ЧАСЫ НА ТРАНЗИСТОРЕ

Н. Горюнов, А. Пушкин, Радио №2/1965, ст.49

Основный элементом обычных ме­ханических часов является ма­ятник или баланс, которые приво­дятся в движение гирей или пружи­ной. Такие часы требуют регуляр­ного и частого подзавода, что создает определенные неудобства.

Многие конструкторы долгое время работали над проблемой создания часов без гири и пружины, в резуль­тате появились электромеханические часы. В них маятник приводится в движение электромагнитом, который питается от источника электриче­ского тока. Когда маятник прибли­жается к положению равновесия (рис. 1), контакты, связанные с ним, замыкаются, и по обмотке электро- магнитах протекает ток. На маятнике укреплен якорь из мягкого железа, который притягивается неподвиж­ным электромагнитом. Электромеханические часы очень экономно рас­ходуют энергию батареи и обладают хорошей точностью хода. Но и у них есть слабое место — контакты, замыкающие цепь электромагнита. Ведь только за один год им прихо­дится замыкаться миллионы раз, поэтому через некоторое время элект­рические часы начинают работать неточно. А если часы совсем малень­кие, например наручные, то мини­атюрные контакты в них работают еще более ненадежно.

С появлением транзисторов оказалось возможным создать бесконтакт­ные электрические часы.

Схема электрических бесконтакт­ных часов на транзисторе показана на рис. 2. На маятнике укреплен постоянный магнит, при движении которого в витках неподвижной ка­тушки наводится эдс. Одна из обмо­ток катушки включена между базой и эмиттером транзистора, вторая — в цепь коллектора. Центр маятника (магнита) пересекает ось катушки в положении равновесия. При колеба­ниях маятника в катушке L₁ навонаво­дится эдс, форма которой иллюстри­руется кривой 1 (рис. 3). На этом рисунке кривые, проведенные сплош­ной чертой, представляют эпюры напряжений и токов, возникающих при движении маятника слева нап­раво, а пунктиром — справа налево. Концы обмотки катушки L₁ включены так, что, когда маятник подходит к положению равновесия, на базе тран­зистора появляется отрицательное относительно эмиттера напряжение. Оно возникает при приближении магнита к катушке, вследствие уве­личения магнитного потока, пере­секающего ее витки. В положении равновесия магнитный поток через катушку достигает максимума. В этот момент напряжение становится рав­ным нулю. Далее магнитный поток начинает уменьшаться и эдс меняет знак на обратный. Когда магнит отходит далеко от катушки, напря­жение на ее концах почти исчезает. Во время второго полупериода кар­тина повторяется: при приближении магнита к катушке в обмотке L₁ на­водится такая эдс, что на базе нап­ряжение отрицательно. Под дейст­вием этого импульса напряжения в цепи базы проходит ток (кривая 2) и транзистор отпирается (рис. 3).

Направление витков катушки L₂, включенной в цепь коллектора, та­ково, что, когда по ней проходит ток коллектора (кривая 3) маг­нит притягивается к катушке. Его движение ускоряется. Это значит, что маятнику сообщается некоторое количество энергии, изменения ко­торой представлены кривой 4 на рис. 3. Если это добавочное количе­ство энергии больше той величины, которую теряет маятник за осталь­ную часть половины периода на трение и на работу стрелочного ме­ханизма, то колебания будут уве­личиваться по амплитуде, маятник начнет раскачиваться. Но при уве­личении амплитуды потери энер­гии на трение растут, и при некото­рой установившейся амплитуде ко­лебаний маятника потери становятся равными добавочной энергии и даль­нейшего увеличения амплитуды не происходит. Таким образом, в рас­сматриваемой схеме транзистор иг­рает роль ключа, замыкающего в нужный момент цепь тока через катушку электромагнита электри­ческих часов.

На схеме, показанной на рис. 2, параллельно коллекторной катушке включен диод. Диод необходим, так как при отпирании транзистора в цепи коллектора проходит не один импульс, как это для простоты по­казано на рис. 3, а целая серия им­пульсов. Если диода не будет, то в генераторе могут возникать устой­чивые релаксационные колебания, вследствие сильной связи между коллекторной и базовой обмоткой. Управляющее действие магнита при этом исчезает и колебания маятника затухают. Частота колебаний маятника ча­сов, схема которых показана на почти полностью определяется его физическими параметрами: длиной и распределением массы. Масса ма­ятника в основном определяется магнитом и деталями его крепления. С маятником связывают стрелочный механизм с циферблатом, и часы готовы.

Конструкция часов. Для изготов­ления часов на транзисторе вполне пригодны любые маятниковые часы или «ходики». В них необходимо лишь переделать спусковое уст­ройство и, конечно, удалить пру­жину или гирю; их функции будет выполнять батарея.

В обычных часах спусковое уст­ройство, приводящее в движение маятник, имеет вид, показанный на рис. 4, а. Его надо переделать так, как показано на рис. 4, б. На ось 1 напаивают коромысло 2, на котором свободно подвешена серьга 3. При движении маятника влево серьга скользит по скошенной стороне зуб­ца храпового колеса 4 и под дей­ствием своей тяжести соскакивает с его вершины в промежуток между зубцами. При движении маятника вправо серьга упирается в крутую сторону зубца и поворачивает хра­повое колесо влево на один зуб. Чтобы зафиксировать положение ко­леса и не дать ему поворачиваться вправо, на нем сверху лежит одним краем лепесток-собачка 5. Второй край лепестка свободно поворачи­вается вокруг оси 6. При вращении храпового колеса влево лепесток скользит по скошенным краям зуб­цов и, соскакивая с их вершин, упирается в крутые края зубцов.

Собранный механизм часов, из­готовленных из обычных «ходиков», показан на рис. 5. Коромысло, серь­га и лепесток-собачка в этих часах изготовлены из жести. Магнит может быть использован любой. Его объем не должен быть менее 3—4 см³, так как он должен удерживать груз 100—200 г. В описываемой конструк­ции использован кольцевой магнит от громкоговорителя диаметром 35 мм. Для регулировки хода часов крепление магнита должно предус­матривать его перемещение вверх и вниз. Если часы спешат, то маятник (магнит) необходимо опустить.

В часовом генераторе (рис. 2) могут работать любые сплавные тран­зисторы, например, типа П13—П15. Работа генератора не зависит от ве­личины коэффициента усиления тран­зистора по току. Диод Д1 можно применить типа Д7Б—Д7Ж- Вместо диода можно использовать эмиттерный или коллекторный переход гер­маниевого сплавного транзистора, у которого оторвался вывод эмиттера или коллектора. Если в генераторе (рис. 2) применен транзистор с про­водимостью п—р—п, то полярность включения батареи и диода Д1 сле­дует изменить на обратную. Катушку электромагнита можно намотать на пластмассовом или бу­мажном каркасе с внутренним диа­метром 20, наружным 48 и ши­риной 8 мм. Наматывать катушку нужно в два провода внавал до заполнения. Диаметр провода — 0,09—0,15 мм. После намотки необ­ходимо проверить нет ли замыканий между полученными двумя обмот­ками. Начало одной обмотки сое­диняют с концом другой и к этой точке подключают вывод эмиттера транзистора. Для батареи лучше всего использовать элемент типа 1,6—ФМЦ-У-3,2 (Сатурн). Расход тока батареи в правильно работаю­щем генераторе составляет 100—200 мка, то есть одной батареи хватает на год. Катушка и другие элементы схемы укреплены на панели из фа­неры. К этой же панели прикрепля­ется и корпус часов.

Налаживание часов. Сначала не­обходимо убедиться в том, что при отклонении маятника на угол 20—30 градусов транзистор отпирается. Про­верить это можно, подключив, нап­ример, вход любого усилителя НЧ к коллекторной обмотке катушки электромагнита. При качании маятника в громкоговорителе будут слышны звуковые импульсы в те моменты, когда магнит проходит над катушкой. Зазор между магнитом и катушкой должен быть 3—8 мм. Маятник, выведенный из состояния равновесия, должен сам раскачи­ваться. Если электрическая часть часов работает нормально, а коле­бания маятника затухают, необхо­димо либо поменять местами обмотки катушки, либо повернуть магнит на 180°. Если маятник раскачивается очень сильно и стержень его ударя­ется о стенки корпуса часов, необ­ходимо увеличить зазор между магни­том и катушкой. Можно также вклю­чить последовательно с коллекторной обмоткой катушки переменное соп­ротивление величиной 470—1000 ом и с его помощью регулировать амп­литуду колебаний.

При установившейся амплитуде колебаний серьга (рис. 4, б) должна поворачивать храповое колесо точно на один зуб за каждый период качания. Если колесо поворачива­ется на два зуба, нужно уменьшить длину коромысла. Ориентировочные размеры серьги, коромысла и ле­пестка собачки даны на рис. 4, б. Часы необходимо жестко и устой­чиво укрепить на стене или под­ставке