Сделай дня малышей — электронные качели

Рассказ пойдет, конечно не о настоящих качелях, а о модели-игрушке. Как и настоящие качели, наша игрушка действующая, в Движение ее приводит… электрический ток. А раскачиваться на них будет, скажем, фигурка медвежонка.

Обратите внимание на принципиальную схему качелей, приведенную на рисунке 1. На транзисторе Т1 собран электронный ключ, через который подается питание на обмотку катушки L2 электромагнита. Управляющий сигнал на ключ поступает с обмотки катушки L1, размещенной на том же каркасе, что и L2.

При замыкании выключателя SA1 на транзистор будет подано напряжение питания. Транзистор окажется закрытым, поскольку его база соединена с эмиттером через катушку индуктивности L1 и напряжение смещения на базу отсутствует. В эмиттерной цепи транзистора будет протекать сравнительно небольшой обратный ток коллектора.

Но стоит приблизить к сердечнику электромагнита постоянный магнит (скажем, северным полюсом), как в обмотке катушки L1 начнет наводиться электродвижущая сила (ЭДС). На базе Транзистора появится отрицательное напряжение смещения, которое будет увеличиваться с приближением магнита. Транзистор откроется, и через катушку L2 потечет ток. Вокруг сердечника электромагнита образуется магнитное поле, которое начнет притягивать постоянный магнит. Наибольшее напряжение смещения будет тогда, когда постоянный магнит окажется над сердечником электромагнита. При дальнейшем же его продвижении над сердечником окажется другой полюс магнита, и ЭДС изменит свое направление. На базе транзистора появится положительное напряжение, а транзистор закроется. Ток через обмотку электромагнита прекратится.

Итак, при определенном положении постоянного магнита относительно сердечника электромагнита появляется сила, подталкивающая магнит. Она и будет раскачивать игрушечные качели.

Диод VD1, шунтирующий обмотку катушки Ц2, предупреждает возникновение в ней колебаний с частотой, определяемой индуктивностью электромагнита, ёмкостью монтажа и транзистора. Дело в том, что при открывании транзистора возникает колебательный процесс, который из-за сильной связи между базовой и эмиттерной цепями может быть незатухающим. Управляющее действие постоянного магнита может прекратиться, и качели остановятся. Диод же, срезая положительную полуволну уже первого колебания, препятствует возникновению этого явления.

Транзистор может быть любой из серий МП39— МП42, диод — любой из серий Д9, Д226. Источник питания на напряжение 4, 5 В или на напряжение 9 В — в зависимости от силы используемого постоянного магнита. Совсем не обязательно ставить выключатель питания SA1, поскольку, когда постоянный магнит находится против сердечника электромагнита (качели остановлены), транзистор закрыт и устройство потребляет незначительный ток.

Катушки наматывают на каркасе (рис. 2, а), склеенном из плотного картона или выточенном из подходящего изоляционного материала. Обмотки наматывают одновременно (рис. 2, б), сложив вместе два провода ПЭЛ, ПЭВ или ПЭЛШО диаметром 0, 1… 0, 15 мм, до заполнения каркаса. Внутрь каркаса вставляют сердечник (рис. 2, в), выточенный из мягкой стали, и приклеивают его к каркасу. Чтобы улучшить магнитные свойства сердечника и предупредить его остаточную намагниченность, заготовку сердечника желательно отжечь (нагреть, например, в пламени горелки газовой плиты), а затем охладить при комнатной температуре.

Детали электронной схемы размещают внутри небольшого корпуса (рис. 3), а качели укрепляют на его верхней панели. Электромагнит крепят к панели 3 (рис. 4) так, чтобы сердечник 4 был вровень с поверхностью панели или немного выступал над ней. Для крепления качелей к этой же панели прикрепляют две стойки, а между ними устанавливают перекладину. В перекладину вбивают две проволочные скобки и пропускают через них отрезки толстых швейных ниток. Концы ниток привязывают к доске 2 качелей, на которую усаживают фигурку медвежонка.

Снизу к доске приклеивают небольшой постоянный магнит 1. Учтите: чем сильнее магнит, тем лучше работает электронный ключ. Магнит можно составить из двух магнитов от негодного микроэлектродвигателя — их склеивают так, чтобы северные полюса были в середине. Подойдет магнит от магнитной защелки (такие защелки используются в современной мебели) или от других устройств. Если имеющийся магнит велик, не пытайтесь расколоть его ударами молотка, иначе он размагнитится. Отделить часть магнита можно, либо сжимая его в тисках, либо отламывая без удара.

Магнит прикрепляют к доске так, чтобы при остановленных качелях он находился точно напротив сердечника электромагнита и на расстоянии 2… 3 мм от него (это расстояние регулируют с помощью нитяных подвесок доски).

Включив питание игрушки, качните доску с медвежонком. Если она вскоре остановился, вероятная причина — неправильное включение обмотки катушки 1. 1 электромагнита. Поменяйте местами ее выводы.

Работу электронного ключа можно проверить и так. Выключив питание, подключите параллельно выводам выключателя (иначе говоря, в цепь коллектора транзистора) миллиамперметр на 100 мА. При раскачивании доски или приближении постоянного магнита к сердечнику электромагнита стрелка миллиамперметра будет резко отклоняться. Если она отклоняется слабо, установите более сильный -постоянный магнит или увеличьте напряжение питания.

Эту игрушку можно переделать в качели-перекладину (рис. 5) с двумя фигурками животных или куклами. Понадобятся два постоянных магнита, вмонтированных в раскачивающуюся перекладину, и два электромагнита, расположенных в корпусе — основании качелей.

Пока электромагниты не питаются постоянным током, один из постоянных магнитов притягивается к сердечнику «своего» электромагнита. Когда же в обмотку электромагнита поступает ток, возникающее вокруг сердечника магнитное поле взаимодействует с полем постоянного магнита и отталкивает магнит от сердечника. Перекладина как бы получает толчок и переходит в другое состояние. Спустя некоторое время через обмотки электромагнитов вновь протекает ток, и перекладина возвращается в первоначальное положение. При определенной частоте следования импульсов тока через электромагниты фигурки будут качаться на качелях-перекладине.

Схема игрушки приведена на рисунке 6. На транзисторах VT1 и VT2 собран мультивибратор, вырабатывающий импульсы прямоугольной формы. Частота их следования зависит от номиналов деталей CI, R2 и С2, R3, R4. С помощью переменного резистора R3 частоту можно изменять примерно от 20 до 60 импульсов в минуту.

В одну из плеч мультивибратора включен усилитель тока на транзисторе VT3. С его коллекторной нагрузки (резистор R6) импульсы поступают на электронные реле, выполненные на транзисторах VT4 и VT5. Когда эти транзисторы открываются, через обмотки электромагнитов YA1 и YA2 протекает ток и вокруг сердечников электромагнитов образуется магнитное поле. Резисторы R7 и R8 служат для ограничения тока через эмиттерные переходы транзисторов, a R9 и R10—— для надежного закрывания транзисторов во время пауз между импульсами (когда транзистор VT3 открыт, но между его коллектором и эмиттером есть небольшое падение напряжения, характерное для так называемого режима насыщения данного транзистора).

Диоды, шунтирующие обмотки электромагнитов, выполняют такую же роль, что и в предыдущей конструкции: гасят электрические колебания, которые могут возникнуть из-за индуктивного характера нагрузки в коллекторной цепи транзисторов.

Вы, наверное, скажете, что можно было бы электромагниты включить параллельно и использовать только один управляющий транзистор Это верно, но тогда пришлось бы поставить более мощный и дорогостоящий транзистор. При нашем же решении используются два маломощных и дешевых транзистора.

Кроме указанных на схеме, можно применить другие транзисторы серий МП39— МП42, диоды — любые из серий Д226. Постоянные резисторы — МЛТ-0, 25 или МЛТ-0, 125, переменный — СП-1 или другой, мощностью не менее 0, 25 Вт, конденсаторы — К50-6. Эти детали, кроме переменного резистора, смонтируйте на плате (рис. 7). Монтаж наве£ной, но его нетрудно сделать и печатным, если есть односторонний фольгированный текстолит или стеклотекстолит.

Плату с деталями укрепите внутри корпуса-основания — его можно склеить из органического стекла или изготовить из фанеры. На узкой боковой стенке корпуса установите выключатель питания SA1 (например, тумблер) и переменный резистор. Внутри корпуса с помощью скобок укрепите источник питания — две последовательно соединенные батареи 3336.

Конструкция электромагнитов такая же, что и в предыдущей самоделке, но размеры иные. Так, каркас теперь должен быть высотой 38… 40 и диаметром 15… 16 мм. Внутренний диаметр каркаса 12…13 мм, диаметр щечек 28… 30 мм.

Внутрь каркаса должен быть вставлен сердечник диаметром 12… 13 и длиной 43… 45 мм из малоуглеродистой стали (можно использовать сердечники негодных электромагнитных реле типа РКН). На каркас наматывают обмотку электромагнита —2600… 2800 витков провода ПЭВ-1 или ПЭЛ диаметром 0, 24… 0, 26 мм. Сопротивление обмотки будет примерно 65 Ом.

Прежде чем устанавливать электромагниты, нужно изготовить из дерева или пластмассы стойки и перекладину качелей. На концах перекладины снизу следует выдолбить неглубокие канавки и укрепить в них постоянные магниты прямоугольного или квадратного сечения длиной по 25… 30 мм. Затем нужно вставить в перекладину ось, укрепить ее в стойках и прикрепить к концам перекладины сверху легкие (10… 15 г) и одинаковые по массе куклы или фигурки животных. Аккуратным перемещением фигурок по перекладине надо установить состояние равновесия. Кроме того, следует добиться легкого вращения перекладины вокруг оси.

Наметив места крепления стоек на крышке корпуса, ставят на крышке отметки против одноименных полюсов постоянных магнитов, обращенных к концам перекладины. В этих местах сверлят отверстия под сердечники электромагнитов и прикрепляют электромагниты к крышке снизу. Сверху крышку оклеивают декоративной бумагой или тонким изоляционным материалом, после чего укрепляют на крышке стойки с перекладиной.

Как правило, игрушка начинает действовать сразу же после подачи напряжения питания выключателем SA1. Если в каком-то положении перекладины она не отталкивается от корпуса, поменяйте полярность подключения выводов обмотки соответствующего электромагнита. Если и после этого перекладина не отталкивается, проверьте работу электронного реле, включив в цепь коллектора транзистора миллиамперметр на 150… 200 мА. Отсутствие скачков тока укажет либо на неисправность транзистора, либо на ошибку в монтаже.

Во время работы игрушки подберите переменным резистором нужную частоту качаний перекладины.