рис. 1
Игрушечные качели, любимые всеми малышами, можно заставить качаться "вечно". Например, сделав их электромеханическими. Для этого потребуется электромагнит, батарея питания и пара контактов, замыкающихся подвеской качелей (рис. 1). Если качелям с таким электромеханическим устройством придать колебательное движение, то при каждом замыкании
контактов через обмотку электромагнита будет течь ток, магнитное поле которого станет притягивать якорь. Надо только установить размыкающий выступ подвески качелей в такое положение, чтобы контакты лишь на мгновение замыкались при приближении якоря к сердечнику электромагнита, сообщая якорю, а следовательно и качелям, дополнительную порцию кинетической энергии - подобно тому, как мы подталкиваем обычные качели в моменты прохождения положения равновесия.
После размыкания контактов и исчезновения магнитного поля качели по инерции пройдут положение равновесия, дойдут до верхней мертвой точки и начнут обратное движение. Но при обратном движении подвеска качелей не замыкает цепь питания обмотки электромагнита. Таким образом происходит одностороннее "подталкивание" качелей магнитным полем.
Размах, то есть амплитуда колебаний качелей зависит от силы магнитного поля, создаваемого импульсами тока в обмотке электромагнита, от длины подвеса и распределения массы по его длине, трения в точках подвеса, жесткости контактов и точности регулировки моментов их замыкания и размыкания.
А нельзя ли вместо механических контактов, регулировка которых достаточно сложна, использовать для качелей бесконтактный электронный выключатель? Именно такое устройство мы и предлагаем применить в игрушечных качелях.
Принципиальная схема бесконтактных электронных качелей показана на рис. 2, а. В них вместо якоря, укрепленного на доске качелей, установлен небольшой, но достаточно сильный постоянный магнит. На схеме он изображен в виде подковки над сердечником электромагнита с двумя обмотками. Обмотка II включена в базовую, а обмотка I - я коллекторную цепи транзистора Т1. Электромагнит устанавливают в основании качелей точно в месте положения их равновесия.
Исходное состояние транзистора - закрытое, так как база соединена через малое сопротивление обмотки с эмиттером. В это время через коллекторную обмотку течет чрезвычайно малый обратный ток коллекторного перехода, который не имеет никакого практического значения.
При движении качелей в сторону электромагнита постоянный магнит, проходя на небольшом расстоянии от сердечника электромагнита, индуцирует (наводит) в базовой обмотке э.д.с. таким образом, что на базе транзистора по отношению к эмиттеру появляется отрицательное напряжение. Это напряжение, открывающее транзистор, достигает наибольшей величины, когда магнит приближается к положению равновесия, потому что в этот момент скорость движения наивысшая, и магнитный поток через базовую катушку достигает максимума.
По инерции магнит проходит положение равновесия. В этот момент отрицательное напряжение на базе резко уменьшается до нуля и также резко возрастает до наибольшего значения, во уже противоположного знака. Транзистор при этом закрывается. По мере удаления магнита от положения равновесия положительное напряжение уменьшается, но транзистор продолжает оставаться закрытым. При обратном движении магнита на базе транзистора вновь появляется отрицательное напряжение, которое плавно возрастает с приближением качелей к положению равновесия и открывает транзистор.
Так происходит до тех пор, пока качели совершают колебательные движения. При этом под действием импульсов э.д.с., индуцируемых в базовой обмотке, транзистор периодически открывается и в коллекторной обмотке возникают импульсы тока, создающие магнитное поли в такт с колебаниями качелей. Эта обмотка включена так, что когда по ней проходит ток, его магнитное поле притягивает постоянный магнит. В результате колебательный процесс качелей поддерживается. Энергия магнитного поля, сообщаемая качелям, достаточна для того, чтобы преодолеть трение в местах подвески, сопротивление воздуха и другие причины, замедляющие движение. Амплитуда колебаний увеличивается до тех пор, пока потери энергии движения не станут равными энергии, отдаваемой качелям батареей. В этот момент установится постоянный режим качания, который будет продолжатся, пока не иссякнет энергия батареи. Транзистор же при этом выполняет роль лишь электронного выключателя.
Диод, шунтирующий коллекторную обмотку, предупреждает возникновение в ней колебаний с частотой, определяемой индуктивностью электромагнита, емкостью монтажа и внутриэлектродной емкостью транзистора. Дело в том, что при открывании транзистора возникает колебательный процесс, который из-за сильной связи между коллекторной и базовой цепями может быть незатухающим. В таком случае управляющее действие постоянного магнита перестает проявляться и качели останавливаются. Диод же, срезая положительную полуволну уже первого колебания, препятствует возникновению этого явления.
На рис. 2,б изображена схема такого же электронного устройства для управления качелями, но с двумя транзисторами, включенными по схеме составного транзистора. Такое включение транзисторов позволяет увеличить импульсы тока в коллекторной обмотке и, следовательно, амплитуду колебаний качелей.
Особенностью обоих вариантов электронных устройств качелей является то, что они в положении покоя не потребляют энергии от батареи. Поэтому нет надобности вводить выключатель в цепь источников питания. Чтобы батарею "отключить", достаточно остановить качели.
Конструкция электронных качелей может быть самой разнообразной. Важно лишь соблюсти некоторые общие требования. Прежде всего, в местах подвеса качелей необходимо обеспечить минимальное трение, чтобы избежать лишней потери энергии. Лучше всего" если подвесками качелей будут проволочные кольца с гладкой поверхностью. Хорошей гибкостью и незначительным трением обладают толстые шелковые нитки. Очень важно, чтобы расстояние между магнитом и сердечником электромагнита в точке равновесия было минимальным и не превышало 2-3 мм.
Сами качели можно не делать, а использовать готовые, игрушечные (см. фотографию в заголовке статьи). Их тонкую хлопчатобумажную подвеску следует заменить проволочной и укрепить на горизонтальной планке с помощью проволочных колец. Снизу к доске качелей надо приклеить ферритовый постоянный магнит или плоский магнит магнитного замка (устанавливают на дверцах кухонных столов, тумбочек). Если имеющийся магнит велик по размерам, не пытайтесь раскалывать его ударами молотка - он размагнитится. Отделить часть магнита можно либо сжимая его в тисках, либо отламывая без удара. Учтите: чем сильнее магнит, тем лучше будет работать электронный выключатель.
Каркасом обмоток электромагнита служит картонная гильза со щечками по краям или шпулька, выточенная из какого-либо изоляционного материала (рис. 3). Обе обмотки наматывайте одновременно, сложив вместе два провода ПЭТ!-1 или ПЭЛ 0,1-0,15, до заполне:1;1я каркаса. Внутрь каркаса вставьте сердечник, выточенный из мягкой стали точно по его внутренним размерам. Готовый сердечник желательно отжечь, а затем медленно остудить. Электромагнит устанавливают под крышкой основания качелей с таким расчетом, чтобы торец сердечника находился на одном уровне с верхней плоскостью крышки основания. Для этого в крышке основания необходимо вырезать соответствующее отверстие.
В основании качелей размещают и все остальные детали: монтажную плату с транзистором и диодом и две батареи 3336Л, соединенные последовательно (В1). Вообще же транзистор и диод можно смонтировать непосредственно на выводах обмоток электромагнита, если они достаточно жестки.
Батарею питания можно прикрепить к основанию скобой из жести, а все соединения делать любым изолированным проводом. Если монтаж электронной части сделан точно по схеме и все детали исправные, то никакого налаживания не потребуется - стоит слегка подтолкнуть качели, чтобы вывести из состояния равновесия, как они начнут качаться со все увеличивающейся амплитудой.
Если при первом включении качели не будут работать, то последовательно с батареей включите миллиамперметр на 100 мА. Затем поменяйте местами выводы одной из обмоток. При правильном ее включении стрелка прибора будет резко отклоняться, если к сердечнику электромагнита быстро подносить постоянный магнит.
РАДИО N 8, 1973 г. с. 53