Поки йде старовинний годинник…. Годинник на транзисторі

Основним елементом звичайних механічних годинників є маятник або баланс, які рухаються гирей або пружиною. Такий годинник вимагає регулярного і частого підзаводу, що створює певні незручності.

Багато конструкторів тривалий час працювали над проблемою створення годинника без гирі та пружини, в результаті з'явився електромеханічний годинник. У них маятник приводиться в рух електромагнітом, який живиться від джерела електричного струму. Коли маятник наближається до положення рівноваги (рис. 1), контакти, пов'язані з ним, замикаються і по обмотці електромагніту протікає струм. На маятнику укріплений якір із м'якого заліза, який притягується нерухомим електромагнітом.

Мал. 1. Влаштування електричного контактного годинника.

Електромеханічний годинник дуже економно витрачає енергію батареї і має хорошу точність ходу. Але й у них є слабке місце- контакти, що замикають ланцюг електромагніту. Адже тільки за один рік їм доводиться замикатися мільйони разів, тому через деякий час електричний годинник починає працювати неточно. А якщо годинник зовсім маленький, наприклад наручний, то мініатюрні контакти в них працюють ще більш ненадійно. З появою транзисторів виявилося можливим створити безконтактний електричний годинник.

Схемаелектричного безконтактного годинника на транзисторі показано на рис. 2. На маятнику укріплений постійний магніт, під час руху якого у витках нерухомої котушки наводиться едс. Одна з обмоток котушки включена між базою та емітером транзистора, друга - у ланцюг колектора.

Мал. 2. Електрична схемагодин на транзисторі.

Центр маятника (магніту) перетинає вісь котушки у положенні рівноваги. При коливаннях маятника в котушці L1 наводиться ЕДС, форма якої ілюструється кривою 1 (рис. 3). На цьому малюнку криві, проведені суцільною рисою, являють собою епюри напруг і струмів, що виникають при русі маятника зліва направо, а пунктиром - праворуч наліво. Кінці обмотки котушки L1 включені так, що коли маятник підходить до положення рівноваги, на базі транзистора з'являється негативна щодо емітера напруга. Воно виникає при наближенні магніту до котушки внаслідок збільшення магнітного потоку, що перетинає її витки. У положенні рівноваги магнітний потік через котушку досягає максимуму. У цей момент напруга стає рівною нулю. Далі магнітний потік починає зменшуватися і ЕДС змінює знак на зворотний. Коли магніт відходить далеко від котушки, напруга її кінцях майже зникає. Під час другого напівперіоду картина повторюється: при наближенні магніту до котушки в обмотці L1 наводиться така ЕДС, що на основі напруга негативна. Під впливом цього імпульсу напруги ланцюга бази проходить струм (крива 2) і транзистор відпирається (рис. 3).

Рис.3. Епюри напруги, струму а анергії маятника для схеми годинника, наведеної на рис. 2.
А - амплітуда коливань маятника,
Про - положення рівноваги.

Напрямок витків котушки L2, включеної в ланцюг колектора, такий, що коли по ній проходить струм колектора (крива 3) магніт притягується до котушки. Його рух пришвидшується.

Частота коливань маятника як і у звичайних годинниках майже повністю визначається його фізичними параметрами: довжиною та розподілом маси. Маса маятника переважно визначається магнітом і деталями його кріплення. З маятником пов'язують стрілочний механізм із циферблатом, і годинник готовий.

Конструкція годинника.Для виготовлення годинника на транзисторі цілком придатні будь-який маятниковий годинник або "ходики". Вони необхідно лише переробити спусковий пристрій і, звісно, видалити пружину чи гирю; їх функції виконуватиме батарея.

У звичайному годиннику спусковий пристрій, що приводить в рух маятник, має вигляд, показаний на рис. 4, а. Його треба переробити так, як показано на рис. 4, б. На вісь 1 напоюють коромисло 2, на якому вільно підвішена сережка 3. При русі маятника вліво сережка ковзає по скошеній стороні зубця храпового колеса 4 і під дією своєї тяжкості зіскакує з його вершини в проміжок між зубцями. При русі маятника вправо сережки упираються в крутий бік зубця і повертають храпове колесо вліво на один зуб. Щоб зафіксувати положення колеса і не дати йому повертатися вправо, на ньому зверху лежить одним краєм пелюстка-собачка 5. Другий край пелюстки вільно повертається навколо осі 6. При обертанні храпового колеса вліво пелюстка ковзає по скошених краях зубців і, зіскакуючи з у круті краї зубців.

Мал. 4. Влаштування спускового механізму звичайного годинника (а).
Влаштування механізму годинника на транзисторі для перетворення коливального руху маятника в обертальний рух стрілок (б).

Зібраний механізмгодинника, виготовленого зі звичайних "ходиків", показаний на рис. 5. Коромисло, сережка і пелюстка-собачка в цьому годиннику виготовлені з жерсті. Магніт може бути використаний будь-хто. Його об'єм не повинен бути менше 3-4 см 3 , так як він повинен утримувати вантаж 100-200 г. В конструкції, що описується, використаний кільцевий магніт від гучномовця діаметром 35 мм. Для регулювання ходу годинника кріплення магніту повинно передбачати його переміщення вгору і вниз. Якщо годинник поспішає, то маятник (магніт) необхідно опустити.

Рис.5. Зібраний механізм годинника.

У годинниковому генераторі (рис.2) можуть працювати будь-які сплавні транзистори, наприклад типу П13-П15. Робота генератора залежить від величини коефіцієнта посилення транзистора по струму. Діод Д1 можна застосувати типу Д7Б-Д7Ж. Замість діода можна використовувати емітерний або колекторний перехід сплавного германієвого транзистора, у якого відірвався висновок емітера або колектора. Якщо в генераторі (рис.2) застосовано транзистор з провідністю n-p-n, то полярність включення батареї та діода Д1 слід змінити на зворотну.

Котушку електромагніту можна намотати на пластмасовому або паперовому каркасі з внутрішнім діаметром 20, зовнішнім 48 та шириною 8 мм. Намотувати котушку потрібно в два дроти до заповнення. Діаметр дроту – 0,09-0,15 мм. Після намотування необхідно перевірити чи немає замикань між отриманими двома обмотками. Початок однієї обмотки з'єднують з кінцем іншої і до цієї точки підключають виведення емітера транзистора.

Дивіться інші статтірозділу.

Інші оригінальні видигодин. Пропоновані в цій інструкції годинники хоч і теж електронні, але використовують для відліку часу коливальний рух маятника. Це так звані годинники з вільним маятником.

Точність таких годинників залежить від конструкції його маятника, від мінімізації впливу температури, від способу підведення енергії, що підтримує коливальний рух маятника та отримання енергії від маятника. У класичних механічних годинниках відповідає за це механізм захоплення і набір зубчастих коліс.

Щоб точність годинника була якнайкраще, маятник повинен коливатися абсолютно вільно, не обтяжений механізмами. А енергія передаватися дуже маленькими порціями в момент, коли маятник знаходиться в нижньому положенні і тільки в тому випадку, коли амплітуда коливань маятника зменшується нижче за допустиму величину. Передача енергії в занадто великих дозах викликає збільшення амплітуди коливань, що призводить до зниження точності. Амплітуда коливань маятника має перевищувати кількох градусів.

Принципова схема годинника

Основою маятникового годинника виступає конструкція з прикріпленим на кінці підшипником з неодимовим магнітом. На підставі розміщена індукційна котушка. В результаті рух маятника безпосередньо над котушкою, в котушці індукується напруга, яка передається в процесор PIC12F683, що аналізує наведену напругу і в потрібний момент подає на котушку імпульс напруги, що підтримує рух маятника.

Коли магніт на кінці маятника наближається до котушки - у котушці наведена напруга негативна,
коли він проходить над серединою котушки - напруга має нульове значення,
коли відходить – позитивне значення.

Амплітуда імпульсів індукованих в котушці залежить від швидкості переміщення магніту над котушкою, отже, і від амплітуди коливань маятника. Шляхом вимірювання напруги після певного часу проходу через маятник точки рівноваги, можна оцінити яка амплітуда коливань, а отже, слід надати імпульс стимулятору коливань, чи ні. Чим вище буде добротність системи, тим рідше потрібно буде створювати цей імпульс.

Для відображення часу застосований кварцовий механізм годинника, що приводиться в дію батареєю 1,5 В. У ньому знімаємо пластину з кварцовим резонатором і схемою, використовуючи тільки сам механізм. Висновки двигуна-котушки підключаємо до портів мікроконтролера. МК генерує імпульс кожну секунду по черзі то одному, то другому виведенні котушки.

Усього було зроблено кілька різних годин із різною довжиною маятника. Найбільшим був маятник з довжиною 1000 мм, де напівперіод коливань становив рівно 1 секунду. Ще були з напівперіодом коливань 1/3 секунди (110 мм) та 1/4 секунди (60 мм). Таким чином, імпульс для крокового двигунабуло сформовано, відповідно, на перше, третє чи четверте проходження маятника над точкою рівноваги.

Годинник живиться літій-іонним акумулятором типу 18650, його вистачить на кілька місяців роботи. Для процесора використовується стабілізатор LM385-1.2, що дає напругу 1,2 вольта. Коли процесор виявляє, що напруга акумулятора впала нижче 3,28, це сигналізується кожні дві секунди. Таймер може працювати і з батареєю, що сіла до 2 В, але слід уникати такого глибокого розряду через можливість псування батареї.

Індукційна котушка повинна мати кілька тисяч витків. У цьому годиннику мотали 2000-3000 витків дроту 0,12. Котушки не мають сердечника і намотані на каркасі діаметром 6 мм. Стрижень маятника необхідно виконати з матеріалу з можливо малим коефіцієнтом теплового розширення, що добре підходить вудилище з вуглецевого волокна. Довжину маятника слід підібрати так, щоб отримати потрібний період коливань. Слід враховувати можливість точного налаштування періоду коливань, чому слугує додатковий вантаж розміщений на маятнику - латунна гайка, поворот якої змінює розподіл маси на маятнику.

Увага: поряд з магнітом на кінці маятника не повинні бути феромагнітні матеріали — сталеві цвяхи та гвинти. Також будьте обережні з латунними та мідними елементами. Магніт, що рухається в їхній безпосередній близькості, збуджує в них вихрові струми, які гальмують рух магніту. Тому основу годинника варто робити з дерева, пластику, ламінату, мармуру і т.д.

Електронна схема містить тільки процесор у підставку, стабілітрон через резистор 100 кому та роз'єми для батареї, котушки та крокового двигуна. Зібрано схему на невеликий друкованій платівирізані з універсальної пластини. Файли hex, що містять прошивку процесора - .

На властивостях електромагніту заснована робота величезної кількості приладів та машин. Більшість маятників у сучасному електричному годиннику також працює під дією електромагніту. Спробуємо розібратися в причинах, які змушують невтомно розгойдуватися електричний маятник, і зробимо самі його невелику модель.

Для цього нам знадобляться: саморобний електромагніт, такий же, який ми виготовили при влаштуванні електричного дзвінка, бляха, одна-дві батарейки або понижувальний трансформатор.

Маятник треба повісити на голку так, щоб його Нижня частина, згорнута трубочкою, доводилася якраз над кінцями виступаючих полюсів магніту, майже торкаючись їх, але
при розгойдуванні не зачіпала б виступаючі кінці сердечника.

Щоб уникнути тертя маятника про дерев'яну стійку, надягніть на вісь невеликий відрізок мідної трубочки з добре відшліфованими краями. З боків верхнього виступу маятника треба встановити два мідні гвоздики. Вони утримуватимуть маятник від надто великих розмахів.

Електричний струм підводиться від батарейки або трансформатора (4 - 6 вольт), за схемою, вказаною на малюнку 2. Усі місця з'єднання зволікань повинні бути добре зачищені та припаяні.

На малюнку 2 ви бачите тоненьку, пружну тяганину-переривник П. Переривник забезпечує безперервне розгойдування маятника. Перший розмах маятника треба зробити легким рухом пальця, довівши його бічну частинудо переривача. При цьому електричний ланцюг замкнеться через один з верхніх шпеньків, струм побіжить по обмотці електромагніту, і його сердечник миттєво притягне нижній кінець якоря. Як тільки нижня частина маятника потягнеться донизу, ланцюг розімкнеться і маятник перейде на протилежний бік. Тут інший бік маятника знову зустріне переривник, який змусить магніт притягнути маятник вниз.

Так розгойдуватиметься маятник доти, доки ви не від'єднаєте всю модельку від джерела струму - трансформатора або батарейки.

Дуже цікаву модель електромаятника можна зробити у вигляді гойдалки, а на сидінні їх зміцнити фігурку Буратіно, вирізану з паперу або пробки. Маленька людина - улюблений герой хлопців - злітатиме і опускатиметься вниз загадковим чином.

Маятник вирізується з жерсті по викрійці, зображеної малюнку 1. Внутрішній отвір вибивають стамеской по лініях креслення, ударяючи молотком її ручці. Для цього жерсть із нанесеним на ній кресленням кладеться на рівну дошку твердої породи дерева. Потім, зачистивши напилком гострі задирки отвору, вирізаєте всю фігурку маятника звичайними ножицями по зовнішньому контуру. Після цього знову прошліфуйте дрібним напилком усі краї, а нижню смужку – язичок – згорніть у невелику трубочку. У згорнутому вигляді вона буде звичайним обтяженим кінцем маятника. У верхній частині фігурки просвердліть або пробийте сталевим шилом маленький отвір, краї якого треба ретельно зашліфувати дрібною шкіркою наждачной. Цей невеликий отвір служить для того, щоб надіти маятник на сталеву товсту голку або відрізок в'язальної спиці, забитий у верхню частину вертикальної стійки (рис. 2).
Маятник треба повісити на голку так, щоб його нижня частина, згорнута трубочкою, доводилася якраз над кінцями полюсів магніту, що виступають, майже торкаючись їх, але
при розгойдуванні не зачіпала б виступаючі кінці сердечника.
Щоб уникнути тертя маятника про дерев'яну стійку, надягніть на вісь невеликий відрізок мідної трубочки з добре відшліфованими краями. З боків верхнього виступу маятника треба встановити два мідні гвоздики. Вони утримуватимуть маятник від надто великих розмахів.
Електричний струм підводиться від батарейки або трансформатора (4 - 6 вольт), за схемою, вказаною на малюнку 2. Усі місця з'єднання зволікань повинні бути добре зачищені та припаяні.
На малюнку 2 ви бачите тоненьку, пружну тяганину-переривник П. Переривник забезпечує безперервне розгойдування маятника. Перший розмах маятника треба зробити легким рухом пальця, довівши його бічну частину до переривника. При цьому електричний ланцюгзамкнеться через один з верхніх шпеньків, струм побіжить по обмотці електромагніту, і його сердечник миттєво притягне нижній кінець якоря. Як тільки нижня частина маятника потягнеться донизу, ланцюг розімкнеться і маятник перейде на протилежний бік. Тут інший бік маятника знову зустріне переривник, який змусить магніт притягнути маятник вниз.
Так розгойдуватиметься маятник доти, доки ви не від'єднаєте всю модельку від джерела струму - трансформатора або батарейки.
Дуже цікаву модель електромаятника можна зробити у вигляді гойдалки, а на сидінні їх зміцнити фігурку Буратіно, вирізану з паперу або пробки. Маленька людина - улюблений герой хлопців - злітатиме і опускатиметься вниз загадковим чином.

Як не дивно, але навіть у такому величезному сховищі інформації, як Рунет, ви не скоро знайдете серйозну інформацію про те, як зробити своїми руками. Безперечно, вам відразу попадуться на очі простенькі конструкції цього пристрою. Але серйозну інформацію, пояснення принципів його роботи доведеться пошукати. Якщо ви набрали в пошуковій системі фразу «як зробити магнітний двигун своїми руками» і натрапили на цю статтю, вам, можливо, певною мірою пощастило. Далі - про особливості роботи даного пристроюі приклад його найпростішої моделі.

Потужність такого двигуна безпосередньо залежить від магнітної маси – чим сильніший магніт, тим потужнішим буде двигун. Однак це правило є відносно. Можна навести один приклад - гігантський магніт обсягом кубічний метр. Маса його – від 8 до 12 тонн. Він сам по собі створює величезне силове полетому навіть підходити до нього небезпечно і. До речі, у реального життятаке явище практично неможливе. Такий магніт здатний зв'язати у вузол рейки поїзда, який його транспортуватиме, скомкатиме вагон і міцно прилипнутиме до нього. Отже, що з цього прикладу? З одного боку, що більше магнітна маса, то краще. Однак до певної межі. Занадто велика маса магніту – це зниження ККД двигуна та додаткові проблеми.

При складанні схеми пристрою варто враховувати кілька моментів. По-перше, елемент, який використовується як рухома частина, не може прослизнути через магнітне поле. Рухаюча сила виникає через нерівномірність поля - немає рушійних сил у постійному полі. Пристрої, що працюють під впливом вищезгаданого явища, малоефективні. Це потрібно враховувати, якщо ви бажаєте двигун на постійних магнітахсвоїми руками. Потужність такого пристрою залежить від багатьох причин. Насамперед - від замикання магнітного поляна робочий зазор, без магнітопроводу, ефективність конструкції буде дуже низькою. Через те, що «вільні винахідники» двигуна часто не беруть до уваги ці правила, у них, як правило, або нічого не виходить, або їхнє творіння працює незадовільно. Найголовніше при виготовленні такого пристрою – це правильно визначити рушійний момент.

А зараз поговоримо безпосередньо про те, як зробити магнітний двигун своїми руками. До уваги читача буде представлена найпростіша його модель. Вам знадобиться маленький магніт, виготовлений із рідкісноземельного сплаву, який буде головною деталлю конструкції. Чим він менший, тим краще. У цьому магніті має бути невеликий отвір.

До речі, після цього експерименту магніт повністю втратить свої властивості, тому використовуйте той, який вам не шкода втратити. Ще вам знадобиться дріт - товстий сталевий і тонкий мідний. Також вам доведеться підібрати свічку потрібних розмірів. З дроту зробіть основу для гойдалки-маятника у вигляді перевернутої букви П (основа для нього не повинна бути дерев'яною). На ньому підвісьте магніт. Для цього в нього потрібно просмикнути тонку мідний дріт.

Збоку всередині конструкції підвісьте звичайний магніт послабше, щоб маленький тягнувся до нього, але щоб при цьому кут відхилення маятника був невеликим, недостатнім для того, щоб маленький магніт торкнувся великого збоку, але достатнім для того, щоб полум'я свічки, яку ви поставите під нього, його не торкнулося, коли він прийме вертикальне положення. При поводженні з останньою обережно. Отже, свічку ви повинні поставити таким чином, щоб вона опинилася під маленьким магнітом у той момент, коли він притягатиметься до великого.

Вогонь розмагнічує його, і він при цьому втрачає свої властивості, і за рахунок цього маятник займає вертикальне положення. Коли маленький магніт охолоджується, знову починає тягтися до великого. Цей цикл коливань маятника не зупиниться, доки не догорить свічка або доки її не приберуть.

Щоб зробити «серйозніший» магнітний двигун своїми руками, варто вивчити схеми, підібрати потрібні для цього деталі. Але й не менш важливо знати те, завдяки чому працює такий пристрій. Двигун своїми руками зробити не так вже й важко, практично будь-хто зможе це зробити.