21. Простые автоматы

С автоматическими устройствами, реагирующими на освещенность и температуру, мы уже познакомились. Они могут использоваться в различных моделях и приборах. Например, фотореле применяют в электронном тире, в кибернетических «черепахах», осуществляющих поиск источника света, в учебном счетчике-секундомере, управляемом двумя фотодатчиками, и во многих других случаях.

Прежде чем перейти к рассмотрению электронных самоделок,

попробуем разобраться в некоторых закономерностях автоматических устройств, с которыми вы уже, наверное, познакомились на уроках технического труда. Примеры их может привести каждый — это автоматы для продажи газированной воды или железнодорожных билетов, автоматическая телефонная станция (АТС), автоматический предохранитель (электрическая пробка), автоматический пропускной пункт в метро и т. д. Все названные устройства, несмотря на их различие в назначении и принципе действия, являются «самодействующими», именно так переводится с греческого слово «автомат».

Автоматы появились еще в глубокой древности. Они, например, использовались египетскими жрецами для укрепления веры в божественные «чудеса». Сейчас не надо быть мудрым жрецом, чтобы построить самому «хитрый» и полезный автомат, например электронное сторожевое устройство. Первые автоматы, естественно, были механическими. Большую известность получили куклы — автоматы, искусно имитирующие довольно сложные человеческие действия. Известны, например, механические писец и музыкант. Внутри этих автоматов находится хитроумный часовой механизм со множеством шестеренок, рычагов, пружин и других механических деталей. Интересным, очень распространенным в недавнем прошлом автоматом являются часы-ходики с «кукушкой». В них каждый час открывается дверца домика, из которого появляется «кукушка». Механическое устройство моделирует звуки «ку-ку», которые, выражаясь техническим языком, являются звуковым индикатором показаний часов.

Механические автоматические устройства и сейчас широко применяют в технике. Например, в кастрюле-«скороварке» клапан, выполненный в виде стальной пробки, автоматически открывается, если давление превысит заданное значение. Как только оно понизится до допустимой величины, клапан автоматически закрывается. Регулировка давления паров в кастрюле осуществляется очень просто — путем подбора массы клапана. Широкое применение имеют и электромеханические устройства автоматики, например регулятор температуры (терморегулятор) в утюге. Чувствительным органом, реагирующим на температуру, является специальная пластинка, имеющая два слоя металлов, по-разному расширяющихся при нагревании (рис. 98). С ростом температуры пластинка, которая называется биметаллической (приставка «би» означает «два»), начинает изгибаться так, что металл, который расширяется больше, оказывается на внешней стороне дуги и, следовательно, металл с меньшим расширением — на внутренней ее стороне. Нагреватель утюга включается в сеть через контакты, находящиеся на биметаллической пластинке.

По мере нагревания пластинка изгибается и при определенной температуре цепь спирали нагревателя разрывается. При охлаждении пластинка выпрямляется и замыкает цепь нагревателя. Далее процессы повторяются. Регулировка температуры заключается в предварительном изгибе пластинки, который осуществляется при повороте ручки регулятора. Если нужна небольшая температура, например для глажки искусственного шелка, то пластинка предварительно изгибается так, что достаточно небольшого дополнительного изгиба от нагревания, чтобы цепь разорвалась.

Рис. 98. Биметаллическая пластинка

Терморегуляторы, подобные терморегуляторам в утюге, используются в некоторых типах электрорадиаторов и электроплиток. В электропледах, грелках и в автоматических пробках биметаллическая пластинка используется для защиты устройств от перегрева. В холодильнике тоже используется электромеханический терморегулятор, только другого типа, отличающийся большей чувствительностью.

Сравним теперь два регулятора: механический в «скороварке» и электромеханический в утюге. Что у них общего? В каждом есть чувствительный орган, реагирующий на регулируемую величину (датчик), задающий орган, определяющий значение регулируемой величины, и объект управления — давление пара в кастрюле и температура рабочей поверхности утюга. На этих хорошо известных автоматах мы подробно остановились, потому, что подобные по назначению блоки имеются и в электронных автоматических устройствах.

Прежде чем перейти к их рассмотрению, обратим ваше внимание на одну характерную особенность механических, электромеханических и электронных автоматов. Если внимательно рассмотреть работу регулятора давления «скороварки», часы-«кукушку» или какую-нибудь заводную игрушку, например прыгающего «воробья», то можно понять их работу, руководствуясь, как говорят, здравым смыслом, т. е. без специальных знаний. Труднее будет понять работу терморегулятора утюга, так как нужно будет знать свойства биметаллической пластинки и правила составления электрических цепей, и совсем невозможно без физических знаний понять работу такого простого в изготовлении устройства, как, например, фотореле. В электронике также

Рис. 99. Структурная схема автоматического устройства

Рис. 100. Структурная схема автоматического регулирования

нужна смекалка, но она должна основываться на знаниях, иначе ровным счетом ничего не получится. Именно поэтому, прежде, чем перейти к знакомству с самыми простыми автоматическими устройствами, нам пришлось изучить работу основных радиоэлементов, типовых электронных цепей и устройств. Зато сейчас открывается простор не только для сознательного повторения электронных самоделок, но и для самостоятельного их конструирования. Соединяя известные элементы и цепи по своему усмотрению, вы сможете создавать новые электронные устройства. Такой «свободы действий» конструктору, особенно начинающему, не могут предоставить ни механические, ни электромеханические объекты.

Итак, перейдем, наконец, к электронике. Простейшие электронные автоматы — различные реле, реагирующие на освещенность, температуру, влажность, давление и другие физические величины, — состоят из трех основных частей: датчика, усилителя и исполнительного устройства (рис. 99). В фотореле в качестве датчика использовался фоторезистор, усилитель содержал один транзистор, исполнительным устройством являлось электромагнитное реле. Если использовать чувствительное электромагнитное реле, то можно исключить усилитель, в этом случае реле будет срабатывать непосредственно от фототока датчика. Более сложные электронные устройства, предназначенные для автоматического регулирования, содержат дополнительно следующие узлы и цепи: задающий орган, элемент сравнения, объект управления и цепь обратной связи.

Структурная схема автоматического регулятора показана на рисунке 100. Важной его частью является цепь обратной связи, благодаря которой автомат «узнает» о результатах своей «деятельности», и, если надо, вносит коррективы.

Рассмотрим в качестве примера электронный автоматический регулятор температуры воды в аквариуме, структурная схема которого показана на рисунке 101. С помощью задающего, органа, в качестве которого служит переменный резистор, устанавливается определенное значение температуры воды. Датчиком температуры является полупроводниковый терморезистор, помещенный в воду. Он, как и задающее устройство, включен в мост сопротивлений, являющийся в данном случае элементом сравнения. Электрический, сигнал с элемента сравнения подается на усилитель, с него на электромагнитное реле, которое включает электролампу — нагреватель. По мере нагрева воды уменьшается сопротивление терморезистора; когда оно достигнет значения, определенного задающим органом, то на элементе сравнения появляется сигнал, вызывающий отключение нагревателя. После этого вода будет охлаждаться, сопротивление термодатчика станет возрастать до тех пор, пока не появится сигнал, вызывающий включение нагревателя. Далее процессы повторяются.

Покажем теперь, как работает электронное устройство, предназначенное для автоматического отсчета заданных интервалов

Рис. 101. Структурная схема автомата для поддержания температуры воды на заданном уровне

Рис. 102. Простая схема реле времени

Рис. 103. Простейшая схема охранной сигнализации

времени. Подобная задача возникает, например, при фотопечати, когда электрическую лампу фотоувеличителя нужно включать на строго определенное время. Особенно необходим такой автомат, когда изготовляется много отпечатков с одного и того же негатива. Реле времени (см. рис. 102) состоит из датчика и однокаскадного транзисторного усилителя. В качестве датчика времени используется конденсатор, разряжающийся через переменное сопротивление. Заряд конденсатора происходит практически мгновенно при соединении переключателем его обкладок с источником питания. При переводе переключателя в другое положение конденсатор начинает разряжаться по цепи с переменным резистором и через входную цепь транзисторного усилителя. Транзистор при подаче на его базу потенциала , до которого заряжается обкладка конденсатора, открывается, что приводит к срабатыванию электромагнитного реле. Его контакты включают нагрузку, начинается выдержка времени. По мере разряда конденсатора, скорость которого зависит от сопротивления резистора уменьшается прямое напряжение перехода эмиттер — база и транзистор начинает закрываться. В определенный момент времени ток коллектора транзистора станет равным току отпускателя реле, его контакты разомкнутся и цепь нагрузки разорвется. Время между моментом замыкания и размыкания крнтактов и есть выдержка времени.

В приведенной схеме используется чувствительное электромагнитное реле, ток срабатывания которого равен нескольким миллиамперам. Чем он меньше, тем больше диапазон изменения выдержек, так как при меньшем напряжении на конденсаторе ток коллектора будет достаточен для удержания якоря реле в притянутом состоянии. Точно так же влияет на выдержку времени увеличение коэффициента передачи тока базы транзистора В.

В качестве чувствительного реле лучше всего использовать поляризованное реле. Если имеется только нейтральное реле, то нужен дополнительный каскад усиления, который уже использовался в схемах фотореле и термореле. Перед изготовлением этой модели проверяют, при какой величине напряжения и силе тока реле срабатывает. Эти величины должны быть меньше напряжения используемого источника питания и максимального тока коллектора транзистора Если реле времени используется для включения лампы фотоувеличителя, т. е. управления нагрузкой сравнительно большой мощности то необходимо использовать дополнительное электромагнитное реле с мощными контактами. Конструкция такого устройства должна быть тщательно разработана и изготовлена с обязательной проверкой руководителем. Нужно помнить, что работа с высоким напряжением электрической сети опасна и требует строгого выполнения правил безопасности труда.

Приведем пример еще одного простого автомата, выполняющего роль электронного сторожа. Для этих целей можно использовать либо фотореле с датчиком, реагирующим на невидимое человеческим глазом излучение, либо тонкий медный провод, протянутый вокруг охраняемого объекта, при обрыве которого должна сработать сигнализация. Можно придумать много различных цепей, выполняющих эту простую задачу. Важно только, чтобы цепь была надежной, экономичной, т. е. потребляла незначительную электрическую энергию, и, наконец, была бы совершенно безопасной. Последнее условие выполняется, если использовать в качестве источника питания батарею от карманного фонаря типа 3336. Применять вторичные источники электропитания, работающие от электросети, строго запрещается. Даже при пониженном напряжении, величиной 4 В, может произойти нарушение изоляции в обмотках трансформатора и другие неисправности в цепи, в результате чего «охранный» провод окажется под опасным напряжением.

В качестве своеобразного датчика используется обмоточный провод в эмалевой изоляции диаметром Более тонкий провод применять неудобно, так как он может порваться при выполнении «заградительных» работ. Более толстый провод легко заметить нарушителю. Сопротивление провода диаметром равно 0,99 Ом, т.е. почти 1 Ом. Если, допустим, для охраны летнего палаточного лагеря используется такой провод длиной то сопротивление датчика будет равно 100 Ом. Схема простого и экономичного охранного устройства показана на рисунке 103. Транзистор находится в запертом состоянии, когда проводник соединяет его эмиттер и базу. При обрыве

Рис. 104. Охранная сигнализация с мультивибратором

провода транзистор открывается и реле срабатывает, включая своими контактами сигнальное устройство — звонок или электрическую лампу. Наладка устройства сводится к выбору сопротивления в цепи базы, при котором реле надежно срабатывает. Например, при источнике питания 4,5 В, сопротивлении и коэффициенте ток коллектора будет равен примерно Электромагнитное реле такой невысокой чувствительности можно изготовить самостоятельно, используя, например, детали электроконструктора.

Другая схема охранного устройства без электромагнитного реле показана на рисунке 104. Она представляет собой уже известную схему мультивибратора (см. рис. 90) в котором нагрузкой одного из транзисторов является электромагнитный телефон. Тонкий проводник соединяет эмиттер и коллектор транзистора При этом мультивибратор не работает. Когда провод обрывается, появляются условия, необходимые для возникновения электрических колебаний, и в телефоне слышен звук. Необходимая высота тона звука выбирается с помощью конденсаторов Если поставить дополнительный каскад усиления, то можно использовать малогабаритный громкоговоритель. Эти изменения в схему вы сможете внести самостоятельно.

Оценим, насколько экономно расходует электроэнергию «электронный сторож», который длительное время должен быть во включенном положении. Для этого из двух схем (рис. 103, 104) рассмотрим менее экономичную первую схему. В основном режиме работы, когда провод не разорван, ток в цепи определяется сопротивлением резистора По закону Ома Батарея карманного фонаря рассчитана на работу в течение при номинальной нагрузке Следовательно, при токе в 130 раз меньше номинального батарея сможет работать Если охранное устройство включать на в день, то батарея сможет исправно служить в течение месяца, или целой смены пребывания в пионерском лагере.

Покажем теперь, как работает более сложное автоматическое устройство, в структурную схему которого, кроме датчика, усилителя и исполнительного устройства, входит также задающее устройство и цепь обратной связи. Для этого рассмотрим модель

автоматического регулятора температуры воды в аквариуме. Его принципиальная схема состоит из уже известных частей (рис. 105). Термодатчиком является терморезистор с начальным сопротивлением, равным измеренным при температуре Мост сопротивлений образуют два делителя напряжения, образованные резисторами . В одном из них находится термодатчик в другом задающий орган — переменный резистор служащий для балансировки моста. Напряжение с него подается на операционный усилитель, которым является микросхема Для включения нагревателя — лампы от карманного фонаря (тип МН 2,5-0,15) - используется двухкаскадный усилитель постоянного тока, собранный на низкочастотных транзисторах малой мощности. В модели вследствие плохой теплопроводности воздуха лампу размещают в непосредственной близости от термодатчика, в аквариуме нужно только, чтобы они оба находились в воде.

Работает терморегулятор следующим образом. Вращая ручку резистора можно сбалансировать мост, в этом случае напряжения на входах 10 и 11 операционного усилителя будут одинаковыми, разность потенциалов равна нулю и, соответственно, напряжение на выходе микросхемы будет практически равно нулю. В этом случае лампа не горит. Можно нарушить баланс моста так, что выходной сигнал вызовет включение лампы, можно, наоборот, подать на вход транзисторного усилителя запирающее напряжение, при этом, естественно, лампа гореть не будет.

Для демонстрации работы терморегулятора баланс моста нарушают таким образом, чтобы лампа горела. Если теперь ее

Рис. 105. Автоматический регулятор температуры

поднести к термодатчику на расстояние в несколько миллиметров, то это вызовет его нагревание и уменьшение сопротивления. В результате потенциал точки а относительно точки возрастет, т. е. появится положительное напряжение на неинвертирующем (прямом) входе 11 операционного усилителя. Это приводит к появлению на выходе микросхемы положительного напряжения, запирающего транзисторный усилитель, и, соответственно, уменьшению накала нити лампы. Этот процесс будет проходить до тех пор, пока не установится темпертура датчика, определенная задающим органом. Нетрудно догадаться, что чем больше предварительный разбаланс моста, тем больше должно измениться сопротивление термодатчика для его компенсации, т. е. дольше должен работать нагреватель. Вспомним теперь терморегулятор утюга, правила его работы примерно такие же. Отличие состоит лишь в том, что регулировка температуры осуществляется не за счет отключения нагревателя, а путем изменения степени его нагрева. Но и в электронной схеме нетрудно ввести релейный режим, так, чтобы электронный автомат работал аналогично своему электромеханическому предшественнику.

Продолжим эксперименты с электронным терморегулятором. Отнесем лампу на большее расстояние от термодатчика — нить накала разогреется больше. Увеличим расстояние до нескольких сантиметров — лампа будет гореть в полный накал. Дальнейшее увеличение расстояния никак не повлияет на яркость лампы. Более того, если уменьшить расстояние от лампы до термодатчика, допустим, с 8 см до 4—7 см, то накал нити не изменится. Объяснение простое — произошел разрыв цепи обратной связи на участке: исполнительный орган (нагреватель) — воздух — термодатчик. Регулировочные функции электронного устройства нарушились, и оно превратилось в термореле. Заметим, что чувствительность его очень высока, так как используется микросхема с коэффициентом усиления по напряжению больше 1000. Достаточно мгновенного прикосновения пальцем руки к термодатчику, чтобы схема отреагировала выключением лампочки.

В соответствии с йриведенным описанием должна работать правильно собранная схема терморегулятора. А что делать, если в ней имеются ошибки? Как их найти? Часто встречающийся совет типа «внимательно проверьте схему» помогает мало. Искать нужно целенаправленно, опираясь на знание структурной и принципиальной схем прибора, вооружившись измерительной аппаратурой. Рассмотрим на конкретном примере некоторые общие методы поиска и устранения неисправностей, которые могут быть использованы при наладке самых различных самоделок.

Прежде всего нужно перед началом работы убедиться в исправности используемых элементов. С этой целью с помощью омметра проверяют исправность транзисторов, электрическую лампу и переменный резистор. Вольтметром проверяют наличие напряжения на полюсах источников электропитания, оно должно соответствовать номинальному значению. В проверяемой схеме используются три батареи от карманного фонаря типа две для питания операционного усилителя и одна для питания моста сопротивлений, транзисторного усилителя и лампы нагревателя. Если качество используемых деталей не вызывает сомнения, а при этом устройство не работает, то проверяют отдельные его блоки в соответствии со структурной схемой. Начнем сначала, т. е. с моста сопротивлений. Отключим его от операционного усилителя и подсоединим к точкам вольтметр школьного авометра с самым чувствительным пределом —2 В. При балансировке моста резистором стрелка вольтметра должна отклоняться в обе стороны от нулевого предела на несколько делений (десятые доли вольта).

Могут также возникнуть трудности при подборе резисторов моста. Если используется термодатчик с другим сопротивлением и этом регулировка моста не дает ожидаемых результатов, то нужно провести несложный расчет по формуле: показывающей, что коэффициенты деления напряжения в делителях в сбалансированном мосте равны. Резистор ставится для того, чтобы ограничить напряжение, снимаемое с моста при его разбалансе. Связано это с тем, что по техническим условиям на микросхему разность напряжений на ее входах не должна превышать 1,2 В, так как могут выйти из строя транзисторы усилителя.

Только убедившись в правильности работы моста сопротивлений, следует приступать к проверке работы операционного усилителя. При разбалансе моста напряжение на его выходе резко меняется в пределах, заданных напряжением источника питания, т. е. ±4,5 В.

Прежде чем начать проверять транзисторный усилитель постоянного тока, выясним, как он должен работать. Его нагрузкой служит лампа накаливания от карманного фонаря, рассчитанная на номинальный ток Если коэффициент усиления по току одного транзистора равен 20—30, то у двухкаскадного усилителя он будет равен нескольким сотням. Следовательно, для выходного тока входной ток усилителя должен быть равен десятым долям миллиампера. По техническим условиям максимальный ток на выходе микросхемы не должен

превышать он. более чем достаточен для полного открывания транзисторов и включения лампы. Но что делать, если лампа все-таки не загорается при регулировке, хотя проверены и мост, и операционный усилитель? В этом случае посоветуем отсоединить усилитель от микросхемы и подключить к входу транзистора VT1 резистор сопротивлением Если при этом лампа загорится, то придется сменить операционный усилитель, если нет, то меняют транзисторы. Подобный способ покаскадной проверки электронного устройства с помощью измерительных приборов и с учетом характеристик используемых радиоэлементов следует применять в дальнейшей практической работе.