leoniv (leoniv) wrote,
leoniv
leoniv

Category:

Боковые двигатели "Электроника-004" (часть 1)



Если назвать самый главный недостаток магнитофона "Электроника-004", то это будет, несомненно, гудение боковых двигателей. Оно бывает тише или громче. Гудение модулировано частотой вращения катушек, поэтому его иногда называют "завывание". Когда я впервые принес такой магнитофон в дом (с мыслями - ничего себе такой mp3-плейерчик весом 27 кг!), то был просто шокирован гудением - вибрировал весь стол. С этим надо было что-то делать.



Статистика по гудению боковых двигателей магнитофонов «Электроника» и «Олимп» в Интернете довольно обширная. Общая картина такова: некоторые экземпляры двигателей гудят больше, некоторые меньше, некоторые совсем не гудят. По аппаратам всех моделей статистика примерно одинаковая. Гудящий двигатель после перестановки в другой аппарат, как правило, продолжает гудеть и там. Вывод – причина гудения кроется в самих моторах. Если так, то логично устранять проблему их заменой. Но тут кроется проблема: чем заменять? Если бы был доступ к целой куче ДП-3, то можно было бы выбрать пару слабо гудящих двигателей. Но если купить пару двигателей на замену, то это будет лотерея. Скорее всего, гудение останется примерно таким же.

Studer-Revox. Несколько моделей магнитофонов Studer-Revox имеют аналогичные двигатели. Они устанавливаются на место ДП-3 либо прямо, либо через переходник.



Обладатели Revox-овских двигателей утверждают, что они гудят намного тише. Но такие двигатели надо еще найти, да и цена их не такая уж маленькая. К тому же, как и для любого другого б/у товара, здесь тоже лотерея. Находил информацию, что в Revox A-700 тоже иногда гудят боковые двигатели.

Подшипники и прокладки. В Интернете встречал мнение, что для устранения гудения достаточно поменять подшипники в двигателе. Гудение двигателя – это вибрация ротора, влияние будут оказывать многие факторы. Люфт в подшипниках будет способствовать усилению гудения, и их замена способна гудение уменьшить. Но полностью проблему таким способом не решить.



Еще встречал рекомендации закрепить боковые двигатели через эластичные прокладки, а также покрыть шасси ЛПМ звукопоглощающим материалом. Все это имеет какой-то эффект, но это борьба со следствием, а не с причиной.

Искажение формы тока регулирующим транзистором. Еще одной часто называемой причиной гудения является искажение формы тока питания двигателя. Действительно, схема управления вносит искажения в форму тока, это показывает и моделирование.

Для привода боковых узлов магнитофона используются асинхронные конденсаторные двигатели ДП-3. Они питаются напряжением сетевой частоты. Для этого трансформатор имеет специальные обмотки 60 В и 100 В. В режиме перемотки на двигатель подается 100 В и на принимающей стороне ничего не регулируется. Для поддержания натяжения ленты регулируется крутящий момент двигателя на подающей стороне. А в режиме рабочего хода регулируется момент обоих двигателей. Регулировка осуществляется изменением напряжения питания двигателей.

Чтобы для регулировки переменного напряжения можно было использовать транзистор, который имеет однонаправленную проводимость, используется диодный мост. Та диагональ, куда обычно подается переменное напряжение, включена в разрыв цепи двигателя. Другая диагональ, откуда обычно снимается постоянное напряжение, подключена к транзистору.

Диодный мост вносит какую-то нелинейность, но тут она проявляется очень слабо, так как напряжение питания двигателя (порядка 100 В) намного больше прямого падения на диодах (на двух диодах падает около 1.5 В). Если в диагональ моста вместо транзистора включить переменный резистор, то переменное напряжение на двигателе плавно регулируется, а искажений его формы не видно.

В случае применения транзистора ситуация ухудшается. При постоянном токе базы (или постоянном напряжении затвор-исток для полевого транзистора) на синусоиде видны искажения. Причиной является неидеальность характеристик транзистора. Здесь он работает в таких условиях, что напряжение коллектор-эмиттер в пределах одной полуволны сетевого напряжения меняется от нуля до некоторого большого значения, вплоть до максимального.

Причем с полевым транзистором моделирование дает даже худший результат, чем с биполярным. Если посмотреть на семейство выходных характеристик MOSFET, то видно, что омический режим занимает лишь малую часть в области малых напряжений сток-исток.

В принципе, отклонение формы от синусоидальной особо ничем не грозит. Оно означает обогащение спектра сигнала высшими гармониками. В двигателе моментообразующей является только первая гармоника, остальные лишь бесполезно его нагревают, хотя здесь это не так критично. Еще гармоники могут увеличивать поле паразитного излучения двигателя, что в данном случае весьма нежелательно. Поэтому все же надо стремиться к синусоидальной форме питающего напряжения.

Охватив каскад на транзисторе отрицательной обратной связью, можно получить вполне приемлемые искажения формы регулируемого напряжения. Вот модель схемы управления боковым двигателем магнитофона «Электроника-004»:



Моделирование показывает, что при малых значениях напряжения питания двигателя синусоида заметно искажена (красный график). Для сравнения на графике приведена идеальная синусоида (синий график). Но при малых напряжениях питания гудение двигателя тоже незначительное.



При более высоких напряжениях форма приближается к синусоидальной, хотя некоторые искажения есть, она немного «сплюснута», полуволны несколько шире, чем у идеального синуса.



Надо сказать, что в целом эта схема при своей простоте работает весьма хорошо.

В магнитофоне «Studer A700», который можно считать прародителем магнитофонов семейств «Электроника» и «Олимп», применялись меры по уменьшению искажений напряжения питания двигателей. Схема управления там была значительно сложнее.

Идея состоит в том, чтобы модулировать ток базы регулирующего транзистора по синусоидальному закону. Вернее, по закону модуля синуса, ведь в обоих полупериодах направление тока через транзистор одно и то же. Для этого формировалось опорное напряжение в форме модуля синуса. Это напряжение с помощью двух резисторов снималось с того же транзистора. Чтобы величина напряжения не зависела от степени открытия транзистора, через резисторы определенных номиналов суммировалось напряжение с коллектора и эмиттера. При открытии транзистора напряжение на коллекторе падает, зато растет ток, а вместе с ним и напряжение на эмиттерном резисторе. Конечно, номиналы резисторов могли быть подобраны только для конкретного напряжения питания, сопротивления нагрузки и т.д. Но в данном случае изменение опорного напряжения приведет лишь к отклонению передаточной характеристики от линейной, что не страшно, так как все это находится внутри петли ОС регулировки натяжения ленты. Разве что могут возникнуть вопросы с устойчивостью. В магнитофоне «Studer B67» сделано по-другому, опорное напряжение берется с обмотки сетевого трансформатора. В результате его амплитуда будет постоянной. С другой стороны, будет небольшая погрешность фазы, ведь так не будет учитываться реактивная составляющая полного сопротивления двигателя.

Далее сигнал модуля синуса нужно регулировать по амплитуде согласно управляющему сигналу с датчиков натяжения ленты. Для этого используется аналоговый перемножитель.

Модель этой схемы с использованием идеальных компонентов выглядит так:



В ранних версиях «Studer A700» применялась специализированная микросхема TCA561, содержащая аналоговый перемножитель. В дальнейшем схема поменялась, и начал применяться перемножитель на ОУ и сборке полевых транзисторов. На одном полевом транзисторе собран аттенюатор сигнала модуля синуса, а на втором транзисторе – аттенюатор постоянного напряжения, который включен в цепь обратной связи ОУ. Второй аттенюатор используется для линеаризации первого. В результате получается аналоговый перемножитель с характеристикой, близкой к идеальной.



Отрегулированный по амплитуде сигнал сдвигается по уровню на величину постоянного напряжения база-эмиттер составного регулирующего транзистора и через резистор подается на базу. Номиналы компонентов этой схемы критичны к разбросу параметров транзисторов. Как было сказано выше, критичными являются номиналы резисторов формирования опорного напряжения. Постоянное смещение управляющего сигнала тоже нельзя задать точно, потому что напряжение база-эмиттер транзисторов зависит от температуры. Для формирования смещения используется диод, который дает какую-то компенсацию, только он почему-то один, хотя транзистор составной, к тому же, один из них прилично греется и установлен на выносном радиаторе. Еще один критичный резистор осуществляет компенсацию сопротивления канала открытых полевых транзисторов перемножителя. Его номинал будет зависеть от параметров этих транзисторов. Без такой компенсации будет невозможным получение малых значений напряжения на выходе. В результате схема «Studer A700» хоть и дает меньшие искажения синуса, но только при условии точной настройки.

Работа этой схемы с реальным перемножителем на полевых транзисторах показана на графиках выше (красные графики). Видно, что для малых выходных напряжений схема дает значительно меньшие искажения синуса, чем схема магнитофона «Электроника-004». При больших выходных напряжениях искажения синуса по-прежнему есть, причем в другую сторону – полуволны становятся более «острыми».

Подобная схема управления в «Studer A700» применялась как для боковых, так и для ведущего двигателя. Позже эта схема была скопирована для ведущего двигателя «Олимп-004» и старше.

Значительно улучшить работу схемы и устранить зависимость от параметров компонентов можно путем реализации обратной связи по току.



В эмиттере регулирующего транзистора уже предусмотрен резистор, который можно использовать как датчик тока. Благодаря обратной связи устраняются погрешности, связанные с нелинейностью передаточной характеристики транзистора. К тому же, в такой схеме можно использовать как биполярный регулирующий транзистор, так и MOSFET. Мощные высоковольтные MOSFET сейчас более распространены, чем аналогичные биполярные транзисторы.

Чтобы избавиться от погрешностей перемножителя, можно применить интегральный аналоговый перемножитель, например, AD633. Проблему получения стабильного опорного напряжения можно решить, если взять его с обмотки сетевого трансформатора. Хотя нестабильность опорного напряжения здесь практически ни на что не влияет, можно по-прежнему снимать его с регулирующего транзистора.

В результате у такой схемы искажения синуса становятся практически незаметными для любого значения выходного напряжения (зеленый график, для сравнения синим цветом показан идеальный синус).





Микросхемы аналоговых перемножителей сравнительно дорогие (AD633 стоит порядка 8$). Поэтому было бы заманчиво обойтись без них. Можно, конечно, применить дешевый вариант перемножителя на полевых транзисторах, как сделано в «Studer A700». А можно попытаться реализовать систему с использованием микроконтроллера. Как вариант, микроконтроллер с помощью ЦАП может формировать сигнал модуля синуса, амплитуда которого будет определяться сигналом датчиков натяжения, которые можно подать на вход АЦП. Только надо учесть, что сигнал модуля синуса должен быть привязан по фазе к сетевому напряжению. Это не такая простая, но вполне решаемая задача.

Чтобы проверить, как сильно влияет искажение питающего напряжения на гудение двигателя, вовсе необязательно собирать эту сложную схему с перемножителями. Можно вообще выкинуть регулирующий транзистор и в виде эксперимента регулировать момент двигателя вручную с помощью ЛАТРа. В этом случае вообще исключаются все искажения, вносимые блоком управления. Такой эксперимент был проделан. Результат – искажения формы питающего напряжения не оказывают влияния на гудение. Оно осталось прежним. Это ставит под сомнение необходимость какого-то ни было усложнения схемы с целью уменьшения искажений.

Возникает вопрос, зачем тогда такая схема использовалась в «Studer A700» и некоторых других магнитофонах? Какая-то польза от снижения гармоник питающего напряжения все-таки есть. Во-первых, двигатель будет меньше греться. Во-вторых, будет меньше паразитное излучение на частоте гармоник сети. В случае ведущего двигателя, возможно, будет некоторое уменьшение коэффициента детонации, но насчет этого я не уверен. Являются ли эти преимущества важными? Не думаю.

В магнитофоне «Studer A810», который можно считать дальнейшим развитием «Studer A700», все эти ухищрения выкинули, никакой коррекции формы тока ведущего двигателя не производят. А для боковых двигателей вообще применили неожиданное решение: транзисторы стали работать в ключевом режиме. Действительно, если модуль синуса ШИМ-ить и затем фильтровать, то его амплитуда будет регулироваться без искажений формы. В этом случае никакие перемножители не нужны. Правда, неясно одно: боролись в основном с паразитным излучением двигателей, а тут получилось, что в аппарате из-за ШИМ-регулирования будут циркулировать высокочастотные токи со свойственными им помехами. Впрочем, помех всегда можно избежать конструктивно.

Искаженная форма сетевого напряжения. Еще одна гипотеза – гудение появляется из-за отклонения формы сетевого напряжения. Действительно, форма напряжения в сети в наше время далека от синуса. Обилие устройств с импульсными источниками питания приводит к тому, что вершины синусоиды, где приходится максимальная нагрузка, заметно обрезаны. Для питания боковых двигателей используется именно сетевое напряжение, которое просто регулируется по амплитуде. При этом все его искажения остаются, какую бы ни делали схему управления. В частности, при эксперименте с ЛАТР-ом двигатель тоже питался сетевым напряжением со всеми присущими ему искажениями. А искажения напряжения сети могут быть настолько значительными, что на их фоне искажения блока управления просто незаметны.

Приведу реально снятые осциллограммы при питании двигателей реальным сетевым напряжением. Если поставить маленькую катушку для ленты (№10), то в ее начале для получения номинального натяжения ленты от двигателя требуется очень маленький момент, напряжение питания двигателя всего порядка 25 В. В таком режиме двигатель совершенно не гудит. Вот осциллограммы (напряжение на двигателе, напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора и ток коллектора транзистора):



Если поставить полную катушку №27, то на двигателе напряжение порядка 50…55 В, в таком режиме двигатель заметно гудит. Вот осциллограммы (напряжение на двигателе, напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора и ток коллектора транзистора):



В обоих случаях напряжение питания двигателя имеет приплюснутые вершины, что во втором случае еще более заметно, тут свою лепту вносит и схема управления.

Для проверки гипотезы с искажениями сетевого напряжения надо попробовать запитать двигатель неискаженным синусом. Чтобы получить такое напряжение, надо взять генератор синусоидального сигнала (я взял SG-642) и усилить его выход по напряжению. Для этого был сделан высоковольтный усилитель с собственным двухполярным источником питания. Он обеспечивает выходное напряжение до ±80 В.



Усилитель использует съем сигнала с выводов питания ОУ. Выходной каскад работет в режиме B. Первоначально собирался применить комплементарную пару высоковольтных транзисторов MJE15034/MJE15035. Но гораздо доступней и дешевле высоковольтные транзисторы структуры n-p-n. В результате решил применить квазикомплементарный выходной каскад, а заодно вспомнить про диод Баксандалла :)



Двигатель в своем обычном конденсаторном включении был подключен к выходу этого усилителя. Форма выходного сигнала была чисто синусоидальной. Коэффициент гармоник я не измерял, но на осциллографе искажений синуса заметно не было. И что в результате? Двигатель гудел точно так же, как при прямом питании от сети. Вывод: форма питающего напряжения практически не влияет на величину гудения.

Что же тогда?

Tags: electronics, reel-to-reel, Электроника-004, катушечник, магнитофон
Subscribe

  • Директор на час

    Что надо для того, чтобы реализовать любой проект? Очевидно, нужны определенные ресурсы. Нужны деньги на приобретение комплектующих и материалов.…

  • Менеджмент неудач

    Что ни проект – то облом. Ничего не работает, ничего не получается. И даже если что-то работает, оно еле с духом и готово его в любой момент…

  • Чипсы

    За окном, вроде, пятница, хочется написать пост ни о чем. Технические посты, если судить по реакции, всем уже надоели. Мне всегда казалось, что в…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 5 comments