Юный техник, 2012 № 01 - [22]
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.
