Электроника?.. Нет ничего проще!

Беседа десятая РЕЛЕ И ДВИГАТЕЛИ

Любознайкин — А теперь мы рассмотрим различные типы исполнительных механизмов.

Незнайкин — Что это за приборы? До сих пор ты о них мне ничего не говорил.

Л. — Неправда, мы уже говорили о них; ты, вероятно, просто забыл, что всякая электронная аппаратура состоит из:

1) первичного преобразователя, превращающего исследуемое физическое явление в электрический сигнал;

2) промежуточного преобразователя сигнала;

3) исполнительного элемента, использующего преобразованный сигнал для измерения или выполнения требуемого действия.

Н. — О, наконец-то мы добрались до последнего звена. Это начинает становиться серьезным.

Л. — Но это, Незнайкин, всегда было серьезным. И если мы сейчас приступаем к последнему звену, нам еще придется немало поговорить о различных частных применениях электронных устройств. Но как бы то ни было, начнем мы с реле.

Н. — Это совершенно излишне, я основательно знаком с этим вопросом.

Л. — Ну, если по твоему преисполненному скромности выражению «ты основательно знаком с вопросом», я позволю себе спросить, а можешь ли ты сказать, как зависит сопротивление катушки конкретного реле от напряжения, при котором оно должно работать?

Н. — Хм… но это скорее вопрос для математика!

Л. — О, я не требую от тебя длинных и сложных математических выражений, я лишь прошу тебя немного подумать. Важной характеристикой каждого реле является необходимое для срабатывания число ампер-витков, иначе говоря, произведение количества витков катушки на ток, необходимый для того, чтобы сердечник притянул якорь и тем самым замкнул контакты реле.

Рассмотрим изображенное на рис. 92 реле. Размер реле в значительной степени определяется размерами катушки. Катушка состоит из некоторого количества витков провода определенного сечения и с определенным сопротивлением. Предположим, что мы заменим этот провод другим с втрое меньшим диаметром. Как изменится его сечение?

Рис. 92. Реле (его условное обозначение приведено справа) имеет катушку, создающую магнитное поле, под действием которого притягивается якорь, что приводит к замыканию или размыканию так называемых рабочих контактов.

Н. — Очень просто, в 3 раза.

Л. — За такой ответ, Незнайкин, я ставлю тебе нуль. Как можешь ты утверждать, что при уменьшении диаметра круга в 3 раза его площадь уменьшается во столько же раз? Ведь ты уже давно должен знать, что площадь круга пропорциональна квадрату его радиуса! Следовательно, уменьшив в 3 раза радиус (или диаметр) провода, мы в 9 раз уменьшим его сечение, что позволит нам при тех же размерах катушки намотать провода в 9 раз больше. Можешь ли ты сказать, какое сопротивление будет иметь наша новая катушка?

Н. — На этот раз все очень просто. Длина провода увеличилась в 9 раз, значит и его сопротивление стало в 9 раз больше.

Л. — На этот раз ты, Незнайкин, переходишь всякие границы! Разве ты забыл, что длина провода увеличилась в 9 раз, а его сечение уменьшилось тоже в 9 раз; следовательно, сопротивление провода возросло в 81 раз.

Н. — Вот так раз! Я никогда не подумал бы, что при уменьшении диаметра провода только в 3 раза так резко растет его сопротивление. Но ведь прохождение тока по такому проводу вызовет колоссальное рассеяние мощности.

Л. — Совсем нет. Раз новая катушка имеет витков в 9 раз больше, чем первая, то пропускаемый ток можно уменьшить в 9 раз. А принимая во внимание, что рассеиваемая мощность пропорциональна сопротивлению и квадрату тока, рассеиваемая в новой катушке мощность будет точно такой же, как в первой катушке. Полученный нами результат дает лишь самое общее представление; после определения объема меди в катушке только рассеиваемая в этой катушке мощность характеризует магнитное воздействие на якорь реле. Поэтому, характеризуя реле, говорят, что его мощность возбуждения 1 вт или 1/2 вт. Реле с катушкой из толстого провода рассчитано на управление большим током при низком напряжении, а реле с катушкой из тонкого провода включается в цепи с небольшим током при более высоком напряжении.

Обычные реле часто требуют для управления мощность около 1 вт. У более чувствительных реле для притягивания якоря достаточно 0,2 или даже 0,1 вт. Ультрачувствительные реле могут срабатывать при мощностях возбуждения порядка милливатта; обычно они способны включать и выключать только очень небольшие токи и поэтому непосредственно в исполнительных цепях совершенно не используются. Их применяют для приведения в действие промежуточных более мощных реле.

Н. — Мне в голову пришла великолепная идея: а что если ток пустить не прямо в обмотку реле, а подать его на базу транзистора, коллекторный ток которого протекает по катушке реле, ведь тогда для включения реле потребовалась бы значительно меньшая мощность. В случае надобности нужную мощность управляющего сигнала можно сократить, введя в схему еще один усилительный каскад на транзисторе.

Л. — Ты совершенно прав, Незнайкин, и мне остается лишь добавить, что эта идея уже предложена и даже реализована. Заводы уже выпускают реле, у которых рядом с катушкой размещается транзисторный усилитель (рис. 93); такие реле для своего управления требуют ничтожных мощностей. Существуют даже реле, в которых перед усилителем стоит триггер Шмитта, который с высокой точностью определяет уровни срабатывания и отпускания реле.

Рис. 93. Для эффективного управления работой реле можно использовать транзистор.

Н. — Опять кто-то меня опередил… Я уже начинаю сомневаться, что мне когда-нибудь удастся раньше других найти что-нибудь новое!

Л. — Не стоит отчаиваться, Незнайкин, будет и на твоей улице праздник. Но сначала нужно хорошо овладеть техникой. Это абсолютно необходимо, чтобы раньше других находить новинки. Но вернемся к нашим реле. Я хочу сказать тебе несколько слов о совершенно незнакомой тебе категории реле, о так называемых поляризованных реле. В этих реле имеется постоянный магнит, сила которого складывается с силой притяжения катушки, иначе говоря, в зависимости от направления тока катушка притягивает или отталкивает якорь. Поляризованные реле срабатывают только при одном определенном направлении тока в катушке.

Н. — Такого результата можно было бы достичь значительно проще: достаточно последовательно с катушкой включить простой диод.

Л. — Да, если задача заключается только в том, чтобы реле срабатывало при заданном направлении тока, но поляризованное реле способно на большее. Можно сделать так, что подвижный якорь при направлении тока, принятом в качестве положительного, переместится вправо и замкнет определенный контакт. В отсутствие тока якорь может оставаться в среднем положении, а при подаче тока обратного направления якорь переместится влево и замкнет другой контакт. Такое реле обладает большими возможностями, чем обычное реле с диодом, включенным последовательно с катушкой. Впрочем, Незнайкин, ты знаешь, что в обычных реле имеется так называемый нормально замкнутый (НЗ) контакт, который замкнут, когда реле не возбуждено; при срабатывании этот контакт размыкается. Обычно для размыкания нормально замкнутого контакта и для замыкания нормально разомкнутых (HP) контактов при притягивании якоря используются одни и те же подвижные контакты. В этом случае мы имеем дело с перекидной контактной группой. В одном реле может быть несколько таких контактных групп[14] (рис. 94).

Рис. 94. Одна катушка может приводить в действие две перекидные контактные группы, размыкая два нормально замкнутых контакта и замыкая два нормально разомкнутых контакта.

Н. — Я полагаю, что теперь я все знаю о реле.

Л. — Я всегда знал, что скромность никогда не была твоим основным качеством, Незнайкин. О реле написаны целые тома, я же ограничусь еще некоторыми деталями. Прежде всего, знаешь ли ты, какие особые меры предосторожности необходимо принять, когда для управления током в катушке реле используют транзистор или электронную лампу?

Н. — Я полагаю, что следует выбрать транзистор или лампу, способные без особого труда дать необходимый ток.

Л. — Естественно, это первое условие, но одного его недостаточно. Можешь ли ты себе представить, что произойдет, если после установления тока в катушке реле транзистор резко запирается соответствующим напряжением, поданным на его базу?

Н. — В этих условиях ток в катушке обрывается и якорь отходит от сердечника катушки.

Л. — Твое невежество, Незнайкин, может иметь самые гибельные последствия. Ты, кажется, забыл, что катушка реле обладает высоким значением самоиндукции и что поэтому она довольно резко противодействует быстрым изменениям тока. Есть еще один принцип, который я посоветовал бы тебе вырезать на своем камине, если там еще осталось свободное место. Принцип этот сводится к следующему:

«Проходящий по катушке ток не может измениться на конечную величину за бесконечно малое время».

Следовательно, если, желая резко прервать ток в катушке, мы запрем транзистор, то на выводах катушки возникает напряжение, которое может достичь высокого значения. Это напряжение может оказаться настолько большим, что разрушит транзистор или катушку реле или, если нам особенно не повезет, то и другое одновременно.

Н. — И это ты называешь невезением? Я бы просто сказал, что это нормальное проявление хорошо известной теоремы «о бутерброде с маслом».

Л. — О чем там идет речь?

Н. — Теорема гласит, что когда ты роняешь бутерброд с маслом, он всегда падает намазанной стороной вниз и полностью опровергает любые расчеты, основанные на теории вероятностей.

Л. — На мой взгляд, дорогой Незнайкин, в твои объяснения вкралась небольшая неточность. Дело в том, что наличие масла несколько сместило центр тяжести бутерброда, и мне представляется, что для твоей знаменитой теоремы можно найти физическое, а не мистическое объяснение. Но оставим эти высокие рассуждения и вернемся к нашим реле. Мы должны констатировать, что значительные перенапряжения возможны и поэтому следует заняться поиском средства для защиты от них реле и управляющего им транзистора. Существует довольно простой метод, заключающийся в использовании полупроводников, сопротивление которых изменяется в зависимости от приложенного к ним напряжения, иначе говоря, речь идет об элементах, не подчиняющихся закону Ома. Такие приборы называют варисторами (резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения). Так, например, существует варистор, который при напряжении 12 в пропускает ток 5 ма, а при напряжении 24 в пропускает ток, в 15 раз больший 75 ма. Такой варистор можно включить параллельно катушке реле, рассчитанной на 12 в. При резком выключении проходящего по катушке тока, если этот ток не превышает 75 ма, он сначала пройдет по варистору и поднимет там напряжение всего лишь до 24 в, а оно быстро спадет. При обычных рабочих условиях напряжение на выводах варистора равно 12 в, и поэтому этот элемент потребляет только 5 ма, что практически ничтожно по сравнению с большим током, потребляемым реле.

Н. — А нельзя ли вместо такого странного элемента, как варистор, поставить простой резистор?

Л. — Да, в принципе это возможно, но представь себе, что мы пожелали ограничить перенапряжение 24 в, тогда понадобилось бы поставить резистор, который при напряжении 24 в мог пропустить ток 75 ма, — такой резистор должен иметь сопротивление 320 ом. Этот резистор, включенный параллельно катушке в нормальных рабочих условиях, потреблял бы около 37 ма, что далеко не ничтожно по сравнению с проходящим по реле током. Для нашей схемы потребовался бы транзистор, способный пропускать ток 37 ма + 75 ма — 112 ма, из которых только 75 ма с пользой используются реле.

Н. — О, теперь я прекрасно вижу, какой интерес представляют варисторы. Но, если подумать, они по сути дела выполняют примерно такую же роль, что и спусковые диоды мультивибратора, о котором мы уже говорили. В самом деле, при нормальном режиме работы они почти отключены от реле, а при повышении напряжения включаются.

Л. — Действительно, здесь есть определенная аналогия. Впрочем, для защиты реле можно также использовать диод; достаточно включить его, как я показал на рис. 95. Как ты видишь, при любом резком отключении коллекторного тока потенциал коллектора этого транзистора не может подняться выше 24 в.

Рис. 95. При резком запирании транзистора возникающая э. д. с. повышает потенциал коллектора до такой величины, что диод Д начинает проводить ток. Таким образом диод защищает транзистор.

Н. — Я предпочитаю схему с варистором, потому что она не требует вспомогательного источника напряжения 24 в. Но один момент меня серьезно беспокоит в твоем числовом примере. Ты говорил о реле, потребляющем ток 75 ма при напряжении 12 в, т. е. с мощностью в катушке 0,9 вт.

Л. — Но ведь это совершенно нормальная величина, Незнайкин, и, если ты помнишь, я тебе об этом недавно говорил.

Н. — Да, реле у меня не вызывает никакого сомнения, но я полагаю, что транзистор должен быть довольно мощным, потому что ему приходится рассеивать 1 вт.

Л. — Совсем нет, дорогой Незнайкин. Подумай сам, ведь при нормальных рабочих условиях транзистор находится в состоянии насыщения; коллекторный ток составляет 75 ма, но напряжение на его коллекторе почти равно нулю, так как 12 в почти полностью находятся на зажимах катушки реле. В этих условиях на коллекторе транзистора рассеивается чрезвычайно небольшая мощность.

Н. — Значит, я могу обойтись совсем маломощным транзистором при условии, если он выдерживает коллекторный ток 75 ма и 24 в в запертом состоянии?

Л. — Несомненно, если ты уверен, что транзистор используется либо в запертом состоянии, либо в состоянии насыщения. Но если транзистор также используется в состоянии между насыщением и запиранием, то на коллекторе будет рассеиваться определенная мощность. Несложно рассчитать, что здесь, как и для любого транзистора с напряжением питания +Е, поступающим через резистор R, максимальная рассеиваемая на коллекторе мощность составляет E²/4R или равна четверти максимальной мощности, рассеиваемой на резисторе, когда транзистор находится в состоянии насыщения. Эта максимальная рассеиваемая на коллекторе транзистора мощность соответствует режиму, когда напряжение на выводах транзистора равно напряжению на выводах нагрузки (оба эти напряжения равны Е/2). В интересующем нас случае наибольшая мощность на коллекторе транзистора будет рассеиваться, когда напряжение на выводах нагрузки составит 6 в (и, следовательно, на выводах транзистора будет тоже 6 в). Как я уже сказал, она соответствует четверти максимальной мощности рассеяния в катушке реле или несколько превышает 0,22 вт. Такую мощность свободно выдерживают многие даже очень маломощные транзисторы.

Н. — Итак, подведем итоги. Если я правильно тебя понял, имеются две возможности: 1) транзистор работает только в запертом состоянии и в состоянии насыщения, и тогда на коллекторе рассеивается незначительная мощность; 2) транзистор постепенно переходит от запертого состояния к состоянию насыщения, и тогда он должен обладать способностью рассеивать 0,22 вт. Но в таком состоянии, когда он рассеивает 0,22 вт, транзистор находится очень короткое время (напряжение на выводах катушки составляет всего лишь половину номинального, и вполне вероятно, что в этих условиях реле не сработает). Поэтому можно взять транзистор, рассчитанный на 150 мвт или даже на еще меньшую мощность.

Л. — Нет, Незнайкин, при работе с транзисторами нельзя рассуждать так же, как при работе с лампами. Даже на очень короткое время нельзя допускать превышения теоретических пределов рассеяния. Транзисторный переход обладает очень небольшой термической инерцией, иначе говоря, его температура поднимается очень быстро вслед за изменением рассеиваемой мощности. Лампы отличаются большим запасом прочности, например, лампа, предназначенная для рассеяния на ее аноде не более одного ватта, может в течение нескольких секунд выдержать 4 или даже 5 вт при условии, что она не очень часто будет подвергаться такому испытанию. Установленные для транзистора, пределы необходимо выдерживать значительно строже. Кроме того, анод лампы разогревается довольно долго, тогда как нагревание перехода в транзисторе продолжается всего лишь несколько миллисекунд. И, наконец, следует сказать, что нет абсолютно никаких доказательств, что в один прекрасный день система не окажется в таком состоянии, когда транзистор рассеивает 0,22 вт (т. е. в самом неблагоприятном режиме).

Н. — Так, значит, использовать транзистор меньшей мощности невозможно?

Л. — Вполне возможно, но для этого необходимо управлять транзистором, например, с помощью триггера Шмитта, чтобы транзистор всегда был заперт или насыщен и никогда не мог оказаться в промежуточном состоянии. Но тогда вновь придется столкнуться с неприятностями, уже упоминавшимися в связи со слишком быстрыми изменениями коллекторного тока. Возникает опасность появления значительных перенапряжений, от которых в качестве защиты придется использовать диод или варистор.

Н. — А нельзя ли в этом случае между триггером Шмитта и базой транзистора включить небольшой фильтр низких частот такого типа, который ты называешь интегрирующей схемой. Тогда переход от насыщения к запиранию все равно происходил бы достаточно быстро и транзистор очень небольшое время пребывал в неблагоприятном состоянии, рассеивая 0,22 вт, но в то же время переход был бы не настолько быстрым, чтобы вызвать значительное перенапряжение.

Л. — Превосходно рассудил, Незнайкин, но может случиться, что приемлемый компромисс будет трудно найти. Во всяком случае, при передаче импульса с крутым фронтом на базу транзистора, в Цепь коллектора которого включена катушка, настоятельно рекомендуется снизить крутизну фронта с помощью интегрирующей схемы. А теперь, если у тебя есть желание, мы рассмотрим другую категорию исполнительных элементов, какими являются двигатели.

Н. — Эти устройства отличаются большой сложностью, и я имею о них довольно смутное представление.

Л. — Я несколько сомневаюсь в справедливости твоих слов, и поэтому мы немного займемся электротехникой. Начнем с двигателя постоянного тока. Посмотри, что я нарисовал на рис. 96.

Рис. 96. Схематическое изображение принципа действия электродвигателя. Виток помещен в магнитное поле NS, создаваемое постоянным магнитом; протекающий по витку ток создает магнитное поле N'S', которое, взаимодействуя с полем магнита, поворачивает виток.

Большой подковообразный магнит создает горизонтальное магнитное поле; в этом поле я поместил горизонтально расположенный виток провода и пропустил по нему ток. Забудем на минуту о магните; скажи, пожалуйста, что произойдет с нашим витком под воздействием протекающего по нему тока?

Н. — О, это я знаю. Виток превратился в нечто аналогичное совершенно плоскому магниту; северный полюс этого магнита расположится сверху, а южный — снизу.

Л. — Абсолютно верно. Но скажи, Незнайкин, как, по твоему мнению, постоянный и неподвижный магните горизонтальным магнитным полем будет воздействовать на виток, обладающий вертикальным магнитным полем?

Н. — Я полагаю, что оба магнита будут воздействовать друг на друга и в результате такого взаимодействия магнит или виток повернулся.

Л. — Так как магнит прочно укреплен, повернется виток, он будет стремиться подвести свой северный полюс к южному полюсу магнита. Если виток укрепить на оси, то повернется и эта ось.

Н. — Мне не хотелось бы тебя огорчать. Любознайкин, но, если я правильно понимаю, «двигатель Любознайкина» может повернуться только на четверть оборота, иначе говоря, он очень мало меня интересует.

Л. — Не торопись с подобной критикой. Если бы у меня был только один подобный виток, то он (я в этом с тобой полностью согласен) смог бы повернуться только на четверть оборота. Но я хитрей, чем ты думаешь. Я укреплю на оси несколько витков, несколько сместив один относительно другого, чтобы они могли работать поочередно.

Н. — Но тогда нужно приставить специального человека, который посылал бы ток в различные витки. Он должен поворачиваться очень быстро и посылать ток именно в нужный виток.

Л. — Начнем с того, что предложенному тобой человеку вообще нечего делать, потому что по мере вращения оси витки сами будут проходить поочередно перед ними. Посмотри на рис. 97, где я нарисовал два витка и обозначил их цифрами 1 и 2.

Рис. 97. Чтобы изображенный на предыдущем рисунке двигатель мог повернуться более чем на 1/4 оборота, пришедший в движение виток 1 заменяют витком 2.

Как ты видишь, витки заканчиваются небольшими пластинками, при соединении которых со щетками В и В' по виткам протекает ток. Когда виток 1 расположен горизонтально (или немного наклонно) щетки В и В' подают ток в него. Когда (под воздействием магнита на создаваемое этим витком магнитное поле) ось начнет вращаться, ток перестанет поступать в виток 1, но в это время его место займет виток 2, в котором и начнет протекать ток через щетки В и В'.

Н. — Очень хитрая система. Значит ты расположишь перпендикулярно два витка, которые будут работать поочередно.

Л. — Я поставлю не два, а значительно большее количество витков, следовательно, больше придется поставить и пластинок. Реальная конструкция витков намного сложнее, но и описанная мной система вполне пригодна для практического использования. Таким образом, мы создали двигатель постоянного тока. Барабан из пластинок, вращающийся между щетками и поочередно подключающий к ним различные витки, называется коллектором. Иногда для создания магнитного поля, воздействующего на витки, используют постоянный магнит, как это показано на рис. 96, но часто предпочтение отдают электромагниту. Его катушку называют обмоткой возбуждения, а вращающуюся катушку — обмоткой якоря.

Н. — По сути дела электрический двигатель не так сложен, как я думал.

Л. — Правильно, в принципе это очень просто. Видишь ли, Незнайкин, вся хитрость конструкции двигателя заключается в использовании силы воздействия поперечных силовых линий магнитного поля на электрический ток. На заре электротехники думали использовать силу электромагнита, притягивающего железо. Эта сила в большей степени зависит от расстояния между электромагнитом и куском железа и поэтому требует создания сложной системы переключения катушек. Это обстоятельство побудило ряд очень серьезных авторов заявить, что электрический двигатель осужден окончательно и бесповоротно и что его никогда и нигде, кроме как в игрушках, использовать не удастся. К счастью, после этого подумали об использовании боковых сил. Попутно скажу тебе, что якорь обычно делают не из одного куска металла, а набирают из пластин, как трансформаторы, чтобы избежать возникновения вихревых токов. В якоре прорезают канавки, куда укладывают витки провода, о которых я тебе уже говорил. Стальные детали в форме полумесяца, именуемые полюсными наконечниками (потому что они соединены с полюсами магнита или электромагнита), расположены почти вплотную к якорю, чтобы облегчить замыкание в нем магнитных силовых линий. А теперь, Незнайкин, я задам тебе каверзный вопрос. Что случится, если я возьму двигатель постоянного тока с постоянным магнитом и начну вращать его якорь?

Н. — О, своим вопросом ты ставишь меня в довольно затруднительное положение. Я полагаю, что раз витки провода пересекают магнитное поле, в этих витках должно наводиться напряжение.

Л. — Совершенно верно; благодаря щеткам и коллектору проводник, в котором магнитный поток изменяется наиболее быстро, всегда окажется соединенным через щетки с внешней цепью, и наш двигатель превратится в источник электрического тока.

Н. — Согласен, я внимательно следил за твоими объяснениями, но хотел бы знать, какова будет частота этого тока?

Л. — Тебе, Незнайкин, придется немало потрудиться, чтобы ее найти, потому что она равна нулю… На практике наша машина не даст строго постоянного тока: когда щетки будут покинуты парой пластин коллектора, сменяемой другой парой, в цепи возникнут небольшие колебания. Но так как очередной подключаемый к щеткам виток вращающегося якоря всегда занимает одно и то же положение относительно магнита, то ток во внешней цепи, подключенной к щеткам, будет всегда протекать в одном направлении. Таким образом, мы создали прибор, который называется динамомашиной.

Н. — Одно обстоятельство меня серьезно беспокоит, я не вижу никакой разницы между двигателем и динамомашиной!

Л. — Ты прав, Незнайкин, потому что конструктивно это абсолютно одно и то же. Все сводится только к вопросу об использовании. Если я вращаю якорь, затрачивая механическую энергию, и собираю произведенную электроэнергию, то я использую наш прибор как динамомашину; если я подаю ток в якорь, затрачивая электрическую энергию, и применяю полученную механическую энергию, то я использую его как электродвигатель.

Н. — Согласен, но и здесь один вопрос меня беспокоит. Когда мы заставим наш прибор работать как электродвигатель, а он на это время не забудет, что может быть динамомашиной… Тогда он в свою очередь начнет производить электрический ток, который наложится на тот, что мы ему подаем… Что же будет делать этот ток, помогать или мешать?

Л. — Превосходно рассудил, Незнайкин, но ты мог бы сам найти ответ на свой вопрос, вспомнив о противоречивом характере индукции, ты можешь быть заранее уверен, что создаваемая нашим прибором э. д. с. (так как он всегда остается динамомашиной) будет противостоять тому току, который мы создаем внешним источником, чтобы заставить работать прибор как двигатель. Эту препятствующую э. д. с. называют противоэлектродвижущей силой двигателя.

Н. — Но это уже ужасно! В двигателе не будет никакого тока, и он перестанет вращаться… Но если он перестанет вращаться, исчезнет противо-э. д. с. и он опять начнет вращаться… Я чувствую, что схожу с ума!

Л. — Не нервничай, Незнайкин, все это намного проще. Представь себе, что я подаю на двигатель некоторое напряжение, в результате по виткам якоря потечет ток, частота вращения будет нарастать. По мере увеличения частоты вращения повышается и противо-э. д. с. Через некоторое время наступает момент, когда она станет достаточно близкой к приложенному напряжению, в результате чего разность между этими двумя напряжениями пропустит в двигатель относительно небольшой ток. Этого тока будет достаточно только для поддержания вращения: полученная механическая энергия целиком уйдет на преодоление силы трения. Теперь заставим двигатель выполнять работу и для этого подключим к нему какую-нибудь нагрузку. Движение двигателя несколько замедлится, что вызовет уменьшение противо-э. д. с., которая перестанет (в такой мере, как раньше) уравновешивать приложенное к двигателю напряжение, благодаря чему ток в двигателе возрастет и даст ему достаточную механическую энергию, чтобы справиться с увеличившейся нагрузкой.

Н. — Это, кажется, я понял. Но мне хотелось бы получить некоторые разъяснения относительно понятий силы торможения и частоты вращения.

Л. — Все это исключительно просто. Если ты силой остановишь якорь двигателя, то его желание вращаться (которое называют крутящим моментом; определение я дам тебе несколько позднее) будет пропорционально величине поступающего в якорь тока. Увеличь вдвое ток, и тем самым ты удвоишь желание двигателя вращаться. Для большей правильности выражений говорят о крутящем моменте двигателя. Этот момент характеризуется весом, который может поднять двигатель, когда этот вес привязан к шнуру, намотанному на укрепленный на оси барабан.

Радиус барабана имеет в этом случае определенную величину. Так, например, мы можем сказать, что крутящий момент двигателя при токе 1 а в его якоре 0,3 кг·см, если этот двигатель при токе в якоре не менее 1 а, способен оторвать от пола груз массой в 0,3 кг, привязанный к шнуру, намотанному на барабан радиусом 1 см, который укреплен на оси двигателя.

Н. — О! Это страшно сложно. Но зачем понадобилось здесь указывать диаметр барабана?

Л. — Да потому, что если я намотаю шнур на барабан очень малого диаметра, то даже двигатель малой мощности сможет поднять значительный груз, только поднимать он будет очень медленно, так как за каждый оборот будет выбирать совсем короткий кусочек шнура. И наоборот, значительно более почетно поднять такой же груз при большем диаметре барабана, потому что при такой же частоте вращения двигателя груз поднимается намного быстрее.

Н. — Судя по твоим объяснениям, протекающий по двигателю ток позволяет определить его желание вращаться (или, как ты говоришь, его крутящий момент, но я пока еще остерегаюсь употреблять этот термин, который остается для меня довольно таинственным).

Л. — Ты правильно понял, а теперь нам предстоит познакомиться еще с одним понятием — со скоростью двигателя для данного напряжения. Предположим, что двигатель полностью освобожден от трения, тогда противо-э. д. с. строго соответствует прилагаемому напряжению. Иначе говоря, когда ты прикладываешь к якорю двигателя напряжение 10 в, он приходит в движение и разгоняется до такой скорости, на которой двигатель в случае его использования в качестве динамомашины дал бы напряжение 10 в. В этот момент протекающий по якорю ток почти равен нулю. Впрочем, это вполне логично, раз от двигателя не требуют никакого крутящего момента, ему достаточно лишь поддерживать установившееся при этом вращение своего якоря.

На самом же деле эти рассуждения справедливы только для двигателя на холостом ходу (т. е. не выполняющего никакой внешней работы) или для случая, когда обмотка якоря имеет очень низкое сопротивление.

Н. — Я начинаю понимать. Ноты неоднократно подчеркивал, что все рассказанное тобой относится к двигателю постоянного тока, и я надеюсь, что теперь ты перейдешь к более современным устройствам, а именно к двигателям переменного тока.

Л. — Я действительно собираюсь рассказать тебе о двигателях переменного тока, но, пожалуйста, не думай, что они более совершенные. Они имеют свои преимущества и свои недостатки, но если требуется большой крутящий момент в начале пуска и способность хорошо приспосабливаться к изменяющимся условиям работы, лучшем несомненно окажется двигатель постоянного тока.

Но прежде чем рассказать тебе о двигателях, сконструированных специально для переменного тока, я задам тебе один вопрос; что произойдет, если включить в цепь переменного тока двигатель, якорь и коллектор которого рассчитаны на постоянный ток?

Н. — Я полагаю, что это ему совсем не понравится!

Л. — Я спрашиваю тебя не о его настроении, а о физических явлениях, которые могут произойти в двигателе.

Н. — Я думаю, что он начнет вибрировать, вращаясь чуть-чуть то в одну, то в другую сторону… до тех пор, пока вконец не испортится.

Л. — Ты прав, если мы возьмем двигатель, у которого статором служит постоянный магнит. У таких двигателей направление вращения действительно изменяется при изменении направления, протекающего по якорю тока. Совершенно другая картина получится, если мы возьмем двигатель, статор которого представляет собой электромагнит, а его катушка включена последовательно с обмоткой якоря, как это очень часто делают (рис. 98); при изменении направления тока произойдет перемагничивание электромагнита. В этих условиях при любом направлении тока, протекающего в обмотке якоря и соединенной с нею последовательно обмотке статора, двигатель всегда будет вращаться в одну сторону.

Рис. 98 В универсальном двигателе последовательного возбуждения обмотка статора включается последовательно с обмоткой якоря.

Н. — Ты очень неудачно шутишь. Так ты утверждаешь, что изменить направление движения такого двигателя невозможно?

Л. — Можно и несложно. Для этого нужно изменить направление тока в якоре и оставить без изменения направление тока в статоре. Достаточно переключить выводы электромагнита статора или якоря, и двигатель изменит направление вращения. Но если одновременно изменить направление тока и в якоре и в статоре, то направление вращения двигателя останется прежним. Поэтому, если такой двигатель питать переменным током, он всегда будет вращаться в одну сторону. Должен сказать, что это получило широкое распространение, и поэтому двигатель, в котором возбуждение статора осуществляется током, прошедшим через якорь, называется универсальным двигателем. Такой двигатель работает от постоянного тока, работает и от переменного, хотя и не так хорошо.

Н. — Почему не так хорошо? Он считает, что его обидели?

Л. — Незнайкин, где твоя серьезность? Если он не так хорошо работает на переменном токе, то причина заключается просто в том, что переменный ток часто сам себя подавляет, а при небольшом значении он сообщает двигателю малый крутящий момент. Кроме того, наш двигатель обладает некоторой самоиндукцией, препятствующей прохождению переменного тока по обмоткам. А теперь мы рассмотрим принципиально иной двигатель, рассчитанный для работы только от переменного тока и успешно применяющийся в самых различных условиях, я имею в виду двухфазный двигатель. Посмотрим на рис. 99. Я взял электромагнит, аналогичный обычному статору классического двигателя, и пустил в его обмотку переменный ток. Какое магнитное поле образуется между полюсными сердечниками?

Рис. 99. Протекающий по обмоткам переменный ток создает переменное магнитное поле.

Н. — Сначала скажи, правильно ли я понял, что полюсными сердечниками ты называешь выступы, на которые надета обмотка?

Л. — Совершенно верно, они снабжены полюсными башмаками, почти вплотную подходящими к якорю, но вернемся к моему вопросу.

Н. — Я полагаю, что магнитное поле пойдет от одного полюсного сердечника к другому. Сначала по мере повышения тока оно будет увеличиваться, потом снизится до нуля, после чего опять начнет увеличиваться в обратном направлении.

Л. — Совершенно верно, а теперь мы введем вторую обмотку и усложним картину. Как ты видишь на рис. 100, это вторая обмотка стремится создать магнитное поле, направленное перпендикулярно первому. Я посылаю во вторую обмотку переменный ток такой же частоты, как и в первую, но запаздывающий относительно него на четверть периода (сдвиг по фазе на 90°).

Рис. 100. С помощью двух пар катушек, по которым протекает сдвинутый по фазе переменный ток, можно создать вращающееся магнитное поле. Помещенный в это поле магнит вращается со скоростью вращения самого поля. На таком принципе устроен синхронный двигатель. Замкнув накоротко витки обмотки якоря, получают асинхронный двигатель.

Н. — Начало не предвещает ничего хорошего! Как только речь заходит о фазах, все сразу становится дьявольски сложно.

Л. — Не так уж страшно, если ты будешь внимательным. Ток I₂, который я посылаю в обмотку 2 (рис. 101), отстает на четверть периода от тока I₁, протекающего по обмотке 1. Иначе говоря, ток в обмотке 2 равен нулю, когда ток в обмотке 1 достигает максимума. В момент, когда он в свою очередь достигает положительного максимума, ток в обмотке 1, пройдя положительный полупериод, падает до нуля. В этих условиях магнитное поле ведет себя совершенно особым образом. Сначала, когда ток в обмотке 1 имеет максимальное положительное значение, магнитное поле направлено слева направо. Ток в обмотке 1 снижается, и одновременно увеличивается ток в обмотке 2. В этих условиях появляется вертикальное поле, направленное снизу вверх, которое нарастает по мере уменьшения горизонтального поля, ориентированного слева направо.

В конце четверти периода существует только поле, направленное снизу вверх, и оно сразу же начинает убывать, потому что в этот момент начинает снижаться ток, протекающий по обмотке 2. В этот же момент в обмотке 1 вновь появляется ток, но он течет в направлении, обратном первоначальному, что обычно обозначается знаком минус. Этот ток порождает небольшое магнитное поле, идущее налево. Некоторое время спустя, когда ток, протекая в обмотке 1 в противоположном направлении, достигает максимального значения (в обмотке 2 ток равен нулю), существует только поле, направленное налево, и оно достигает максимума. Протекающий по обмотке 1 отрицательный ток уменьшается (по абсолютному значению), а в это время в обмотке 2 появляется отрицательный ток, дающий нам вертикальное магнитное поле, которое на этот раз направлено сверху вниз.

Когда ток в обмотке 1 вновь станет равным нулю, в нашем статоре останется только поле, направленное сверху вниз. В этот момент ток в обмотке 2 начнет уменьшаться по абсолютному значению, а в обмотке 1 появится положительный ток, порождающий магнитное поле, направленное слева направо. На самом же деле создаваемые обмотками 1 и 2 магнитные поля в каждый момент складываются и образуют единое магнитное поле, которое в общем случае наклонено относительно осей 1 и 2 и приближается к вертикали, если протекающий в обмотке 2 ток значительно больше тока, протекающего по обмотке 1, и наоборот.

Рис. 101. Токи, возбуждающие две обмотки двухфазного двигателя, сдвинуты по фазе на 90° относительно друг друга; максимальное значение одного соответствует нулевому значению другого.

Н. — Это действительно ужасно сложно. Но я, кажется, понял, что там происходит исключительно странное явление: — магнитное поле как бы вращается.

Л. — Не кажется, а на самом деле вращается. Описанным способом мы создали так называемое вращающееся магнитное поле.

Введи в это поле постоянный магнит, и он будет стремиться вращаться, в каждый момент следуя за перемещающимся полем, причем он будет вращаться с такой же скоростью, что и поле. Таким образом, мы создали двигатель, который называют синхронным.

Н. — Просто чудесный двигатель. Он обходится без коллектора: вращающимся элементом служит простой магнит. Да это рекорд простоты. И сверх того он вращается со строго известной частотой.

Л. — Разумеется, он обладает серьезными достоинствами. Но я должен тебе сказать, что он имеет и не меньшее количество недостатков. Он может вращаться только с частотой вращения магнитного поля. Если его заставляют выполнять чрезмерную работу, он уже не может выдержать свою частоту вращения и, как говорят, выпадает из синхронизма и немедленно останавливается. Для нового запуска его иногда приходится раскручивать какой-либо механической системой до хорошей скорости, на которой он может войти в синхронизм. Поэтому я советую использовать этот двигатель в основном в тех случаях, где требуется строго известная частота вращения, например, для приведения в движение стрелок больших часов устройством, стабилизированным от кварцевого генератора. В более обычных случаях я настоятельно рекомендую чаще использовать асинхронный двигатель.

Л. — Предположим, что в пространство между полюсными сердечниками с рис. 100 я поместил непрерывный ряд накоротко замкнутых витков из медного провода. Что произойдет?

Н. — Вероятно, ничего.

Л. — Ошибаешься. Разве ты забыл, что представляет собой явление индукции?

Н. — Не забыл, но это мало что изменяет. Твое вращающееся поле, разумеется, будет изменять магнитный поток в витках, в результате чего возникнут токи, но все это создаст лишь колоссальную неразбериху.

Л. — Совсем нет! Вспомни еще раз о противоречивом характере индукции. Возникающие вследствие воздействия наведенных напряжений токи будут воздействовать на поле, в результате чего появятся силы, которые попытаются привести витки в движение. Механические силы попытаются вращать все эти витки с частотой вращения магнитного поля. В результате магнитное поле станет неподвижным относительно витков и перестанет наводить в них ток. Происходит то, что обычно стремятся сделать магнитные силы, оказывая противодействие изменению породивших их потоков.

Н. — Теперь все представляется мне более или менее понятным. Но я не вижу, чтобы тебе удалось много выиграть по сравнению с синхронным двигателем. Все же значительно проще сделать якорь из простого магнита, чем из такого множества короткозамкнутых витков.

Л. — Прежде всего совсем не проще. Кроме того, новый двигатель обладает весьма существенным преимуществом: он запускается без посторонней помощи. При неподвижном якоре он не дает такого значительного крутящего момента, как двигатель постоянного тока, но тем не менее он способен прийти в движение без пусковых устройств. И затем, если мы попытаемся заставить его выполнить слишком большую работу, он не остановится, просто его якорь начнет вращаться медленнее магнитного поля и в витках появится наведенный ток. Двигатель будет вращаться со скоростью, близкой к скорости магнитного поля, и скольжение (сдвиг) относительно этой скорости будет тем больше, чем большую работу мы заставим его выполнять. Следовательно, это намного более гибкий в применении двигатель.

Н. — Я думаю, что двигатель такого типа устанавливают в пылесосах, электрических кофейных мельницах…

Л. — В таких машинах, где требуется большая частота вращения, чаще всего устанавливают двигатели универсального типа с коллектором и щетками. Видишь ли, Незнайкин, асинхронный двигатель не может вращаться быстрее магнитного поля, и, следовательно, при обычном переменном токе она дает нам не более 50 оборотов в секунду.

Н. — Но и это представляется мне уже великолепным результатом.

Л. — Но, по мнению специалистов, этого недостаточно для нормальной работы электрической кофейной мельницы, частота вращения которой должна быть по крайней мере в 3 раза выше (150 оборотов в секунду, или 9000 оборотов в минуту). Вот почему на такие машинки ставят универсальные двигатели. И, наоборот, в тех случаях, когда требуется значительная мощность и определенные удобства в работе, широко используются асинхронные двигатели. В частности, такой двигатель почти всегда приводит в действие стиральную машину. Мы же ограничимся использованием его в устройствах, именуемых сервомеханизмами, о которых нам еще предстоит поговорить. А сейчас мы коротко рассмотрим, каким образом подают ток в двигатели постоянного тока и в асинхронные двигатели.

Н. — Само собой разумеется, что значительно проще снабжать энергией асинхронный двигатель. Он требует переменного тока, а усилитель такого типа сделать совсем нетрудно.

Л. — Отчасти ты прав, но при использовании асинхронного двигателя возникает одна небольшая проблема. Ему необходимо подавать два различных тока.

Н. — Я не вижу, почему это тебя беспокоит; мы просто поставим два усилителя.

Л. — Проще питать одну пару катушек переменным током с постоянной амплитудой, а во вторую пару подавать ток со сдвигом фазы относительно первого. Для получения второго тока можно использовать усилитель. Полученное магнитное поле будет вращаться немного неравномерно, но таким образом нам удастся изменять частоту вращения двигателя путем изменения напряжения на выходе усилителя.

Н. — Да, но одно обстоятельство здесь меня беспокоит. Направление вращения такого двигателя невозможно изменить, потому что о переменном токе нельзя сказать, положительный он или отрицательный.

Л. — Совершенно верно, но о нем можно сказать, отстает он или опережает на четверть периода ток, протекающий в паре катушек, питаемых непосредственно от сети. Поэтому, изменив полярность выхода усилителя, питающего другую пару катушек, можно изменить направление вращения двигателя.

Н. — Мне неясно, что ты понимаешь под выражением «изменив полярность выхода»… переменный ток всегда переменный!

Л. — Не торопись. Посмотри схему, приведенную на рис. 102…

Рис. 102. В зависимости от расположения подвижных контактов потенциометров R₁ и R₂ переменное напряжение на выходе усилителя А находится в фазе или в противофазе с напряжением, приложенным к R₁ и R₂.

Н. — Я ее давным-давно знаю, это мост Уитстона.

Л. — О! Сегодня, Незнайкин, ты в превосходной форме. Это действительно мост Уитстона. Предположим, что оба подвижных контакта потенциометров R₁ и R₂ находятся в средних положениях, что в этом случае поступит на вход усилителя А?

Н. — Но… ровным счетом ничего.

Л. — В самом деле, на вход поступит «нулевое напряжение». А теперь, оставив на прежнем месте подвижный контакт потенциометра R₂, переместим контакт R₁ сначала вверх, а потом вниз. Как ты видишь, подаваемое на вход усилителя напряжение может быть в фазе или в противофазе с напряжением, поступающим на потенциометры.

Н. — А не лучше было бы говорить о положительном или отрицательном переменном напряжении?

Л. — Мне этот термин не нравится и я предпочитаю говорить «в фазе» или «в противофазе». Тебе, Незнайкин, вероятно, уже приходилось включать последовательно две вторичные обмотки трансформатора, чтобы получить напряжение, равное сумме напряжений, снимаемых с этих вторичных обмоток?

Н. — Да, я помню о таком случае. Это одно из самых позорных пятен моей карьеры радиста. У меня был трансформатор с двумя вторичными обмотками, дававшими каждая по 6 в. Я соединил их последовательно, чтобы получить 12 в, но вместо этого я получил напряжение, равное абсолютному нулю.

Л. — Значит ты, Незнайкин, включил свои вторичные обмотки последовательно, но в противофазе. Поменяв местами выводы одной из обмоток, ты получил бы 12 в. Впрочем тебе повезло, что не было надобности включать эти обмотки параллельно, потому что в этом случае включение в противофазе равносильно настоящему короткому замыканию. Следовательно, как ты видишь, мы можем подавать на вспомогательную обмотку двухфазного двигателя переменное напряжение, способное заставить его вращаться в ту или в другую сторону (в зависимости от фазы этого переменного напряжения) и с большей или меньшей частотой (в зависимости от амплитуды этого напряжения).

Н. — Надеюсь, что при использовании двигателя постоянного тока ты не будешь питать его током транзистора или лампы?

Л. — Я буду тебе очень признателен, если ты сможешь показать закон, запрещающий так поступать. Транзистор как раз очень хорошо подходит для такой работы, так как легче всего сделать двигатель с небольшим количеством витков из толстого провода, иначе говоря, рассчитанный для работы при относительно низком напряжении и большом токе. Поэтому для приведения в действие двигателя широко используются транзисторы. Но в этом случае необходимо обращать внимание на некоторые моменты. Включая якорь двигателя в цепь коллектора транзистора, мы практически устанавливаем значение протекающего по этому якорю тока (до тех пор, пока на выводах транзистора еще имеется напряжение, т. е. пока транзистор еще не находится в состоянии насыщения). Следовательно, этим самым мы устанавливаем значение даваемого двигателем крутящего момента.

Когда транзистор входит в состояние насыщения, т. е. когда на его выводах больше нет напряжения, напряжение на выводах двигателя становится равным напряжению питания и больше повышаться не может. Следовательно, этим ограничивается частота вращения двигателя.

Н. — Но одно обстоятельство здесь меня беспокоит: двигатель постоянного тока обладает способностью одинаково хорошо вращаться в любую сторону. В этом случае отпадает ужасная проблема с фазой и противофазой, потому что для изменения направления вращения двигателя достаточно изменить направление тока в якоре и оставить без изменения направление тока в статоре. Однако коллекторный ток транзистора может иметь только одно направление. Как решить эту проблему?

Л. — Возможно несколько решений. Так, например, ты можешь привести в действие двигатель усилителем с последовательным пушпульным выходным каскадом, схему которого я показывал тебе на рис. 52. Следует сказать, что это самое простое решение.

Н. — Но есть еще одно беспокоящее меня обстоятельство. В некоторых случаях может потребоваться двигатель очень большой мощности, и я не уверен, что мне легко удастся найти транзисторы, способные пропускать несколько десятков ампер и выдерживать напряжение в несколько сотен вольт.

Л. — Найти-то их можно, но стоят они действительно очень дорого. Для этого случая имеется одно изящное решение — использовать в качестве усилителя динамомашину (такое устройство часто называют электромашинным усилителем).

Н. — Скорее расскажи мне, что это такое. Я знаю, что усиливать могут лампы и транзисторы, но я никогда не подозревал, что в качестве усилителя может выступать скромная динамомашина, установленная, как я знаю, под капотом моего автомобиля.

Л. — О, это исключительно просто. Представь себе (рис. 103) динамомашину, приводимую в движение электродвигателем. Если я не подам тока в обмотку электромагнита, который служит статором динамомашины, то она не даст на щетки никакого тока. Но чем больше тока пошлю я в обмотку статора, тем более высокое напряжение появится на щетках динамомашины.

Рис. 103. Динамомашина, приводимая в движение электродвигателем, дает на своих щетках ток, пропорциональный току, протекающему в ее статоре.

Для получения на щетках динамомашины электроэнергии очень большой мощности достаточно относительно небольшой мощности возбуждения статора. Практически энергию дает электродвигатель, вращающий динамомашину, тогда как протекающий по статору динамомашины ток служит лишь для создания магнитного поля, что возможно достичь затратой небольшой энергии, если согласиться намотать большое количество провода.

Н. — Чудесно! Так, значит, ток с этой динамомашины ты посылаешь в двигатель, которым ты должен управлять, а транзисторный усилитель используешь только для регулирования тока в обмотке статора динамомашины?

Л. — Совершенно верно. В такой системе усилитель, собранный на самых обычных и дешевых транзисторах, позволяет регулировать частоту вращения двигателя мощностью в несколько киловатт. Я уже воспользовался этим способом и с помощью очень скромного усилителя управлял вращением многотонной башни радиолокационной антенны.

Н. — В самом деле очень эффективное решение, но один момент меня очень огорчает! В этом случае ты вынужден устанавливать три машины: двигатель, вращающий динамомашину-усилитель, саму динамомашину и двигатель, в который ты посылаешь ток этой динамомашины. Поистине колоссальное достижение в наш век миниатюризации!

Л. — Ты назвал весьма существенный недостаток системы, но, кроме того, приходится сталкиваться с некоторыми трудностями, возникающими из-за остаточного магнетизма в статоре динамомашины, для устранения которых требуются довольно сложные системы коррекции. Поэтому параллельно разработали другой чрезвычайно хитроумный способ, заключающийся в питании двигателя постоянного тока с помощью тиратронов.

Н. — Но тогда твой двигатель начнет выделывать пилообразные движения!

Л. — Ты уже наговорил немало нелепостей, но до такой еще не доходил… Но поговорим серьезно. Действительно, в некоторых схемах, о которых я тебе уже говорил, тиратрон используется для получения пилообразного напряжения. В нашем же случае мы используем тиратрон совершенно иначе — ток тиратрона мы пошлем в обмотку якоря двигателя.

Н. — Да от этого двигатель придет в ужас: ток тиратрона состоит из очень коротких и очень мощных импульсов.

Л. — Так тиратрон ведет себя в схемах генераторов пилообразных сигналов. Но он может работать совершенно иначе, если, например, мы используем его основное качество: после зажигания тиратрон начинает пропускать ток и он может продолжать пропускать его, если анодный ток поступает не через конденсатор, а через какой-либо другой прибор.

Н. — Но ты сам себе противоречишь, Любознайкин! Ты неоднократно обращал мое внимание на то, что после зажигания тиратрона проходящий по нему ток может достигать чрезвычайно высоких значений и что для его ограничения необходимо даже принимать специальные меры предосторожности.

Л. — Именно это мы и сделаем. Если в анодную цепь тиратрона последовательно включить резистор и источник напряжения, то после зажигания тиратрона ток будет вести себя исключительно разумно и не превысит установленного для него законом Ома значения. Напряжение на выводах тиратрона будет незначительным и большим на выводах резистора, проходящий по тиратрону ток будет ограничен сопротивлением этого резистора.

Н. — Такое применение тиратрона представляется мне довольно странным, но пусть будет так. Мы получили средство направлять ток в двигатель. Но кроме возможности пускать ток в двигатель путем включения тиратрона подачей сигнала на его сетку мы мало что выиграли по сравнению с тем, что могло бы дать нам простое реле.

Л. — Твое замечание совершенно справедливо для тех случаев, когда в качестве источника питания для тиратрона используется источник постоянного напряжения. Но картина станет совсем иной, если питание-на двигатель с последовательно ему включенным тиратроном подавать от источника переменного напряжения.

Н. — Я думаю, что здесь ты воспользуешься одним из универсальных двигателей, которые соглашаются работать и от переменного тока?

Л. — Совсем нет, мы используем хороший двигатель постоянного тока и даже с высокостабильным возбуждением статора, если только это не постоянный магнит.

Н. — Мне, кажется, лучше немедленно уйти отсюда! Ведь ты сам, Любознайкин, говорил мне, что направление вращения такого двигателя зависит от направления тока в его якоре!

Л. — Пожалуйста, не нервничай. Конечно, в этом случае протекающий по обмотке якоря двигателя ток не будет постоянным, но он по крайней мере будет выпрямленным, потому что тиратрон может ионизироваться только тогда, когда его анод положителен относительно его катода. Следовательно, ток в обмотке двигателя всегда будет протекать в одном направлении, но он будет протекать только в течение половины каждого периода, когда анод тиратрона положителен относительно его катода.

Н. — Хорошо, с этим я согласен. Но я не очень понимаю, что же мы выиграли: если сетка достаточно отрицательна, тиратрон не зажигается, двигатель не вращается. Если ты сделаешь сетку положительной или хотя бы создашь на ней нулевой потенциал, тиратрон все время будет в ионизированном состоянии и тогда его безболезненно можно заменить простым выпрямителем.

Л. — В своих рассуждениях ты рассматриваешь только крайние случаи и поэтому не замечаешь достоинств нашего устройства, а они есть, и немалые. Предположим, что я посылаю на сетку тиратрона импульсы, но могу изменять момент их прихода в пределах полупериода, когда анод положителен относительно катода. Как ты видишь, когда эти импульсы приходят в самом начале этого полупериода, как это показано на рис. 104, выпрямленный ток протекает по обмоткам двигателя почти в течение всего полупериода.

Рис. 104. Если пусковые импульсы подаются на сетку тиратрона примерно в начале полупериода анодного напряжения, то анодный ток протекает в течение большей части этого полупериода; среднее значение анодного тока в этом случае наибольшее.

Когда же эти импульсы приходят позднее, как это показано на рис. 105, ты легко можешь заметить, что тиратрон ионизируется совсем незадолго до момента, когда он сам по себе должен погаснуть, потому что его анод вновь становится отрицательным относительно катода.

Рис. 105. Когда пусковые импульсы поступают позднее, среднее значение анодного тока снижается.

Н. — Так это же настоящая сенсация! Этот тиратрон работает точно так, как выпрямитель, если бы им можно было управлять.

Л. — Именно поэтому его часто называют управляемым вентилем. Впрочем, полупроводниковый эквивалент тиратрона тоже называется управляемым кремниевым вентилем.

Н. — Значит, есть полупроводниковые приборы, которые работают как тиратроны?

Л. — Да есть, и работают они превосходно. Сейчас я расскажу тебе о них, не особенно вдаваясь в подробности их устройства. Полупроводниковые тиратроны состоят из четырех последовательно расположенных слоев р, n, р и n. Первый слой р называется анодом, а последний слой n — катодом. Соприкасающийся с катодом слой р снабжен выводом (управляющий электрод), третий слой не имеет вывода, но тем не менее играет важную роль в работе всего прибора. Обычно такой тиратрон рассчитывается на определенное напряжение, например 200 или 400 в. Это напряжение он выдерживает как в прямом, так и в обратном направлениях. Возбуждается или запускается такой тиратрон управляющим электродом, для чего, точно так же как и в газонаполненном тиратроне, необходимо сделать анод положительным относительно катода. Различие между этими приборами заключается в том, что в газонаполненном тиратроне на управляющий электрод подается напряжение, в полупроводниковом — ток. После возбуждения полупроводникового тиратрона протекающий по нему ток ограничивается только внешней цепью, ибо он накоротко замыкает эту цепь или, вернее говоря, ведет себя как хороший кремниевый выпрямительный диод; падение напряжения на его выводах не превышает 1 в. Ты видишь, какими преимуществами обладает он по сравнению с газонаполненным тиратроном, у которого в зажженном состоянии падение напряжения на выводах часто составляет полтора десятка вольт.

Кремниевый тиратрон возбуждается при токе в несколько миллиампер в его управляющем электроде, после чего он работает как выпрямляющий диод до тех пор, пока в его анодной цепи поддерживается ток, превышающий несколько миллиампер. Для устранения возбуждения достаточно накоротко замкнуть тиратрон, что вызовет падение напряжения на нем ниже одного вольта. Устранить возбуждение также можно, прервав протекающий по нему ток или сделав его анод отрицательным относительно катода, что в принципе сводится к тому же. Чтобы показать, насколько полупроводниковый тиратрон близок к простому выпрямительному диоду, которым можно было бы управлять, для него приняли почти такое же, как для диода, схемное обозначение (я воспроизвел его на рис. 106). Отличие от условного обозначения выпрямительного диода заключается лишь в наличии дополнительного управляющего электрода, подведенного наклонно к катоду.

Рис. 106. Условное обозначение твердого тиратрона (полупроводникового эквивалента газоразрядного тиратрона); его также называют управляемым кремниевым выпрямителем.

Н. — А можно ли с помощью полупроводниковых тиратронов управлять большими токами?

Л. — О, да, и очень большими. Вот посмотри этот, что я принес в кармане своей жилетки; ты, несомненно, признаешь, что он совсем небольшой. А его вполне достаточно для исправного управления частотой двигателя мощностью 2 квт, рядом с которым наш тиратрон почти незаметен. Этот крохотный прибор настолько мал, что я могу зажать в кулаке целый десяток, весит он всего 8 г, а выдерживает положительное или отрицательное напряжение 500 в и пропускает ток более 20 а. Газонаполненный тиратрон с такими характеристиками имеет весьма внушительные размеры: по крайней мере 7–8 см в диаметре и полтора десятка сантиметров в высоту. Необходимо сказать несколько слов и о других недостатках газонаполненного тиратрона, как, например, гигантское потребление энергии на разогрев катода и значительное время прогрева перед включением его в работу, без чего мы рискуем серьезно повредить тиратрон.

Н. — В таком случае я полагаю, что через несколько лет газонаполненные тиратроны совсем исчезнут.

Л. — Я полностью разделяю это мнение. Однако в настоящее время полупроводниковые модели еще относительно дороги, впрочем они не намного дороже газонаполненных тиратронов с эквивалентными характеристиками, но они легко могут выйти из строя, если не принять специальных мер по защите их от перенапряжений. Но при всем этом будущее за ними.

Н. — Хорошо, когда мне придется делать систему управления для двигателей, я непременно применю кремниевые тиратроны. Но еще одно обстоятельство, которое меня немного беспокоит. Ты говорил мне о пусковых импульсах для разного по времени зажигания тиратрона. Как получают эти импульсы и как изменяют их положение (я подозреваю, что здесь ты не скажешь «фазу») относительно начала положительного полупериода на аноде тиратрона?

Л. — Эти импульсы можно получить различными способами. Для возбуждения кремниевых тиратронов часто используют схемы с небольшим специальным транзистором, который называют однопереходным транзистором.

Н. — Мне это очень нравится. Мы хотим возбудить тиратрон, имеющий три перехода, и используем для этого транзистор, который, судя по названию, имеет только один переход. Очень хорошо, это в известной мере восстанавливает равновесие.

Л. — По правде говоря, я никогда не думал о равномерном распределении количества переходов. Но как бы там ни было, однопереходный транзистор представляет собой весьма простой прибор, представляющий собой стержень из кремния с n проводимостью, на каждом конце которого имеется вывод (их называют база 1 и база 2), а в самой середине имеется переход с p-зоной, который называют эмиттером. Если между базами этого прибора создать разность потенциалов, он ведет себя как тиратрон, анодом которого служит эмиттер, а катодом — одна из баз.

Если этот транзистор включить в схему, изображенную на рис. 107, то конденсатор С зарядится через резистор R₁ до потенциала электрода, обозначенного стрелкой (его называют эмиттером однопереходного транзистора), и достигнет значения, близкого Е/2. В этот момент скачком вырастет проводимость эмиттерного перехода однопереходного транзистора, и конденсатор быстро разрядится через резистор R₃. Выводы, которые я назвал Б₁ и Б₂, на самом деле служат выводами базы этого транзистора, который не имеет коллектора. В момент разряда конденсатора С через резистор R₃ на выводах этого резистора появляется напряжение, способное возбудить тиратрон.

Рис. 107. Схема на однопереходном транзисторе, предназначенная для создания посредством разряда конденсатора С через R₃ пусковых импульсов для полупроводникового тиратрона. Разряд конденсатора происходит, когда напряжение на его выводах достигает заданной величины.

Н. — По сути дела, твой однопереходный транзистор представляет собой небольшой тиратрон?

Л. — Действительно, здесь имеется определенная аналогия с тиратроном. Но он может пропускать только небольшие токи. Его можно использовать для получения пилообразного сигнала и еще в ряде других схем, но чаще всего он используется в устройствах для возбуждения полупроводниковых тиратронов.

Н. — Я нахожу, что твой однопереходный транзистор весьма любопытный прибор. Но кое-что меня все же беспокоит. Ты пока еще не сказал мне, как в схеме (рис. 107) ты получаешь импульсы ближе или дальше от начала положительного полупериода напряжения сети. Мне кажется, что твоя система должна давать пилообразный сигнал, никоим образом не связанный с напряжением сети.

Л. — Ты прав. Схема на рис. 107 предназначена для того, чтобы объяснить тебе, как работает однопереходный транзистор и как его подключают к тиратрону. Но если тебе нужна полная схема, пригодная для практического использования, то посмотри на рис. 108; ты легко в ней разберешься.

Рис. 108. Полная схема управления средним значением тока в нагрузке с помощью полупроводникового тиратрона, получающего пусковые импульсы от однопереходного транзистора.

Н. — И ты решаешься назвать ее легкой! Да твоя схема просто дьявольски сложная.

Л. — Совсем нет, просто, как и в любой схеме, нужно постараться рассматривать один элемент за другим. Ты видишь, что переменное напряжение U через нагрузку подается к тиратрону. Через эту нагрузку (ею может быть якорь двигателя) протекает ток тиратрона (в те полупериоды, при которых анод становится положительным относительно катода), когда тиратрон находится в возбужденном состоянии. Напряжение на выводах тиратрона используется для получения с помощью резистора R₄ и диода Зенера (стабилитрона) напряжения питания для однопереходного транзистора. Как только напряжение на выводах тиратрона становится положительным и по своему значению хотя бы немного выше напряжения диода Зенера, резистор R₄ поддерживает между точками А и В постоянное напряжение, равное напряжению Зенера.

Если напряжение на выводах тиратрона отрицательное (анод отрицателен относительно катода), диод Зенера работает как обычный диод и поддерживает потенциал точки А на уровне, почти равном потенциалу точки В. Следовательно, цепочка однопереходного транзистора теперь питается напряжением, существующим между точками А и В, которое заменяет напряжение Е со схемы (рис. 107). Конденсатор С начинает заряжаться точно в тот момент, когда напряжение на выводах тиратрона становится таким, что анод становится положительным относительно катода. Конденсатор перестает заряжаться в тот момент, когда его заряд становится достаточным, чтобы сделать однопереходный транзистор проводящим.

Если транзистор Т заперт, конденсатор заряжается быстро и возникающий на выводах резистора R₃ импульс возбудит тиратрон практически уже в начале положительного полупериода. Если же ток от источника е, поступающий на базу транзистора Т, не запирает последний, то ток транзистора разряжает конденсатор. Следовательно, конденсатор будет заряжаться медленнее, в результате чего включение однопереходного транзистора, а значит, и возбуждение тиратрона произойдут позднее. Поэтому средний ток, протекающий по тиратрону, будет очень маленький.

Н. — Все это далеко не так просто, как ты говоришь. Но тем не менее я уследил за твоими объяснениями. Однако в этой схеме, как и во всех предыдущих, одно обстоятельство меня огорчает: практически используется только один полупериод переменного напряжения, а другой неизбежно теряется.

Л. — Верно, а если это тебя огорчает, можно использовать два тиратрона, включенных в противоположных направлениях; каждый из этих тиратронов работает только один полупериод. В этом случае понадобится еще два обычных диода, их соединяют с обоими тиратронами так, чтобы токи обоих полупериодов протекали по нагрузке в одном направлении. Как ты видишь, в конечном итоге схема получилась не такой уж сложной и она превосходно может использоваться для управления двигателями очень большой мощности.

Н. — Мне очень хочется тебе верить, но остался еще один и, по-видимому, последний беспокоящий меня вопрос: приходящий по двигателю ток резко возрастает; если мы хотим его уменьшить, то уменьшаем время протекания тока по тиратрону и, следовательно, по обмотке двигателя. Не следует ли нам приготовиться к перенапряжению, порождаемому явлением самоиндукции, а затем к реакции двигателя, которому явно не понравятся такие резкие скачки?

Л. — Что касается двигателя, то я могу лишь выразить ему свое соболезнование. У меня, есть один двигатель, работающий в таких условиях, но он ни разу не приходил жаловаться.

Твое замечание относительно вызываемых самоиндукцией напряжений значительно серьезнее. Эти перенапряжения действительно могут нам мешать, во всяком случае они несколько осложняют работу системы, хотя и не требуют внесения значительных изменений в показанную мною схему, которая весьма близка к применяющейся на практике.

Н. — Я вижу, что твой двигатель приспосабливается к навязанным ему условиям, но я чувствую, что мой мозг очень близок к насыщению, и считаю целесообразным перенести продолжение беседы на завтра.