Индивидуальный проект “Изготовление модели двоичного калькулятора"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Сиверская средняя общеобразовательная школа №3»

Индивидуальный проект

“Изготовление модели двоичного калькулятора”

Выполнил:

Ткач Иван Павлович

Ученик 10 класса

Научный руководитель:

Смирнова Надежда Михайловна

Учитель физики

Работа допущена к защите «_____» _______________ 2025г.

Подпись руководителя проекта ____________________(__________________)

Г. п. Сиверский

1. г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

Глава 1. Теоретическая часть……………………………………………………4

1.1. Полупроводники…………………………………………………………….4

1.2. Принцип действия транзистора…………………………………………….5

1.3. Алгебра логики и цифровая электроника………………………………….7

Глава 2. Практическая часть…………………………………………………….9

2.1. Проектирование и создание продукта……………………………………..9

2.2. Испытание калькулятора…………………………………………………..13

Заключение……………………………………………………………………...14

Список литературы……………………………………………………………..15

Приложение……………………………………………………………………..16

Введение

Тема: Изготовление модели двоичного калькулятора.

Направленность: Техническая.

Цель: Спроектировать и изготовить модель двоичного калькулятора.

Актуальность: Во времена стремительного научно-технического прогресса развиваются технологии, которые изменяют нашу жизнь. В основе новых технологий лежат базовые принципы, которые были открыты уже достаточно давно. Моя работа поможет начинающим любителям электроники в изучении данной темы.

Аналоги и новизна моего проекта: Магазины предлагают сложные по структуре наборы для сборки устройств. Они укомплектованы в одну неразрывную схему, небольшой чип, вследствие чего теряется возможность постепенного рассмотрения работы устройства. Мой калькулятор будет состоять из простейших деталей, благодаря чему изучение его работы станет эффективнее.

Основные задачи:

• Изучить теоретический материал об устройстве

• Спроектировать двоичный калькулятор

• Собрать устройство и проверить его работу

• Представить свое устройство перед публикой

Гипотеза: В случае успешного создания устройства, я не только помогу начинающим в изучении принципов электроники, но и получу первичный опыт проектирования.

Этапы проекта:

• Поиск информации о работе калькулятора.

• Проектирование принципиальной схемы.

• Подбор необходимых деталей

• Приведение схемы к монтажному виду.

• Изготовление монтажной платы.

• Сборка калькулятора и проверка его работы

• Представление работы калькулятора перед публикой

Риски

№	Риск	Вероятность возникновения	Степень воздействия	Профилактика	Решение проблемы
1	Научная достоверность	средняя	высокая	Внимательно отнестись к выбору литературы для проекта	Пользование проверенными источниками данных, сравнивать информацию, полученную с различных сайтов
2	Поломка оборудования или брак при закупке комплектующих	средняя	высокая	Не допускать ситуаций, которые могли бы негативно повлиять на состояние оборудования	Выделить денежные средства на починку оборудования или приобретение новых

1.Теоретическая часть

1.1 Полупроводники

Полупроводники – это материалы, которые имеют промежуточные электрические свойства между проводниками и диэлектриками, что позволяет им проводить электрический ток при определенных условиях. Они необходимы при создании электрических компонентов, таких как транзисторы, диоды и микросхемы, которые используются в самых разнообразных устройствах, включая компьютеры, мобильные телефоны и солнечные панели.

В процессе изучения законов двоичного счета я выстроил связи между работой полупроводниковых устройств и законами алгебры, логики, изучил правила счёта. Наиболее интересными устройствами я считаю полупроводниковые приборы.

Существует огромное количество видов транзисторов, имеющих соответственно различные характеристики. В своей работе я использовал биполярный транзистор 2N2222A (P2N2222A – сходный по строению; содержится в программе для проектирования схем). Биполярные транзисторы имеют несколько различных режимов работы, основными из которых являются «режим усилителя» и «режим электрического ключа». В модели моего калькулятора все транзисторы выполняют роль ключа. Любой NPN транзистор имеет три контакта: коллектор, эмиттер и базу. К коллектору присоединяют нагрузку, которая выполняет полезную работу в данной цепи (светодиоды, нагреватели) для «открытия» транзистора и прохождения тока через коллектор-эмиттер. Также необходимо, чтобы напряжение на базе равнялось 0,7В, а электрический ток меньший чем на коллекторе. Таким образом мы управляем малым током с помощью большого. Работу NPN транзистора рассматривают через аналогию с трубами и водой.

На картинке представлен узел из труб. Достаточный поток воды на базе (тонкой трубе) открывает возможность течения от коллектора к эмиттеру (по широкой трубе).

1.2 Принцип действия транзистора

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех полупроводниковых слоев, которые чередуются. Два вида слоев, различающихся типом примеси: n- и p-тип. Наш P2N2222A имеет два n- и один p-слоя, поэтому он и относится транзисторам типа NPN. Полупроводник, содержащийся в данном транзисторе – кремний. Ток протекает от минуса к плюсу, так как электрическим током считается упорядоченное движение электронов. (Тем не менее на практике в электротехнике исторически течение тока берут от плюса к минусу). Рассмотрим работу P2N2222A с точки зрения ученых.

N-слой (от английского слова “negative”) содержит атомы кремния и фосфора, который может отдать свободный один электрон. P-слой (от англ. – positive) же наоборот, состоят из атомов кремния и алюминия, которые могут принять один электрон. Незаполненную валентную связь называют «дыркой». Она имеет положительный заряд. При соединении этих двух разных слоев между ними возникает обеденная область, в которой электроны заполнили места дырок, нейтрализуя заряд и создавая барьер, через который большее количество электронов не сможет пройти. При подаче электронов со стороны p-слоя (слоя избытка дырок), электроны заполняют область p, и теперь ток не сможет течь, так как ему препятствует уширенная обеденная область, которая не может его проводить.

Когда же достаточный поток электронов подаются на n-область, электроны n-области стремятся перейти n- в p-область, чтобы освободить связи для пришедших электронов. Барьер уменьшается, и свободные электроны из n-области постоянно переходят в p-область, сменяя друг друга. Это приводит к течению тока PN-переход. Для прорыва слоя нужно подавать минимум 0,7В. Получается, биполярный NPN транзистор состоит из двух PN-переходов, направленных друг на друга. При подаче «минуса» (то есть электронов от источника) на один из n-слоев, называемый эмиттер, и «плюса» на p-слой – базу транзистор станет пропускать через себя ток.

При изготовлении транзистора расстояние между контактом базы и второго n-слоя – коллектора расстояние делается весьма небольшим. И несмотря на то, что обычно поток электронов от p- к n-области не происходит, ввиду близкого расстояния между контактами происходит прорыв.

Получается, чтобы NPN транзистор стал проводить электроны от эмиттера к коллектору необходимо, чтобы на базе было напряжение 0,7В и при этом через нее тек ток.

1.3 Алгебра логики и цифровая электроника

Чтобы научиться понимать и «язык», на основах которого мой калькулятор проводит расчеты, мне стало необходимым освежить знания об отдельной науке – алгебре логики. Алгебра логики, также известная как булева алгебра, является основой для разработки цифровых систем. Она касается работы с истинными и ложными высказываниями, что позволяет предавать явный вид и упрощать анализ различных задач. Цифровая электроника, в свою очередь, использует элементы алгебры логики для создания электрических схем, которые обрабатывают и хранит информацию в двоичном формате. Логические значения представляются в двоичной системе, где истинное значение обозначается единицей (1), а ложное – нулем (0). Для удобной записи логических выражений я предпочитаю использовать таблицы истинности.

Таблицы истинности – это инструмент, используемый в логике и цифровой электронике для определения истинности логических выражений. Они показывают, как выходное значение логической функции зависит от ее входных значений.

В алгебре логики есть несколько основных операций: конъюнкция (логическое И), дизъюнкция (логическое ИЛИ) и отрицание (логическое НЕ). К примеру, логическое ИЛИ, если имеет одно из значений, равным единице, то на выходе будет также единица.

Благодаря способности транзисторов работать ключевом режиме можно собрать схемы, представляющие собой устройства выполняющие функции алгебры логики. Такие устройства называют логическими вентилями. Для проверки работы транзисторов я собирал логический вентиль ИЛИ. Он состоит двух параллельно соединенных транзисторов. Если ток потечет через базу одного из транзисторов, то мы получим сигнал и на выходе.

При комбинации нескольких логических вентилей можно получить и более сложные логические устройства, такие как полусумматоры и сумматоры.

Полусумматор

ТИ полного сумматора

Полусумматор (или полусумматор) — это цифровой элемент, используемый для выполнения операции сложения двух одноразрядных двоичных чисел. Он принимает на вход по 1 биту с каждого числа и выдает два выхода: сумму (S) и перенос (C). Полусумматоры не могут учитывать перенос из предыдущего разряда, что делает их основными устройствами в более сложных арифметических логических схемах, таких как полные сумматоры (см. приложение 1), состоящие из двух полусумматоров и логического ИЛИ для нормального переноса разряда.

При последовательном соединении сумматоров выходами переноса и получается логическая составляющая двоичного калькулятора. Мой двоичный калькулятор складывает трехзначные двоичные числа. Это значит, что мне нужно 2 полных сумматора и один полусумматор, так как первый разряд (единиц) не моет получить дополнительную единицу, потому что мой калькулятор работает только с натуральными числами.

Индикация входов и выходов

Индикация входов и выходов в двоичном калькуляторе – это важный элемент устройства, позволяющий пользователю видеть результаты проведенных операций. В моем калькуляторе используются переключатели для ввода двоичных значений (0 или 1). Результат вычисления суммы двух чисел выводится на отдельной группе из четырех светодиодов.

2. Практическая часть

2.1 Проектирование и создание продукта

В процессе создания двоичного калькулятора я столкнулся с необходимостью подбора компонентов, которые обеспечат функциональность устройства и его удобное использование. Решение данной задачи происходило в два этапа: определение требований к калькулятору и выбор конкретных компонентов.

Я поставил задачу, чтобы мой калькулятор:

1. Мог получать на вход два двоичных трехзначных числа

2. Мог рассчитать сумму данных чисел

3. Вывести результат двоичной суммы на группе из четырех светодиодов

Подбор компонентов

Сначала мне было необходимо определить, от чего будет производится питание моего калькулятора. Наиболее надежным вариантом, имеющим возможность замены, я посчитал обыкновенную батарею на 9В. От нее питается вся схема в целом, поэтому для работы устройства не требуются дополнительные источники.

Вторым шагом был выбор типа транзисторов. Я рассматривал как биполярные транзисторы, так и полевые транзисторы. В конечном итоге я предпочел использовать биполярные, так как они были, во-первых, дешевле и доступнее. А во-вторых, я уже имел опыт работы с данным типом транзисторов. Поэтому я и взял свой привычный 2N2222A.

Для создания логических вентилей к данным транзисторам было необходимым подобрать резисторы. Спросив в телегам-группе о том, какие резисторы подойдут к 2N2222A, используемый в конструкции логических вентилей, я получил ссылку на видео о подключении схожего по характеристикам 2N3904. Я так и взял 1кОм и 10кОм соответственно для коллектора/эмиттера (в зависимости логического выражения, которое представляет вентиль) и для базы.

Для создания входов и выводов чисел я решил использовать красные светодиоды LED F3 GSMIN SL4. Они имеют небольшой диаметр (d=3мм) и приемлемое свечение. Светодиоды будут стоять на выходе из логических схем последовательно с ограничительными резисторами.

Рассчитать ограничительный резистор для светодиода можно по следующей формуле:

Где – напряжение питания, – номинальное напряжение светодиода, – номинальный ток светодиода.

Если взять номинальные ток и напряжение из даташита (технической спецификации по определенному прибору) светодиода LED F3 GSMIN SL4, то необходимое сопротивление резистора:

Резистор такого номинала есть, поэтому модифицировать его не пришлось.

Последнее, что я выбрал, – это способ внесения чисел в калькулятор. Светодиоды в цепи должны сохранять свое состояние после ввода двоичного числа. В этом случае кнопка не подходит, так как она будет возвращаться в исходное состояние. Поэтому я решил использовать переключатель SS-12D00-G4.

При этом ток будет течь через средний и один из крайних контактов. Третий контакт будет “висячим”, а ползунок будет направляться к нему, когда необходимо, чтобы светодиод был включенным, то есть был подан нуль.

Отрисовка схем

Первым шагом в процессе отрисовки схем был выбор программного обеспечения. Я выбрал EasyEDA благодаря его интуитивно понятному интерфейсу и возможности работы непосредственно в браузере. Данный сервис позволяет создавать схемы, а также печатные платы, что значительно упрощает процесс проектирования.

В начале работы с программой я расставил компоненты для получения логических вентилей (см. приложение 1). После добавления необходимых компонентов приступил к их соединению. Используя инструмент "Wire", соединил все элементы в соответствии с логикой работы калькулятора. Правильность соединений проверял с помощью функции ERC. Чтобы не строит вентили каждый раз с начала, я скопировал их и оставил за активной зоной программы.

Логические вентили я объединил в полусумматор, скопировал его несколько раз (см. приложение 2). И так я продолжал делать, пока не получил основные части схемы. После создания отдельных схема-блоков я соединил их в единое устройство. Построение калькулятора в программе закончено, схема хранится на сайте.

Дальше необходимо было привести схему к монтажному виду. На том же сайте я воспользовался специальной функцией, находящийся сверху о вкладке «дизайн». Данное преобразование необходимо, чтобы уменьшить затраты на производство нерационально больших и дорогих плат.

Изготовление

Этап 1. Я приобрел платы с JLCPCB и спаял их. При работе с паяльным оборудованием я соблюдал технику безопасности. Хорошо проветривал комнату, где ведётся работа, использовал защитные очки. Держал нагретый паяльник только за ручку, чтобы избежать возможных ожогов. При пайке электроники я отсоединил провода от источника питания, чтобы избежать поражения электрическим током. Не оставлял включённый паяльник без присмотра, даже на короткое время. Проверил работу спаянных схем и собрал индикатор на монтажной плате.

Этап 2. Сократил время на создание ввод/вывод схем и оставил их в виде п-образной скобы: это сократило длину проводов, при этом дало возможность взглянуть внутрь прибора. Старые резисторы на плате полусумматора я перепаял, чтобы калькулятор был одном стиле. Взял две пластины медного стеклотекстолита, порошок лимонной кислоты, пищевую соль, 3%-ую перекись водорода и нашатырный спирт. Протер стеклотекстолит спиртом, начертил дорожки обыкновенным перманентным маркером со стороны металлического покрытия.

П отом я смешал в пластмассовом контейнере 100 мл нагретой перекиси водорода, 25 г лимонной кислоты и столовую ложку соли. В данную смесь я погрузил текстолит будущего контроллера рисунком вниз и плату индикатора, чтобы медный слой отставал от поверхности быстрее. Далее я снял маркер спиртом, просверлил отверстия под детали и залудил дорожки для защиты от коррозии, впаял компоненты и соединил контроллер и индикаторы проводами с основными схемами.

2.2. Испытание калькулятора

Двоичный счет

Сумма чисел в двоичной системе выполняется по аналогии с десятичной системой, но с учетом того, что в двоичной системе используются только две цифры: 0 и 1. Если сумма двух единиц (1 + 1) возникает, то результатом будет 0, а к следующему разряду прибавляется 1 (это аналог переноса в десятичной системе).

Инструкция по эксплуатации

1. Положите перед собой блок ввода двоичный чисел так, чтобы стрелка смотрела от вас. При этом нельзя держать прибор за провода и допускать того, чтобы платы растягивали их под своей тяжестью.

2. Вставьте батарею U=9B в крону. Проверьте остаточную емкость батарейки, аккуратно передвинув любой из ползунков на плате ввода.

3. Двигая ползунки, вы можете складывать двоичные числа до трех бит. Числа удобно вводить с конца, так как важно, чтобы при вводе пустые разряды нужно оставить в состоянии 0.

Таблица двоичных чисел до 14 (предела сложения)

0000	0	0100	4	1000	8	1100	12
0001	1	0101	5	1001	9	1101	13
0010	2	0110	6	1010	10	1110	14
0011	3	0111	7	1011	11

Заключение

В ходе выполнения проектной работы я приобрел много новых знаний, которые существенно расширили мое понимание основ электроники и двоичной арифметики. На этапе проектирования, изучил принципы работы с логическими вентилями и электрическими компонентами, которые легли в основу калькулятора. Это позволило мне не только научиться основам схемотехники, но и разобраться в методах реализации задач, связанных с обработкой данных в двоичной системе.

Разработанный калькулятор может служить инструментом для обучения двоичной арифметики. Надеюсь, что этот проект будет полезен для читателей, стремящихся углубить свои знания в области электроники.

Список литературы

Ю. Г. Сиднеев «Электротехника с основами электроники»

Р. Токхейм «Основы цифровой электроники»

Ссылка на источник	Содержание
https://diotec.com/request/datasheet/2n2222a.pdf	Даташит 2N2222
https://www.utmel.com/components/2n3904-vs-2n2222-what-is-the-difference-between-2n2222-and-2n3904-transistor?id=835	Сравнение характеристик 2N3904 и 2N2222
https://www.youtube.com/watch?v=SVCzcRaRXcc	Видео о подключении 2N3904
https://youtu.be/1-MFkcgm-wo?si=PK4SEsjl_CHXGYo2	Видео об изготовлении плат в домашних условиях

Приложение

1. Проектирование логических вентилей

1. Проектирование полусумматора

1. Схема полного сумматора

1. Проверка работы полусумматора

1. Калькулятор

1. Смета

Материалы и комплектующие	Количество в упаковке	Цена одной упаковки	Количество упаковок	Сумма
Плата на заказ	5	1700	1	1700
Транзистор 2N2222A	50	190	2	380
Резистор 1 кОм	15	117	3	351
Резистор 10 кОм	100	225	1	225
Резистор 360 Ом	10	152	1	152
Светодиод LED F3 GSMIN SL4	25	103	1	103
Переключатель SS-12D00-G4	10	202	1	202
Стеклотекстолит	1	122	2	244
Провод для пайки	100	234	1	234
Итого:	-	-	-	3591