Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Интересной особенностью синхронных двигателей является возможность электрической редукции частоты вращения ротора по отношению к частоте вращения поля статора. Проще всего понижение частоты вращения ротора (субсинхронный режим) достигают выполнением на роторе значительно большего числа зубцов, чем на статоре.

Развитие цифровой техники стимулировало появление специального типа синхронных двигателей — шаговых двигателей. Собственно один из первых лабораторных электродвигателей, предложенный итальянским физиком Сальваторе даль Негро в 1831 г., содержащий электромагнит с храповым колесом, был предтечей шаговых двигателей. Подобные устройства впоследствии широко применялись в телефонии и телеграфии («шаговый искатель», стартстопные аппараты, импульсные механизмы дистанционной связи). Однако к середине прошлого века эта ветвь двигателестроения уже не развивалась. Появление ЭВМ привело к реанимации этого направления и бурному развитию дискретного привода.

Примером современного использования шаговых двигателей является привод перемещения считывающих и печатающих головок в различных устройствах.

В шаговых двигателях (рис. 26), имеющих ротор в виде постоянного магнита, последовательности импульсов в виде команд подаются на группы обмоток статора (имеющих 4, 6 или 8 выводов) так, что максимум суммарного поля поворачивается на определенный угол, ротор также поворачивается, следуя за полем и делая шаг, занимает новое положение.

Рис. 26. Шаговый двигатель:

а — общий вид; б — схема (А, В — управляющие обмотки; НВ — ротор)

Шаговые двигатели работают в комплекте с электронным коммутатором, переключающим обмотки управления на статоре с последовательностью и частотой, соответствующей заданной команде. Например, ротор может выполнять 48 шагов за один полный оборот, что соответствует угловому перемещению 7,5. Управление двигателями осуществляют от специальных микросхем или микроконтроллеров.

При подключении шаговых двигателей надо обратить внимание на рабочее напряжение, маркировку обмоток и величину вращающего момента.

Среди оригинальных конструкций микродвигателей, появившихся в последнее время, следует упомянуть пьезоэлектрические устройства, в которых колебания пьезокерамической пластинки через специальный упругий элемент приводят во вращение массивный ротор.

Антенно-фидерные устройства

Вертикальный провод и земля образуют род конденсатора, колебательный разряд которого и служит источником электромагнитных волн в окружающей среде.

С антенн начинается радиоприемник и ими заканчивается радиопередатчик. Слово «антенна» происходит от лат. antenna — мачта, рея. Антенны сопрягают электронные цепи преобразования сигналов с окружающим пространством, в котором распространяются радиоволны. Задача антенны заключается в преобразовании энергии электромагнитных волн, приходящих из окружающего пространства, в энергию электрических колебаний в приемном устройстве с сохранением заключенной в сигнале информации и, соответственно, в обратном преобразовании для передатчика.

Интуитивная догадка о конечной скорости распространения электромагнитных возмущений, наподобие волн иной физической природы, впервые была зафиксирована М. Фарадеем в его особом письме в Королевское общество Англии в 1832 г. Однако Фарадей, будучи по духу экспериментатором, не получив четкого экспериментального подтверждения своей гипотезы не опубликовал эту гипотезу, а лишь изложил ее в письме, которое запечатал и передан для хранения в архив. Когда в 1938 г. письмо вскрыли, то правота Фарадея и его приоритет стали очевидными.

Теорию электромагнитных волн и их родство со светом развил в своих работах Дж. К. Максвелл: он «родил» электромагнитные волны на кончике пера. Правда, как считан сам Максвелл, он лишь придан трудам Фарадея («плебейским», по выражениям других физиков, вследствие отсутствия в них математической «мишуры») строго математический («аристократический») вид.

Знаменитые «уравнения Максвелла» уже давно стали основой классической электродинамики, но вначале они представляли собой лишь не подтвержденную практикой теорию, разбросанную по всему «Трактату» и записанные не так, как приводятся сейчас. Эта работа всколыхнула многих ученых. Немецкий физик Генрих Герц, ученик Гельмгольца, первым ринулся ее ниспровергать, проводя многочисленные оригинальные и кропотливые опыты, но добился прямо противоположного результата: открыл существование электромагнитных волн в свободном пространстве и подтвердил их аналогию со светом.

5 декабря 1886 г. Герц пишет в письме Гельмгольцу (не разделявшему взглядов Максвелла): «Мне удалось совершенно определенно установить индукционное действие одной незамкнутой прямолинейной цепи на другую незамкнутую прямолинейную цепь».

Установка Герца была гениально проста. Источник высокого напряжения (типа автомобильной бобины) возбуждал кратковременный искровой разряд в воздухе между небольшими шариками, от которых горизонтально в две противоположные стороны отходили металлические стержни с большими шарами на концах. Позже это устройство назвали «вибратором Герца».

Индикатор представлял собой плоскую проволочную рамку с малым воздушным разрывом между хорошо зачищенными концами, располагаемыми в плоскости вибратора на удаленном от него конце. Регулировка этого зазора проводилась микрометрическим винтом, а систематические наблюдения за его состоянием — под микроскопом. Это устройство позже назвали «резонатором Герца».

12, 13 ноября 1886 г. Герц отмечает в своем дневнике: «Посчастливилось установить индукционное действие друг на друга двух незамкнутых цепей с током. Длина цепей 3 м, расстояние между ними 1,5 м». Герц обрадовался, увидев маленькую искорку в разряднике резонатора — это была «искра Божья», приведшая его к открытию, вместо предполагаемого «закрытия». А природа продолжала удивлять его: искра проскакивала и тогда, когда он перенес резонатор в другую комнату за дверь, благо она в то время была деревянной. Открытые волны, долгое время называемые «волнами Герца», послушно преломлялись в полуторатонной асфальтовой призме, как свет в стеклянной…

Подтвердив теорию Максвелла, Герц с немецкой пунктуальностью записал систему основных дифференциальных уравнений. Он использовал витиеватый и крайне неудобный готический шрифт (хорошо еще, что эта работа не проходила в стране «восходящего Солнца» или в «Поднебесной»). Современный вид того, что на всех языках теперь принято называть «уравнениями Максвелла», придал замечательный ученый-самоучка, его соотечественник О. Хевисайд.

В 1894 г. безвременно оборвалась жизнь Герца, но рожденные им волны продолжали жить. В этом же году английский физик О. Лодж прочитал в его память лекцию, продемонстрировав систему Герца, но используя в качестве регистратора волн вибратор, дополненный когерером, созданным на основе открытого французским ученым Э. Бранли эффекта уменьшения сопротивления металлических порошков под влиянием электромагнитного излучения. В цепь когерера включалась батарея и гальванометр, уверенно показывающий результат прихода волн большой аудитории.

Работы Герца и доклад Лоджа стали достоянием ученых и инженеров всего мира, и двое из них почти одновременно и, возможно, независимо друг от друга сделали следующие революционные шаги в рождении радиотехники.

7 мая 1895 г. преподаватель Минного офицерского класса в г. Кронштадте А. С. Попов продемонстрировал на заседании Физического общества в Петербурге прием электромагнитных волн от «герцевского вибратора» на изобретенный им прибор. В ознаменование этой даты в нашей стране с 1945 г. 7 мая был установлен как ежегодный День радио.

Приемник Попова, названный «грозоотметчиком» по одной из его функций, в отличие от устройства Лоджа, имел в своем составе ряд дополнительных элементов: реле, позволявшее с помощью принимаемых сигналов проводить их регистрацию (звуковую или запись на ленту); автоматический ударник, приводивший когерер в исходное состояние после приема очередного импульса; экран в виде клетки Фарадея, защищавший когерер от внешних помех, и, наконец, приемную антенну. Позже понятие об антенне, да и сам термин, были впервые употреблены в письме французского физика А. Блонделя к А.С. Попову в связи с изобретением последним антенн. А. Блондель в 1898 г. указал на необходимость учета влияния земли на работу вертикального вибратора и предложил, считая землю идеальным проводником, заменять ее в расчетах зеркальным изображением.