Щетки, скользящие на контактах ротора, могут создавать искры и электромагнитные помехи. Чтобы избежать этих помех, можно использовать бесщеточные двигатели, где нет «скользящих» контактов, а ряд электромагнитов окружают ротор. Магниты срабатывают последовательно и таким образом вращают двигатель. Эти устройства питаются с помощью двух простых проводов.
Для регулирования скорости двигателей постоянного тока мы не можем просто изменить подаваемые напряжение и ток: для функционирования двигатель требует очень точного напряжения и тока. Корректировка осуществляется путем подачи сигнала ШИМ, который несколько раз в секунду включает и выключает двигатель, достигая желаемой скорости.
Запуск электродвигателей может быть реализован с помощью простого транзистора или с использованием специальных схем, называемых драйверами, которые позволяют регулировать скорость и изменять направление вращения. Драйверы сделаны из группы транзисторов или из специальных интегральных схем. Они запускаются от сигналов с низким токоми располагаются отдельно от цепей с большими токами, необходимыми для запуска двигателя.
Рис. 2.43. Двигатель постоянного тока, шаговый двигатель и их электрические символы
В шаговых двигателях ротор не вращается свободно, но выполняет один шаг за раз. Внутри они имеют ряд электромагнитов, соединенных между собой. Чтобы повернуть вал двигателя, мы должны в правильной последовательности подать питание к группам электромагнитов. Эти двигатели легко различимы, так как они имеют 4, 6 или 8 питающих проводов. Для их запуска предпочтительно использовать управляющую схему (драйвер), который включает электромагниты. Шаговые двигатели широко используются в робототехнике и автоматизации производства, так как они очень точные: минимальный шаг вращения может составлять доли градуса!
Серводвигатели
Серводвигатель, или сервопривод (используется в станках с числовым программным управлением), представляет собой коробку, снабженную вращающимся зубчатым штифтом. Вращение не полное, но доходит до максимум 180° / 270° в зависимости от модели. Сервоприводы могут достичь заданной позиции и поддерживать ее.
Внутри серводвигателя находятся:
• двигатель постоянного тока;
• потенциометр – используется для определения положения двигателя;
• группа зубчатых колес – для подключения потенциометра и двигателя и для увеличения «механической мощности» устройства;
• небольшая контролирующая цепь – принимает контрольный сигнал, запускает двигатель и определяет его положение путем считывания потенциометра.
От серводвигателя выходят три провода: красный и черный используются для питания, третий провод (желтый или оранжевый) используется для контрольного сигнала.
Эти устройства способны развивать значительные мощности. Сервопривод с крутящим моментом 2 кгс · м способен поднять груз массой 2 кг, который штифтом прикреплен к стержню длиной 1 м. Если мы уменьшаем длину стержня до половины метра, мы сможем поднять четыре килограмма при 50 см.
Рис. 2.44. Серводвигатель и его электрический символ
Сигнал управления должен быть точен. Как правило, сигнал может быть 0 или 5 В. Чтобы привести сервопривод на положение 0°, мы должны создать последовательность импульсов в 5 В, длительностью 1 с и с паузой 20 мс. Увеличивая длительность импульса, мы будем двигать вал серводвигателя от 0° до максимального значения (например, на 180°) с импульсами длительностью 2 мс.
Громкоговорители
Существуют различные устройства, способные преобразовывать электрический сигнал в звук. Наиболее распространенным является динамический громкоговоритель или динамик, в котором ток течет в катушке, которая двигается вверх-вниз вдоль постоянного магнита. Катушка соединена с мембраной. Подавая различный ток, мы управляем движением катушки в магнитном поле и производим звук соединенной с ней мембраной. Для включения громкоговорителя нужно определенное количество энергии, которая подается от силовых цепей. Характеристиками громкоговорителей являются:
• Импеданс: это волновое сопротивление громкоговорителя. Оно выражается в омах и имеет очень низкие значения (4, 8, 16 Ом).
• Мощность: максимальный сигнал, который громкоговоритель способен выдержать без повреждений.
• Диапазон частот: большие громкоговорители способны лучше производить низкие частоты и называются сабвуферами (громкоговорители низких частот). Громкоговорители для высоких частот называются твитерами, а те, которые используются для средних частот, называются громкоговорителями среднего диапазона. Чтобы охватить все частоты, вы можете объединить несколько громкоговорителей с фильтрами, которые разделяют частоты (кроссовер).
Рис. 2.45. Мембранный громкоговоритель и его символ (слева), пьезоэлектрический зуммер (справа)
Чтобы воспроизводить звуки, мы можем также использовать пьезоэлектрические зуммеры и генераторы. Пьезоэлектрические приборы используют свойства некоторых материалов изменять свою собственную механическую структуру, когда через них проходит электрический ток. Это не оченьмощные устройства, не сравнимые с Hi-Fi-устройствами, но они идеальны для генерирования простых звуковых сигналов.
Зуммеры – это электромеханические устройства, похожие на реле и создающие вибрирующий звук: небольшой электромагнит приводит в движение мембрану, которая производит жужжащий звук. Зуммеры являются простыми предупреждающими устройствами, и их звук не может быть изменен.
Микрофоны
Микрофон преобразует механические колебания в электрический сигнал. Его принцип работы противоположен принципу работы громкоговорителя: звуковые вибрации передвигают катушку, погруженную в электрическое поле, которое генерирует ток, пропорциональный уловленному звуку. Чем выше чувствительность микрофона, тем он лучше. Раньше, в старых телефонах, микрофоны содержали капсулу с углем, который под воздействием механической нагрузки изменял электрическое сопротивление капсулы. Современные микрофоны часто содержат тонкие пластины, погруженные в магнитные или электрические поля. Конденсаторные и электретные микрофоны изготовлены по принципу конденсатора: одна из пластин соединена с мембраной микрофона и, вибрируя, производит электрический сигнал.
В ленточных микрофонах звуковой сигнал улавливается с помощью тонкой металлической пластинки в магнитном поле.
