژ آنرا نیز کاهش دهیم تا برای موتورها و مدارات ما قابل استفاده شوند. اکثر موتورهای DC و مدارات الکترونیکی با ولتاژ 12 ولت (مستقیم) کار می کنند.لذا باید اول ولتاژ برق شهر که 320 ولت AC می باشد به ولتاژ 12 ولت AC تبدیل نموده و سپس آن را به 12 ولت DC تبدیل نماییم.برای کاهش یا افزایش ولتاژ برق AC از وسیله ای به نام ترانس فورماتور استفاده می شود.
 
ترانس فورماتور چیست؟
 
ترانس فورماتور یک ماشین الکتریکی ایستا است یعنی مانند موتورها و ژنراتورها دارای بخش متحرک نمی باشد.ترانس فورماتورها دارای دو عدد سیم پیچ می باشند: یکی سیم پیچ اولیه که به منبع ولتاژ AC وصل می شود و دیگری سیم پیچ ثانویه است که به سمت مصرف کننده می رود این سیم پیچ ها توسط یک عدد هسته فلزی با هم پیوند مغناطیسی برقرار می کنند.ترانس فورماتور ولتاژ را به نسبت تعداد دورهای سیم پیچ های اولیه و ثانویه کم یا زیاد می کند.

 
ساخت منبع تغذیه DC

پس از تنظیم مقدار ولتاژ، باید آنرا به DC تبدیل نماییم.برای این تبدیل می توانیم از وسیله ای بنام پل دیود استفاده نماییم.
پل دیود یک قطعه الکترونیکی است که 4 عدد پایه دارد و اگر ولتاژ AC را به پایه هایی که با علامت ~ مشخص شده اند وصل کنیم، در پایه های + و – پل دیود ولتاژ DC خواهیم داشت.پل دیود جریان را به صورت زیر تغییر می دهد.با این کار نمودار شدت – زمان جریان نیز به صورت زیر خواهد شد.
برای اینکه بتوانیم آن را به جریان DC ایده آل نزدیک نماییم باید یک خازن با خروجی پل دیود به صورت زیر موازی نماییم.
 می توانید از یک خازن 4700 میکروفاراد 50 ولت برای موازی کردن با پل دیود استفاده کنید.

ساخت مدار کنترل سرعت:

تا  اینجا بخش مکانیکی دستگاه را ساخته اید. منبع تغذیه دستگاه نیز ساخته شد. حال خروجی منبع تغذیه را به موتور دستگاه متصل نمایید. موتور با سرعت بالا شروع به چرخش خواهد نمود و سرعت چرخش ثابت خواهد ماند. در نتیجه نور به صورت منقطع و با فرکانس ثابتی به بیرون خواهد آمد. و ما قادر نخواهیم بود حرکت و سرعت تمامی اجسام را بررسی کنیم، لذا باید به نحوی بتوانیم فرکانس نور دستگاه را تنظیم نماییم.تنها راه برای تنظیم فرکانس نور خروجی، تنظیم سرعت چرخش صفحه ی مدور می باشد. هر چه سرعت چرخش بالاتر باشد، فرکانس نور ایجاد شده بیشتر و هر چه سرعت چرخش کمتر باشد، فرکانس نور ایجاد شده کمتر خواهد بود.در زیر نقشه لازم جهت کنترل سرعت یک موتور DC را مشاهده می کنید.
 
نحوه چیدمان قطعات در نقشه کاملا مشخص است. لیست قطعات مورد نیاز برای ساخت این مدار به صورت : ( 2 عدد آی سی 555 ،  4 عدد دیود 1N4148 ، 2 عدد دیود 1N4007 ، 6 عدد خازن 103 ، 6 عدد خازن 104  ، 1 عدد خازن 10 میکروفاراد ،  2 عدد مقاومت 1 کیلو اهم ،  2 عدد مقاومت 47کیلو اهم
 ، 2 عدد ترانزیستور BD140 ، یک عدد پتانسیومتر 100 کیلو اهم) است.
 اگر در نقشه به سرهای موتور دقت کنید مشاهده می کنید که یک سر آن ها دارای ولتاژ زمین یا صفر است و سمت دیگر آن از کلکتور ترانزیستور تغذیه می شود که کلکتور وظیفه اش در این حالت ارسال ولتاژ 12 ولت بر روی سمت دیگر موتور است که با این اختلاف پتانسیل موتور شروع به حرکت کند.با پیچاندن پتانسیومتر متوجه می شوید که سرعت موتور تغییر می کند. هرگاه پتانسیومتر را به سمتی بپیچانید که مقاومتش زیاد شود، سرعت موتور کاهش می یابد و بالعکس.ابتدا مدار را بر روی بردبورد سوار کنید و آن را تست نمایید. در صورتی که توانستید با پیچاندن پتانسیومتر سرعت چرخش موتور را تنظیم کنید، کار ساخت مدار با موفقیت به انجام رسیده است. حال قطعات را از روی بردبورد باز کنید و نقشه مدار را روی فیبر مسی رسم کنید و پس از اسید شویی و آماده شدن مدار، جای پایه ها را سوراخ نموده و قطعات را سر جای خود لحیم نمایید. از مدارهای آماده کنترل سرعت موتور DC نیز می توانید در ساخت این پروژه استفاده نمایید که در فروشگاه های کیت های الکترونیکی موجود می باشند.لازم به ذکر است که چون زمان کار دستگاه ممکن است طولانی باشد، حتما برای ترانزیستورها هیت سینک (Heat sink) نصب نمایید تا دمای آنها خیلی بالا نرود.پس از آماده شدن مدار، آن را درون جعبه دستگاه نصب نمایید و منبع تغذیه را به آن اتصال دهید و خروجی آن را به موتور وصل کنید.پتانسیومتر را به گونه ای در بدنه جعبه نصب کنید که از بیرون دستگاه قابل تنظیم باشد (سر آن از دیواره های کناری دستگاه بیرون بزند)اگر از لامپ هالوژن به عنوان منبع نور استفاده می کنید، لازم است که برای کاهش دادن دمای هوای درون دستگاه، یک عدد فن در وجه عقبی دستگاه نصب کنید تا هوای داغ داخل دستگاه را به بیرون هدایت نمایید.
 
کار ساخت دستگاه در اینجا به پایان می رسد.حال می خواهیم آن را کالیبره نماییم یعنی مشخص کنیم که سرعت قطع و وصل شدن نور خروجی از دستگاه چند هرتز است؟شاید ساده ترین راه استفاده از سرعت سنج های موجود باشد. این دستگاه ها انواع مختلفی دارند. می توان با نصب کردن یک قطعه کوچک بر روی صفحه مدور و قرار دادن یک سنسور در مجاور آن، سرعت دوران آن را اندازه گیری نماییم. این دستگاه، سرعت دوران را با دقت خوبی به ما نشان خواهد داد.
 
البته انواع زیاد دیگری دستگاه های دور سنج وجود دارد.