Крабовые Ручки ♋ Almois Jobbing Official

Журнал о технических устройствах и технологиях. Ковыряние в бытовой технике, электронике: что внутри, как это работает, опыт эксплуатации. Выбор лучшего товара — отзывы, достоинства и недостатки. ПоДЕЛОчная: ремонт (техники, электроники) своими руками, сделай сам, самоделки. Полезные советы, лайфхаки.

Мотор из кассетного магнитофона: устройство, питание, разновиды

Исследуем типичный для старой аудио-плёночно-кассетной техники [например, Sony CFS-B7S] мотор-привод-двигатель, который крутил кассету для её проигрывания, записи и перемотки.

Sankyo SHU Series

На задней (нижней) крышке конкретно этого мотора такие надписи:

Sankyo — очень популярный в Японии производитель моторов, серво-приводов, промышленных роботов и пр. Их, такие вот (Фото 1, Фото 2) моторчики можно встретить в технике таких японских брендов как Yamaha, Nakamichi, Teac, Sony, Hitachi и др.

Смысл маркировки SHU9L. Цифра 9 означает, что мотор нужно питать напряжением 9 вольт, буква L — вращение против часовой стрелки (или CCW — counterclockwise, если смотреть на мотор сверху-спереди, т. е. со стороны торчащего вала). Варианты маркировки: 6 — питание 6 вольт, 9 — 9 В, 2 (два) — 12 В, L — CCW, R — CW (clockwise). Все эти моторы 2-х скоростные: 1600/3200 RPM. Всё это узнаём из Service&Repair [стр. 1225].

«- + H L» Минус тут — это ноль, земля, чёрный провод; + — это красный провод с постоянным номинальным напряжением 9 В. Впрочем, внутри мотора имеется контроллер оборотов, который выдаёт фиксированный ток-напряжение на щётки, при любом входном напряжении от 5.5 до 9 вольт. Таким образом, гарантируются фиксированные обороты 3200 об/мин, что важно при проигрывании аудиокассет.

H и L — это выходы как бы тахометра. На холостом ходу при 9.0 вольтах питания имеем напряжение 0.12В на L и 8.34В на H. Если мотор начинает испытывать сопротивление (возрастает момент инерции; плёнку зажевало — обороты из-за этого снизились), тогда напряжение на L возрастает, а на H снижается. Магнитофон может это как-нибудь использовать (например, останавливать проигрывание, сигнализировать).

Контроллер оборотов

Теперь разберём моторчик, но не этот слишком хороший и рабочий, а другой, почему-то неработающий и более типичный (для дешёвой техники):

Заднюю крышечку (на Фото 3 справа) подцепляем отвёрткой через щель, из которой выглядывают контакты, и, стараясь не сломать этот кусок платы с контактами, вытаскиваем крышку-заглушку. Вместо планки с просто щётками и подшипником обнаруживаем целое электронное устройство:

Причём дорожки платы здесь изготовлены буквально заливкой припоя в лунки эбонитового (наверное) круга. В другом похожем моторчике (Mabuchi Motor, 9V, CW) плата более вменяемая:

Что это за плата, зачем микросхема? Это всё называется контроллером скорости (оборотов) низко-вольтного коллекторного мотора постоянного тока (Low-voltage DC motor speed controller). Согласно даташиту на LA5527, этот драйвер (контроллер оборотов) занимается тем, что выдаёт фиксированный ток (величина тока задаётся переменным резистором) на щётки-коллектор ротора, почти независимо от напряжения питания. На вход 1.8-10 вольт (максимум 12, номинал 9), ток мотора — 1А максимально, задаётся потенциометром (видим его, голубенького, на Фото 4).

Эта стабилизация выходного тока нужна для того, чтобы обороты мотора и скорость проигрывания музыки не зависели от входного напряжения, которое может просесть по мере посадки батареек (те магнитофоны любили работать от шести батареек 1.5В) или из-за близкой к максимальной громкости динамиков.

Кстати, этот драйвер-контроллер — как раз то, что нужно для питания светодиодов от батареек в фонарике: задаём переменным резистором номинальный ток светодиода (на который он рассчитан) и запитываем его батареей в 3, 4.5, 6, 9 или 12 вольт — без разницы. Далее, никак не реагируя на снижение напряжения батареи по мере её разряда, светодиод светит с одинаковой яркостью до упора, пока батарейки не сдохнут в ноль.

На Фото 4 видно, что микросхема LA5531 вспучилась и треснула:

Вот почему мотор не работает — микруха сгорела.

Лучшее описание технических характеристик подобных контроллеров для моторов — даташит TDA7274. Там внизу много полезных графиков зависимости оборотов от температуры, оборотов от напряжения питания и т. п.

В частности, при вращении переменного резистора обороты мотора линейно зависят от этого вращения. Поэтому китайцы продают такие «контроллеры коллекторного мотора с линейной регулировкой оборотов» отдельно (с большим переменным резистором с рукояткой) по 3 бакса: лоты на Ebay. Так что, при использовании для чего-нибудь этого моторчика (например, в качестве бормашинки или минидрели с цанговым патроном), если хочется регулировки оборотов, можно просто вынести переменный резистор наружу, заменив его на большой-удобный.

RL-фильтр

Кроме контроллера с щётками в исследуемом моторе есть ещё две запчасти:

Справа на Фото 6 корпус-статор с кольцевым магнитом (с двухполюсной намагниченностью) и бронзовым подшипником скольжения. Слева — ротор с какой-то отвалившейся шайбой. В роторе из работающего мотора шайба припаяна к трём контактам коллектора-обмоток:

Что это за шайба?

Материал шайбы похож на резистор. На шайбу нанесены три серебряных пятна (реально из серебра), к которым можно припаять контакты. Сопротивление между соседними контактами (фиолетовые стрелки на Фото 8) составляет примерно 250 кОм. На всякий случай припаиваем шайбу обратно:

Но что это? Три варистора для защиты от скачков напряжения? Три NTC-терморезистора для снижения тока на обмотки при нагревании мотора для стабилизации оборотов? (По даташитам все эти микросхемы типа LA5527, TDA7274 не стабилизируют обороты в зависимости от температуры окружающей среды — при росте температуры обороты растут; поэтому таким стабилизатором могло бы быть это кольцо.)

Оказывается, это обыкновенные резисторы [Permanent Magnet Motor: Maintenance (part 2)], которые подключены параллельно каждой обмотке для создания RL-фильтра (R — резистор, L — индуктивность) радио-частотных помех (radio frequency interference, RFI), . Эти помехи возникают от искрения между щётками и контактами коллектора, излучаются с мотора на неэкранированные проводники аудио-устройства и, в итоге, подмешиваются в виде шума в аудио-сигнал. Резисторы сами по себе эффективно тушат высокочастотные колебания, а в совокупности с индуктивностью обмоток — помехи радио-частоты.

Мотор ДЛ39-0,1-2 от магнитофона Электроника 323

Теперь отечественный (советский) производитель.

Вращение вала по часовой стрелке. Шкив на валу сделан из латуни (или бронзы?) и сейчас страшно прокручивается. Надписи сзади:

ДЛ — это, наверное, двигатель лентопротяжный. Знак ОТК СССР, сделан в январе 1986 года, напряж.9В. Драйвер-контроллер находится снаружи, на отдельной платке:

«Микросхема» КР198НТ1Б — это 5 транзисторов NPN 15В 30мА в одном копусе. КТ816В — кремниевые мезаэпитаксиально-планарные структуры p-n-p усилительные… [подробнее…]. Также есть переменный резистор для установки выходного тока-оборотов. В общем, смысл сего устройства такой же, что и у импортных, но оно большое и в корпус мотора не влезло.

Оказывается, внутри бочонка с мотором находится мотор поменьше, в своём копусе. А в большом бочонке — резиновые прокладки. Разбираем маленький бочонок:

Тут всё красиво: магниты покрашены в красный и синий цвета (чтоб как в учебнике), оба подшипника скольжения крутятся сферически в своих хитрых опорах, щётки с огромными ризинками, конденсатор… КМ5 (с кучей золота и платины внутри).

Комментарии (8):

Вечера доброго.
Что можете рассказать о таком электромоторе фирмы Sankyo d6nr0(или O), ниже написано (80126-A).
Стоит в старой караоке машине.
Не могу определить её год выпуска, пытаюсь найти хотя бы по названию электромотора.
С уважением.

Обыскал весь инет — нечего не нашёл 🙂 Как-то по старым деталям нет датащитов. Наверное потому, что тогда они были бумажные, а оцифровывать их сейчас у производителя желания 0.0%.

Koff, вам что-то конкретное надо узнать про него ? Если он аналогичен магнитофонным, то можно просто его заменить похожим.

Электроника 323. Мошете сказат номинал сопротивления находяшее с лева от микросхема КР198НТ1Б. У меня это сопротивление сломан…

Если слева по Фото 12, то 24К (килоОма).

Практически все стабилизаторы скорости вращения советского производства это было омно ещё то. Микросхема КР198НТ1Б перегревалась и дохла на ура отчего её название знал наизусть практически каждый кто разбирал те кассетники. А вот с той поры как в руки стали попадать пусть и китайские но кассетники с моторчиками-драйверами люди узнали нормальное качество и стабильность оборотов самого мотора.

Кстати, автор забыл упомянуть ещё и безколлекторные(импортные-отечественные) моторы и главное коллекторные с бронзовыми щётками моторы с прерывателями на якоре японского производства устанавливаемые в магнитолы Panasonic в 80-х годах прошлого века. Вот там качество было зашибись. Есть такой экземпляр могу скриншоты внутренностей моторчика выложить.

Схема управления двигателем магнитофона

Доработка боковых двигателей

Первое включение магнитофона «Электроника-004» меня сильно огорчило. И речь идет не о сигнале на линейном выходе, а о совсем другом – гудении двигателей. Гудели боковые двигатели, которые приводят в движение катушки с лентой. Один гудел сильнее, другой – тише. Громкость гудения то уменьшалась, то увеличивалась. Это происходило синхронно с вращением катушек, что обычно называют «завыванием» двигателей. Гудение было очень сильное – вибрировал стол, дребезжали некоторые детали магнитофона. В таком виде использовать магнитофон было решительно невозможно. Надо было что-то делать.

Первым делом собрал имеющуюся информацию на просторах Интернета. Затем проверил некоторые решения, ну и провел ряд собственных экспериментов. Но обо всем по порядку.

Статистика по гудению боковых двигателей магнитофонов «Электроника» и «Олимп» в Интернете довольно обширная. Общая картина такова: некоторые экземпляры двигателей гудят больше, некоторые меньше, некоторые совсем не гудят. По аппаратам всех моделей статистика примерно одинаковая. Гудящий двигатель после перестановки в другой аппарат, как правило, продолжает гудеть и там. Вывод – причина гудения кроется в самих моторах. Если так, то логично устранять проблему их заменой. Но тут кроется проблема: чем заменять? Если бы был доступ к целой куче ДП-3, то можно было бы выбрать пару слабо гудящих двигателей. Но если купить пару двигателей на замену, то это будет лотерея. Скорее всего, гудение останется примерно таким же.

Несколько моделей магнитофонов Revox имеют аналогичные двигатели. Они устанавливаются на место ДП-3 либо прямо, либо через переходник. Обладатели Revox-овских двигателей утверждают, что они гудят намного тише. Но такие двигатели надо еще найти, да цена их не такая уж маленькая. К тому же, как и для любого другого б/у товара, здесь тоже лотерея. Находил информацию, что в Revox A-700 тоже иногда гудят боковые двигатели.

В Интернете встречал мнение, что для устранения гудения достаточно поменять подшипники в двигателе. Гудение двигателя – это вибрация ротора, влияние будут оказывать многие факторы. Люфт в подшипниках будет способствовать усилению гудения, и их замена способна гудение уменьшить. Но полностью проблему таким способом не решить.

Еще встречал рекомендации закрепить боковые двигатели через эластичные прокладки, а также покрыть шасси ЛПМ звукопоглощающим материалом. Все это имеет какой-то эффект, но это борьба со следствием, а не с причиной.

Еще одной часто называемой причиной гудения является искажение формы тока питания двигателя. Действительно, схема управления вносит искажения в форму тока, это показывает и моделирование.

Для привода боковых узлов магнитофона используются асинхронные конденсаторные двигатели ДП-3. Они питаются напряжением сетевой частоты. Для этого трансформатор имеет специальные обмотки 60 В и 100 В. В режиме перемотки на двигатель подается 100 В и на принимающей стороне ничего не регулируется. Для поддержания натяжения ленты регулируется крутящий момент двигателя на подающей стороне. А в режиме рабочего хода регулируется момент обоих двигателей. Регулировка осуществляется изменением напряжения питания двигателей.

Чтобы для регулировки переменного напряжения можно было использовать транзистор, который имеет однонаправленную проводимость, используется диодный мост. Та диагональ, куда обычно подается переменное напряжение, включена в разрыв цепи двигателя. Другая диагональ, откуда обычно снимается постоянное напряжение, подключена к транзистору.

Диодный мост вносит какую-то нелинейность, но тут она проявляется очень слабо, так как напряжение питания двигателя (порядка 100 В) намного больше прямого падения на диодах (на двух диодах падает около 1.5 В). Если в диагональ моста вместо транзистора включить переменный резистор, то переменное напряжение на двигателе плавно регулируется, а искажений его формы не видно.

В случае применения транзистора ситуация ухудшается. При постоянном токе базы (или постоянном напряжении затвор-исток для полевого транзистора) на синусоиде видны искажения. Причиной является неидеальность характеристик транзистора. Здесь он работает в таких условиях, что напряжение коллектор-эмиттер в пределах одной полуволны сетевого напряжения меняется от нуля до некоторого большого значения, вплоть до максимального.

Причем с полевым транзистором моделирование дает даже худший результат, чем с биполярным. Если посмотреть на семейство выходных характеристик MOSFET, то видно, что омический режим занимает лишь малую часть в области малых напряжений сток-исток.

В принципе, отклонение формы от синусоидальной особо ничем не грозит. Оно означает обогащение спектра сигнала высшими гармониками. В двигателе моментообразующей является только первая гармоника, остальные лишь бесполезно его нагревают, хотя здесь это не так критично. Еще гармоники могут увеличивать поле паразитного излучения двигателя, что в данном случае весьма нежелательно. Поэтому все же надо стремиться к синусоидальной форме питающего напряжения.

Охватив каскад на транзисторе отрицательной обратной связью, можно получить вполне приемлемые искажения формы регулируемого напряжения. Вот модель схемы управления боковым двигателем магнитофона «Электроника-004»:

Моделирование показывает, что при малых значениях напряжения питания двигателя синусоида заметно искажена (красный график). Для сравнения на графике приведена идеальная синусоида (синий график). Но при малых напряжениях питания гудение двигателя тоже незначительное.

При более высоких напряжениях форма приближается к синусоидальной, хотя некоторые искажения есть, она немного «сплюснута», полуволны несколько шире, чем у идеального синуса.

Надо сказать, что в целом эта схема при своей простоте работает весьма хорошо.

В магнитофоне «Studer A700», который можно считать прародителем магнитофонов семейств «Электроника» и «Олимп», применялись меры по уменьшению искажений напряжения питания двигателей. Схема управления там была значительно сложнее.

Идея состоит в том, чтобы модулировать ток базы регулирующего транзистора по синусоидальному закону. Вернее, по закону модуля синуса, ведь в обоих полупериодах направление тока через транзистор одно и то же. Для этого формировалось опорное напряжение в форме модуля синуса. Это напряжение с помощью двух резисторов снималось с того же транзистора. Чтобы величина напряжения не зависела от степени открытия транзистора, через резисторы определенных номиналов суммировалось напряжение с коллектора и эмиттера. При открытии транзистора напряжение на коллекторе падает, зато растет ток, а вместе с ним и напряжение на эмиттерном резисторе. Конечно, номиналы резисторов могли быть подобраны только для конкретного напряжения питания, сопротивления нагрузки и т.д. Но в данном случае изменение опорного напряжения приведет лишь к отклонению передаточной характеристики от линейной, что не страшно, так как все это находится внутри петли ОС регулировки натяжения ленты. Разве что могут возникнуть вопросы с устойчивостью. В магнитофоне «Studer B67» сделано по-другому, опорное напряжение берется с обмотки сетевого трансформатора. В результате его амплитуда будет постоянной. С другой стороны, будет небольшая погрешность фазы, ведь так не будет учитываться реактивная составляющая полного сопротивления двигателя.

Далее сигнал модуля синуса нужно регулировать по амплитуде согласно управляющему сигналу с датчиков натяжения ленты. Для этого используется аналоговый перемножитель.

Модель этой схемы с использованием идеальных компонентов выглядит так:

В ранних версиях «Studer A700» применялась специализированная микросхема TCA561, содержащая аналоговый перемножитель. В дальнейшем схема поменялась, и начал применяться перемножитель на ОУ и сборке полевых транзисторов. На одном полевом транзисторе собран аттенюатор сигнала модуля синуса, а на втором транзисторе – аттенюатор постоянного напряжения, который включен в цепь обратной связи ОУ. Второй аттенюатор используется для линеаризации первого. В результате получается аналоговый перемножитель с характеристикой, близкой к идеальной.

Отрегулированный по амплитуде сигнал сдвигается по уровню на величину постоянного напряжения база-эмиттер составного регулирующего транзистора и через резистор подается на базу. Номиналы компонентов этой схемы критичны к разбросу параметров транзисторов. Как было сказано выше, критичными являются номиналы резисторов формирования опорного напряжения. Постоянное смещение управляющего сигнала тоже нельзя задать точно, потому что напряжение база-эмиттер транзисторов зависит от температуры. Для формирования смещения используется диод, который дает какую-то компенсацию, только он почему-то один, хотя транзистор составной, к тому же, один из них прилично греется и установлен на выносном радиаторе. Еще один критичный резистор осуществляет компенсацию сопротивления канала открытых полевых транзисторов перемножителя. Его номинал будет зависеть от параметров этих транзисторов. Без такой компенсации будет невозможным получение малых значений напряжения на выходе. В результате схема «Studer A700» хоть и дает меньшие искажения синуса, но только при условии точной настройки.

Работа этой схемы с реальным перемножителем на полевых транзисторах показана на графиках выше (красные графики). Видно, что для малых выходных напряжений схема дает значительно меньшие искажения синуса, чем схема магнитофона «Электроника-004». При больших выходных напряжениях искажения синуса по-прежнему есть, причем в другую сторону – полуволны становятся более «острыми».

Подобная схема управления в «Studer A700» применялась как для боковых, так и для ведущего двигателя. Позже эта схема была скопирована для ведущего двигателя «Олимп-004» и старше.

Значительно улучшить работу схемы и устранить зависимость от параметров компонентов можно путем реализации обратной связи по току.

В эмиттере регулирующего транзистора уже предусмотрен резистор, который можно использовать как датчик тока. Благодаря обратной связи устраняются погрешности, связанные с нелинейностью передаточной характеристики транзистора. К тому же, в такой схеме можно использовать как биполярный регулирующий транзистор, так и MOSFET. Мощные высоковольтные MOSFET сейчас более распространены, чем аналогичные биполярные транзисторы.

Чтобы избавиться от погрешностей перемножителя, можно применить интегральный аналоговый перемножитель, например, AD633. Проблему получения стабильного опорного напряжения можно решить, если взять его с обмотки сетевого трансформатора. Хотя нестабильность опорного напряжения здесь практически ни на что не влияет, можно по-прежнему снимать его с регулирующего транзистора.

В результате у такой схемы искажения синуса становятся практически незаметными для любого значения выходного напряжения (зеленый график, для сравнения синим цветом показан идеальный синус).

Микросхемы аналоговых перемножителей сравнительно дорогие (AD633 стоит порядка 8$). Поэтому было бы заманчиво обойтись без них. Можно, конечно, применить дешевый вариант перемножителя на полевых транзисторах, как сделано в «Studer A700». А можно попытаться реализовать систему с использованием микроконтроллера. Как вариант, микроконтроллер с помощью ЦАП может формировать сигнал модуля синуса, амплитуда которого будет определяться сигналом датчиков натяжения, которые можно подать на вход АЦП. Только надо учесть, что сигнал модуля синуса должен быть привязан по фазе к сетевому напряжению. Это не такая простая, но вполне решаемая задача.

Чтобы проверить, как сильно влияет искажение питающего напряжения на гудение двигателя, вовсе необязательно собирать эту сложную схему с перемножителями. Можно вообще выкинуть регулирующий транзистор и в виде эксперимента регулировать момент двигателя вручную с помощью ЛАТРа. В этом случае вообще исключаются все искажения, вносимые блоком управления. Такой эксперимент был проделан. Результат – искажения формы питающего напряжения не оказывают влияния на гудение. Оно осталось прежним. Это ставит под сомнение необходимость какого-то ни было усложнения схемы с целью уменьшения искажений.

Возникает вопрос, зачем тогда такая схема использовалась в «Studer A700» и некоторых других магнитофонах? Какая-то польза от снижения гармоник питающего напряжения все-таки есть. Во-первых, двигатель будет меньше греться. Во-вторых, будет меньше паразитное излучение на частоте гармоник сети. В случае ведущего двигателя, возможно, будет некоторое уменьшение коэффициента детонации, но насчет этого я не уверен. Являются ли эти преимущества важными? Не думаю.

В магнитофоне «Studer A810», который можно считать дальнейшим развитием «Studer A700», все эти ухищрения выкинули, никакой коррекции формы тока ведущего двигателя не производят. А для боковых двигателей вообще применили неожиданное решение: транзисторы стали работать в ключевом режиме. Действительно, если модуль синуса ШИМ-ить и затем фильтровать, то его амплитуда будет регулироваться без искажений формы. В этом случае никакие перемножители не нужны. Правда, неясно одно: боролись в основном с паразитным излучением двигателей, а тут получилось, что в аппарате из-за ШИМ-регулирования будут циркулировать высокочастотные токи со свойственными им помехами. Впрочем, помех всегда можно избежать конструктивно.

Еще одна гипотеза – гудение появляется из-за отклонения формы сетевого напряжения. Действительно, форма напряжения в сети в наше время далека от синуса. Изобилие устройств с импульсными источниками питания приводит к тому, что вершины синусоиды, где приходится максимальная нагрузка, заметно обрезаны. Для питания боковых двигателей используется именно сетевое напряжение, которое просто регулируется по амплитуде. При этом все его искажения остаются, какую бы ни делали схему управления. В частности, при эксперименте с ЛАТР-ом двигатель тоже питался сетевым напряжением со всеми присущими ему искажениями. А искажения напряжения сети могут быть настолько значительными, что на их фоне искажения блока управления просто незаметны.

Приведу реально снятые осциллограммы при питании двигателей реальным сетевым напряжением. Если поставить маленькую катушку для ленты (№10), то в ее начале для получения номинального натяжения ленты от двигателя требуется очень маленький момент, напряжение питания двигателя всего порядка 25 В. В таком режиме двигатель совершенно не гудит. Вот осциллограммы (напряжение на двигателе, напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора и ток коллектора транзистора):

Если поставить полную катушку №27, то на двигателе напряжение порядка 50…55 В, в таком режиме двигатель заметно гудит. Вот осциллограммы (напряжение на двигателе, напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора и ток коллектора транзистора):

В обоих случаях напряжение питания двигателя имеет приплюснутые вершины, что во втором случае еще более заметно, тут свою лепту вносит и схема управления.

Для проверки гипотезы с искажениями сетевого напряжения надо попробовать запитать двигатель неискаженным синусом. Чтобы получить такое напряжение, надо взять генератор синусоидального сигнала (я взял SG-642) и усилить его выход по напряжению. Для этого был сделан высоковольтный усилитель с собственным двухполярным источником питания. Он обеспечивает выходное напряжение до ±80 В.

Усилитель (hv_amp_sch.pdf) использует съем сигнала с выводов питания ОУ. Выходной каскад работет в режиме B. Первоначально собирался применить комплементарную пару высоковольтных транзисторов MJE15034/MJE15035. Но гораздо доступней и дешевле высоковольтные транзисторы структуры n-p-n. В результате решил применить квазикомплементарный выходной каскад, а заодно вспомнить про диод Баксандалла 🙂

Двигатель в своем обычном конденсаторном включении был подключен к выходу этого усилителя. Форма выходного сигнала была чисто синусоидальной. Коэффициент гармоник я не измерял, но на осциллографе искажений синуса заметно не было. И что в результате? Двигатель гудел точно так же, как при прямом питании от сети. Вывод: форма питающего напряжения практически не влияет на величину гудения.

На просторах Интернета начали появляться сообщения, что гудение двигателей наконец удалось победить с помощью проточки статора. При этом исправляется его эксцентриситет относительно посадочных мест для подшипников. Сначала я довольно скептически отнесся к этим сообщениям. Казалось, что устранение эксцентриситета способно лишь убрать модуляцию гудения в такт с вращением катушек. А само гудение никуда не денется, просто станет более равномерным. Но все-таки я решил попробовать.

Подобрал готовую ось диаметром около 8 мм, вставил в штатные подшипники, саму ось закрепил в призмах. Одна призма в тисках, вторая опирается на стол станка через стальные бруски. Параллельность столу выставил по индикатору. На ось надел распорные втулки из кусочков трубки, чтобы предотвратить продольное перемещение статора. С помощью индикатора замерил радиус пакета пластин статора со всех сторон. Отклонение составило 6 соток.

За неимением токарного станка решил сделать обработку на фрезерном. За один проход снимал порядка сотки, поэтому статор было легко вращать и удерживать руками.

После обработки эксентриситет составил не более одной сотки. Статор очистил от опилок (что было довольно сложно), и собрал двигатель. В будущем надо будет покрыть торцы сердечника цапонлаком.

При включении двигателя был немало удивлен – гудение не просто стало равномерным, но и резко снизилось.

Вообще, гудение двигателей ДП-3 имеет следующие закономерности: до питающего напряжения 30 В оно практически отсутствует, дальше начинает нарастать. Если ротор двигателя остановить, гудение не прекращается и зависит от угла, на котором остановлен ротор. Гудит даже двигатель с подключенной только одной обмоткой, когда он не создает момент и не крутится. Но если включить двигатель без ротора, то статор совершенно не гудит. Достаточно на включенный статор начать надевать ротор, как появляется гудение. Руками чувствуется, как двигатель начинает вибрировать (остановленный, естественно). Пока не установлена замочная шайба и подшипники не подпружинены, гудение еще сильнее, с дребезгом. Все это указывает на то, что гудение возникает в результате магнитного взаимодействия статора и ротора.

Статор и ротор двигателя взаимодействуют с довольно значительными силами. Составляющая, направленная тангенциально, создает полезный крутящий момент. Но есть еще радиальная составляющая силы взаимодействия. Благодаря осевой симметрии конструкции двигателя, эта составляющая должна компенсироваться. При наличии экцентриситета, вероятно, компенсация происходит не полностью, в результате на ротор действует радиальная сила, меняющаяся с частотой сети и ее гармоник, что приводит к вибрации (Вибрация и шум электрических машин, Электромагнитные дефекты). После обработки статора компенсация стала происходить намного лучше, в результате гудение заметно уменьшилось.

Второй двигатель, который изначально гудел еще сильнее, показал эксцентриситет 10 соток. После обработки статора он тоже стал гудеть намного тише. Получается, причина того, что одни двигатели сильно гудят, а другие почти бесшумные, кроется в точности обработки статора. Возможно, эксцентриситет связан с неудачной технологией производства. Есть подозрение, что посадочные места для подшипников растачивались заранее, и лишь потом насаживался уже обработанный пакет пластин. Двигатели Revox (вернее, Papst), вероятно, производились чуть по другой технологии, или просто имели более жесткий контроль качества.

Для демонстрации эффективности обработки статора приведу wav-файлы с записью вибраций двигателя, полученные с помощью MEMS-акселерометра. Это (motor2_before.wav, 2.9 Мб) шум второго двигателя до обработки, это (motor2_after.wav, 2.2 Мб) – после.

В принципе, после проточки статоров двигатели ведут себя вполне удовлетворительно. Гудение все равно осталось и оно доминирует в шуме ЛПМ, если двигатель крутит полную катушку №27. Но сейчас оно стало заметно тише и сравнимо с шуршанием ленты в тракте. С таким гудением, думаю, почти все смогут смириться.

Поскольку уже был сделан высоковольтный усилитель, весьма заманчивым было попробовать запитать двигатель от двухфазного частотного преобразователя без использования фазосдвигающего конденсатора. Обычно рассматриваются частотники для трехфазных двигателей, которые имеют три одинаковых фазных обмотки. Конденсаторный асинхронный двигатель является двухфазным, статорные обмотки смещены на 90 электрических градусов. Но эти обмотки часто бывают неодинаковыми. Дело в том, что для конденсаторного двигателя требуется получить круговое вращающееся поле статора, что требует сдвига токов фаз на 90 градусов и равенства МДС обмоток. Чтобы этого достичь, обмотки такого двигателя делают разными, одна является основной обмоткой, вторая (которая включена через конденсатор) – вспомогательной. У двигателя ДП-3 основная обмотка содержит 1200 витков, 6 секций, провод 0.36 мм, сопротивление 38.2 Ом, индуктивность 140 мГн. Вспомогательная обмотка содержит 1680 витков, 6 секций, провод 0.34 мм, сопротивление 58 Ом, индуктивность 280 мГн. Т.е. индуктивность вспомогательной обмотки в 2 раза больше, чем основной. Омическое сопротивление различается примерно в 1.5 раза (обмотки выполнены проводом разного диаметра). Все это усложняет подключение такого двигателя к частотному преобразователю.

Сдвиг меду фазами определяется конструкцией статора и составляет 90 градусов, в этой части вопросов нет. А вот что касается токов обмоток, их надо выбирать из соображения равенства МДС, только в этом случае поле будет круговым. В данном случае ток вспомогательной обмотки должен быть установлен в 1.4 раза ниже тока основной. Но поскольку ее индуктивность вдвое выше, напряжение питания вспомогательной обмотки требуется примерно в 1.4 раза выше (зависит от величины скольжения). Это является дополнительным неудобством и требует повышенного напряжения питания инвертора. В макете частотного преобразователя в качестве задающего генератора я использовал SG-642, который позволяет установить сдвиг фаз между каналами 90 градусов и независимо регулировать амплитуду в каждом канале.

Включение двигателя от двухфазного частотного преобразователя показало полное отсутствие гудения, слышно лишь легкое шуршание подшипников и шум воздуха. Замечательный результат!

К тому же, появляется возможность частотного регулирования, хотя бы скалярного по закону V/f = const. При работе в режиме подмотки частота вращения боковых узлов очень малая, нет необходимости делать частоту питания двигателя 50 Гц и работать с большим скольжением. Уменьшив частоту до 10 – 20 Гц можно сместить все возможные вибрации в менее слышимую низкочастотную область.

Поскольку в магнитофоне рядом с двигателями находятся чувствительные аналоговые схемы, делать ключевой выходной каскад с ШИМ весьма рискованно. Поэтому я сделал выходной каскад у частотника линейным. Как результат, получил сильный нагрев даже в режиме рабочего хода. Проблему усугубляет необходимость получения повышенного напряжения питания для высокоиндуктивной вспомогательной обмотки. Это требует повышенного напряжения питания. Режим перемотки даже не проверял, для этого надо поднимать напряжение питания еще выше, такой возможности у меня нет. Можно было, конечно, запитать двухфазный двигатель от трехфазного инвертора (Microchip AN967, AN887), тогда можно получить на обмотках более высокое напряжение. При питании выпрямителей от обмоток трансформатора 60 В (±84 В постоянки) в трехфазном варианте со сдвигами фаз 0, 180 и 109 градусов как раз получается отношение напряжений между фазами 1.4 раза со сдвигом 90 градусов. При этом на основной обмотке получается примерно 70 В RMS (что для перемотки все равно маловато). К тому же, это усложняет частотник.

Мощность рассеивания для линейного усилителя можно снизить и другим способом, применив многоуровневое питание. Но это очень заметное усложнение как самого частотника, так и блока питания.

Еще одна проблема – из-за неодинаковых обмоток двигателя оптимальное напряжение их питания будет несколько зависеть от скольжения. Надо всегда поддерживать номинальное отношение токов фаз, а не напряжений. Это требует измерения тока, что усложняет схему. Тут можно всерьез задуматься – а не перемотать ли двигатель в трехфазный с симметричными обмотками? При этом можно сделать их более низковольтными, что упростит инвертор. Но все это слишком трудоемко.

Короче говоря, от частотника двигатель работает просто идеально. Но линейный частотник очень сильно греется, к тому же, это сложная и дорогая штука. Можно задуматься, очень ли это надо? Особенно учитывая положительные результаты после обточки статора.

Идеальная работа двигателя от двухфазного частотника на первый взгляд кажется странной, так как ранее опробованное питание двигателя в конденсаторном включении от однофазного частотника не привело к уменьшению гудения. А дело оказалось в том, что конденсаторная схема не может обеспечить точное равенство МДС обмоток при изменении скольжения. Отношение токов обмоток меняется при изменении скольжения в двигателе, так как меняется характер его импеданса (чем выше скольжение s, тем больше активная составляющая).

Точное равенство может выполняться только при какой-то одной определенной нагрузке двигателя, когда он работает с каким-то определенным скольжением. Во всех других случаях поле статора будет не круговым, а эллиптическим. Как оказалось, искажение формы поля приводит к повышению гудения.

Для конденсаторных двигателей величину емкости обычно выбирают оптимальной для номинального режима работы (номинальной нагрузки, которая дает номинальное скольжение). Во время пуска двигателя скольжение намного больше, при этом емкость оказывается недостаточной. Поэтому иногда добавляют еще одну отключаемую пусковую емкость. Часто делают рабочую емкость побольше, сдвигая оптимум в сторону большего скольжения, чтобы увеличить пусковой момент.

Для боковых двигателей магнитофона скольжение при работе меняется в широких пределах. Сложно сказать, какой режим для них является «номинальным». Емкость 6 мкФ для ДП-3 дает примерно номинальное отношение токов обмоток при остановленном роторе. Похоже, она оптимизировалась для режима подмотки. А в режиме перемотки ток вспомогательной обмотки сильно завышен, как результат, имеем сильное гудение. В теории, при перемотке можно включить емкость поменьше, но из-за того, что скорость вращения меняется в широких пределах, особого толка не будет. Да и момент несколько упадет.

Конкретно для ДП-3 с конденсатором 6 мкФ получаются следующие значения (напр. на осн. обмотке, напр. на вспом. обмотке, напр. на конд.):

крутится без нагрузки: 50 В, 116 В, 136 В.

ротор остановлен: 50 В, 78 В, 98 В.

Общий ток потребления почти не меняется: 186 мА – свободное вращение, 210 мА – остановленный ротор. Но при этом сильно меняется отношение токов обмоток: у основной с 120 до 170 мА, у вспомогательной с 190 до 140 мА. Измерения, естественно, скалярные, без учета сдвига фаз.

При питании двигателя от частотника с помощью датчиков тока в цепи обмоток измерил ток. Когда наблюдается минимум гудения, ток вспомогательной обмотки меньше примерно в 1.4 раза, чем основной. Минимум гудения выражен довольно резко. Тогда, наверное, и при питании от сети при правильном балансе фаз гудение можно устранить.

Чтобы проверить это, основную обмотку запитал от обмотки трансформатора напряжением 67 В, а вспомогательную обмотку вместе с конденсатором запитал от ЛАТРа. Регулировкой напряжения легко находится минимум гудения, в некоторой точке оно практически пропадает. При свободном вращении эта точка соответствует примерно 20 В на выходе ЛАТРа. При этом на вспомогательной обмотке напряжение около 95 В. Если двигатель немного притормозить (увеличить скольжение), он снова начинает гудеть, а напряжение на вспомогательной обмотке падает. Увеличением напряжения ЛАТРа снова можно найти точку, где гудение исчезает. Чем выше нагрузка, тем больше требуется напряжение. При этом на вспомогательной обмотке минимум гудения всегда соответствует напряжению примерно 95 В, а отношение токов обмоток всегда равно 1.4. Т.е. если поддерживать постоянное отношение токов, то двигатель не гудит во всем диапазоне скоростей вращения.

Результат этого эксперимента я записал в wav-файл (motor_balance.wav, 2.9 Мб), вибрацию двигателя измерял с помощью MEMS-акселерометра. В начале файла двигатель включается, оба напряжения равны 64 В. Гудение появляется сразу после подачи питания, когда двигатель еще неподвижен, по мере разгона гудение увеличивается. Затем я снижаю напряжение питания вспомогательной обмотки, чтобы получить отношение токов 1.4. Где-то после 20-й секунды достигается оптимум, двигатель вращается, слышно только шуршание. Затем после 25-й секунды я еще больше снижаю ток вспомогательной обмотки, гудение снова растет, хоть и не в такой степени. Эффект очень заметный.

Вот этот файл, представленный в виде графика:

Протяженный участок с низким гудением на графике появился по той причине, что я остановился на некоторое время на оптимальном значении напряжения. Если бы я менял напряжение равномерно, то график имел бы примерно такой вид:

Минимум гудения весьма острый, баланс токов фаз надо поддерживать весьма точно. В принципе, для этого не обязателен частотный преобразователь. В литературе описаны различные методы для поддержания баланса фаз. По теме регулировки однофазных конденсаторных асинхронных двигателей (ОКАД) есть книга: Усманходжаев Н.М., Нугманов Б.К. «Тиристорное управление и регулирование однофазных конденсаторных асинхронных двигателей». Практически половину в ней занимает описание методов симметрирования фаз.

Получается, форма питающего напряжения на гудение практически не влияет, намного важнее баланс фаз. При хорошо сбалансированных фазах нет нужды понижать частоту питания двигателя – и на 50 Гц гудения практически не слышно. Это позволяет поступить проще – не делать частотник, а просто поставить два регулирующих транзистора на каждый двигатель. Обратная связь должна поддерживать номинальное отношение средних значений токов фаз. Но конкретно в магнитофоне «Электроника-004» реализовать такой способ мешает то обстоятельство, что для питания каждого двигателя нужны две полностью раздельные обмотки. В любом случае, это заметное усложнение схемы питания двигателей, его необходимость вызывает вопросы.

На данный момент я остановился на обточке статоров двигателей, а для регулирования достаточно штатной схемы магнитофона «Электроника-004». Меры по улучшению формы питающего тока сильно усложняют схему и не дают сколько-нибудь заметного эффекта. Вместо обточки статоров можно произвести замену двигателей на ревоксовские, которые изначально изготовлены более точно.

Выше говорилось о том, что для регулирующего транзистора двигателя модулируется ток базы, чтобы получить близкий к синусоидальному ток питания двигателя. В схеме магнитофона «Электроника-004» ток базы регулирующего транзистора отбирается от источника +15 В, который используется для питания всей аналоговой электроники. К тому же, топология питания сделана крайне неудачно — сначала питание ±15 В по длинным проводам поступает на плату БУ, и только затем — на аналоговые платы. На плате БУ от источника +15 В отбирается значительный пульсирующий ток, что приводит к появлению заметных пульсаций питания +15 В аналоговых схем. Эти пульсации обсуждались на форуме, но их происхождение там не было установлено. Если проконтролировать напряжение +15 В осциллографом в режиме рабочего хода (когда работают боковые двигатели), то обнаружится следующая картина:

Размах пульсаций частотой 100 Гц составляет 50 мВ! Но самое страшное, что эти пульсации имееют форму резких выбросов, что означает их широкий спектр. Действительно, при работающих боковых двигателях на линейном выходе магнитофона слышно «зудение», которое складывается из многочисленных гармоник сетевой частоты. Если попробовать рукой поменять положение натяжителей ленты, то величина и характер этой помехи меняется. Если натяжители поднять до упора вверх, обесточив боковые двигатели, помеха исчезает. Максимальная величина помехи приходится как раз на рабочий диапазон натяжений ленты. В режиме рабочего хода помеха хорошо слышна даже на фоне шумов канала воспроизведения вместе с шумом ленты! На линейном выходе эта помеха видна как целый «лес» гармоник сетевой частоты:

На слух, если двигать натяжители ленты, это проявляется так (канал воспроизведения включен, но ленты нет): out_orig.mp3.

Ток базы регулирующего транзистора двигателя модулируется сигналом с его коллектора, который имеет форму модуля синуса. Но форма помехи сильно отличается от такого сигнала, на помехе видны резкие выбросы. Не очень понятно, откуда они взялись.

Исследование формы сигналов в разных точках схемы при работе боковых двигателей не выявило ничего особенного, кроме одной точки: на коллекторе предвыходного транзистора наблюдались резкие выбросы большой амплитуды частотой 100 Гц. Такой формы был и потребляемый от источника +15 В ток.

Для дальнейшего исследования схемы удобней перейти к модели:

На коллекторе предвыходного транзистора модель показывает то же самое:

Если промоделировать изменение напряжения на двигателе от нуля до максимума, то отбираемый от источника +15 В ток будет таким:

Ток имеет форму коротких выбросов, величина которых достигает 60 мА! Если посмотреть форму тока более подробно, то видим, что выбросы возникают в момент перехода сетевого напряжения через ноль:

Странным является то, что в других точках схемы ничего подобного не наблюдается, везде форма сигнала похожа на модуль синуса, пусть и с небольшими искажениями. Чтобы прояснить картину, временно отключил модуляцию тока базы, удалив резистор 120 кОм. В этом случае регулирующий транзистор представляет собой генератор тока, величина которого задается напряжением на его базе (оно равно падению Б-Э, плюс падение на эмиттерном резисторе, пропорциональное выходному току). Напряжение на базе поддерживается практически постоянным — это выходное напряжение ОУ, прошедшее через эмиттерный повторитель.

Но в данном случае нюанс заключается в том, что напряжение питания этого генератора тока пульсирует с удвоенной частотой сети, периодически падая до нуля. Когда напряжение на коллекторе регулирующего транзистора (красный график) оказывается ниже некоторого значения, генератор тока не может поддерживать заданный ток. Следовательно, уменьшается падение напряжения на эмиттерном резисторе (зеленый график). Вслед за ним падает и напряжение на базе регулирующего транзистора (синий график). Но ведь базу питает эмиттерный повторитель, который имеет низкое выходное сопротивление и на входе которого постоянный сигнал (выход ОУ — сиреневый график, база эмиттерного повторителя — голубой график). Эмиттерный повторитель стремится поддержать напряжение на базе постоянным, а для этого надо отдать значительный ток. Забавно то, что в отношении сигнала, поданного на эмиттер, предоконечный транзистор можно рассматривать как каскад с общей базой, так как потенциал базы фиксирован на уровне выходного напряжения ОУ (с точностью до небольшого резистора, который имеется в цепи базы). В результате небольшой «провал» напряжения на эмиттере многократно усиливается и на коллекторе видим выбросы амплитудой несколько вольт!

Какой можно сделать вывод? В данной ситуации нельзя питать базу регулирующего транзистора источником напряжения. В те моменты, когда сетевое напряжение становится близким к нулю, поддержать постоянный ток невозможно. Увеличение тока базы здесь бесполезно, это лишнее потребление тока от источника, к тому же, импульсное. Как вариант, можно питать базу регулирующего транзистора с помощью генератора тока. Тогда ток базы будет постоянным и не будет иметь никаких выбросов. Возможный вариант переделки предвыходного каскада показан ниже:

Вместо одного транзистора использованы два, второй является управляемым генератором тока. Поведение этой схемы существенно отличается от оригинальной: как видно из графиков, напряжение на эмиттере предвыходного транзистора остается постоянным, следовательно, от источника потребляется постоянный ток.

Эти графики получены при отключенной модуляции. Если ее включить, ток базы выходного транзистора будет иметь переменную составляющую в форме модуля синуса. Если для новой схемы промоделировать изменение напряжения на двигателе от нуля до максимума, то отбираемый от источника +15 В ток будет таким:

Как видим, выбросы исчезли, видна лишь модуляция:

Напряжение на эмиттере предвыходного транзистора (для старой схемы это был коллектор предвыходного транзистора) теперь тоже имеет плавную форму:

Практическая проверка новой схемы дала результаты, совпадающие с моделированием:

Пульсации питания +15 В значительно уменьшились, исчезли резкие выбросы:

Конечно, пульсации не исчезли полностью. Ведь схема управления по-прежнему потребляет от источника +15 В ток, содержащий переменную составляющую. Но теперь эти пульсации не являются определяющими для уровня фона на линейном выходе. Теперь при остановке двигателей уровень фона практически не меняется, что указывает на другую причину его возникновения (наводки на головку воспроизведения и т.д.).

На слух новая версия выглядит так: out_new.mp3. Фон немного меняется, но заметно меньше, чем в оригинальной схеме.

Переделка штатной платы управления совсем несложная. Она не требует перерезания ни одной дорожки на плате, поэтому всегда можно будет вернуть исходный вариант.

Надо выпаять предвыходные транзисторы типа КТ630. В освободившееся отверстие эмиттера надо впаять вывод коллектора транзистора 2N5401 (КТ6116А), а в отверстие коллектора впаять вывод эмиттера. Вывод базы транзистора надо отогнуть вверх. В освободившееся отверстие базы надо впаять вывод базы второго транзистора — 2N5551 (КТ6117А), а вывод его коллектора и эмиттера отогнуть вверх. Затем спаять между собой базу 2N5401 и коллектор 2N5551, припаять к этой же точке резистор 2.2 кОм, который вторым выводом подключить к точке +15 В (один из выводов резистора 0.5 Вт). Эмиттер 2N5551 через резистор 1 кОм (исправление — резистор 220 Ом) надо подключить к земле (один из выводов конденсатора 100 нФ, который включен с базы на землю). Последний штрих — земена резистора в коллекторе 2N5401 с 1 кОм на 220 Ом. Эту замену, в принципе, можно и не делать. С резистором 1 кОм будет меньше потребляемый ток, зато чуть хуже форма напряжения, питающего двигатели. Ни то, ни другое особо не заметно.

С новой схемой предвыходного каскада немного увеличивается усиление в петле регулировки натяжения. Как показала практика, это не нарушает устойчивости и даже сказывается положительно — уменьшается отклонение натяжения по длине катушки. Но после переделки надо произвести регулировку натяжения, иначе оно будет завышенным.

Можно полностью исключить влияние схемы управления двигателями. Для этого надо отказаться от ее питания напряжением +15 В. К слову, в магнитофоне Revox A-700, который являлся прообразом «Электроник» и «Олимпов», питание предвыходного каскада производится напряжением +20 В, которое снимается до стабилизаторов аналогового питания. В магнитофонах «Олимп-005» и выше проблема была устранена, там в качестве регулирующего применен составной транзистор, что требует значительно меньшего тока базы. Новая схема предвыходного каскада может быть переделана на питание от «цифрового» источника +5 В, для этого надо уменьшить резистор в эмиттере 2N5401 до 47 Ом. Так сделано в плате нового БУ на микроконтроллере. Но данная мера здесь не является обязательной, она требует перерезания дорожек платы, а помехи со стороны схемы управления боковыми двигателями и так ниже других помех.