Схема для часов с шаговым двигателем
Бесплатная техническая библиотека:
▪ Все статьи А-Я
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
▪ Новости науки и техники
▪ Журналы, книги, сборники
▪ Архив статей и поиск
▪ Схемы, сервис-мануалы
▪ Электронные справочники
▪ Инструкции по эксплуатации
▪ Голосования
▪ Ваши истории из жизни
▪ На досуге
▪ Случайные статьи
▪ Отзывы о сайте
Справочник:
▪ Большая энциклопедия для детей и взрослых
▪ Биографии великих ученых
▪ Важнейшие научные открытия
▪ Детская научная лаборатория
▪ Должностные инструкции
▪ Домашняя мастерская
▪ Жизнь замечательных физиков
▪ Заводские технологии на дому
▪ Загадки, ребусы, вопросы с подвохом
▪ Инструменты и механизмы для сельского хозяйства
▪ Искусство аудио
▪ Искусство видео
▪ История техники, технологии, предметов вокруг нас
▪ И тут появился изобретатель (ТРИЗ)
▪ Конспекты лекций, шпаргалки
▪ Крылатые слова, фразеологизмы
▪ Личный транспорт: наземный, водный, воздушный
▪ Любителям путешествовать — советы туристу
▪ Моделирование
▪ Нормативная документация по охране труда
▪ Опыты по физике
▪ Опыты по химии
▪ Основы безопасной жизнедеятельности (ОБЖД)
▪ Основы первой медицинской помощи (ОПМП)
▪ Охрана труда
▪ Радиоэлектроника и электротехника
▪ Строителю, домашнему мастеру
▪ Типовые инструкции по охране труда (ТОИ)
▪ Чудеса природы
▪ Шпионские штучки
▪ Электрик в доме
▪ Эффектные фокусы и их разгадки
Техническая документация:
▪ Схемы и сервис-мануалы
▪ Книги, журналы, сборники
▪ Справочники
▪ Параметры радиодеталей
▪ Прошивки
▪ Инструкции по эксплуатации
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Бесплатный архив статей
(200000 статей в Архиве)
Алфавитный указатель статей в книгах и журналах
Бонусы:
▪ Ваши истории
▪ Загадки для взрослых и детей
▪ Знаете ли Вы, что.
▪ Зрительные иллюзии
▪ Веселые задачки
▪ Каталог Вивасан
▪ Палиндромы
▪ Сборка кубика Рубика
▪ Форумы
▪ Карта сайта
Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов
Техническое обеспечение:
Михаил Булах
Программирование:
Данил Мончукин
Маркетинг:
Татьяна Анастасьева
При использовании материалов сайта обязательна ссылка на https://www.diagram.com.ua
сделано в Украине
Схема управления шаговым двигателем часов
В связи с проводимыми в настоящее время евроремонтами и реорганизацией предприятий со стен многих учреждений снимают электромеханические часы с централизованным управлением, которые становятся бесполезными. Однако такие часы можно использовать, вмонтировав в них схему управления шаговым двигателем. Шаговый двигатель таких часов, например, типа «Стрела», запускается разнополярными импульсами амплитудой около 24 В, следующими с интервалом 1 мин. Модернизации настенных электромеханических часов посвящено несколько публикаций [1,2].
Предлагаемая схема управления состоит из кварцевого генератора, делителя частоты, формирователя минутных импульсов, предварительного усилителя-фазоинвертора, мостового ключевого усилителя, формирователя коротких импульсов и схемы питания. Устройство не содержит электромеханических реле и размещено на небольшой печатной плате, которая укреплена внутри корпуса часов.
Принципиальная схема устройства приведена на рис.1.
(нажмите для увеличения)
Кварцевый генератор и делители частоты выполнены на микросхеме DD1 типа К176ИЕ12. Кварцевый генератор работает на частоте 32768 Гц. Первая ступень деления частоты следования импульсов кварцевого генератора содержит 15-разрядный двоичный счетчик импульсов, с выхода которого (вывод 4) секундные импульсы поступают на вторую ступень деления с коэффициентом деления 60. Минутные импульсы с вывода 10 поступают на тактовый вход С счетного триггера микросхемы DD2 (вывод 3) и через резистор R4 на базу транзистора VT1. Состояние верхнего триггера изменяется по положительному перепаду минутного импульса.
На выходах триггера (выводы 1 и 2) получаем противофазные импульсы, которые поступают на предварительный усилитель на транзисторах VT2 и VT3. Усиленные импульсы управляют мостовым ключевым усилителем на транзисторах VT4, VT5, VT7 и VT8. В диагональ моста включена обмотка шагового двигателя часов. Если коллекторы транзисторов VT5 и VT8 соединить с общим проводом, то схема работает, так как при закрытом транзисторе VT2 и открытом VT3 открыты транзисторы VT4 и VT8, ток через обмотку протекает слева направо. При изменении состояния транзисторов VT2 и VT3 открываются транзисторы VT5 и VT7, ток через обмотку протекает в другую сторону. Но для срабатывания шагового двигателя достаточно коротких разнополярных импульсов длительностью 0,5 с.
Для уменьшения непроизводительной траты электроэнергии в промежутках времени между «шагами» (59,5 с), облегчения теплового режима, уменьшения габаритов устройства в схему введены формирователь коротких импульсов — одновибратор, собранный на нижнем триггере микросхемы DD2, и транзисторы VT1 и VT6. Одновибратор [З] запускается минутными импульсами с коллектора транзистора VT1. На выходе триггера (вывод 13) возникает положительный перепад напряжения, который через цепь обратной связи, воздействует на вход сброса R (вывод 10), возвращая одновибратор в исходное состояние. Постоянная времени цепи R6C5 выбрана таким образом, чтобы длительность генерируемого импульса составляла примерно 0,5 с. Этим импульсом открывается транзистор VT6, который разрешает протекание тока через мостовой усилитель.
На рис.2 приведены осциллограммы в характерных точках схемы.
Диоды VD3-VD6 защищают схему от всплесков, возникающих на обмотке шагового двигателя. Кнопка S1 служит для сброса делителей частоты в нулевое состояние и для задержки хода часов. Кнопка S2 предназначена для перевода стрелок часов вперед секундными импульсами. Подстроечный конденсатор С2 служит для точной установки частоты кварцевого генератора. Стабилитрон VD2 стабилизирует питающие напряжение 9 В.
В устройстве использованы резисторы С2-23 и КИМ (R2), конденсаторы К50-29 (С4 и С6), КТ4-256 (С2), К10-17-16 (остальные). Кварцевый резонатор РК-724А-17БУ — от электронных часов на частоту 32768 Гц. Микросхему К561ТМ2 можно заменить на К176ТМ2, К561ТМ1, К176ТМ1. Транзисторы — любые кремниевые соответствующей проводимости и мощности. Силовой трансформатор любой малогабаритный, например, от сетевого адаптера с напряжением перемотанной вторичной обмотки 15-16 В.
Налаживание устройства сводится к проверке напряжений питания тестером, проверке осциллограмм. Для удобства просмотра осциллограмм необходимо ускорить процессы в схеме, для этого конденсатор С5 (0,33 мкФ) временно заменяют конденсатором с номиналом 1000 пФ, затем перемычкой с точки 5 подают запускающий импульс с вывода 1 микросхемы DD1. Вместо шагового двигателя к точкам 6 и 7 схемы целесообразно подключить резистор сопротивлением 1 кОм. Осциллограммы должны соответствовать приведенным на рис.2. После просмотра осциллограмм восстанавливают схему и с помощью цифрового частотомера, подключенного к выводу 14 микросхемы DD1 (точка К), в режиме измерения частоты, устанавливают частоту 32768 Гц, подбирая емкость конденсатора С1. Подстроечный конденсатор С2 при этом должен находиться в среднем положении.
В некоторых случаях возникает необходимость увеличить емкость конденсатора С2, подпаивая параллельно ему дополнительный конденсатор емкостью 22-33 пФ. Затем частотомер в режиме измерения периода импульсов подключают к выводу 4 микросхемы DD1 и конденсатором С2 устанавливают период следования секундных импульсов с точностью 1 мкс. Такую операцию целесообразно провести после «старения» кварцевого резонатора через несколько недель эксплуатации часов. Этим обеспечивается высокая точность хода часов.
При увеличении мощности блока питания и транзисторов мостового усилителя к данной схеме можно подключить несколько вторичных часов, расположенных в разных помещениях здания. Подобное устройство, собранное на. четырех микросхемах [4], позволяет запитывать до 40 вторичных часов.
Конструктивно понижающий трансформатор Т1, выпрямительный мост VD7 и конденсатор С6 можно разместить в корпусе доработанного сетевого адаптера. Все детали устройства, кроме кнопок S1 и S2, установлены на печатной плате, изображенной на рис.3.
Штриховыми линиями на плате показаны три перемычки. Печатная плата изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Кнопки крепят на боковой стенке часов.
- Алексеев С. Первичные кварцевые часы//Радио. -1985. -№10. -C 44-45.
- Гиниатуллин Х. Эволюция электронных часов//Радио. -1992. -№2-3. -C.18-19.
- Одновибраторы на D-триггерах//Радио. — 1984. -№7. -C 58.
- Бирюков С. Первичные кварцевые часы//Радио. -2000. -№6. -C.34.
Смотрите другие статьи раздела Электродвигатели.
Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.
Схема для часов с шаговым двигателем
Кварцевые механизмы | Шаговые двигатели
Топ-топ, топает мотор
Глядя на циферблат современных кварцевых часов с невероятным количеством стрелок, сложно поверить, что долгое время камнем преткновения в их производстве было изготовление шагового двигателя, способного поместиться в корпус разумных размеров.
Возвращаясь к истории развития кварцевых калибров, стоит вспомнить, что своеобразным мостиком от чистой механики к кварцу стали электро-механические часы самых разных конструкций. Мы с умилением рассматриваем хитроумные резонаторы, в т.ч. с использованием кварца, замысловатые системы передачи колебаний на колесную систему, и не задумываемся, что причиной всего этого разнообразия технических решений было отсутствие у часовщиков миниатюрного электродвигателя, способного поместиться в корпусе наручных часов. Традиционные моторы, использовавшиеся в 1950-1960-х годах, категорически не подходили для этой задачи. Перелом произошел, когда в часы удалось поместить шаговый электродвигатель.
Первую победу шаговый двигатель одержал в 1957 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе экспонировался первый в мире советский фрезерный станок с цифровым программным управлением. Этот экспонат был удостоен Большой золотой медали и открыл новую страницу в станкостроении. Современная техника немыслима без фрезерных, токарных, электроэрозионных и многих других станков с цифровым управлением. Большая часть из них действует благодаря шаговым двигателям.
Затем шаговые двигатели обосновались в механизмах управления прокатных станов, прессов и других металлургических машин, стали одним из самых распространенных элементов автоматики. Они работают на кораблях, самолетах и искусственных спутниках Земли — везде, где требуется быстрое, точное и надежное исполнение воли человека.
В обычном электродвигателе магнитное поле страгивает с места ротор, который дальше продолжает вращение по инерции. Точно предсказать, на сколько оборотов или на какую часть оборота повернется ротор, невозможно. Это приемлемо в электровозе, который останавливают с помощью тормозов, но не в часах, стрелки которых должны совершать точно отмеренные движения. Шаговые моторы получили свое название из-за того, что в них ротор каждый раз поворачивается на строго определенный угол, или шаг. Более того: ротор в них не имеет инерции и, даже будучи отключенным от питания, мотор надежно фиксирует вал в том положении, в котором его обесточили. Чтобы добиться таких характеристик, конструкцию классического электродвигателя пришлось кардинально пересмотреть.
На принципиальном уровне шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, имеющего намагниченные половины – одну отрицательную и одну положительную. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.
Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Он разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок.
Статор двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество положительных и отрицательных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки: чем больше зубцов, тем меньший шаг может сделать двигатель, а значит, выше будет его точность. К примеру, если у двигателя (как на рисунке 1), 4 основных катушки и 4 зубца на роторе, то за один шаг он сможет повернуться на 90 градусов. При наличии большего числа зубцов (рисунок 2) как на статоре, так и на роторе, длина шага уменьшится, а вместе с ней уменьшится и угол поворота. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.
Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче тока на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Чем меньше угол — тем выше точность.
Увы, описанный выше мотор не мог поместиться в часовой корпус. Но после долгих поисков японские инженеры из компании Seiko смогли произвести на свет миниатюрный шаговый двигатель (рис. 3), у которого была всего одна катушка индуктивности, а ротор и статор имели по два полярных «зубца». Проблем при производстве такого мотора было сразу несколько. Намотать несколько тысяч витков тончайшей проволоки на катушку, обеспечить невысокое энергопотребление данного изделия, получить достаточную мощность для вращения колесной системы – все эти задачи нужно было решить в одном изделии. Японцы с ними справились, и предложенная ими компоновка двигателя применяется и по сей день.
Шаг в секунду и быстрее
Решение японских инженеров произвело революцию в часовой отрасли и решило ключевую, но отнюдь не единственную задачу. Подобный мотор хорош для классического трехстрелочника, но плохо подходит для привода хронографа или дополнительного счетчика. Решение этой проблемы нашли уже швейцарские мастера, которые лишь спустя несколько лет после появления Astron смогли прийти в чувства и вновь начать удивлять публику, в том числе и на кварцевом поприще. Среди производителей механизмов особняком от всех стоит швейцарская компания Soprod, начавшая производство кварцевых калибров в 90-х. «Опытное» подразделение исконно механической фабрики стало производить демократичные калибры, но вскоре, оценив перспективы рынка, перенесло фокус внимания на кварцевые механизмы высокого класса. Основным достижением компании Soprod можно считать уникальную методику программирования и начало применения микромоторов с возможностью вращения стрелок в обе стороны благодаря использованию сразу двух маленьких, но мощных катушек индуктивности. Да и шаг стрелки теперь зависел не от колесной передачи, а от того, сколько микроскопических магнитных зубцов удавалось разместить не роторе, непосредственно на котором и была закреплена стрелка каждого счетчика.
Теперь стало можно свободно располагать в любой части циферблата без привязки к колесной системе любое количество стрелок и наделять их совершенно фантастичеким функционалом. Хотите ретроградный указатель дня недели, часа или даже ретроградные минутные или секундные счетчики? Никаких проблем, ведь запрограммировать схему отправлять импульс на микромотор можно в любом порядке и направлении. По одному импульсу в день и возврат в исходное положение на 8-й день – вот вам ретроградный календарь. Ранее такие функции были атрибутами высококлассной механики, теперь они реализованы в самых разных часах и доступны широкому кругу покупателей. Яркий пример подобных часов – флагманские модели бренда Adriatica или Vostok Europa.
Некоторые бренды идут дальше и предлагают совсем необычные решения. Одним из наиболее интересных подходов дизайнеров к платформе калибров свободной компоновки Soprod SOP FM13D является модель Victorinox Swiss Army Chrono Classic 1/100. В ней на два мотора прикреплены счетчики сотых долей секунд, первый диск показывает цифры первого порядка, другой – второго. При запуске хронографа стрелка отсчета секунд начинает движение, отсчитывая целые секунды, и диски начинали вращаться, отмеряя сотые доли. Удивительный симбиоз технической возможности и дизайнерской идеи произвел на свет одну из самых оригинальных моделей хронографов с возможностью отсчета одной сотой.
Точность и мощность
Именно этими двумя словами можно охарактеризовать калибры последнего поколения от лидера индустрии – компании ETA. Если об аспекте точности (PreciDrive) мы говорили в прошлой статье, посвященной вопросам термокомпенсации, то сегодня коснемся вопроса мощности часового мотора. Технология PowerDrive была разработана компанией ETA специально для высокоточных кварцевых хронографов. Шаговые моторы нового поколения способны делать 200 шагов в секунду, что кроме перспектив для маркетологов и дизайнеров открывает совершенно новые просторы в хронометрии. Безусловно, просто мотора для такой работы мало, необходимо изготовить микросхему, которая будет управлять одновременно сразу несколькими моторами, каждый из которых в определенном режиме будет иметь разный функционал. Кроме того, актуальным остается вопрос энергопотребления. В ETA не раскрывают секрета, но говорят, что при ускоренном перемещении стрелок (во время работы хронографа, или при переводе показаний в ускоренном режиме), потребление энергии даже ниже, чем в стандартном режиме. Увы, более подробную информацию о калибрах с данной технологией найти практически невозможно. Производитель хранит все детали в секрете, ведь сейчас это одно из главных конкурентных преимуществ кварцевой линейки некоторых брендов Swatch Group, таких как Certina, Hamolton, Longines.
В любую сторону света
Другим, стоящим отдельно от всех брендом Swatch Group является Tissot с технологией T-Touch. Тактильное стекло в рамках данной статьи мы рассматривать не станем, зато поговорим о том, как с помощью всего двух стрелок часы могут предоставлять информацию о перспективах изменений погоды (как заправский барометр) и даже указывать направление на север и юг (как самый настоящий компас). Процесс перехода из обычного режима отображения времени и превращение часовой и минутной стрелок в стрелки компаса выглядит как некое таинство. Если вращать часы, держа их горизонтально, то ни секунды не оставаясь на месте, стрелки все время будут упорно показывать вам верное направление к полюсам. А как только новоиспеченный турист наиграется с этим прекрасным усложнением, они вновь займут свои места и покажут текущее время. Как же это происходит?
Для этого нам придется заглянуть внутрь одних из первых часов в линейке T-Touch. Уже наметанным взглядом мы увидим по две катушки индуктивности для каждой из стрелок, расположенные не как у Soprod V-образно, а на оборот — параллельно друг другу. Дальше нам остается лишь понять, что под металлической платиной скрываются уже знакомые шаговые моторы с очень маленьким шагом, способные перемещать стрелки на очень маленький угол. Однако стоит отдать марке Tissot должное: даже в кулуарных разговорах с производителями современных калибров все признают, что скорость и точность движения стрелок в T-Touch для многих является недостижимой. Все остальные тонкости реализованы благодаря очень хитрой схеме управления с электронным компасом, барометром, альтиметром и прочими «наворотами», которая передает импульсы на моторы, чтобы те послушно исполнили команды.
Для самых маленьких
По иронии судьбы, самые компактные в мире моторы используются в одних из самых крупных и массивных часах на рынке. Речь идет о флагманских моделях Casio в линейке G-Shock. Несколько лет назад компания уже анонсировала самый маленький в мире шаговый мотор, да еще и приводимый в действие солнечной энергией. Но японцам было нужно больше места в и без того не маленьком корпусе. Для чего? Чтобы поместить в часы GPS-антенну, Bluetooth-передатчик и еще пару датчиков (удара и положения стрелок). Перебирая, на чем бы сэкономить место, остановились на моторах. Проволоку взяли потоньше, намотали ее поплотнее – уже минус в объеме и плюс в мощности. Всех секретов японцы опять же не раскрывают, но поместить сразу 5 моторов вместе со всем перечисленным выше списком деталей им удалось. Да и моторы обрели новый статус – «на 26% меньше чем самый маленький мотор в мире» — инженеры Casio улучшили свой собственный рекорд. А покупатели получили новые часы с широчайшим функционалом, потрясающей надежностью и хронографом 1/100 секунды.
Кварцевый люкс
Возможно, для кого-то это выражение звучит немного иронично, но только не для компании Seiko. В верхней линейке марки Grand Seiko кроме высококлассных автоматических или гибридных калибров вроде Spring Drive, имеются и чисто кварцевые модели, которые по качеству материалов и обработке платин не уступают люксовым швейцарским механическим изделиям.
Одной из проблем, характерной для кварцевых часов, является недостаточный момент, развиваемый шаговым двигателем, из-за чего дизайнеры вынуждены использовать облегченные стрелки. В линейке калибров 9F в Grand Seiko пластиковым деталям места нет, и чтобы обеспечить мотору мощность, достаточную для работы с металлической колесной системой, создатели калибра применили в нем двухимпульсную систему регулирования, отправляющую каждую секунду на мотор не один электрический импульс, а целых два. Развивать больший момент двигателю помогает и увеличение индуктивности катушки: разработанная Seiko технология позволила использовать при ее намотке более тонкую проволоку (толщиной 15 мк вместо обычных 30 мк) и добиться более плотной укладки. Как следствие, число витков и напряженность генерируемого катушкой магнитного поля увеличились в четыре с лишним раза. Позже эта технология очень пригодилась Seiko при создании Spring Drive. Теперь кварцевым механизмам линейки по плечу любые стрелки — даже те, с которыми ранее могли справиться только механические часы.
