Другие оригинальные виды часов. Предлагаемые в этой инструкции часы хоть и тоже электронные, но используют для отсчёта времени колебательное движение маятника. Это так называемые часы со свободным маятником.
Точность таких часов зависит от конструкции его маятника, от минимизации влияния температуры, от способа подвода энергии, поддерживающей колебательное движение маятника и получения энергии от маятника. В классических механических часах отвечает за это механизм захвата и набор зубчатых колес.
Чтобы точность часов была как можно лучше, маятник должен колебаться абсолютно свободно, не обременённый механизмами. А энергия передаваться очень маленькими порциями в момент, когда маятник находится в нижнем положении и только в том случае, когда амплитуда колебаний маятника уменьшается ниже допустимой величины. Передача энергии в слишком больших дозах, вызывает увеличение амплитуды колебаний, что приводит к снижению точности. Амплитуда колебаний маятника не должна превышать нескольких градусов.
Принципиальная схема часов
Основой маятниковых часов выступает конструкция с прикрепленным на конце подшипником с неодимовым магнитом. В основании размещена индукционная катушка. В результате движение маятника непосредственно над катушкой, в катушке индуцируется напряжение, которое передается в микропроцессор PIC12F683, что анализирует наведённое напряжение и в нужный момент подает на катушку импульс напряжения, поддерживающий движение маятника.
- Когда магнит на конце маятника приближается к катушке — в катушке наведенное напряжение отрицательное,
- когда он проходит над серединой катушки — напряжение имеет нулевое значение,
- когда отходит — положительное значение.
Амплитуда импульсов индуцированных в катушке зависит от скорости перемещения магнита над катушкой, а, следовательно, и от амплитуды колебаний маятника. Путем измерения напряжения после строго определенного времени прохода через маятник точки равновесия, можно оценить какова амплитуда колебаний, а следовательно, следует ли предоставить импульс стимулятору колебаний, или нет. Чем выше будет добротность системы, тем реже будет нужно создавать этот импульс.
Для отображения времени применён кварцевый механизм часов, приводимый в действие батареей 1,5 В. В нём снимаем пластину с кварцевым резонатором и схемой, используя только сам механизм. Выводы двигателя-катушки подключаем к портам микроконтроллера. МК генерирует импульс каждую секунду по очереди то на одном, то на втором выводе катушки.
Всего было сделано несколько разных часов с различной длиной маятника. Самый большой был маятник с длинной 1000 мм, где полупериод колебаний составлял ровно 1 секунду. Еще были с полупериодом колебаний 1/3 секунды (110 мм) и 1/4 секунды (60 мм). Таким образом, импульс для шагового двигателя был сформирован, соответственно, на первое, третье или четвертое прохождение маятника над точкой равновесия.
Часы питаются литий-ионным аккумулятором типа 18650, их хватит на несколько месяцев работы. Для процессора используется стабилизатор LM385-1.2, дающей напряжение 1,2 вольта. Когда процессор обнаруживает, что напряжение аккумулятора упало ниже 3,28 В, это сигнализируется каждые две секунды. Таймер может работать и с батареей севшей до 2 В, но следует избегать такого глубокого разряда из-за возможности порчи батареи.
Индукционная катушка должна иметь несколько тысяч витков. В данных часах мотали 2000-3000 витков провода 0,12. Катушки не имеют сердечника и намотаны на каркасе диаметром 6 мм. Стержень маятника необходимо выполнить из материала с возможно малым коэффициентом теплового расширения, хорошо подходит удилище из углеродного волокна. Длинну маятника следует подобрать так, чтобы получить требуемый период колебаний. Следует учитывать возможность точной настройки периода колебаний, чему служит дополнительный груз размещенный на маятнике — латунная гайка, поворот которой меняет распределение массы на маятнике.
Внимание: рядом с магнитом на конце маятника не должны находиться ферромагнитные материалы — стальные гвозди и винты. Также будьте осторожны с латунными и медными элементами. Движущийся в их непосредственной близости магнит возбуждает в них вихревые токи, которые тормозят движение магнита. Поэтому основу часов стоит делать из дерева, пластика, ламината, мрамора и т. д.
Электронная схема содержит только процессор в подставку, стабилитрон через резистор 100 ком и разъемы для батареи, катушки и шагового двигателя. Собрана схема на небольшой печатной плате, вырезанной из универсальной пластины. Файлы hex, содержащие прошивку процессора — .
Каждому из нас знакомо украшение в китайских часах, которое выполнено в виде «вечной» вертушки или маятника. Построить подобное чудо совсем несложно и займет это не более получаса. Взглянем на схему ниже:
При подаче на схему напряжения питания выключателем SB1 транзистор VT1 окажется закрытым, поскольку его база через катушку L1 будет соединена с эмиттером. Смещения нет, транзистор закрыт, тока через L2 тоже нет. Привяжем постоянный магнит к шнурку и качнем наш импровизированный маятник в непосредственной близости от катушек L1, L2 (они намотаны на одном каркасе). При его приближении в катушке L1 начнет наводиться ЭДС, которая откроет транзистор. Чем ближе магнит, тем сильнее открывается транзистор и тем больше ток в катушке L2, которая своим магнитным полем наш магнит начинает притягивать.
В момент, когда маятник проходит как раз над катушками, эти значения максимальны, а как только маятник по инерции начнет удаляться, ЭДС сменит знак и транзистор закроется. Таким образом, притягивается маятник только в первой половине периода, во второй он идет по инерции. Прямо как настоящие качели, которые мы раскачиваем, взмахивая ногами в первый полупериод качания. Диод VD1 предотвращает генерацию, которая может возникнуть на резонансной частоте контура L1, L2.
Теперь поговорим о конструкции наших качелей. Катушки L1 и L2 наматываются одновременно проводом диаметром 0.08 — 0.1 мм на каркасе подходящих размеров. Например, на таком:
Наматываем чем больше, тем лучше, до заполнения. Чем больше витков, тем меньшего напряжения для работы потребует маятник. При соединении катушек нужно соблюдать фазировку – начало первой соединить с концом второй. В качестве сердечника подойдет обрезок любого железного болта или даже болт целиком, если он короткий. Перед использованием этот болт нужно обжечь – нагреть докрасна на газу и остудить на воздухе.
Транзистор лучше взять с максимально возможным коэффициентом передачи. Подойдет любой маломощный германиевый (у меня работал даже кремниевый) прямой (p-n-p) проводимости. Если проводимость у транзистора обратная (n-p-n), то тоже не беда – достаточно сменить полярность подключения источника питания и диода VD1.
Маятник или качели выполняйте на свой вкус. Важно только чтобы магнит, расположенный на основании маятника, проходил в нескольких миллиметрах от сердечника катушки. Сам магнит – любой, чем мощнее, тем лучше, но ничего особенного искать не придется. Отлично подойдет кусочек «черного», ферритового магнита от динамической головки или железного – от старого детского моторчика.
В качестве источника питания используется пальчиковый или любой другой гальванический элемент, которого хватит на многие месяцы работы конструкции, причем от выключателя SB1 можно смело отказаться, поскольку в спокойном положении нашего маятника транзистор закрыт и потребление тока схемой минимально. Если магнит совсем уж слабенький или качели для него тяжеловаты, то можно увеличить напряжение питания до 3 В, включив два элемента последовательно.
В иных домах они есть — большие старинные часы в шкафу полированного красною дерева, с маятником и двумя большими блестящими гирями на цепочках. В таких часах кроется что-то загадочное — через них словно само время говорит с нами и о прошлом, и о настоящем, и о будущем…
О часах с маятником мне мечталось очень давно, однако в наследство от троюродных бабушек они мне как-то не доставались, а в комиссионках за них просили такие деньги, за которые можно было купить вполне ещё приличный автомобиль типа ВАЗ.
Но однажды в магазине мне попались на глаза обычные настенные электронные часы — и именно с таким циферблатом, какой виделся мне в мечтах. Недолго думая, я купил их — стоили они совсем не дорого. Купил потому, что в мыслях мгновенно появились они — часы, о которых я столь долго мечтал и которые отличались от электронных лишь шкафом с застеклённой дверцей и мерно качающимся маятником. Но шкаф и маятник я уж постараюсь сделать сам!
Корпус для часов получился из старой книжной полки — я рспилил её вдоль на две неравные части, и меньшая из них шириной 120 мм стала основой шкафа. Ну а из дощечек, оставшихся после этой операции, я вырезал заготовки для дверцы, склеил их эпоксидной смолой и застеклил. Кстати, для крепления стекла вполне подошёл Ш-образный пластиковый профиль — такой обычно используют для установки «движков» в шкафах и книжных полках, однако он неплохо заменил штапики при остеклении дверцы.
Наибольшую сложность вызвало воепроизведение маятникового механизма. Конечно, можно было бы спроектировать настоящий маятник, задающий точность хода электронным часам, однако создавать столь сложный прибор не было никакого резона, и я разработал гораздо более простое электромеханическое устройство, полностью имитирующее движения маятника.
Маятник представляет собой стержень, сделанный из полированной дюралюминиевой трубки диаметром 12×1 мм, имеющий точку подвески на линии, делящей его в соотношении 1:2. Шарнир подвески — это стальная скоба с ввернутыми в неё двумя установочными винтами М5 с коническими концевыми частями. В стержне маятника высверливаются, соответственно, два цилиндрических отверстия диаметром 2 мм. В нижней части маятника закрепляются декоративный диск и груз — первый сделан из компакт-диска, а второй — из стальной полоски. При необходимости, уменьшая или увеличивая груз, можно менять частоту колебаний маятника.
1—электронные часы; 2— корпус шкафчика; 3—электромагнит; 4—якорь маятника; 5—дверца шкафчика; 6—перемычка для крепления коммутаторов; 7—петля; 8—контакный лепесток коммутатора; 9—замыкатель; 10—шарнир маятника; 11—полка для крепления электронных часов и маятника; 12—стержень маятника; 13 — имитация часовой гири; 14—имитация диска маятника; 15—задняя стенка корпуса; 16—груз маятника
1—контактный лепесток (фольги-рованный текстолит s2); 2 — соединительный провод; 3 — корпус коммутатора (Д16 лист 1,5); 4—шайба (полиэтилен); 5 — винт центровки возвратной пружины; 6—возвратная пружина; 7—стержень центровки возвратной пружины
А—маятник начинает движение, при этом замыкатель касается контактного лепестка первого коммутатора, включая тем самым цепь питания электромагнита; Б—при подходе якоря к оси электромагнита контактный лепесток соскальзывает с замыкателя—и цепь питания электромагнита разрывается; В — после остановки в мёртвой точке маятник начинает движение в противоположную сторону, замыкатель при этом касается контактного лепестка второго коммутатора и включает цепь питания электромагнита.
Цифрами на схеме обозначены:
1—электромагнит; 2—якорь маятника; 3—замыкатель; 4—стержень маятника; 5—ось качания маятника; 6—коммутаторы
В верхней части стержня мятника закреплён якорь — для него потребуется полоса из мягкой (отожжённой) стали толщиной 4 мм. Для крепления его на стержне в отверстии, просверленном в якоре, нарезается резьба М12х0,5 мм.
«Двигателем» маятника является электромагнит — сделать его можно из выходного трансформатора или дросселя от старого лампового приёмника или трансляционного громкоговорителя. Нужно только перебрать его сердечник, состоящий из основных Ш-образных и замыкающих прямоугольных пластин, при этом последние следует удалить (для электромагнита они не понадобятся), а из первых сложить новый сердечник в виде толстой буквы «Ш». Обмотку придётся перемотать в соответствии с величиной тока, который может обеспечить источник — например, зарядное устройство для мобильного телефона. Практика показала, что при использовании источника постоянного тока напряжением 5 В вполне подойдёт обмотка из провода типа ПЭ диаметром 0,3 мм при наматывании ее внавал до заполнения каркаса. Кстати, вести намотку удобнее всего с помощью ручной дрели, закреплённой в настольных тисках. Сам же каркас придётся зафиксировать на резьбовом стержне с помощью двух пар шайб и гаек, а стержень — в патроне дрели.
К сожалению, с помощью только одного электромагнита привести в движение маятник не удастся — потребуются два коммутатора, включающих электромагнит лишь в те моменты, когда якорь маятника движется в его сторону.
Каждый из коммутаторов состоит из контактного лепестка, сделанного из одностороннего фольгированного текстолита. Лепесток шарнирно закреплён в дюралюминиевом корпусе и удерживается в вертикальном положении с помощью пары пружин.
Процесс коммутирования электромагнита изображён на схеме. При движении якоря к электромагниту замыкатель, установленный на стержне маятника, прикасается к проводящей стороне контактного лепестка первого коммутатора, включая при этом питание электромагнита. Последний начинает притягивать к себе якорь, но при подходе к центру электромагнита контактный лепесток соскальзывает с замыкателя, разрывая при этом цепь питания, и маятник продолжает движение по инерции. Далее на пути замыкателя — изолированная сторона контактного лепестка второго коммутатора, поэтому замыкатель беспрепятственно отклонит его и продолжит движение до остановки в мёртвой точке, а затем качнется в сторону электромагнита, и на полпути к нему замыкатель прикоснётся проводящей стороны контактного лепестка второго коммутатора, включив тем самым электромагнит. Ну а далее процесс будет повторяться до тех пор, пока устройство подключено к источнику тока.
Вот, собственно, и всё.
Сборка маятникового механизма не представляет сложности. Главное здесь — обеспечить минимальный зазор между якорем и электромагнитом (около 0,5 мм) и отрегулировать положение контактных лепестков коммутатора относительно замыкателя. Чтобы привести маятник в движение, достаточно его просто качнуть.
Часы будут неотличимы от настоящих старинных маятниковых, если за стеклом дверцы будут подвешены на цепочках две «гири» — сделать их проще всего из обрезков дюралюминиевых труб, которые следует отполировать до зеркального блеска.
К тому же на достоверность восприятия часов в значительной степени будет влиять"тщательность отделки их корпуса.
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.
Основный элементом обычных механических часов является маятник или баланс, которые приводятся в движение гирей или пружиной. Такие часы требуют регулярного и частого подзавода, что создает определенные неудобства.
Многие конструкторы долгое время работали над проблемой создания часов без гири и пружины, в результате появились электромеханические часы. В них маятник приводится в движение электромагнитом, который питается от источника электрического тока. Когда маятник приближается к положению равновесия (рис. 1), контакты, связанные с ним, замыкаются, и по обмотке электромагнита протекает ток. На маятнике укреплен якорь из мягкого железа, который притягивается неподвижным электромагнитом.
Рис. 1. Устройство электрических контактных часов.
Электромеханические часы очень экономно расходуют энергию батареи и обладают хорошей точностью хода. Но и у них есть слабое место - контакты, замыкающие цепь электромагнита. Ведь только за один год им приходится замыкаться миллионы раз, поэтому через некоторое время электрические часы начинают работать неточно. А если часы совсем маленькие, например наручные, то миниатюрные контакты в них работают еще более ненадежно.. С появлением транзисторов оказалось возможным создать бесконтактные электрические часы.
Схема электрических бесконтактных часов на транзисторе показана на рис. 2. На маятнике укреплен постоянный магнит, при движении которого в витках неподвижной катушки наводится эдс. Одна из обмоток катушки включена между базой и эмиттером транзистора, вторая -- в цепь коллектора.
Рис. 2. Электрическая схема часов на транзисторе.
Центр маятника (магнита) пересекает ось катушки в положении равновесия. При колебаниях маятника в катушке L1 наводится эдс, форма которой иллюстрируется кривой 1 (рис. 3). На этом рисунке кривые, проведенные сплошной чертой, представляют эпюры напряжений и токов, возникающих при движении маятника слева направо, а пунктиром - справа налево. Концы обмотки катушки L1 включены так, что, когда маятник подходит к положению равновесия, на базе транзистора появляется отрицательное относительно эмиттера напряжение. Оно возникает при приближении магнита к катушке, вследствие увеличения магнитного потока, пересекающего ее витки. В положении равновесия магнитный поток через катушку достигает максимума. В этот момент напряжение становится равным нулю. Далее магнитный поток начинает уменьшаться и эдс меняет знак на обратный. Когда магнит отходит далеко от катушки, напряжение на ее концах почти исчезает. Во время второго полупериода картина повторяется: при приближении магнита к катушке в обмотке L1 наводится такая эдс, что на базе напряжение отрицательно. Под действием этого импульса напряжения в цепи базы проходит ток (кривая 2) и транзистор отпирается (рис. 3).
Рис.3. Эпюры напряжения, тока а анергии маятника
для схемы часов, приведенной на рис. 2.
А - амплитуда колебаний маятника,
О - положение равновесия.
Направление витков катушки L2, включенной в цепь коллектора, таково, что, когда по ней проходит ток коллектора (кривая 3) магнит притягивается к катушке. Его движение ускоряется.
Частота колебаний маятника как и в обычных часах почти полностью определяется его физическими параметрами: длиной и распределением массы. Масса маятника в основном определяется магнитом и деталями его крепления. С маятником связывают стрелочный механизм с циферблатом, и часы готовы.
Конструкция часов. Для изготовления часов на транзисторе вполне пригодны любые маятниковые часы или "ходики". В них необходимо лишь переделать спусковое устройство и, конечно, удалить пружину или гирю; их функции будет выполнять батарея.
В обычных часах спусковое устройство, приводящее в движение маятник, имеет вид, показанный на рис. 4,а. Его надо переделать так, как показано на рис. 4,б. На ось 1 напаивают коромысло 2, на котором свободно подвешена серьга 3. При движении маятника влево серьга скользит по скошенной стороне зубца храпового колеса 4 и под действием своей тяжести соскакивает с его вершины в промежуток между зубцами. При движении маятника вправо серьга упирается в крутую сторону зубца и поворачивает храповое колесо влево на один зуб. Чтобы зафиксировать положение колеса и не дать ему поворачиваться вправо, на нем сверху лежит одним краем лепесток-собачка 5. Второй край лепестка свободно поворачивается вокруг оси 6. При вращении храпового колеса влево лепесток скользит по скошенным краям зубцов и, соскакивая с их вершин, упирается в крутые края зубцов.
Рис. 4. Устройство спускового механизма обычных часов (а).
Устройство механизма часов на транзисторе для
преобразования колебательного движения маятника
во вращательное движение стрелок (б).
Собранный механизм часов, изготовленных из обычных "ходиков", показан на рис. 5. Коромысло, серьга и лепесток-собачка в этих часах изготовлены из жести. Магнит может быть использован любой. Его объем не должен быть менее 3-4 см 3 , так как он должен удерживать груз 100-200 г. В описываемой конструкции использован кольцевой магнит от громкоговорителя диаметром 35 мм. Для регулировки хода часов крепление магнита должно предусматривать его перемещение вверх и вниз. Если часы спешат, то маятник (магнит) необходимо опустить.
Рис.5. Собранный механизм часов.
В часовом генераторе (рис.2) могут работать любые сплавные транзисторы, например, типа П13-П15. Работа генератора не зависит от величины коэффициента усиления транзистора по току. Диод Д1 можно применить типа Д7Б-Д7Ж. Вместо диода можно использовать эмиттерный или коллекторный переход германиевого сплавного транзистора, у которого оторвался вывод эмиттера или коллектора. Если в генераторе (рис.2) применен транзистор с проводимостью n-p-n, то полярность включения батареи и диода Д1 следует изменить на обратную.
Катушку электромагнита можно намотать на пластмассовом или бумажном каркасе с внутренним диаметром 20, наружным 48 и шириной 8 мм. Наматывать катушку нужно в два провода внавал до заполнения. Диаметр провода - 0,09-0,15 мм. После намотки необходимо проверить нет ли замыканий между полученными двумя обмотками. Начало одной обмотки соединяют с концом другой и к этой точке подключают вывод эмиттера транзистора.
Смотрите другие статьи раздела .
Как ни странно, но даже в таком громадном хранилище информации, как Рунет, вы не скоро найдете серьезную информацию о том, как сделать своими руками. Несомненно, вам сразу попадутся на глаза простенькие конструкции этого устройства. Но вот серьезную информацию, объяснение принципов его работы придется поискать. Если вы набрали в поисковике фразу «как сделать магнитный двигатель своими руками» и наткнулись на эту статью, вам, возможно, в какой-то степени повезло. Далее - об особенностях работы данного устройства и пример его простейшей модели.
Мощность такого двигателя напрямую зависит от магнитной массы - чем сильнее магнит, тем мощнее будет двигатель. Однако это правило относительно. Можно привести один пример - гигантский магнит объемом в кубический метр. Масса его - от 8 до 12 тонн. Он сам по себе создает громадное силовое поле, поэтому даже подходить к нему опасно и. Кстати, в реальной жизни такое явление практически невозможно. Такой магнит способен связать в узел рельсы поезда, который будет его транспортировать, скомкать вагон и накрепко прилипнуть к нему. Итак, что видно из этого примера? С одной стороны, чем больше магнитная масса, тем лучше. Однако до определенного предела. Слишком большая масса магнита - это снижение КПД двигателя и дополнительные проблемы.
При составлении схемы устройства стоит учитывать несколько моментов. Во-первых, элемент, который используется в качестве движимой части, не может проскользнуть через магнитное поле. Движущая сила возникает из-за неравномерности поля - нет движущих сил в постоянном поле. Устройства, работающие под воздействием вышеуказанного явления, малоэффективны. Это нужно учитывать, если вы желаете двигатель на постоянных магнитах своими руками. Мощность такого устройства зависит от ряда причин. В первую очередь - от замыкания магнитного поля на рабочий зазор, без магнитопровода эффективность конструкции будет весьма низкой. Из-за того, что «вольные изобретатели» двигателя часто не принимают во внимание эти правила, у них, как правило, либо ничего не получается, либо их творение работает неудовлетворительно. Самое главное при изготовлении такого устройства - это правильно определить движущий момент.
А сейчас поговорим непосредственно о том, как сделать магнитный двигатель своими руками. Вниманию читателя будет представлена самая простая его модель. Вам потребуется маленький магнит, изготовленный из редкоземельного сплава, который будет главной деталью конструкции. Чем он меньше, тем лучше. В этом магните должно быть небольшое отверстие.
Кстати, после этого эксперимента магнит полностью потеряет свои свойства, поэтому используйте тот, который вам будет не жалко потерять. Еще вам пригодится проволока - толстая стальная и тонкая медная. Также вам придется подобрать свечу нужных размеров. Из проволоки сделайте основание для качели-маятника в виде перевернутой буквы П (основание для него не должно быть деревянным). На нем подвесьте магнит. Для этого в него нужно продеть тонкую медную проволоку.
Сбоку внутри конструкции подвесьте обычный магнит послабее, чтобы маленький тянулся к нему, но чтобы при этом угол отклонения маятника был небольшим, недостаточным для того, чтоб маленький магнит коснулся большого сбоку, но достаточным для того, чтобы пламя свечи, которую вы поставите под него, его не коснулось, когда он примет вертикальное положение. При обращении с последней соблюдайте осторожность. Итак, свечу вы должны поставить таким образом, чтобы она оказалась под маленьким магнитом в тот момент, когда он станет притягиваться к большому.
Огонь размагничивает его, и он при этом теряет свои свойства, и за счет этого маятник занимает строго вертикальное положение. Когда маленький магнит охлаждается, то снова начинает тянуться к большому. Этот цикл колебаний маятника не остановится, пока не догорит свеча либо пока ее не уберут.
Чтобы сделать более «серьезный» магнитный двигатель своими руками, стоит изучить схемы, подобрать нужные для этого детали. Но и не менее важно знать то, благодаря чему работает такое устройство. Двигатель своими руками произвести не так уж и трудно, практически любой сможет это сделать.
