Устройство управления поворотом антенны

Радиолюбители в своей практике проведения радиосвязи используют различные типы антенн. Наилучшие результаты получаются с направленными антеннами. Но есть одно "но": как повернуть антенну на корреспондента? Существует огромное количество различных конструкций, которые позволяют это делать.
Они делятся на три основных типа:

- антенны с переключаемой диаграммой направленности;
- поворотные механизмы на вершине мачты;
- поворотная мачта с жестко закрепленной антенной.

Первый тип в данной статье рассматривать не будем.

Второй тип механизмов имеет смысл применять, если имеем громоздкую и тяжелую антенну. Радиолюбители для вращения таких антенн применяют редукторы от приводов старых армейских радиолокационных станций, которые обеспечивают поворот антенны без ограничения. Что обеспечивается высокочастотными кольцевыми токосъемниками, по которым передается ВЧ-мощность.

Третий тип, если антенна относительно небольшая, - на высокочастотные КВ-диапазоны или УКВ. Можно использовать легкую вращающуюся мачту с жестко закрепленной антенной.

На нашей радиостанции для управления поворотом направленной антенны применяется следующая упрощенная схема третьего типа. Все устройство состоит из следующих основных частей: блок управления антенной, поворотного механизма, собственно мачты с антенной. Блок редуктор+сельсин установлен на крыше, где установлена мачта с антенной.

Оттяжки крепятся к мачте через простейшее устройство. Оттяжек желательно применять четыре (опыт показал, что так надежнее). Устройство для крепления оттяжек вращающейся мачты представляет собой отрезок стальной трубы, внутренний диаметр которой чуть больше наружного диаметра мачты. К этому отрезку стальной трубы проварено 4 гайки, за которые крепятся оттяжки. Упирается это устройство в другой такой же кусок трубы, жестко зафиксированный на трубе мачты.

Мачта с жестко закрепленной антенной своим основанием стоит на радиально-упорном коническом роликоподшипнике [1]. Упорный подшипник сверху закрыт стаканом, что обеспечивает защиту устройства от попадания влаги (дождя, снега, сконденсированной воды) в него.

Схема управления поворотом антенны приведена на рис.1.

Схема работает следующим образом. На пульте управления (см. фото) установлено три кнопки SA1 - "Включение сети", SA2 - "Вращение по часовой стрелке", SA3 - "Вращение против часовой стрелке" и тумблер SA4 - "Включение сети". Тумблер SA4 дублирует кнопку SA1 при необходимости. В качестве датчика положения используется сельсин. При нажатии на кнопку SA1, подается напряжение питания 220 В на схему. Притом только на сельсины, обмотки возбуждения которых соединены последовательно, так как каждая из них рассчитана на 110 В. Если напряжение питания сельсинов 220 В, обмотки возбуждения включаются параллельно. Трехфазные обмотки (схема "звезда") соединяются друг с другом. Сельсины работают в индикаторном режиме. При одновременном нажатии на кнопку SA1 и SA2 или SA3 подается питание на электродвигатель и происходит вращение антенны через редуктор.

В описываемой конструкции применен исполнительный механизм типа ДР-1М. На выходном валу скорость равна 1 об/мин, потребляемая мощность 50 Ватт [2]. Максимальный вращающий момент на выходном валу составляет 100кг*см при времени поворота вала исполнительного механизма на полный оборот за 60 сек и более. Электродвигатель приспособлен для работы только при горизонтальном положении вала ротора [3]. Но практика показала, что и в вертикальном положении ДР-1М успешно работает не один десяток лет.

В механизмах ДР-1М использован реверсивный конденсаторный электродвигатель, изменение направления вращения которого осуществляется переключением конденсатора в цепи одной обмотки в цепь другой. На выходном валу редуктора имеется выступ, который управляет конечными выключателями, он при повороте антенны через 0° или 360° нажимает на конечный выключатель. При этом снимается напряжение питания с электродвигателя. Общепринятое через север не вращать (для сохранения ВЧ-кабеля).

Схема имеет блокировку от одновременного выбора противоположных направлений вращения. Кнопки SA1, SA2 с двумя группами контактов на переключение. Вторая группа используется для предотвращения одновременной подачи напряжения на обмотки двигателя при ошибочном нажатии на две кнопки одновременно. Для упрощения эти группы контактов на схеме не показаны. Работу системы (направление поворота антенны) контролируют по светодиодам VD1 (по часовой стрелке), VD2 (против часовой стрелки) и сельсином приемником.

Сельсин - это устройство для преобразования угловых величин в электрические величины (напряжение и ток). Принцип работы такого устройства очень прост: магнитные потоки сельсина-датчика и сельсина-приемника, пытаясь скомпенсировать друг друга, заставят ротор сельсина-приемника повернуться именно в то положение, которое занимает ротор сельсина-датчика, установленного в блоке у основания антенны. При повороте ротора сельсина-датчика в цепи синхронизации возникают отличные от нуля суммарная эдс и ток. За счёт взаимодействия магнитных потоков обмоток возбуждения с током в обмотках синхронизации возникают вращающие моменты. В сельсине-приемнике этот момент стремится повернуть ротор на угол, равный углу поворота ротора сельсина-датчика, т. е. перевести ротор в такое положение, при котором эдс, наводимые в обмотках синхронизации, вновь выравниваются. Большинство сельсинов выпускается с тремя обмотками синхронизации. Точность показаний сельсина зависит от его конструкции, напряжения питания, коэффициента трения в подшипниках и, что немаловажно, - от сбалансированности и массы стрелки - указателя на оси сельсина-приемника. При номинальном напряжении питания и отсутствии заеданий оси сельсина-приемника чаще всего точность указания положения не хуже 3 - 5 градусов, что для радиолюбительских направленных антенн вполне достаточно. Стрелка на пульте управления показывает азимут направления антенны. Сельсины при работе очень часто и назойливо "гудят", виной чему является люфт в подшипниках и несколько большая, чем требуется для вращения стрелки мощность сельсина. Смазка в подшипниках снижает гул, но вместе с тем и точность показаний. В пульте управления смонтированы сельсин приемник, шкала, конденсатор С1, кнопки SA1, SA2, SA3, тумблер SA4, предохранитель FU1, разъем XS1, схема со светодиодами. Непосредственно на ось сельсина-приемника в пульте управления насажена стрелка, которая показывает азимут направления антенны. Масштабирование карты под диаметр шкалы можно сделать на ксероксе, с помощью фото способа или отпечатать на принтере. Шкала пульта управления сельсина-приемника имеет диаметр 70 мм, на ней по окружности также сделана разметка через 5 градусов. Между собой пульт управления и редуктор с сельсином-датчиком соединены 10 жильным кабелем.

 

1907-3.jpg	1909-3.jpg	1910-3.jpg	1913-3.jpg	1945-3.jpg
1951-3.jpg	1955-3.jpg	1962-3.jpg	1963-3.jpg	1967-3.jpg

Детали.
Исполнительный механизм ДР-1М, ДР-1, ПР-1М или ПР-М, сельсины на напряжение 110 В и частоту 50 Гц типа БД-404НА КЛ2, кнопки SA1,2,3,5,6 типа КМ2-8, тумблер SA4 типа МТ 3, предохранитель на 1А. Разъемы XS1, XS2 типа РП14-10 и ШР-32У123Г1 соответственно. Стрелка на пульте управления от старых часов будильника.
Конденсатор МБГО 2мкФ х400В, резисторы МЛТ-2 номиналом 240 кОм.
Светодиоды можно применить любые, имеющиеся в наличии, подобрав при этом значение тока в цепи в пределах 10 мА сопротивлениями резисторов R1, R2. Диоды VD3, VD4 любые на напряжение более 220 Вольт.
Разъемы также можно применить любые из имеющихся у радиолюбителя в наличии с подходящим количеством контактов.
Также полезно иметь ремонтный шланг с такими же разъемами, когда блок снят в радиорубку для профилактики.
Механизмы электрические однооборотные типа МЭО различных модификаций также подходят для этих целей [4].
Блок должен быть пылевлагозащищенным и обеспечивать достаточную вандалоустойчивость.
Болты М6 прикручивающие крышку блока с различными головками, есть с шестигранником на 10 мм, 8 мм, с полусферической головкой и внутренним шестигранником, чтобы не было возможности открутить пассатижами.

Для подогрева в холодные зимы, внутри блока, где смонтировано поворотное устройство, находится электрическая лампочка XL3 на 220 Вольт, включенная в розетку XS3. При необходимости в данную розетке можно включить любые электрические приборы на 220 Вольт (паяльник, эл.дрель и т.д.). Внутри блока для удобства находится внутренний пульт управления. Кнопки SA5, SA6 подключены параллельно кнопкам SA1, SA2. Внутренний пульт управления используется при пуско-наладочных работах и при обслуживании антенны.

Практика показала, что сельсины все время держать под напряжением нет необходимости и даже вредно. Происходит нагрев, а затем остывание и конденсируется влага. Сельсин приемник гудит, питаемый напряжение с частотой 50 Гц. Дополнительные латунные прокладки на подшипник сельсина слабо помогают. От влаги стальные детали начинают ржаветь. Зимой вода замерзает. Что приводит к сложностям и проблемам. Так, при длительной эксплуатации ржавчина на роторе и статоре сельсина датчика образовалась такая, что сельсин-датчик перестал вращаться. Выход, правда был найден. Ротор сельсина-датчика был проточен на токарном станке, диаметр его был уменьшен. Класс точности при этом конечно уменьшился, но для наших радиолюбительский дел вполне достаточный. Учитывая, что передний лепесток антенн довольно широкий.

Блок редуктора+сельсин на базе ДР-1М был модифицирован. Удалены блокирующий выключатель и реостат обратной связи, а на их место установлен сельсин-датчик. Первоначально в крышку, закрывающей сельсин, был вварен аргонной сваркой стакан. Но практическая эксплуатация показала, что это делать совсем не обязательно. Потому, что сконденсированная влага в виде воды в стакане зимой замерзает, и сельсин не вращается. И еще хуже, при вращении приводит к механическим поломкам. Пришлось в стакане просверлить дренажные отверстия. Вообще от крышки со стаканом можно отказаться. Дренажные отверстия также сделаны в корпусе ПР-1М для вывода сконденсированной воды с шестеренчатого редуктора.

Если у радиолюбителя в наличии сельсины на 400 Гц (их габариты меньше 50-ти герцовых) запитать их можно напряжением, сниженным в 6…8 раз по сравнению с номинальным, или можно включить последовательно с обмотками возбуждения конденсаторы, подобрав их под конкретные сельсины. При этом обмотки возбуждения могут быть включены как последовательно, так и параллельно. Подбор напряжения питания или конденсаторов ведется по двум критериям. Сельсин не должен нагреваться при длительной работе, и, вместе с тем, должна обеспечиваться достаточная точность указания положения антенны. Сельсины в паре лучше всего использовать одного типа. При последовательном соединении обмоток возбуждения сельсинов разных типов следует подобрать сельсины по одинаковому току обмоток возбуждения.

Вместо кнопок на пульте управления можно использовать схему, управление поворотом антенны предложенную RZ4HX [5]. Не надо "давить" на кнопки - достаточно легкого касания пластин. Индикация направления - светодиодами. При касании сразу двух "направлений" - все равно включится одно. Также возможно применение цифрового индикатора поворота антенны, опубликованного в [6].

Правильно собранная из исправных деталей схема не нуждается в настройке. По компасу выставляем стрелку на пульте управления. Дальних Вам связей!

Литература
1. Под редакцией Чернавского С.А. Справочник металлиста. Москва. Машгиз. 1960, с.449.
2. Миронов К.А., Шипетин Л.И. Автоматические регуляторы. Москва. Машгис. 1961, с.390-392.
3. Под редакцией Кошарского Б.Д. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины. Ленинград. Издательство "Машиностроение", 1968, с.712-713.
4. http://2400.ukrindustrial.com
5. Журнал Радио 2005 №4 с.63

Опубликовано в журнале РАДИОДЕЛО №6 за 2005 год на стр.54, 55, 56.

Леонид Вербицкий (UR5LAK),
Максим Вербицкий (US4LP),
г.Балаклея, Харьковская область