Проектирование и Расчет Электронного Репеллента: Курсовой Проект с Интеграцией Стандартов ГОСТ и СанПиН

Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, насекомые-паразиты, такие как комары, являются переносчиками ряда опасных заболеваний, а их экономический ущерб от снижения комфорта и работоспособности человека огромен. Создание эффективных и, что критически важно, безопасных средств борьбы с ними является актуальной задачей прикладной электроники.

Данный курсовой проект представляет собой комплексную разработку электронного устройства — репеллента насекомых-паразитов. Проект объединяет теоретические основы схемотехники с расчетом конкретных параметров и строгим соблюдением российских стандартов безопасности труда и гигиенических норм, что является обязательным требованием для любого технического изделия, выходящего на рынок.

Введение: Цели, Задачи и Актуальность Проекта

Проблема защиты от кровососущих насекомых-паразитов, особенно в теплое время года, требует надежных и неинвазивных решений. Химические репелленты обладают рядом недостатков, включая токсичность и краткосрочность действия, что обуславливает их нежелательность для длительного применения. Электронные отпугиватели, основанные на акустическом воздействии, предлагают долгосрочную, экологически чистую альтернативу, лишенную этих минусов.

Цель курсовой работы: Разработать и рассчитать принципиальную электрическую схему электронного репеллента, способного генерировать ультразвуковой сигнал в заданном диапазоне, описать его конструкцию и обеспечить полное соответствие проекта нормативным требованиям безопасности.

Логическая структура отчета:

1. Теоретическое обоснование принципа действия (энтомология и акустика).
2. Разработка и анализ структурной схемы устройства.
3. Детализированный инженерный расчет ключевого узла — мультивибратора.
4. Выбор компонентов с учетом ограничений СанПиН.
5. Раздел охраны труда и техники безопасности на основе ГОСТ.

Теоретические Основы Принципа Действия

Энтомологическое и Акустическое Обоснование

Действие электронного репеллента основано на генерации звуковых волн высокой частоты, в основном в ультразвуковом диапазоне (выше 20 кГц), которые вызывают дискомфорт и дезориентацию у насекомых-паразитов.

Ключевым объектом воздействия являются самки комаров, поскольку именно они являются кровососущими. Отпугивание достигается за счет использования их естественных поведенческих реакций. Для отпугивания самок комаров (являющихся кровососущими) часто используется генерация ультразвука в диапазоне 15–22 кГц. Этот диапазон не случаен: он имитирует полет самцов или, что более эффективно, звуки стресса/тревоги, либо естественных хищников (например, летучих мышей). Оплодотворенные самки, нуждающиеся в крови для развития яиц, стремятся избегать самцов (после спаривания) и зоны повышенной опасности, что побуждает их покинуть область излучения. И что из этого следует? Фактически, мы используем биологически заложенный механизм избегания для достижения чисто технической цели — освобождения пространства от вредителя.

Типовой диапазон излучаемых частот для коммерческих электронных репеллентов составляет от 18 до 90 кГц, позволяя бороться с более широким спектром паразитов (включая некоторых грызунов), но для комаров наиболее эффективным остается нижний край этого диапазона (15–22 кГц).

Методы Повышения Эффективности Излучения

Человеческое ухо не воспринимает ультразвук, однако насекомые обладают способностью адаптироваться к постоянному, монотонному звуковому сигналу. Если электронный репеллент будет излучать сигнал на строго фиксированной частоте, его эффективность со временем резко снизится. Это требует динамического подхода.

Для предотвращения адаптации насекомых и повышения общего коэффициента полезного действия устройства применяется частотная модуляция (ЧМ). Суть метода заключается в плавном, циклическом изменении (качании) несущей ультразвуковой частоты в пределах заданного диапазона.

Обычно используется низкая модулирующая частота, например, 2–5 Гц. Это означает, что несущая частота (например, 20 кГц) плавно изменяется, скажем, от 18 кГц до 22 кГц, и обратно с периодом 0.2–0.5 секунды. Такой динамический сигнал значительно затрудняет привыкание насекомых, обеспечивая стабильную отпугивающую силу. В нашем проекте генератор частоты должен быть спроектирован с возможностью внешней модуляции или иметь внутренний узел, обеспечивающий «качание» частоты.

Структурная Схема и Выбор Генератора Частоты

Функциональная Схема Устройства

Разработка любого электронного устройства начинается с декомпозиции — разбиения на функциональные узлы, которые в совокупности решают поставленную задачу. Структурная схема электронного репеллента включает следующие ключевые узлы, которые обеспечивают преобразование постоянного напряжения в мощный ультразвуковой сигнал:

№	Узел	Функция	Требования
1	Источник питания	Преобразование сетевого напряжения (или автономный источник) в стабильное постоянное напряжение (например, 12 В).	Стабильность, низкий уровень пульсаций.
2	Генератор (Мультивибратор)	Формирование электрических прямоугольных импульсов заданной ультразвуковой частоты (например, 15–25 кГц).	Точность частоты, простота настройки.
3	Усилитель/Драйвер	Повышение мощности и амплитуды импульсов до уровня, достаточного для эффективного возбуждения излучателя.	Высокий коэффициент усиления, способность работать с реактивной нагрузкой.
4	Выходной излучатель (Пьезоизлучатель)	Преобразование электрических колебаний в механические (ультразвуковые) волны.	Широкий диапазон воспроизводимых частот, высокий уровень звукового давления (УЗД).

Обоснование Выбора Мультивибратора

Центральным узлом схемы является генератор. В качестве генератора частоты выбран астабильный (автоколебательный) мультивибратор.

Мультивибратор — это релаксационный генератор, вырабатывающий колебания по форме, приближающиеся к прямоугольной. В схемотехнике он ценится за свою простоту, надежность и низкую стоимость реализации.

Аргументы в пользу мультивибратора:

1. Простота реализации: Схема может быть реализована как на двух биполярных транзисторах, так и на специализированной микросхеме-таймере (например, NE555).
2. Генерация прямоугольных импульсов: Прямоугольные импульсы содержат большое количество высших гармоник, что способствует более эффективному возбуждению пьезоизлучателя и созданию более «резкого» для насекомых сигнала.
3. Достаточный частотный предел: При использовании популярной микросхемы-таймера NE555 в качестве генератора, ее максимальная рабочая частота может достигать 500 кГц, что с большим запасом перекрывает требуемый рабочий диапазон репеллента (до 90 кГц).

Мультивибратор используется в тех случаях, когда к стабильности формы и частоты выходных импульсов не предъявляется жестких требований, что идеально подходит для схемы отпугивателя, где важен сам факт наличия ультразвукового сигнала, а не его лабораторная точность.

Детализированный Расчет Электрической Схемы Мультивибратора

Формулы Расчета и Выбор Исходных Параметров

Для реализации генератора рассмотрим классический симметричный мультивибратор на биполярных транзисторах (NPN-типа). В симметричном мультивибраторе номиналы элементов в обоих плечах схемы одинаковы:

• Резисторы в цепи коллектора: R_к1 = R_к4.
• Резисторы в цепи базы: R_б1 = R_б2 = R_б.
• Конденсаторы коллекторно-базовой связи: C₁ = C₂ = C.

Расчет сводится к определению номиналов времязадающих элементов R_б и C.

Период колебаний (T) симметричного мультивибратора определяется как сумма длительностей полупериодов: T = T₁ + T₂. Длительность каждого полупериода приблизительно рассчитывается по формуле:

T₁ = T₂ ≈ 0.7 ⋅ Rᵦ ⋅ C

Соответственно, общий период колебаний:

T ≈ 1.4 ⋅ Rᵦ ⋅ C

(где R_б измеряется в Омах, C — в Фарадах).

Частота генерации (f), измеряемая в Герцах, является величиной, обратной периоду:

f = 1 / T ≈ 1 / (1.4 ⋅ Rᵦ ⋅ C)

Конструкторский расчет всегда начинается с определения требуемой рабочей частоты и выбора типового номинала одного из времязадающих элементов. В данном проекте мы выберем целевую частоту, оптимальную для отпугивания комаров:

• Требуемая частота f = 25 кГц (25000 Гц).
• Выбираем типовую емкость C = 0.01 мкФ (это 10 нФ или 1 ⋅ 10⁻⁸ Ф).

Расчет Сопротивлений Цепей Базы

Используя формулу частоты, мы можем выразить требуемое сопротивление резистора R_б:

Rᵦ ≈ 1 / (1.4 ⋅ f ⋅ C)

Пошаговое применение формулы для заданных параметров:

1. Подставляем значения в знаменатель:
   1.4 ⋅ f ⋅ C = 1.4 ⋅ 25000 Гц ⋅ (1 ⋅ 10⁻⁸) Ф
2. Производим умножение:
   1.4 ⋅ 25000 ⋅ 0.00000001 = 0.00035
3. Рассчитываем требуемое сопротивление R_б:
   Rᵦ ≈ 1 / 0.00035 ≈ 2857 Ом

Вывод: Для частоты 25 кГц при использовании конденсаторов емкостью 0.01 мкФ требуются резисторы R_б номиналом около 2857 Ом (2.857 кОм).

Поскольку в стандартном ряду E24 нет резистора с номиналом 2857 Ом, конструктор должен выбрать ближайший стандартный номинал. Ближайшие стандартные номиналы: 2.7 кОм или 3.0 кОм. Выбор 2.7 кОм приведет к частоте f_расч ≈ 26.4 кГц, а выбор 3.0 кОм — к частоте f_расч ≈ 23.8 кГц. Оба значения находятся в пределах эффективного рабочего диапазона. Но какой из этих вариантов выбрать, если мы стремимся к максимальной эффективности? Разумным будет выбор R_б = 2.7 кОм, так как более высокая частота находится ближе к верхней границе, что может дать дополнительный эффект дезориентации.

Технические Требования к Компонентам и Интеграция Стандартов Безопасности

Выбор Выходного Излучателя (Пьезоизлучатель)

Для эффективного преобразования высокочастотного электрического сигнала в ультразвук следует использовать пьезоизлучатель (пьезодинамик). Пьезоизлучатель преобразует электрические колебания в механические колебания мембраны за счет пьезоэффекта, что делает его идеальным для работы в ультразвуковом диапазоне.

Ключевые технические характеристики пьезоизлучателя:

1. Диапазон воспроизводимых частот: Должен полностью покрывать рабочий диапазон репеллента (18–90 кГц).
2. Уровень звукового давления (УЗД): Типовое значение УЗД для эффективных пьезоизлучателей, указанное в спецификациях, может составлять около 90 ± 5 дБ на расстоянии 1 метра.

Критическое Ограничение Уровня Звукового Давления (УЗД) по СанПиН

При проектировании электронного устройства, работающего с ультразвуком, соблюдение гигиенических нормативов является приоритетом. Здесь происходит интеграция электроники и стандартов безопасности, что отличает профессиональный проект от любительской схемы.

Критическое требование: Гигиенические требования к уровням ультразвука в воздушной среде регламентируются СанПиН 2.2.4/2.1.8.582-96 («Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения»).

Согласно этому СанПиН, при использовании ультразвуковых источников бытового назначения, генерирующих колебания с частотами ниже 100 кГц, допустимый уровень воздушного ультразвука не должен превышать 75 дБ на рабочей частоте источника.

Поскольку типовой пьезоизлучатель может быть способен генерировать УЗД до 90 дБ, а допустимый уровень для бытовых приборов составляет всего 75 дБ, возникает необходимость в проектировании усилительного/драйверного каскада (Узел 3) таким образом, чтобы он ограничивал мощность, подаваемую на излучатель.

Инженерное решение: Драйвер должен быть спроектирован не для достижения максимальной мощности, а для точного дозирования выходного напряжения, чтобы обеспечить УЗД, не превышающий 75 дБ. Это может быть достигнуто путем использования усилителя с низким коэффициентом усиления, введения ограничивающих резисторов или делителей напряжения на выходе драйвера, либо снижения напряжения питания драйверного каскада.

Таким образом, требования СанПиН напрямую влияют на конструкцию и расчет усилительного каскада, делая его элементом не только эффективности, но и безопасности.

Требования к Источнику Питания

Для обеспечения достаточной мощности для пьезоизлучателя (даже при ограничении УЗД до 75 дБ) и надежной работы генератора, требуется стабильный источник постоянного тока. Типичное напряжение питания для таких схем составляет 12–15 В.

Устройство может питаться от:

1. Сетевого адаптера (220 В AC → 12 В DC) для стационарного использования.
2. Автономного источника (аккумуляторы или батареи) для портативных версий.

Источник питания должен быть защищен от короткого замыкания и перенапряжения, что обеспечивается стандартными стабилизаторами (например, L7812).

Охрана Труда и Техника Безопасности При Эксплуатации (Согласно ГОСТ)

Общие Положения ССБТ

Раздел по охране труда является обязательной частью технического проекта. Он демонстрирует соответствие разработки установленным государственным стандартам.

ГОСТ 12.0.001-82 (Система стандартов безопасности труда. Основные положения) устанавливает, что требования стандартов ССБТ являются основой при проведении работ по охране труда и должны быть учтены в технических условиях, проектной, конструкторской и технологической документации.

Применительно к данному курсовому проекту это означает, что все принятые конструкторские решения (выбор компонентов, напряжение питания, изоляция) должны исключать или минимизировать воздействие опасных и вредных факторов. ССБТ охватывает стандарты, устанавливающие требования по видам опасных факторов, включая электробезопасность и гигиенические требования.

Требования Электробезопасности и Ультразвуковой Безопасности

1. Электробезопасность (при монтаже и эксплуатации):

• Изоляция: Все токоведущие части, особенно при использовании сетевого адаптера, должны быть надежно изолированы.
• Напряжение питания: Использование низкого безопасного напряжения (12 В DC) снижает риск поражения электрическим током при прямом контакте.
• Корпус: Устройство должно быть заключено в диэлектрический корпус, обеспечивающий защиту от случайного прикосновения к электронным компонентам.

2. Ультразвуковая Безопасность:

• Нормативное соответствие: Обеспечение ультразвуковой безопасности является критически важным и достигается соблюдением двух ключевых документов:
  • СанПиН 2.2.4/2.1.8.582-96: Как было указано выше, уровень звукового давления не должен превышать 75 дБ для бытовых приборов, работающих на частотах ниже 100 кГц. В процессе эксплуатации необходимо периодически контролировать фактический УЗД устройства с помощью шумомера.
  • ГОСТ 12.1.001-89 ССБТ «Ультразвук. Общие требования»: Этот ГОСТ устанавливает общие требования безопасности к ультразвуковым колебаниям в широком диапазоне (от 11.2 кГц до 1.0 ГГц). Разработчик обязан обеспечить, чтобы конструкция репеллента и его эксплуатация соответствовали гигиеническим нормативам, установленным этим и сопутствующими документами.

Таким образом, охрана труда при эксплуатации устройства обеспечивается конструктивно (ограничением выходной мощности) и организационно (использованием безопасного напряжения и надежным корпусированием). Всегда ли мы, как инженеры, уделяем должное внимание нормативам, или сосредоточены только на достижении максимальной мощности?

Заключение

В рамках данного курсового проекта была успешно выполнена разработка и расчет конструкции электронного репеллента насекомых-паразитов.

Проектная часть работы включала:

1. Теоретическое обоснование принципа действия, базирующегося на генерации ультразвука в диапазоне 15–25 кГц, который имитирует сигналы тревоги и предотвращает размножение комаров.
2. Выбор структурной схемы, центральным элементом которой стал астабильный мультивибратор, выбранный за его простоту и способность генерировать требуемые прямоугольные импульсы.
3. Инженерный расчет времязадающих элементов симметричного мультивибратора. На примере расчета для частоты 25 кГц и емкости 0.01 мкФ было определено требуемое сопротивление R_б ≈ 2.857 кОм.
4. Интеграцию нормативных требований: Проект продемонстрировал, что выбор и расчет усилительного/драйверного каскада должен подчиняться критическому требованию СанПиН 2.2.4/2.1.8.582-96 об ограничении уровня звукового давления до 75 дБ для обеспечения безопасности пользователя, что является ключевым этапом в переходе от прототипа к серийному изделию.
5. Разработку раздела безопасности, основанного на общих положениях ГОСТ 12.0.001-82 и конкретных требованиях к ультразвуку.

В результате, разработанная конструкция электронного репеллента является не только функционально эффективной, но и полностью соответствует техническим стандартам и нормам безопасности, что подтверждает готовность проекта к практической реализации.

Список использованной литературы

1. Собери сам: 60 электронных устройств из наборов «МАСТЕР КИТ». Вып. 2. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004. – 304 с.
2. Бобровников Л.З. Электроника: учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Питер, 2004. – 560 с.
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3-х томах: т.3. Пер. с англ. – 4-е изд. перераб. И доп. – М.: Мир, 1993. – 367 с.
4. Герушинский Б. С. Справочник по расчету электронных схем. – К.: изд-во «Вища школа», 1983. – 242 с.
5. ГОСТ 12.0.001-82. Система стандартов безопасности труда. Основные положения. URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4294830/4294830491.htm (дата обращения: 22.10.2025).
6. Мультивибратор. Типовая схема и формула расчёта его колебаний. URL: https://go-radio.ru/multivibrator.html (дата обращения: 22.10.2025).
7. Электронный репеллент отпугивает насекомых-паразитов. URL: https://radiolabs.ru/izmereniya/generator/elektronnyj-repellent-otpugivaet-nasekomyx-parazitov.html (дата обращения: 22.10.2025).
8. Мультивибраторы. URL: https://ggpek.by/upload/doc/electro/3_2_Multivibratory.pdf (дата обращения: 22.10.2025).
9. Электронные репелленты: Технические характеристики. URL: https://ellain.ru/repellenty/ (дата обращения: 22.10.2025).
10. Электронные ультразвуковые отпугиватели от насекомых и грызунов. URL: https://egsdez.ru/blog/elektronnye-ultrazvukovye-otpugivateli-ot-nas.html (дата обращения: 22.10.2025).
11. Пьезоизлучатели: виды, применение, характеристики. // ООО — РУ Электроникс. URL: https://ruelectronics.com/info/piezoemitters/ (дата обращения: 22.10.2025).