Юный техник, 2012 № 01

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Праздничная электроника

Эта статья началась с моего обещания редакции изготовить и описать мотор Адамса — тихоходный электромагнитный двигатель, потребляющий очень мало электроэнергии. Тайная же задумка была такая: хорошее украшение любого праздника — вращающийся под потолком шар, составленный из плоских зеркальных пластинок. Они могут быть даже картонными, оклеенными цветной станиолью. Если шар осветить ярким фонарем, то по стенам побегут цветные блики, создавая атмосферу праздника. Проблема в том, как заставить шар вращаться. Простое решение — подвесить к потолку моторчик с редуктором, например, от игрушечного автомобиля.

Но гораздо оригинальнее поместить мотор внутри шара, его ось с крючочком вывести наверх и подвесить шар на тонкой леске. Тогда шар будет как бы парить в воздухе. Но как подвести к мотору питание? И здесь есть оригинальное решение — часть светоотражающих плоскостей на шаре надо заменить солнечными элементами! Ведь все равно мы освещаем шар фонарем или даже прожектором. Тогда, кроме формирования бегущих «зайчиков» на стенах, солнечные панели будут вырабатывать электричество для питания двигателя. При этом шар необязательно должен быть шаром — это может быть модель искусственного спутника Земли, и солнечные батареи на нем будут как раз к месту. Для этого проекта и понадобился мотор Адамса. Что же он собой представляет в простейшем варианте?

Представим себе легкий пластиковый диск (например, компакт-диск для звуко- или видеозаписи), свободно вращающийся на оси (рис. 1). Это ротор. На диске закреплен небольшой магнитик, а на подставке — электромагнит, выполненный в виде катушки из многих витков тонкого провода. Для увеличения магнитной индукции в катушку вставлен ферромагнитный (железный) сердечник. Идеально подходит катушка с сердечником от старого или ненужного реле. Предпочтительны реле с высокоомной обмоткой, потребляющие ток не более нескольких миллиампер.

Принцип действия мотора несложен: как только магнит начнет подходить к положению, показанному на рисунке (напротив сердечника электромагнита), он будет притягиваться к сердечнику, а ротор получит некоторое ускорение вращения. Когда же магнит пройдет это положение, в катушку подается короткий импульс тока такой полярности, чтобы верхний конец сердечника также оказался северным (N) полюсом. Магнит и электромагнит оттолкнутся, и диск получит дополнительный механический импульс.

Как узнать, в какой именно момент надо подавать импульс? Сам Адамс использовал фотоэлектрические или электромагнитные датчики положения диска, но это необязательно, можно подавать импульсы с постоянной частотой повторения, а диск при запуске довести рукой примерно до нужной частоты вращения. Тогда ротор сам найдет положение синхронизма и будет вращаться с этой, постоянной, скоростью. Действительно, если диск «убежит» вперед, то его притормозит сила притяжения магнита к сердечнику, а действие отталкивающих импульсов ослабнет, если же диск «отстанет», то сила отталкивающих импульсов возрастет и «подгонит» диск. Формирователем импульсов может служить несложное устройство на одном-двух транзисторах.

Несколько слов о самом мистере Адамсе: он давно на пенсии, живет в Австралии, но когда-то занимал высокие посты в организациях, занимающихся космическими исследованиями. Его мотор произвел настоящий бум: в Интернете утверждают, что он может отдать механической энергии больше, чем потребить электрической. Споры вокруг этого утверждения не утихли до сих пор — для решения вопроса нужны тщательные и точные измерения, которые очень непросто выполнить. Мы с вами тоже не будем опровергать закон сохранения энергии, отметим только высокую экономичность двигателя. Сообщают, что мотор Адамса, изготовленный одной американской школьницей, непрерывно проработал на выставке дня три-четыре, причем 9-вольтовая батарейка (аналог «Кроны») практически не разрядилась.

Конечно, мало смысла делать мотор с одним магнитом — лучше использовать два, на диаметрально противоположных сторонах роторного диска. Диск будет механически сбалансирован, а скорость вращения понизится вдвое. Но нам желательно еще понизить частоту вращения, тогда нужна многополюсная конструкция ротора с большим числом малых магнитиков, равномерно расположенных по окружности диска.

А нельзя ли обойтись вообще без магнитов, заменив их нейтральными ферромагнитными накладками на диск, например железными или стальными пластинками? Оказывается, можно! Но это уже не мотор Адамса, поскольку принцип действия будет другим, основанным не на отталкивании магнита, а на притяжении накладки к сердечнику электромагнита. При отсутствии импульсов тока в катушке ротор будет вращаться свободно, естественным образом замедляясь из-за трения в подшипнике. Импульс тока в катушку подается заранее, при приближении очередной накладки к электромагниту. Она будет притягиваться и ускорять роторный диск.

Желательно также обеспечить «самозапуск» — не лазить же на стремянку при каждом включении! Здесь поможет многополюсная конструкция с несколькими электромагнитами. Импульсы на них должны подаваться поочередно, по кругу, создавая вращающееся магнитное поле (напомню, что это изобретение великого Николы Теслы). Поле «подхватит» ферромагнитные накладки ротора и увлечет диск в заданном направлении и с нужной скоростью. Минимальное число электромагнитов — три, и импульсы, подаваемые на них, образуют трехфазную систему. Располагаться по окружности роторного диска электромагниты должны через 120°. Вспомните трехфазные силовые сети н электромоторы переменного тока с вращающимся полем — основной и самый распространенный тип моторов в промышленности!

С помощью современных микросхем удобнее формировать четырехфазную последовательность импульсов, поэтому целесообразно выполнить мотор с четырьмя электромагнитами, расположенными через 90° по окружности диска (рис. 2).

Ротор выполнен, как и прежде, на основе пластикового диска с пятью полюсами — ферромагнитными накладками. Ничто не мешает изготовить и весь ротор из железной пластинки по форме, показанной на рисунке. Число зубьев ротора должно быть на один больше, чем число электромагнитов статора.

Работает мотор так: в некоторый момент времени ротор занимает положение, показанное на рисунке. Импульс тока подан в верхний электромагнит (фаза 1) и притянул одну из накладок ротора (показаны зеленым цветом). В следующий момент (фаза 2) ток подается в правый электромагнит, и он притягивает ближайшую к нему накладку. Ротор поворачивается на 1/5 часть от четверти оборота, т. е. на 18°. В третьем такте (фаза 3) включается нижний электромагнит, ротор поворачивается еще на 18° и т. д. За полный цикл из четырех импульсов ротор повернется всего на один «зубец», т. е на 72° — мотор работает как редуктор с замедлением 5:1. Примерно так же действуют и промышленно выпускаемые шаговые моторы, которых немало еще осталось от разваленной промышленности советского времени, да и сейчас их можно извлечь из сломанных видеомагнитофонов, дисководов и т. д. Но не обольщайтесь: промышленным моторам требуется немалый ток для питания, наша же задача сделать экономичный мотор!

На рисунке 3 показана схема генератора на устаревшей и поэтому очень дешевой КМОП-микросхеме, содержащей четыре инвертора. С равным успехом можно использовать МС K176ЛE5. Эту серию МС полагается питать от источника напряжением 9 В, но опыт показал, что они работают от 4 до 12 В. Еще лучше использовать аналогичные МС серии К561.

Рис. 3

Теперь рассмотрим формирователь четырехфазной последовательности, схема которого показана на рисунке 4. Он содержит кольцевой счетчик, собранный на двух триггерах одной микросхемы DD1 тех же серий. На счетный вход триггеров С подается сигнал с только что описанного задающего генератора.

Установочные входы R и S (set, reset) триггеров не используются (соединены с общим проводом), а на входы D подается сигнал обратной связи с выходов триггеров так, чтобы триггеры переключались по очереди. Тогда на выходах триггеров (выводы 1, 2, 13 и 12) формируется четырехфазный сигнал прямоугольной формы, в котором длительность импульса точно равна длительности паузы. (Его, кстати, можно использовать для переключения четырех гирлянд, из которых одновременно всегда будут гореть две. Желательно только установить буферные инверторы или транзисторы, чтобы не нагружать маломощные триггеры значительным током гирлянд и не нарушать их работу.)

Для питания описанного выше шагового мотора такая последовательность импульсов не годится, нам ведь не нужно, чтобы одновременно включались два электромагнита. Исправляет ситуацию логическая микросхема DD2, элементы которой выдают положительный импульс только тогда, когда на обоих его входах напряжение низкое. А это случается один раз за цикл работы счетчика. Осциллограммы сигналов на выходах логического формирователя импульсов также показаны на рисунке. Эти сигналы можно прямо подавать на катушки электромагнитов мотора, выполненного по рисунку 2. Максимальный ток, который может отдать логический элемент МС этой серии, составляет несколько миллиампер, но для питания чувствительных электромагнитов этого должно быть достаточно.

В статье нет точного и подробного описания конструкции. Цель статьи другая: дать пищу для размышлений и призвать к самостоятельному творчеству, что гораздо нужнее и полезнее.

В. ПОЛЯКОВ, профессор