Во многих семьях сохранились старинные или просто старые часы - настенные, напольные, каминные, "ходики" - вполне приличные на вид, но с механизмом, давно отслужившим свое и не поддающимся ремонту. Чтобы "оживить" такие часы, автор предлагает установить в них шаговый двигатель (ШД) и небольшой электронный блок. Часы не просто "пойдут", их ход будет стабилизирован кварцевым резонатором.
В механических часах наиболее часто выходит из строя анкерный механизм, синхронизирующий движение стрелок с колебаниями маятника, или балансира. Отремонтировать его под силу лишь опытному часовщику. Стоит такой ремонт довольно дорого, особенно если часы давно сняты с производства и запасных частей к ним нет. Однако часть механизма, непосредственно связанная со стрелками, как правило, остается исправной. Установив в такие часы шаговый двигатель (ШД), можно превратить их в электромеханические, способные исправно прослужить еще много лет.
Довольно подробные сведения об устройстве и принципе действия ШД можно найти в статье Л. И. Ридико "Контроллер шагового двигателя", находящейся в Интернете по адресу <http:// www.telesys.ru/projects/proj077/ index.shtml> Их широко используют в компьютерных дисководах, принтерах, сканерах, копировальных аппаратах и многих других устройствах. Для привода часов подойдет практически любой. Даже двигатели с номинальным рабочим напряжением 24...28 В развивают достаточный для подобного применения вращающий момент при питании напряжением 5 В.
Чаще всего встречаются ШД, ротор которых вращается с шагом 15° (24 шага на оборот). В их числе FB-20-4-1, ДШ-0.25А, СДВ 15/100. Реже попадаются двигатели с шагом 11° 15' (32 шага на оборот), например, ДШМ-50/8-0.47. Ротор очень удобного и компактного двигателя ДШИ-200-1-1 совершает полный оборот за 200 шагов.
Если назначение выводов имеющегося ШД неизвестно, следует измерить омметром сопротивление между ними (каждый с каждым). Учитывая, что все обмотки имеют приблизительно одинаковое сопротивление, по результатам измерений нетрудно определить их число и схему соединения. Схемы некоторых распространенных ШД показаны на рис. 1, а-в.
(нажмите для увеличения)
Поочередно подавая на обмотки ШД напряжение и следя за тем, в какую сторону и на какой угол поворачивается ротор, определяют последовательность переключения обмоток (Фаза 1 - Фаза 4), обеспечивающую равномерное вращение ротора в одну сторону. При переключении обмоток в обратном порядке (Фаза 4-Фаза 1) ротор должен вращаться в противоположном направлении. Остается подсчитать число шагов, за которое ротор ШД делает полный оборот.
Вал ШД проще всего связать с осью секундной стрелки часов. Однако саму стрелку придется убрать с циферблата, так как после переделки она будет двигаться скачками в 2...2,5 с. Соединение выполняют, как показано на рис, 2. На ось секундной стрелки 1 насаживают цилиндр 2 из пластмассы (органическое стекло, текстолит, эбонит и т. п.), внешний диаметр которого равен диаметру вала 4 ШД. Цилиндр 2 и вал 4 соединяют плотно надетой пружиной 3 подходящего внутреннего диаметра. При таком соединении нет необходимости строго соблюдать соосность.
Если секундная стрелка в часах отсутствует или их конструкция не позволяет присоединить к ее оси ШД, можно передать вращение на ось любого из многочисленных зубчатых колес часового механизма. Необходимо лишь, подсчитав число зубьев в парах, определить передаточное число между валом ШД и осью секундной или минутной стрелки и соответствующим образом подобрать частоту подаваемых на ШД импульсов.
Чтобы не создавать лишней нагрузки на двигатель, одну или несколько зубчатых пар между осью, с которой соединен его вал, и анкерным механизмом часов лучше удалить. Необходимо удалить и имевшийся в часах привод - пружинный или гиревой.
В часовом механизме обычно предусмотрен фрикцион, позволяющий передвигать стрелки вручную, который легко найти по характерной трехлучевой стальной пружине. Его необходимо заблокировать. Иначе не исключено проскальзывание фрикциона под действием создаваемой ШД импульсной механической нагрузки, в результате чего часы будут заметно отставать. Проще всего это сделать, припаяв пружину к шестерне, по которой она скользит при переводе стрелок.
Генератор управляющих импульсов, схема которого показана на рис. 3, предназначен для ШД с 24 шагами ротора на оборот, вращающего ось секундной стрелки часов. Нужная частота вращения (1 мин-1) будет получена, если импульсы на выходе задающего генератора на элементах DD1.1 и DD1.2 имеют частоту 10ОО кГц. Добиваясь точности хода, частоту регулируют в небольших пределах подстроечным конденсатором С1.
(нажмите для увеличения)
Для ШД с другим значением шага придется пропорционально изменить резонансную частоту кварцевого резонатора. Например, при 32 шагах на оборот потребуется кварц частотой 1000-32/24=1333,3 кГц. Нужного результата можно добиться и изменением схемы делителя частоты. В данном случае он состоит из триггера DD5.1, счетчиков DD6, DD7, DD9, DD11- DD13 и DD2 с общим коэффициентом пересчета 24000000. Частоту задающего генератора или коэффициент пересчета ее делителя придется изменить и в случае, если ротор ШД соединен не с осью секундной стрелки.
Необходимую последовательность переключения обмоток ШД М1 обеспечивает сдвиговый регистр DD8, выходы которого соединены с обмотками через мультиплексор DD10 и одинаковые транзисторные ключи А1-А4, собранные по схеме, изображенной на рис. 4. Мультиплексор DD10 укорачивает импульсы тока в обмотках ШД вдвое. Амплитуда импульсов ограничена резистором R9 в общей цепи обмоток. Эти меры повышают экономичность устройства. Если элемент D3.3 заменить одновибратором, запускаемым фронтом импульса с выхода элемента DD4.3 и формирующим короткий разрешающий импульс, средний ток, потребляемый двигателем, можно уменьшить еще больше.
В момент включения питания логические уровни напряжения на входах 9 и 10 регистра DD8 высокие. Это соответствует режиму параллельной записи в регистр кода, поданного на его входы 3-6. Поэтому с поступлением на вход 11 регистра первого импульса на его выходе 15 будет установлен высокий, а на выходах 12-14 - низкий уровень. Цепь Фаза1 будет соединена с общим проводом, и через соответствующую обмотку ШД М1 потечет ток. Двигатель сделает первый шаг. Тот же импульс установит триггер DD5.2 в состояние низкого уровня на выходе 5 и высокого на выходе 6. Светодиод HL1 начнет мигать с частотой 0,5 Гц.
Низкий уровень на входе 10 DD8 переведет регистр в режим сдвига кода в направлении от младшего разряда к старшему. Если переключатель SA1 установлен в положение "Ход", низкий уровень на входе 2 элемента DD4.1 запретит прохождение через него импульсов повышенной частоты с выхода счетчика DD13. Импульсы номинальной частоты 24/60 Гц с выхода 8 счетчика DD2 поступают на вход регистра через элементы DD3.2 и DD4.3.
При переводе переключателя SA1 в положение "Вперед" или "Назад" прохождение импульсов номинальной частоты на вход регистра DD8 будет запрещено, а повышенной - разрешено, что приведет к ускоренному движению стрелок в соответствующем направлении.
Автор: А.Мариевич, г.Воронеж