Elixír do škol - 6. setkání

V sobotu 10. 3. 2018 proběhlo tentokráte výjimečně v prostorách SPŠST Panská jarní trojsetkání projektu Elixír do škol. Projekt zaměřený na zkvalitnění výuky fyziky zejména na základních školách je podporován Nadací Depositum Bonum. Sobotní trojsetkání, kterého se zúčastnilo 13 účastníků, bylo věnováno bastlení a výrobě plošného spoje pro zajímavou fyzikální hračku.

Když jsme v minulém školním roce věnovali dvě setkání základům digitální techniky, ukazoval jsem účastníkům setkání jednoduchou aplikaci: detektor zapojení LED. Ač to přišlo účastníkům setkání komplikované díky množství drátků (a to byla jedna ze základních úloh), projevili zájem, že by chtěli zkusit něco takového vyrobit sami.

„Ale chtěli bychom to projít celou cestou,“ okamžitě hlásají. „Od návrhu až po vlastní pájení a zapojování!“

Těší mě zájem a okamžitě začínám přemýšlet, jak to vyřešit. Konzultuji nápady účastníků jak s vedením Nadace Depositum Bonum, tak s kolegou Ing. Jakubem Šerých. Jakub Šerých nabízí, že by takové setkání připravil, ale trvá na tom, že nemá smysl to dělit na více částí.

„Než si vzpomenou, co dělali minule, než se dostaneme k tomu, co chceme dělat, tak to bude strašně časově ztrátové. Navíc jednou přijde ten, podruhé nebude moct přijít - to budou samé komplikace. Tak se domluvme na nějakou sobotu a uděláme to najednou,“ navrhuje Jakub.

Ze strany Nadace není problém spojit tři setkání do jednoho, aniž bychom porušili nějaká pravidla, takže začínáme plánovat. Začátkem září je tedy jasné, že trojsetkání bude v sobotu 10. 3.

„Je to za půl roku, kdo bude chtít, dokáže návštěvy, rodinné akce a další aktivity zkoordinovat tak, aby mohl přijít. Je nás hodně, kolega má program také poměrně plný, takže to musíme zvládnout takto,“ říkám a pevně zadávám inkriminovanou sobotu.

V sobotu 10. 3. 2018 krátce po deváté hodině vítám v učebně výpočetní techniky účastníky setkání. Kromě standardních účastníků přišli i dva žáci Daniely Kalistové, kteří mají o bastlení zájem. Po základních technických informacích, předávám slovo Ing. Jakubovi Šerých, který se ujímá slova.

„Začnu tím, že vám pustím motivační video, abyste měli představu, co budeme dělat a nemusel jsem to složitě vysvětlovat,“ říká Jakub a pouští cca dvouminutové video. V něm jsou názorně ukázány hrátky s obvodem, jehož odpor lze regulovat pomocí lidského těla (spojit obvod, měnit vzdálenost, kterou poteče elektrický proud lidským tělem, …). A regulace odporu (a tedy i elektrického proudu) se projeví změnou frekvence pískání reproduktoru. Účastníci jsou nadšeni a těší se, co bude dál.

Jakub rozdává schéma elektrického obvodu, který bude stěžejní pro vyráběnou hračku.

„Kdo má zkušenosti s elektrotechnikou?“ ptá se Jakub. Přihlásí se Václav Pazdera.

„A kdo má zkušenost s obvodem NE555 nebo jiným obvodem s označením končícím trojčíslím 555?“ pokračuje Jakub. Přihlásí se opět Vašek Pazdera.

„No vida, i z této miniaturní statistiky je jasné, že obvod NE555 stojí opravdu za základy elektrotechniky,“ usmívá se Jakub a začíná součástku popisovat. Krátce zmíní historii vzniku a firemní cesty tohoto obvodu spojené s jeho různým onačením. Pak začíná vysvětlovat fyzikální princip činnosti.

Poté se již vrací ke schématu, které účastníkům rozdal, a jeho návrhu v počítačovém programu Eagel.

„Tento program je pro učitele a jejich žáky zdarma, jen je nutné se na příslušné stránce registrovat,“ informuje Jakub. „Na přihlášených počítačích jej máte nainstalovaný, takže jej stačí spustit.“

Po spuštění programu popisuje Jakub jeho činnost a ukazuje základní ovládací prvky. Pak přistoupí ke hledání součástek obsažených ve schématu v knihovnách programu. Jakmile vybere typ součástky, je nutné zjistit, kterou konkrétní variantu vybrat do zapojení.

„K tomu nám báječně poslouží katalog součástek. Jak vidíte, tento je 10 let starý a zatím stále slouží. Změny ve tvarech, rozměrech a dalších parametrech součástek byly za tu dobu minimální,“ upozorňuje Jakub a popisuje, jak mají účastníci setkání v katalogu součástky hledat.

Když jsou připraveny všechny součástky na pracovní ploše programu, přistupuje Jakub k sestavení schématu obvodu.

„Jak vidíte, na schématu, které máte u sebe, je jiný typ NE555, než který jsme našli v knihovně programu. To jsem udělal schválně, abyste si zapojování schématu užili a byli nuceni o tom přemýšlet,“ usmívá se Jakub. Krok za krokem pak kreslí schéma v programu a účastníci mohou kreslit samostatně nebo se dívat na tabuli na přenos z Jakubova počítače.

„Výborně, schéma máme hotové,“ usmívá se Jakub a já tuším, že to nejlepší teprve přijde. A nemýlím se.

„Teď už vytvoříme příslušný plošňák a snad stihneme oběd v půl jedné,“ říká s úsměvem Jakub. Pohled na hodiny říká, že je krátce před jedenáctou hodinou.

„Vytvoření součástek plošného spoje je triviální,“ ukazuje Jakub. Jedním kliknutím se v programu vytvořila hromada součástek umístěných těsně vedle sebe.

„A teď je na vás, abyste součástky umístili tak, aby se ty žluté čáry nikde nekřížily. Ty čáry považujte teď za gumičky - přemístíte součástku a čáry podle toho budou prodlužovat a zkracovat. Jakmile budete mít součástky správně rozmístěné, vytvoříme příslušné vodivé cesty,“ plánuje Jakub.

Vytváření správně rozmístěných součástek zabere zbytek času do oběda. To pochopitelně Jakub tušil, ale chtěl, aby si všichni tuto operaci zkusili.

„Doufám, že nebudu muset zapojovat obvod podle mého schématu,“ děsí se Edita Martoníková.

Jakub postupně obchází jednotlivé účastníky a radí jim, jak uspořádat součástky na ploše lépe. Když pak začínají účastníci vytvářet cesty, radí Jakub i s tím, jak tyto vodivé cesty optimalizovat.

Krátce před půl jednou končí Jakub fázi návrhu a vyhlašuje vítěze soutěže o Nejlepší návrh plošného spoje. Při vybírání vítěze zohledňuje i míru pomoci, kterou danému účastníkovi věnoval. Za vítězku je vyhlášena Renáta Ottová, které nepomáhal vůbec a která má součástky rozmístěné na ploše poměrně rozumně.

„Před tištěným takového schématu je nutné zohlednit ještě další věci: jaké součástky mohou být u sebe a jaké ne, jak dlouhá vodivá cesta může vést mezi kterými součástkami, aniž by vznikaly nějaké parazitní jevy, a další specifika. To ale při prvním seznámení se s programem řešit nebudeme,“ uzavírá Jakub dopolední blok a odcházíme na oběd.

Po obědě jdeme rovnou do školní dílny, kde má Jakub připraveny věci na odpolední pájení. Nejdříve vysvětluje postup výroby tranzistoru CMOS a upozorňuje na nutnost dodržet základní bezpečnostní pokyny.

„Obvod NE555 je zabalen v alobalu, aby byl chráněn před elektrostatickým polem. Nevyndávejte ho dříve, než to bude nezbytné. Zajistíte tak jeho funkčnost,“ upozorňuje Jakub a rozdává sáčky, ve kterých jsou všechny elektrické součástky nutné na stavbu pomůcky.

Účastníci setkání si sáčky berou a Jakub zjišťuje, že se jeden nedostává. To je částečně i moje vina, že jsem neohlídal počet účastníků správně.

„Ona si ta informace žila vlastním životem,“ usmívám se. Kolegyně, na kterou se nedostaly součástky, to bere v dobrém. Navíc Jakub okamžitě shání náhradní součástky, aby i ona mohla pájet.

„Teď se postupně musíme vystřídat u vrtaček a u řezačky. V několika vrtačkách je malý vrták na vyvrtání otvorů pro osazení součástek, v jedné je větší pro vyvrtání otvorů pro připevnění k tužce. Kdo nebude vrtat, může si destičku ostřihnout a zahladit smirkovým papírem,“ instruuje Jakub.

V dílně začal pracovní ruch, vrtačky jely na plné obrátky. Kdo nevrtal, začal zastřihávat a zabrušovat destičku s předem připraveným obvodem.

Jakmile byla většina otvorů vyvrtaných, ujímá se opět slova Jakub.

„Nevím, jaké máte zkušenosti s pájením, ale pokud ne, je dobré připomenout základní principy,“ vysvětluje Jakub. „Důležitá je difúze, která musí mezi pájenými předměty proběhnout. Proto je nutné oba pájené povrchy prohřát na dostatečnou teplotu. Pouze u malého reproduktoru je potřeba dávat pozor, ten by se mohl zničit. Kondenzátory sice také, ale ty vydrží o něco více,“ usmívá se Jakub. Pájení vysvětluje z fyzikálního hlediska, mluví o silách působících mezi kapalinou (roztavený cín) a pevnou látkou a závislosti na povrchovém napětí. Na tabuli kreslí názorné obrázky včetně ukázky správně provedeného a špatně provedeného spoje.

„Pokud si nevěříte, začněte s těmi rezistory, ty vydrží hodně. A kdo nikdy nepájel, dám vám cvičnou desku, na které si to zkusíte,“ nabízí Jakub.

Účastníci začínají pájet, občas si Jakuba zavolají, aby pomohl radou nebo přímou akcí s pájkou. Jak postupně dokončují svá zapojení, kontrolují si napájené spoje pod velkou lupou, kterou Jakub instaloval na přední stůl. Když je vše hotovo, berou si baterie a zkoušejí funkčnost přístroje. A jakmile se ozve pískání reproduktoru, následuje většinou jásot majitelky.

V případě, že se pískání neozve, je Jakub žádán o radu. Buď pak stačí některý studený spoj opravit prohřátím a zajistit jeho vodivost nebo změnit polohu součástky na destičce. S postupujícím časem se pískání ozývá stále častěji.

Když jsou už skoro všechny přístroje zprovozněny, Jakub se opět ujímá slova.

„Já jsem destičky pro vás připravil předem, ale mám tu návrhy dvou, které vyrobíme přímo zde, abyste viděli postup výroby,“ říká Jakub a návrh plošného spoje, který bude odměnou pro Nejlepší návrh plošného spoje a pro Nejlepší výrobek ukazuje.

Vezme destičku, která je zakrytá ochrannou vrstvou, tu sloupne a na destičku položí návrh spoje vytištěný na fólii. Pak tuto sestavu položí pod zdroj UV záření na přibližně 20 minut.

„Na povrchu destičky je vrstva na principu asfaltu. Pod UV zářením se naruší její molekuly a bude možné pak ty osvětlené části rozpustit v louhu,“ říká Jakub a osvícenou destičku ponořuje do louhu. Po několika sekundách je vidět, že se text na destičce začíná vyjasňovat. Po chvíli je jasně vidět to, co na plošném spoji má být.

„Nyní je nutné rozpustit zbytek materiálu destičky, aby se destička stala průhlednou, jak má být,“ říká Jakub. Na destičku proto připevňuji drátky, aby bylo destičku za co držet, a zatímco Jakub dále pomáhá s pájením, máčím destičku v lázni leptacího roztoku. Po přibližně dalších dvaceti minutách je hotovo. Omývám destičku vodou, přeřezávám ji na polovinu a dávám šťastným majitelkám.

Destičku za nejlepší výrobek jsme věnovali paní Olze Doležalové.

Krátce po páté hodině odpolední odcházejí poslední účastnice s hotovým výrobkem v ruce. Všichni účastníci byli nadšení a při odchodu na spoje do svých měst velmi děkovali.

Velký dík patří Ing. Jakubovi Šerých za přípravu a vedení celého setkání!

Materiály týkající se tématu setkání:

Průběh setkání je zobrazen na fotografiích.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 14. 3. 2018